p波段全极化sar数据处理方法分析

Abstract

withwideadaptabilitywaspresentedfromtheaspectofcompromise

between"minimuminterferometriccoherence^^and“groundvolume

scatteringphasecenterseparation”,andvalidatedwithPolSARprosimulator.

(5)AimingatthehighsensitivityofPbandsignaltoionosphericeffectsduring

transferringintheionosphere,theionosphericeffectsonsignalphase,

polarizationstateandInSAR/PolInSARcoherencewereinvestigated,and

furthermoreaspacebomePbandfullypolarimetricSARdataprocessing

methodcombiningbothFaradayrotationmeasurementandautofocus

processingwaspresentedfromtheaspectofAppleton-Hartreeequation.By

involvinghighprecisiongeomagneticinformation,theFaradayrotation

effectsandphaseperturbationwascombinedwiththeparameterofTotal

ElectronContent(TEC)toimprovethefocusingofspacebomePbandfully

polarimetricSARimaging.Thismethodcanavoidtheproblemoflow

resolutionofTECmeasurementwithGPS,andisapplicableforpracticeuse.

KeyWords:P-band,follypolarimetricsyntheticapertureradar,digitalelevationmap

(DEM),optimumbaseline,ionosphericeffects,Faradayrotation

IV

目录

插图目录

图1.1中科院电子所P波段SAR功率图像示意........................4

图2.1合成孔径雷达成像几何示意（条带模式）......................13

图2.2方位频域中的子孔径示意.....................................15

图2.3子孔径成像示意（Pauli分解图，即&也2.S；T.I，SHH|）......16

图2.4单色平面波的传播............................................18

图2.5极化椭圆示意................................................19

图2.6干涉SAR成像几何示意......................................26

图2.7散射机理提取示意...........................................30

图3.1实验区光学图像..............................................35

图3.2定标场区域SAR功率图像示意................................36

图3.3P波段极化定标器示意........................................36

图3.4板化定标流程................................................38

图3.5定标前三面角反射器参数.....................................41

图3.6定标后三面角反射器参数.....................................41

图3.7〃，卬串扰定标................................................42

图3.8%z串扰定标.................................................42

图3.9定标结果的角反射器极化特征图对比..........................43

图3.10P波段极化SAR图像板化定标结果示意（SHH四，2”,S“|SW）

..........................................................44

图3.11P波段天线方向图近场测量结果.............................45

图3.12主要P波段系统波束角示意.................................45

图3.13极化方位角估计.I..........................................46

图3.14宽波束角下雷达观测几何...................................49

图3.15子孔径下定标器的极化特征图................................50

图3.16茶池镇地区P波段极化SAR功率图像.........................53

图3.17不稳定像素点标注结果......................................54

图3.18茂池地区局部山区DEM反演结果............................56

图3.19定标场区域平坦地形实景...................................57

图3.20P波段定标场区域DEM反演结果............................58

图3.21P波段定标场区域DEM反演结果3-D视图..................59

8

目录

图4.1干涉图像对示意.............................................62

图4.2HH极化干涉条纹示意.......................................63

图4.3,,干涉相干示意.................................63

HHWHHVVHV

图4.4最优相干示意................................................64

图4.5相干系数统计直方图.........................................65

图4.6稀疏树木散射相位中心分离示意..............................66

图4.7农田散射相位中心分离示意..................................67

图4.8城区散射相位中心分离示意..................................68

图4.9色度图......................................................69

图4.10分类结果对比...............................................71

图4.11森林主要散射类型..........................................73

图4.12P'X波段SAR图像对比.....................................75

图4.13IECASP波段SAR地体幅度比/dB.................................................75

图4.14面散射垂直结构函数示意...................................76

图4.15体散射垂直结构示意图......................................76

图4.16森林复合散射模型..........................................79

图4.17复合森林模型下的复相干系数示意...........................80

图4.18相位管示意.................................................84

图4.19IECASP波段SAR系统相位管分析（飞行高度3000米•入射角

4）

....................................................................................................................85

图4.20IECASP波段SAR系统相位管分析（飞行高度7000米，入射角

4）

....................................................................................................................86

