多基线干涉 SAR 高程重建技术研究

硕士学位论文多基线干涉SAR高程重建技术研究作者姓名：指导教师：学位类别：工学硕士学科专业：通信与信息系统研究所：中国科学院电子学研究所2017 年4 月Study on Elevation Reconstruction of Multi - BaselineInterferometric SARA Dissertation Submitted toThe University of Chinese Academy of SciencesIn partial fulfillment of the requirementFor the degree ofMaster of Communication and Information SystemInstitute of Electronics, Chinese Academy of SciencesApril, 2016研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。

尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国科学院电子学研究所或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。

与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。

特此申明。

签名：日期：关于学位论文使用权的说明本人完全了解中国科学院电子学研究所有关保留、使用学位论文的规定，其中包括：①电子所有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②电子所可以采用影印、缩印或其他复制手段复制并保存学位论文；③电子所可允许学位论文被查阅或借阅；④电子所可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤电子所可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。

签名：日期：导师签名：日期:摘要摘要干涉合成孔径雷达（Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR）技术通过利用两幅或两幅以上的SAR复图像提取出干涉相位，从而获得地表高程信息，是对传统SAR技术的一种拓展。

InSAR技术分为单基线InSAR技术和多基线InSAR 技术，传统单基线InSAR技术面临着相位解缠困难，在悬崖、建筑等高程起伏较大的区域，单基线相位解缠算法会失效。

为解决该问题，多基线InSAR系统被引入，与单基线InSAR系统相比，多基线InSAR系统增加了多条基线，从不同角度得到同一场景的复数据。

多基线InSAR系统利用多幅干涉图像，可以避免单基线InSAR系统中相位解缠的困难并提高重建精度。

本文围绕多基线InSAR高程重建技术，重点研究了干涉相位滤波步骤和高程反演步骤，主要工作和创新点总结如下：(1) 从InSAR系统和地面目标几何关系着手，推导了干涉相位与高程间的数学关系，分析了InSAR系统的测高原理，并简单介绍了InSAR数据处理的基本流程。

(2) 针对干涉相位滤波算法，总结分析了空域滤波、频域滤波、最大后验概率滤波等多种算法。

提出了一种基于概率的非局域均值滤波算法处理含噪声相位，该算法改进了非局域均值滤波算法的权值公式，实验表明该算法取得了良好的滤波效果。

(3) 对比分析了鲁棒的中国剩余定理、聚类分析法和最大似然法等多基线InSAR 高度重建算法。

此外，提出一种非局部模糊c-均值聚类的高度重建算法，该算法利用非局部思想优化了目标函数。

通过实验分析了该算法的优点和不足，在此基础上提出了一种优化措施提高重建精度。

(4) 提出一种基于最大后验框架的聚类重建算法。

该算法利用最大似然法估计得到场景高程的先验分布，然后在邻域内聚类分析后进行超参数估计，接着通过计算后验概率更新待重建目标的高度，并增加了一种优化措施提升重建精度。

