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CN116736306B - 一种基于高分三号的时序雷达干涉监测方法 - Google Patents

一种基于高分三号的时序雷达干涉监测方法 Download PDF

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CN116736306B
CN116736306B CN202311023457.XA CN202311023457A CN116736306B CN 116736306 B CN116736306 B CN 116736306B CN 202311023457 A CN202311023457 A CN 202311023457A CN 116736306 B CN116736306 B CN 116736306B
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温柠玲
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Chengdu Univeristy of Technology
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Chengdu Univeristy of Technology
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Abstract

本发明公开了一种基于高分三号的时序雷达干涉监测方法，涉及雷达干涉监测领域，该方法包括：利用高分三号获取目标区域的干涉相位图；根据目标区域的干涉相位图和数字高程模型数据获取目标区域的缠绕干涉相位图；获取目标区域去除密集条纹的缠绕干涉相位图；根据多项式拟合、线性回归模型和目标区域去除密集条纹的缠绕干涉相位图，获取目标区域修正后的缠绕干涉相位图；根据目标区域修正后的缠绕干涉相位图，采用时序雷达干涉测量方法获取目标区域的高分三号影像的时序形变速率图，以实现目标区域的监测。本发明能通过修正轨道误差和基线误差提升高分三号干涉相位图质量，进而实现对目标区域地表形变的高精度监测。

Description

一种基于高分三号的时序雷达干涉监测方法
技术领域
本发明涉及雷达干涉监测领域，具体涉及一种基于高分三号的时序雷达干涉监测方法。
背景技术
高分三号是我国首颗C波段、多极化、高分辨率（最高达到1米）的合成孔径雷达卫星，具有全天时全天候监测、高精度测量、多模式成像等突出优势，可以全天候和全天时实现全球海洋和陆地信息的监测。高分三号在自然灾害领域被应用于冰川运动、地面沉降、地震、滑坡、泥石流、洪涝等灾害的监测。
现目前高分三号在雷达干涉监测领域,因存在轨道误差和基线误差，导致获取的高分三号影像干涉相位图的质量并不高，进而无法充分利用其进行目标区域的时序形变监测。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种基于高分三号的时序雷达干涉监测方法，能通过修正轨道误差和基线误差以提升高分三号干涉相位图质量，进而实现对目标区域地表形变的高精度监测。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于高分三号的时序雷达干涉监测方法，包括以下步骤：
S1、利用高分三号获取目标区域的干涉相位图；
S2、根据步骤S1中目标区域的干涉相位图和数字高程模型数据获取目标区域的缠绕干涉相位图；
S3、根据星历数据和步骤S2中目标区域的缠绕干涉相位图，获取目标区域去除密集条纹的缠绕干涉相位图；
S4、根据多项式拟合、线性回归模型和步骤S3中目标区域去除密集条纹的缠绕干涉相位图，获取目标区域修正后的缠绕干涉相位图；