图4.21最小干涉相干性与散射相位中心分离度随垂直基线变化.......89

图4.22P波段"基线管"示意（|/?|0.7,H3000/M,2

0.4839m）.......90图4.23P波段树高反演结果示意（1315机，

4）................91图4.24P波段重轨极化干涉相干圆

图................................92

图4.25基于PolSARpro仿真的树高估计结果.........................92

图5.1电离层干扰下的成像几何.....................................99

图5.2电磁波传播分析采用的局部参考坐标系〔”2,133]..............................................wo

图5.3法拉第旋转示意.............................................100

9

图5.4多普勒去相干.............目妻..............................102

图5.5垂直向电子浓度剖面仿真示例（平均峰值电子浓度1012eVm3•波动

10%）................................................................................................................103

图5.6不同电离层状态下点目标成像示意...........................105

10

目录

图5.7逆Stolt插值方法面目标干涉仿真示意“361....................105

图5.8不同波段下电离层不规则体去相干示意.......................106

图5.9不同法拉第旋转下极化干涉相干最优对比.....................108

图5.10法拉第旋转估计偏差示意...................................114

图5.11法拉第旋转估计(德国Traunstein地区•ALOS/PALSAR)……115

图5.12法拉第旋转估计(亚马逊地区，ALOS/PALSAR)............115

图5.13法拉第旋转角估计与信噪比依赖关系。......................116

图5.14TEC估计示意..............................................118

图5.15电离层干扰下星载SAR系统目标观测几何..................119

图5.16结合法拉第旋转角估计的自聚焦成像结果...................120

图5.17结合于法拉第旋转估计的点目标自聚焦处理结果(SNCR=30dB)

..........................................................120

图5.18结合法拉第旋转估计的点目标自聚焦处理结果(SNCR=25dB)

..............................................................120

图5.19结合法拉第旋转估计的点目标自聚焦处理结果(SNCR=20dB)

..............................................................121

图1泊松方程求解流程............................................130

10

目录

表格目录

表2.1基本散射机理................................................22

表2.2典型散射机制的极化响应.....................................25

表3.1定标场角反射器类型.........................................36

表3.2成像系统参数................................................37

表3.3成像系统参数................................................53

表3.4角反射器高程反演误差.......................................59

表4.1P波段SAR系统参数.........................................87

表4.2PolSARpro系统及森林场景参数设置..........................91

表5.3P波段星载系统仿真参数....................................119

11

第1章绪论

第1章绪论

1.1引言

合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar-SAR)是20世纪50年代研制成功

的一种工作在微波波段的主动式传感器­它通过脉冲压缩和孔径合成技术来提高

距离向和方位向上的二维分辨能力，从而获得高分辨率的雷达遥感图像。由于它

具有全天候、全天时的工作能力­并可以在不同的微波波段、不同极化状态下对

目标进行观测，因此自其研制之初至今，合成孔径雷达技术已经在地质、测绘、

农业、林业和军事等多个对地观测领域获得了广泛的应用。

自20世纪80年代开始，SAR遥感技术逐渐由利用单一频段单一极化的应

用阶段过渡到多波段多极化SAR综合应用的新阶段，形成了以极化合成孔径雷

达(PolarimetricSARPolSAR),干涉合成孔径雷达(InterferometricSARInSAR)