实验表明该算法取得了良好的重建效果。

关键词：干涉合成孔径雷达，多基线，高度重建，非局域均值滤波，聚类算法多基线干涉SAR高程重建技术研究AbstractAbstractInterferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) technology is an important extension of traditional SAR technology by using two or more SAR complex images to extract the interference phase, thus obtaining surface elevation information. InSAR technology is divided into single baseline InSAR technology and multi-baseline InSAR technology. The traditional single baseline InSAR is faced with difficulties in phase unwrapping. In the areas where cliffs and buildings are highly undulating, the single baseline phase unwrapping algorithm will fail. To solve this problem, the multi-baseline InSAR system is studied in depth. Compared with the single baseline InSAR system, the multi-baseline InSAR system adds multiple baselines, and the complex data of the same scene are obtained from different angles. Using multiple interference images, it is possible to avoid the difficulty of phase unwrapping and to improve the reconstruction accuracy. In this paper, we focus on the multi-baseline InSAR elevation reconstruction technology, focusing on the interference phase filtering step and elevation reconstrcution process, the main content and innovation are summarized as follows:(1) Based on the geometric relationship between InSAR system and ground target, the mathematical relationship between interference phase and elevation is deduced, and the principle of height measurement of InSAR system is analyzed, and the basic flow of InSAR data processing is briefly described.(2) Aiming at the interference phase filtering algorithm, this paper summarizes the algorithms of spatial filtering, frequency domain filtering and maximum a posteriori probability filtering, and proposes a probability-based nonlocal mean filtering algorithm to deal with the noise phase. The algorithm improves the weight formula of the nonlocal mean filter algorithm, and the experiment shows that the algorithm has a good filtering effect.(3) A multi-baseline height reconstruction algorithm based on robust Chinese residual theorem, clustering analysis method and maximum likelihood method is compared and analyzed. In addition, a height reconstructed algorithm for non-local fuzzy c-meansResearch on Imaging Algorithm for Spaceborne/Stationary Bistatic Aperture Radarclustering is proposed, which uses the non-local idea to optimize the objective function. The advantages and disadvantages of the algorithm are analyzed experimentally. On this basis, an optimization measure is proposed to improve the reconstruction precision.(4) A clustering reconstruction algorithm based on maximum a posteriori framework is proposed. Firstly, the maximum likelihood method is used to estimate the prior distribution of the scene elevation, then, the hyperparameter estimation is carried out after the clustering analysis in the neighborhood, finally, the height of the target to be reconstructed is estimated by calculating the posterior probability and an optimization measure is added to lift accuracy. Experiments show that the algorithm has good effect.Key words: Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR), multi-baseline, digital elevation map (DEM), non-local means filtering, clustering algorithm(CA)目录目录摘要 (I)Abstract ........................................................................................................................... I II 第一章绪论 . (1)1.1研究背景和意义 (1)1.2国内外研究现状 (2)1.2.1 InSAR研究现状 (2)1.2.2 多基线InSAR研究现状 (4)1.2.3 典型的多基线InSAR系统 (5)1.3 本文内容安排及意义 (9)第二章InSAR基本理论 (11)2.1 引言 (11)2.2 InSAR基本原理 (11)2.3 干涉SAR相干因素分析 (16)2.4 干涉SAR处理 (18)2.5 本章小结 (20)第三章相位滤波算法 (21)3.1 引言 (21)3.2 相位噪声模型 (21)3.3 空域滤波算法 (24)3.4 频域滤波算法 (27)3.5 最大后验概率滤波算法 (30)3.6 非局域均值滤波算法及改进算法 (33)3.6.1 非局域均值滤波算法 (33)3.6.2 基于概率的非局域均值滤波算法 (34)3.7 本章小结 (41)第四章基于通道关系的高度重建算法 (43)4.1 引言 (43)4.2 鲁棒的中国剩余定理高度重建算法 (43)4.3 最大似然高度重建算法 (47)4.4 模糊c-均值聚类高度重建算法及其改进算法 (50)4.4.1 模糊c-均值聚类高度算法 (50)4.4.2 基于模糊c-均值聚类的高度重建算法 (51)4.4.3 基于非局部的模糊c-均值聚类高度重建算法 (52)4.5 本章小结 (57)第五章基于先验分布模型的高度重建算法 (59)5.1 引言 (59)5.2 最大后验模型高度重建算法 (59)5.2.1局部求解算法 (60)5.2.2 全局求解算法 (61)5.3 基于最大后验框架的聚类高度重建算法(CABMAP) (62)5.3.1 CABMAP算法模型 (62)5.3.2 算法模型优化 (64)5.3.3 实验验证 (66)5.4 本章小结 (74)第六章结束语 (75)6.1 研究内容总结 (75)6.2 后续工作展望 (75)参考文献 (77)攻读硕士期间发表的论文 (85)第一章绪论第一章绪论1.1研究背景和意义干涉合成孔径雷达（Interferometric Synthetic Aperture Radar ,InSAR）测量技术通过从SAR图像复数据中提取相位信息可以获取场景内的地形高度[1-3]。