S5、根据步骤S4中目标区域修正后的缠绕干涉相位图，采用时序雷达干涉测量方法获取目标区域的高分三号影像的时序形变速率图，以实现目标区域的监测。
进一步地，步骤S2包括以下分步骤：
S21、对步骤S1中目标区域的干涉影像进行配准和干涉组合，生成目标区域的单视缠绕干涉相位图；
S22、根据数字高程模型数据对分步骤S21中目标区域的单视缠绕干涉相位图进行去平地和地形改正，获取目标区域的缠绕干涉相位图。
进一步地，步骤S3包括以下分步骤：
S31、根据星历数据，利用轨道状态矢量估计获取目标区域的缠绕干涉相位图的第一初始基线；
S32、获取干涉条纹频率数据，并根据干涉条纹频率数据获取目标区域的缠绕干涉相位图的第二初始基线；
S33、根据分步骤S31中的第一初始基线和分步骤S32中的第二初始基线，获取目标区域去除密集条纹的缠绕干涉相位图。
进一步地，步骤S31包括以下分步骤：
S311、根据星历数据，拟合卫星的时间位置曲线；
S312、根据最小二乘法计算分步骤S311中卫星的时间位置曲线的未知参数，获取卫星的轨道曲线模型；
S313、根据分步骤S312中卫星的轨道曲线模型，获取目标区域的缠绕干涉相位图的第一初始基线。
进一步地，在分步骤S311中，拟合卫星的时间位置曲线，表示为：
其中：为天线中心的/>轴坐标值，/>为天线中心的/>轴的常数项系数，/>为天线中心的/>轴的一次项系数，/>为采样点时间，/>为天线中心的/>轴的二次项系数，/>为天线中心的/>轴的三次项系数，/>为天线中心的/>轴坐标值，/>为天线中心的/>轴的常数项系数，/>为天线中心的/>轴的一次项系数，/>为天线中心的/>轴的二次项系数，/>为天线中心的/>轴的三次项系数，/>为天线中心的/>轴坐标值，/>为天线中心的/>轴的常数项系数，/>为天线中心的/>轴的一次项系数，/>为天线中心的/>轴的二次项系数，/>为天线中心的/>轴的三次项系数。
进一步地，步骤S4包括以下分步骤：
S41、对步骤S3中目标区域去除密集条纹的缠绕干涉相位图进行相位解缠，获取目标区域的解缠干涉相位图；
S42、根据多项式拟合分步骤S41中目标区域的解缠干涉相位图的相位跳变，获取轨道误差的残余相位；
S43、根据分步骤S41中目标区域的解缠干涉相位图，利用线性回归模型获取大气误差；
S44、根据多项式拟合分步骤S42中轨道误差的残余相位和分步骤S43中的大气误差，获取拟合结果；
S45、根据分步骤S44中的拟合结果修正步骤S3中去除密集条纹的缠绕干涉相位图，获取目标区域修正后的缠绕干涉相位图。
进一步地，在分步骤S42中，拟合分步骤S41中目标区域的解缠干涉相位图的相位跳变，获取轨道误差的残余相位，表示为：
其中：为解缠干涉相位图中轨道误差的残余相位，/>为雷达坐标系下的/>轴坐标，/>为雷达坐标系下的/>轴坐标，/>为残余相位的第一系数，/>为残余相位的第二系数，/>为残余相位的第三系数，/>为残余相位的第四系数，/>为残余相位的第五系数，/>为残余相位的第六系数。
进一步地，在分步骤S43中，利用线性回归模型获取大气误差，表示为：
其中：为解缠干涉相位图中的大气误差，/>为雷达坐标系下的/>轴坐标，为雷达坐标系下的/>轴坐标，/>为大气误差的第一系数，/>为大气误差的第二系数，为解缠干涉相位图中的高程信息。
进一步地，步骤S5包括以下分步骤：
S51、根据振幅差离差指数和步骤S4中目标区域修正后的缠绕干涉相位图，选取滤波相位失相干缓慢目标点的候选点；
S52、根据分步骤S51中滤波相位失相干缓慢目标点的候选点，确定相位误差；
S53、根据分步骤S52中的相位误差确定像素噪声水平的测度参数；
S54、根据分步骤S53中像素噪声水平的测度参数和分步骤S51中滤波相位失相干缓慢目标点的候选点，选取滤波相位失相干缓慢目标点；