以及极化干涉合成孔径雷达(PolarimetricInterferometricSAR■PolInSAR)为代

表的微波遥感综合应用。

在波段选择方面­随着系统设计和数据处理技术的进步，低频P波段SAR

系统(230MHz-1GHz)日益受到人们的青睐。这是由于P波段的长波特性使

其在穿透森林等植被时衰减较小，可以与地表以及森林的主体——主枝和树干以

及浅表根部发生作用，因此该频段回波一方面可以反映更加真实的地表信息，另

一方面则可以更加如实地反映森林主体结构以及生物量变化，从而在地形测绘和

全球碳循环监测中发挥重要作用。

鉴于P波段SAR系统独特的应用潜力和数据处理中面临的一些技术难题，

各大研究机构如美国的喷气动力实验室(NASA-JPL)221,德国宇航局(German

AerospaceCentre■DLR)⑶,法国空间研究局电磁和雷达科学部(Electromagnetic

andRadarScienceDepartment•DEMR)141,中电集团第38研究所,中国科学院

电子学研究所(InstituteofElectronicsChineseAcademyofSciences,IECAS)等

单位纷纷开展了相关研究建设了一批具备极化干涉观测能力的P波段机载SAR

实验系统，并围绕P波段数据特点，开展了一系列面向不同应用的数据处理方法

研究，推动和促进了P波段全极化SAR数据处理技术及其应用研究的发展。

第1章绪论

1.2P波段极化干涉SAR数据处理研究发展概况

1.2.1P波段全极化SAR系统发展概况

国际发展动态

鉴于P波段极化SAR数据的独特应用价值，自上世纪八十年代，世界各大

研究机构相继设计了一系列P波段全极化SAR系统并陆续投入实验研究。

上世纪八十年代美国NASA-JPL实验室率先设计并实施了包括P波段(440

MHz)系统在内的多波段AirSAR项目比21。该系统具有三个工作模式：极化模

式(POLSAR),地形测量模式(TOPSAR)­以及顺轨干涉模式(AlongTrack

InterferometerSAR)°1987年末通过搭载DC-8飞机■该系统在加州地区进行了

首次飞行⑵。此后AirSAR系统在美洲'欧洲、澳洲以及亚洲等地执行了一系列

数据采集和处理研究⑸，获取了美国本土和其他国家的熔岩'农田'森林、海洋

等诸多方面的大量数据信息，为P波段机载SAR数据处理及应用研究的发展提

供了大量的数据支持⑵。

为了验证新的系统设计技术及数据处理算法，德国宇航局(DLR)研制了多

波段机载SAR实验系统E-SAR。该系统搭载于DornierDO228机载平台之上，

能够提供经过极化定标的P波段(350MHz)⑶全极化数据和重轨极化干涉SAR

数据⑹。其中，针对开阔水域的成像分析显示，该系统的HH和VV通道等效噪

声系数达到-34dB，而HV通道达到-32dB•而成像旁瓣可以抑制在-15dB以下

⑶。为有效降低无线电干扰对P波段回波的影响，该系统采用了"监听"

(Listen-Only)模式的数据处理方法⑺,并取得了较好的效果。自2003年以来，

该系统已经在INDREX项目框架之下围绕森林垂直结构参数反演网，干涉地形测

绘⑼等应用开展了一系列数据处理方法研究。

RAMSES是由法国宇航中心的电磁和雷达科学部门(FrenchAerospace

ResearchAgency•ONERA)开发的多频全极化机载系统项目川。2000年末•该

系统拓展了P波段全极化应用"3,其工作频率为435MHz，观测角可以在30到

85之间变化。法国空间研究中心(CNES)低频雷达工作组(LowFrequency

RadarWorkingGroup)于2001年4月至5月间依赖于该系统开展了"PYLA，01"

