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基于总变分的干涉成像高度计相位滤波方法.docx
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基于总变分的干涉成像高度计相位滤波方法.docx
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1. 引言
星载双天线短基线宽幅干涉成像高度计将成为海洋亚中尺度动力现象研究中不可或缺
的重要手段
[1,2]
。以 SWOT (The Surface Water and Ocean Topography)任务
[3,4]
为代表的海洋
干涉成像高度计,利用近天底角(<10°)干涉合成孔径雷达高程提取技术,在高时间分辨率
(1~3 d)和高空间分辨率(1~10 km)的基础上,实现对宽刈幅(100~200 km)范围内的海面动
力地形的厘米级探测反演(≤5 cm),满足海洋亚中尺度现象研究中全周期精准观测的迫切需
求。干涉成像高度计高程探测精度取决于雷达回波信号之间相位偏差的精确性,由于干涉
相位中存在各种量级的随机相位噪声且噪声分布于所有频率下,极大影响了高程相关相位
的准确性,因此需要对去平地效应后的干涉相位图进行有效的噪声抑制,恢复其中的真实
相位信息,保证海面高度厘米级的反演精度。
干涉相位滤波方法可以大致分为空域滤波和变换域滤波两大类。空域经典滤波方法主
要包括中值与均值滤波、多视滤波、Lee 滤波
[5-7]
以及 Non Local-InSAR
[8,9]
滤波等多种算
法,该类算法直接对复数域干涉相位或复数域相位的实部与虚部进行滤波处理,在有效抑
制干涉相位条纹图噪声的同时,通过局部或全局自适应调整滤波强度的手段尽可能保持干
涉条纹边缘细节。以 Goldstein
[10,11]
滤波算法为代表的变换域干涉相位滤波算法,需要对复
空域干涉相位进行频域、小波域
[12]
或正余弦变换,在相应变换域上实施滤波处理过程,变
换恢复空域后的相位噪声得到有效衰减,条纹结构得到较好保存。但是,由于面向海面高
度提取的干涉成像高度计的观测角较小(SWOT 观测角度为 0.6°~3.6°),海面散射系数与雷
达分辨率等在不同入射角下差异明显,导致刈幅内的干涉相位噪声分布不均匀。传统滤波
算法在成像高度计干涉相位滤波上的效果不理想,且这些算法均会不同程度损失分辨率信
息
[13]
,因此将数学偏微分方程求解最优能量泛函的变分方法作为通用的图像噪声滤波
[14]
方
法,成为宽幅干涉成像高度计干涉相位图像去噪与复原的新思路。利用总变分
[15-18]
或广义
总变分正则化
[19]
图像滤波算法,不仅可以自适应抑制相位图的噪声,同时也可以较好地保
持图像的边缘细节。
本文根据干涉成像高度计干涉相位特点以及随机相位噪声统计分布特性,针对总变分
滤波方法提出了一种非均匀空变噪声下的干涉相位退化模型,解决了干涉成像高度计刈幅
范围内滤波相位误差不均匀分布的问题,同时尽可能保持分辨率。通过 SWOT-Simulator
仿真产生海面高度相位场景以及海面目标高度突变场景,分别用不同滤波方法对随机相位
噪声进行抑制,从刈幅相位误差分布的均匀性、相位边缘与分辨率保持能力两方面进行了
对比分析,验证了所提方法的有效性。
2. 干涉成像高度计与干涉相位噪声
双天线干涉成像高度计测高原理
[20]
如图 1 所示,h 为待测点海面高程,水平分置于卫
星两侧的天线之间的基线长度为 B, H 是卫星平台的高度,θ 是下视角,r
1
, r
2
分别是两天线
到观测目标点的斜距,斜距差$\Delta r = {r_2} - {r_1}$。
图 1 干涉成像高度计测高原理示意图
下载: 全尺寸图片 幻灯片
$$ h = \sqrt {{{\left( {{R_{\rm{e}}} + H} \right)}^2} + R_1^2 - 2{R_1}\left( {{R_{\rm{e}}} + H} \right)\cos \theta } -
{R_{\rm{e}}} $$
(1)
$$ \phi {\rm{ = }}\frac{{{\rm{2}}\pi }}{\lambda }\Delta r = kB\sin \left( {\theta - \alpha } \right) $$
(2)
其中,k 是电磁波波数,λ 是雷达波长,φ 为干涉相位。根据合成孔径雷达(Synthetic
Aperture Radar, SAR)成像原理,距离向分辨率为
$${\rho _r} = \frac{{\rm{c}}}{{2{B_{\rm{w}}}\sin \theta }}$$
(3)
其中,c 为光速,B
w
为发射信号带宽。干涉成像高度计的下视角 θ 范围为 0.5°~10°,
此时回波信号由于准镜面反射机理在相对平坦的海面回波信号强度更高,规整的干涉条纹
呈现近端密集远端稀疏的空变特点,且干涉图的相干质量大于 0.95,但分辨率在刈幅两端
相差大约 10 倍。图 2 为天宫二号搭载的 InIRA 干涉成像雷达高度计试验载荷的真实相位
图及对应的相干系数
[21]
。
图 2 天宫二号 InIRA 载荷的干涉相位图与相干系数
下载: 全尺寸图片 幻灯片
干涉相位 φ 是主辅图像之间的相位偏差,直接决定干涉测高系统的精度。干涉相位包
括两个天线到目标的斜距变化,海面散射特性引起的相位差异${\phi _{{\rm{sc}}}} $,信
号传播延时造成的相位干扰${\phi _{{\rm{tr}}}} $,系统信噪比、多普勒中心、处理算法等
引起的随机相位噪声${\phi _{{\rm{n}}}} $以及系统相位漂移${\phi _{{\rm{pd}}}} $等因
素。
$$\phi {\rm{ = }} - \frac{{2\pi }}{\lambda }\Delta r + {\phi _{{\rm{sc}}}} + {\phi _{{\rm{tr}}}} + {\phi _{\rm{n}}}
+ {\phi _{{\rm{pd}}}}$$
(4)
对于星载宽幅干涉成像高度计,影响相位差准确性的主要因素是干涉系统相位漂移和
系统的随机相位噪声。前者是一个在轨长周期缓慢变化的过程,一般通过定标等手段予以
消除。随机相位噪声会影响干涉图质量,与系统相干性有关,无法被完全消除,需要干涉
相位滤波环节进行抑制处理,从而恢复较真实的相位信息。随机相位噪声的统计特性与系
统相干性的关系可以表示为
$${\sigma _\phi }{\rm{ = }}\frac{{\rm{1}}}{{\sqrt {{\rm{2}}L} }}\frac{{\sqrt {1 - {{\left| \gamma
\right|}^2}} }}{{\left| \gamma \right|}}$$
(5)
其中,L 为等效视数,系统的相干性 γ 主要受热噪声 γ
N
影响,同时还包括几何去相干
性 γ
G
、角度/体散射去相关性 γ
φ
等多种因素,即$\gamma {\rm{ = }}{\gamma _{\rm{N}}}
\cdot {\gamma _{\rm{G}}} \cdot {\gamma _{\rm{\phi}} } \cdots$。工作模式为一发双收体制
的干涉成像高度计基线较短(<20 m),主辅双天线采用近天底观测视角且两者之间的偏差很
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