S55、根据分步骤S54中的滤波相位失相干缓慢目标点、3D解缠方法和步骤S4中目标区域修正后的解缠干涉相位图，获取目标区域的高分三号影像的时序形变速率图，以实现目标区域的监测。
本发明具有以下有益效果：
（1）本发明通过修正轨道误差和基线误差以提升高分三号干涉相位图质量，进而实现对目标区域地表形变的高精度监测；
（2）本发明通过利用轨道状态矢量估计和干涉条纹频率数据得到目标区域的缠绕干涉相位图的第一初始基线和第二初始基线，能对基线误差和轨道误差进行初步的修正，获取目标区域去除密集条纹的缠绕干涉相位图；
（3）本发明通过对初步修正后的干涉相位图进行相位解缠，并利用多项式拟合轨道误差的残余相位和大气误差，能对初步修正后的干涉相位图进行进一步的精细化修正，获取目标区域修正后的缠绕干涉相位图；
（4）本发明通过采用时序雷达干涉测量方法，能对获取目标区域修正后的缠绕干涉相位图进行相位改正和大气改正，获取目标区域的高分三号影像的时序形变速率图，以实现对目标区域的有效监测。
附图说明
图1为一种基于高分三号的时序雷达干涉监测方法流程示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种基于高分三号的时序雷达干涉监测方法，包括步骤S1-S5，具体如下：
S1、利用高分三号获取目标区域的干涉相位图。
在本发明的一个可选实施例中，本发明选取待监测的目标区域，并利用高分三号获取目标区域的干涉相位图。本发明利用高分三号获取的干涉相位图存在轨道误差和基线误差，仅有少量干涉相位图可以被应用于时序雷达干涉监测领域。
S2、根据步骤S1中目标区域的干涉相位图和数字高程模型数据获取目标区域的缠绕干涉相位图。
在本发明的一个可选实施例中，本发明根据目标区域的干涉相位图生成目标区域的单视缠绕干涉相位图，并根据数字高程模型数据目标区域的单视缠绕干涉相位图进行去平地和地形改正，获取目标区域的缠绕干涉相位图。
步骤S2包括以下分步骤：
S21、对步骤S1中目标区域的干涉相位图进行配准和干涉组合，生成目标区域的单视缠绕干涉相位图。
具体地，本发明对目标区域的干涉相位图进行配准和干涉组合，生成目标区域的单视缠绕干涉相位图。
S22、根据数字高程模型数据对分步骤S21中目标区域的单视缠绕干涉相位图进行去平地和地形改正，获取目标区域的缠绕干涉相位图。
S3、根据星历数据和步骤S2中目标区域的缠绕干涉相位图，获取目标区域去除密集条纹的缠绕干涉相位图。
在本发明的一个可选实施例中，本发明根据星历数据和目标区域的缠绕干涉相位图，采用状态矢量估计和干涉条纹频率数据结合的办法，对高分三号干涉相位图中存在的轨道误差和基线误差进行初步的修正，获取目标区域去除密集条纹的缠绕干涉相位图。
步骤S3包括以下分步骤：
S31、根据星历数据，利用轨道状态矢量估计获取目标区域的缠绕干涉相位图的第一初始基线。
步骤S31包括以下分步骤：
S311、根据星历数据，拟合卫星的时间位置曲线。
本发明拟合卫星的时间位置曲线，表示为：
其中：为天线中心的/>轴坐标值，/>为天线中心的/>轴的常数项系数，/>为天线中心的/>轴的一次项系数，/>为采样点时间，/>为天线中心的/>轴的二次项系数，/>为天线中心的/>轴的三次项系数，/>为天线中心的/>轴坐标值，/>为天线中心的/>轴的常数项系数，/>为天线中心的/>轴的一次项系数，/>为天线中心的/>轴的二次项系数，/>为天线中心的/>轴的三次项系数，/>为天线中心的/>轴坐标值，/>为天线中心的/>轴的常数项系数，/>为天线中心的/>轴的一次项系数，/>为天线中心的/>轴的二次项系数，/>为天线中心的/>轴的三次项系数。
具体地，本发明根据星历数据可以获取高分三号干涉相位图中记录的卫星运行过程中天线中心的位置和采样点时间，能利用这些数据拟合上述时间位置曲线。
S312、根据最小二乘法计算分步骤S311中卫星的时间位置曲线的未知参数，获取卫星的轨道曲线模型。