实验项目14,1。】，针对低频波段在次地表层湿度监测，生物量评估■海洋深度和盐

度制图，考古学等方面的数据处理及其应用潜力研究展开了一系列实验”74「并

为后续项目的进一步开展提供了大量的数据处理成果支撑。

上述各P波段机载系统在进行极化干涉SAR研究时均需依赖于重轨数据处

理模式­出于降低系统及任务设计中的航线控制、基线测量­以及数据处理中的

配准'地形校正等步骤的难度■从而提高数字地形图(DigitalElevationM叩­

2

第1章绪论

DEM）测量精度的考虑，美国航空航天局喷气推进实验室（NASA/JPL）与加利

福尼亚州资源保护局以及Calgis公司联合开发了一套机载双天线双频极化SAR

系统----GeoSAR•目前该系统由辉固地球数据公司（FugroEarthData­Inc.）拥

有和运营。该系统是目前公开报道的唯一的P波段单航过柔性基线构型的机载全

极化SAR系统•其主要组件包括安装于"湾流n"（GulfStreamII）机身上的一

对X波段天线以及安装于机翼末端的一对P波段天线（350MHz）通过搭载Gulf

StreamII飞机，该系统可以从1万米高空以160平方千米/分的速度对地面信息

进行绘制。该系统的P波段电波可以穿透植被，从而显示林下或浅表地层建筑，

并提供隐藏于植被下的自然与人造地表要素5米分辨率的影像。同时其提供的P

波段正射校正图像和数字高程（DEM）数据不易受到天气和土地植被覆盖类型

的影响，因此尤其适合于在赤道地区进行高效地形制图。自2002年以来•辉固

公司已经利用GeoSAR系统完成了全球700,000多平方公里面积的测绘。

综上可见，机载平台对P波段极化干涉SAR数据处理技术的发展起到了极

大的推动作用，这也使得由机载平台向星载平台的技术拓展逐渐成为可能。2005

年3月，欧空局公布了新一期的地球资源环境监测项目的征求计划。目前，作为

三个候选项目之一的"BIOMASSSAR"已经与其它两个候选项目-----

"CoRelhO"、"PREMIER"一起进入了可行性论证阶段1⑸。该系统的设计工作

频率435MHz­带宽8MHz，轨道高度600km•通过重轨模式（25〜45天），可

以进行极化干涉SAR应用。出于避开太阳黑子活动高峰期的考虑，该系统暂定

于2016年升空•如果该系统可以顺利升空，它将会成为全世界首个P波段星载

全极化SAR全球环境监测系统”6,⑺。

国内发展动态

我国的机载P波段极化SAR系统研制工作在近年来也在紧追国际步伐。例

如，中电集团第38研究所研制的机载P波段极化SAR系统。在青海玉树抗震救

灾任务中,该系统通过搭载"奖状"号SAR测绘飞机，经由12条航线的飞行，

获取了震区2000平方千米区域的机载雷达影像，为抗震救灾指挥部指挥救援行

动提供了实时信息，并为灾后重建工作提供了重要的决策依据।网。

中科院电子所（InstituteofElectronics■ChineseAcademy•IECAS）承担的

隶属于国家863专题"高性能航空SAR遥感应用系统"的"P波段极化SAR系

统技术”课题目前也已经进入了实验运行阶段。该系统的中心频率为620MHz，

带宽200MHz。通过搭载中科院"奖状"飞机，该系统目前已在山西、河北等地

区采集了一系列实验数据（如图1.1所示），并进行了相应的极化定标以及地形

反演实验研究”91。随着系统研制工作的进一步顺利开展，该系统将在很大程度上

缓解我国在P波段极化SAR数据处理技术研究中面临的数据资源匮乏的窘境，

3

第1章绪论

并有力地推动我国P波段全极化数据处理及应用研究的阶跃发展，进而为我国的

森林环境资源监测、植被穿透成像'地形测绘等应用研究开辟广阔的发展空间。

上述各系统的具体参数可参见附录。

图1.1中科院电子所P波段SAR功率图像示意

1.2.2P波段全极化SAR数据处理技术概况

国际发展动态

P波段对植被的穿透特性可以使电磁波较为容易的到达地表，同时其长波特

性也使得P波段对地表小尺度颗粒结构不敏感。针对这一特点■Lee、Schuler等

利用观测目标表面坡度造成的SAR极化方位角偏移特性­结合P波段极化SAR

系统在全极化SAR地形反演3-221,地表粗糙度估计［23,24］等方面开展了一系列研

究。其研究成果显示，P波段的植被穿透特性可以使极化回波更加如实地反映地

表信息，因此相比于其它中高频波段，依赖于圆极化协方差矩阵的极化方位角偏

移估计处理可以更加准确地推导DEM反演结果。然而，由于DEM反演中只有

极化方位角一个观测量，而待求解的则有距离向和方位向坡度角两个未知量，因

此该问题是一个欠定问题。Lee等POLI采用了两条垂直航迹的方法处理该问题，

4

第1章绪论

但这会在一定程度上增加系统的运行成本和技术处理难度。随着P波段全极化

SAR数据处理研究工作的进一步开展P波段宽波束角特性逐渐开始引起研究者

们的关注。传统的条带雷达图像的单一视角假定此时开始面临挑战。Ainsworth1251

利用P波段E-SAR高分辨系统,通过时频分解技术首先对方位向宽波束角下的

目标极化散射特性稳定性进行了研究。其研究结果显示，在SAR成像的窄波束

角假设下，独立的雷达散射体是稳定的，然而随着方位向波束角的增大，一方面­

雷达会从差异较大的多个视角对同一散射体进行观测；另一方面,系统分辨率的

提高会使得一个散射体占据多个像素•因此，此时来自于给定散射体的非稳定响

应会影响雷达总的后向散射及极化散射特性125-27］。进一步的,Ferro-Famil等利用

Cloude-PottierHA(Entropy-Anisotropic-Alpha)极化分解技术口'「

研究

了高分辨系统下的宽波束方位角对极化SAR数据目标极化散射特性稳定性的影

响，进而提出了一种依赖于二阶统计特性的判别策略以校正方位向宽波束角对板

化数据的影响［26,27］。然而，尽管P波段宽波束角所导致的多视角观测会造成全

极化SAR数据散射特性的不稳定表现，但同样也会为依赖于单航过全极化SAR

的数据处理带来更多的观测信息，从而为解决诸如DEM反演等数据处理中的欠

定问题提供一条可行的途径。

在森林遥感的数据处理方面，「波段系统对植被、林下浅表等的长波穿透特

性目前也仍然是研究者们重点关注的要点之一〔29-321。由于P波段在穿透植被覆盖

区域时衰减较小，可以穿透植被冠层以及小尺寸枝杈等结构，并与植被下层主体

以及植被覆盖下的浅表发生作用，因此在回波数据中，地表项会混合于所有的极

化通道之中，从而使得P波段数据具有相比于高频波段具有更大的地体幅度比

(GroundtoVolumeRatio■GVR)及更大的变化范围⑴*】。就这一特点.研究者

们已经针对P波段极化SAR森林树高估计展开了一系列数据处理研究。例如，

Dubois-Fernandez利用P波段RAMSES系统对松林树高反演的研究显示,尽管P

波段具有良好的植被穿透性能，但在数据处理过程中假定一个已知的消光系数或

假定一个已知的消光系数范围，森林区域的P波段极化干涉SAR数据依然符合

RVoG(RandomVolumeoverGround)模型,依赖于该处理方法的树高反演精度

可以达到1.2米以内网。而Garestier等针对P波段极化干涉SAR树高反演模型

的研究显示，虽然利用P波段极化干涉SAR数据进行树高反演在地表相干系数

从0.7到1的变化过程中树高反演精度会受到严重影响•但是如果假设极化数据

的地表干涉相干性可以保持在0.9以上­则反演模型中地表干涉相干性的影响可

以被忽略。此外.Lavalle等围绕P波段GeoSAR系统的，Rena等围绕E-SAR

INDREX-II实验项目对P波段极化干涉SAR在热带雨林地区的数据处理及其性

能研究也展开了一系列分析［37-391。

5

第1章绪论

尽管机载系统具有机动性强，成本较低等优势，但星载系统具有的快速'大

区域、全方位、全天候以及安全的优点，也使得由机载平台向星载平台的技术拓

展需求日益升温。然而，相异于机载系统•实现P波段星载极化SAR系统的一

个关键技术难题在于克服电离层效应对电波的干扰，如地磁场作用引起的法拉第

旋转效应'色散造成的波束展宽效应以及电离层引起的信号相位波动效应等。目

前•尽管星载P波段SAR系统——"BIOMASSSAR”仍然处于项目筹备阶段•

依赖于通信卫星信号、半物理仿真数据闺⑷।以及理论推导的p波段极化SAR数

据处理研究已经获得了如火如荼的开展。例如，依赖于VHF/UHF波段的数据处

理研究显示­星载情况下P波段电波的传输干扰(电离效应)不再像其它高频波

段那样可以被忽略阕，431,传输媒介的空域不规则分布和时变特性会造成雷达电波

信号的幅度、相位以及极化矢量的改变，从而影响成像聚焦­并给辐射定标、板

化定标以及数据处理带来困难田的。在成像散焦的研究中，Quegan和Lamont

等1471最早利用合成天线增益方向图和相位屏模型模拟了电离层对星载SAR数据

的影响；此后Ishimaru和Liu等图加通过将电离层效应引入到SAR的点扩展函

数模型之中，研究了电离层对200MHz〜2GHz频率的星载SAR数据成像处理

的影响；Belcher.】则系统的总结了电离层对SAR成像影响的理论限制，其研究

结果表明，距离向的成像散焦总可以通过数据的自聚焦处理所去除，而方位向散

焦则主要是受到电离层波动的影响，这种波动特性严重限制了方位向的成像分辨

率。由于电离层效应可以通过沿电波传播路径积分的电离层总电子含量(Total

ElectronContent-TEC)进行表征，因此尽可能精确的TEC变化估计对于电离层

效应的处理来说是必不可少的⑷,I。然而由于受到硬件'信号的多径传播、地面

GPS接收站数量等条件的限制〔52】，尽可能精确的实时TEC估计和电离层效应处

理仍然是星载P波段数据处理技术的一个重要研究方向田居々］。

国内研究进展

由于目前国内P波段全极化SAR系统的发展与国外相比略有滞后­在机载

数据处理方面，研究者的研究工作受到了可用数据源的极大限制。因此，在P

波段机载全极化SAR数据的极化定标处理、宽波束角极化特征分析、极化DEM

反演处理以及散射相位中心分离处理等研究方面,国内开展的研究工作相对较

少。然而，随着国内P波段机载全极化SAR系统研制工作的顺利开展，这一现

状将会得到极大的改善，并有力的推动我国P波段机载全极化SAR数据处理研

究的阶跃发展。

在P波段星载SAR系统理论和数据处理技术的研究领域，国内学者们则紧

跟甚至引领着国际研究步伐•取得了大量出色的研究成果。例如,在星载SAR

成像散焦模型研究方面，许正文等曲431利用四阶矩法对Ishimaru等人提出的星

6

第1章绪论

载SAR电离层失真模型14&5。1进行了改进，李廉林等1551利用双频双点互相关函数

(Two-FrequencyandTwo-PositionCoherenceFunction•TFTPCF)针对电离层对

星载SAR成像距离向和方位向分辨率的影响展开了相应研究。翟文帅、唐辉等

[56的则从成像校正的数据处理角度出发，利用点目标成像仿真，研究了电离层传

播时延引起的图像位置偏移和由电离层色散效应造成的图像分辨率下降问题，并

设计了相应的成像处理算法。在星载P波段SAR系统电离层极化法拉第旋转效

应研究方面，由于国内外目前均缺乏成型的P波段星载极化SAR系统，因此该

部分的数据处理研究多是针对半物理仿真数据或L波段ALOS/PALSAR数据进

行。例如，戚任远、金亚秋等网利用P波段半物理仿真数据对法拉第旋转效应

的研究显示，在经历法拉第旋转后,P波段全极化测量数据未经校正不可以直接

用于地表分类，但校正后数据所面临的/2相位模糊并不会影响地表参

数

u,v,H,等的计算。李廉林等网基于四分量地物散射模型.通过机载L波段

极化数据的半物理仿真­研究了电离层法拉第旋转对极化SAR数据的影响,

并在此基础上提出了一种基于回波数据统计二阶矩的TEC估计处理方法以消

除加性噪声干扰，提高极化SAR的电离层板化定标精度。

综上所述,随着中科院电子所P波段机载全极化SAR实验系统的系统研制

和数据采集工作的进一步开展，一方面，该系统将会在很大程度上缓解我国在P

波段全极化数据处理研究中面临的数据资源匮乏的窘境，从而推动P波段机载板

化SAR数据处理及其应用研究的阶跃发展；另一方面•该系统可以为星载极化

SAR数据处理研究提供半物理仿真源，因此可以为电离层干扰下的P波段极化

SAR数据的成像处理、板化定标处理等相关研究提供更好的数据支持。

1.3论文研究思路与结构安排

综上所述，P波段极化SAR系统的工作频率处于300MHz~1GHz频段范

围内，工作波长则处于0.3m〜1m之间，一方面­其长波低频特点使得该系统

在植被覆盖区域具有较强的辐射穿透性，易穿透植被冠层并与地表、植被主体以

及植被浅表根部发生作用•因此在地形拓扑、地物分类、树高估计等方面•具有

重要的应用价值和研究意义；另一方面•这种低频长波特点也使得P波段极化

SAR数据具有显著的相异于其它波段的特点•如方位向宽波束角、高地体幅度

比以及电离层效应敏感性等­也为极化数据处理带来了新的要求和技术挑战。

在上述的国内外研究背景下，本文拟围绕P波段全极化SAR的数据特点，

以极化数据处理方法的研究为主线，首先针对P波段全极化SAR数据的宽波束

角特点，在极化定标处理后，推导基于子视分解处理的最小二乘二元线性回归数

据处理方法，并结合实际数据验证该处理方法在单航过DEM反演中的应用；其

第1章绪论

次围绕P波段极化SAR数据的长波高辐射穿透性特点•对依赖于散射相位中心

分离处理的P波段重轨极化干涉SAR地物分类进行相应分析，并基于P波段极

化SAR数据较高的地体幅度比这一基本观察，针对后续实验数据采集规划的需

求，提出一种适用范围更广的基线设计方法；最后，在机载数据处理的基础上，

本文的研究内容进一步向星载平台进行拓展，从Appleton-Hartree方程的角度出

发，重点分析电离层相位扰动和极化平面旋转对P波段星载SAR数据成像和干

涉/极化干涉处理的影响•并结合ALOS/PALSAR的数据处理及分析结果，提出

一种联合法拉第旋转效应检测与相位扰动自聚焦成像的P波段星载极化SAR数

据处理方法。

本论文的具体结构安排如下：

第2章：极化/极化干涉SAR的基本理论研究。本章系统阐述了论文研究过

程中所涉及的成像、极化、极化干涉处理等背景知识，为后续的P波段极化/板

化干涉SAR数据处理研究奠定理论基础。首先从SAR成像基本原理入手介绍了

宽波束角下的子孔径处理技术；而后从电波传播与极化散射机理入手，介绍了波

的极化概念、极化SAR的基础理论以及极化干涉SAR的概念与原理。具体的研

究内容包括：①从SAR原理和成像模型角度出发，介绍了宽波束角下的子视分

解处理原理。②从电磁波极化散射过程分析入手，介绍了极化SAR原理，分析

了极化观测散射矩阵与地物散射机理之间的联系。③结合Stokes矢量，从极化

合成的角度重点分析了极化散射响应与极化椭圆方位角偏移理论。④从极化干涉

SAR矢量干涉测量的基本理论出发•重点分析了矢量干涉测量中投影矢量与极

化干涉相干之间的联系，以及多层模型下散射中心分离的基本原理。

第3章：P波段极化SAR数据宽波束角效应分析及处理。本章首先结合中

科院电子所P波段机载全极化SAR系统板化定标实验，进行了极化定标处理研

究；而后针对P波段SAR天线宽波束角的特性，从子孔径分解的数据处理角度,

分析了极化数据子视下散射特性的变化；最后在此基础上提出了一种基于最小二

乘二元线性回归的数据处理方法，以解决单航过P波段全极化SARDEM反演的

欠定问题,并利用中科院电子所P波段机载极化SAR系统于2010年12月采集

的两景P波段机载数据进行了相应实验验证。具体的研究内容包括：①通过三面

角反射器进行了P波段全极化SAR数据的极化定标处理及分析；②针对P波段宽

波束角特性，推导了宽波束角下地形坡度与极化方位角偏移模型；③分析了宽波

束角下子视分解数据处理技术基于二阶统计T矩阵的子视像素极化散射稳定性

对中科院电子所采集的P波段全极化SAR数据进行了相应分析；④提出了一种

基于最小二乘原理的二元线性回归DEM反演处理方法•以解决单航过P波段全

极化SARDEM反演的欠定问题；⑤利用中科院电子所P波段机载极化SAR系

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第1章绪论

统于2010年12月采集的两景P波段机载数据进行了相应的DEM反演实验验证。

第4章：P波段PoUnSAR数据散射相位中心分离处理及分析。本章结合中

科院电子所P波段全极化SAR系统,首先通过重轨极化干涉SAR数据处理，分

析了P波段极化干涉SAR数据的散射相位中心分离表现；在此基础上，对依赖

于散射相位中心分离的P波段重轨极化干涉SAR地物分类进行了相应处理和分

析；最后，基于P波段极化SAR系统较高的地体幅度比这一基本观察，针对后

续的数据获取实验规划需求，提出了一种适用范围更广的极化干涉SAR最优基

线估计方法，即"基线管"方法•并结合PolSARpro仿真器进行了相应的基线性

能分析和实验验证。具体的研究内容包括：①从极化干涉数据的复相干性角度对

P波段重轨极化干涉SAR数据集进行简要介绍和分析■利用不同地物散射特征

对应的不同散射相位中心隔离度进行了初步的地物分类实验和分析；②简要介绍

极化干涉SAR森林遥感基本理论，分析森林媒介中的电波传播特性，在分析

RVoG/ERWG/OVoG模型的基础上对森林树高估计的三阶段反演方法进行了阐

述；③利用极化干涉SAR相干系数和干涉相位随地体幅度比的变化规律，通过

相位管分析技术，对中科院电子所P波段机载SAR系统进行了极化干涉SAR相

位中心分离能力分析；④在相位管研究的基础上，结合不同波段系统地体幅度比

取值差异的特点，从同时最大化"最小干涉相干性"和"地-体散射相位中心分

离度"的角度出发，提出了一种“基线管"极化干涉SAR最优基线设计方法，

并通过P波段PolSARpro仿真数据进行了实验验证。

第5章：星载P波段极化SAR数据电离层效应分析及处理。本章针对P波

段电波在穿越电离层媒介过程中对电离层效应的高敏感特性,从

Appleton-Hartree方程出发•重点分析了电离层相位扰动和极化平面旋转对P波

段星载SAR数据自聚焦成像和干涉/极化干涉等处理的影响。在引入高精度地磁

场信息的基础上­通过电离层TEC将相互独立的回波法拉第旋转测量与回波相

位扰动（相位超前）校正相结合，以提高自聚焦参数的估计准确度，进而获得高

分辨率的SAR成像结果。该方法可以克服GPSTEC测量中时间、空间分辨率较

低的问题,具有一定的实用价值。具体的研究内容包括：①从Appleton-Hartree

方程出发，简要介绍了电离层对星-地链路传播的SAR信号的影响，如相位超前、

法拉第旋转等效应；②分析了定标残余对星载全极化SAR法拉第旋转测量的影

响，利用PALSAR数据分析了基于法拉第旋转测量的电离层TEC估计精度；③

在阐述强点目标处理法'相位梯度法、相位差法'对比度优化法等自聚焦方法基

本原理的基础上•分析了电离层相位扰动效应对星载SAR自聚焦参数估计精度

的影响；④在引入高精度地磁场信息的基础上，通过电离层TEC将相互独立的

回波法拉第旋转测量与回波相位扰动（相位超前）校正相结合，以提高自聚焦参

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第1章绪论

数的估计准确度•并通过仿真实验进行了实验验证。

第6章：总结与展望。该章在总结论文工作的基础上，结合P波段极化干涉

SAR系统应用发展趋势•分析了目前工作中存在的不足­并提出了后续研究工

作的一些设想。

1.4论文主要贡献与创新点

本论文以P波段极化干涉SAR数据处理方法的研究为主线•结合中国科学

院电子学研究所P波段机载极化SAR实验系统，针对P波段极化数据的长波低

频特点•重点研究了P波段极化SAR数据的极化定标处理'宽波束角处理以及

极化干涉散射相位中心分离处理等，并进一步拓展了星载平台下受电离层效应影

响的P波段极化SAR数据处理方法研究。本文的主要贡献和创新点归纳为如下

四个方面：

(1)针对P波段极化SAR系统方位向宽波束角特性，从子视处理的角度推

导了P波段极化SAR数据的极化方位角偏移模型•并提出了一种依赖

于子视分解的最小二乘二元线性回归数据处理方法,以用于单航过极化

SARDEM反演。该方法直接利用极化数据的宽波束角特性提取方位向

和距离向坡度角，从而解决了单航过极化SARDEM反演求解的欠定问

题•并避免了干涉测高中面临的图像配准、地形校正'基线控制等技术

难点。

(2)分析了中科院电子所P波段重轨极化干涉SAR数据的极化干涉处理表

现