具体地，本发明获取五个天线中心的位置点数据，根据最小二乘法能求解时间位置曲线中的位置参数，即坐标轴对应的常数项系数、一次项系数、二次项系数和三次项系数，进而获取卫星轨道曲线模型。
S313、根据分步骤S312中卫星的轨道曲线模型，获取目标区域的缠绕干涉相位图的第一初始基线。
S32、获取干涉条纹频率数据，并根据干涉条纹频率数据获取目标区域的缠绕干涉相位图的第二初始基线。
具体地，本发明通过极大似然估计频率法能获取干涉条纹频率数据。本发明通过快速傅里叶变换方法，将目标区域的缠绕干涉相位图从空间域转换到频率域以计算干涉条纹频率，表示为：
其中：为转换到频率域的目标区域的缠绕干涉相位图，/>为虚数单位，/>为轨道跳变相位，/>为形变相位，/>为雷达坐标系下的/>轴坐标，/>为雷达坐标系下的/>轴坐标，/>为距离向的频率，/>为方位向的频率，/>为残余相位。
本发明能根据条纹频率推导第二初始基线与干涉条纹频率之间的关系，进而根据得到的干涉条纹频率数据获取目标区域的缠绕干涉相位图的第二初始基线。
S33、根据分步骤S31中的第一初始基线和分步骤S32中的第二初始基线，获取目标区域去除密集条纹的缠绕干涉相位图。
S4、根据多项式拟合、线性回归模型和步骤S3中目标区域去除密集条纹的缠绕干涉相位图，获取目标区域修正后的缠绕干涉相位图。
在本发明的一个可选实施例中，本发明对初步修正后的干涉相位图进行相位解缠，并根据多项式拟合、线性回归模型和目标区域去除密集条纹的缠绕干涉相位图，能拟合轨道误差的残余相位和大气误差，消除轨道误差中的非线性误差，以对初步修正后的干涉相位图进行进一步的精细化修正，获取目标区域修正后的解缠干涉相位图。
步骤S4包括以下分步骤：
S41、对步骤S3中目标区域去除密集条纹的缠绕干涉相位图进行相位解缠，获取目标区域的解缠干涉相位图。
S42、根据多项式拟合分步骤S41中目标区域的解缠干涉相位图的相位跳变，获取轨道误差的残余相位。
本发明拟合分步骤S41中目标区域的解缠干涉相位图的相位跳变，获取轨道误差的残余相位，表示为：
其中：为解缠干涉相位图中轨道误差的残余相位，/>为雷达坐标系下的/>轴坐标，/>为雷达坐标系下的/>轴坐标，/>为残余相位的第一系数，/>为残余相位的第二系数，/>为残余相位的第三系数，/>为残余相位的第四系数，/>为残余相位的第五系数，/>为残余相位的第六系数。
S43、根据分步骤S41中目标区域的解缠干涉相位图，利用线性回归模型获取大气误差。
本发明利用线性回归模型获取大气误差，表示为：
其中：为解缠干涉相位图中的大气误差，/>为雷达坐标系下的/>轴坐标，为雷达坐标系下的/>轴坐标，/>为大气误差的第一系数，/>为大气误差的第二系数，为解缠干涉相位图中的高程信息。
S44、根据多项式拟合分步骤S42中轨道误差的残余相位和分步骤S43中的大气误差，获取拟合结果。
S45、根据分步骤S44中的拟合结果修正步骤S3中去除密集条纹的缠绕干涉相位图，获取目标区域修正后的缠绕干涉相位图。
S5、根据步骤S4中目标区域修正后的缠绕干涉相位图，采用时序雷达干涉测量方法获取目标区域的高分三号影像的时序形变速率图，以实现目标区域的监测。
在本发明的一个可选实施例中，本发明根据目标区域修正后的缠绕干涉相位图，采用时序雷达干涉测量方法对获取目标区域修正后的缠绕干涉相位图进行相位改正和大气改正，获取目标区域的高分三号影像的时序形变速率图，以实现目标区域的监测。
步骤S5包括以下分步骤：
S51、根据振幅差离差指数和步骤S4中目标区域修正后的缠绕干涉相位图，选取滤波相位失相干缓慢目标点的候选点。
S52、根据分步骤S51中滤波相位失相干缓慢目标点的候选点，确定相位误差。
S53、根据分步骤S52中的相位误差确定像素噪声水平的测度参数。
S54、根据分步骤S53中像素噪声水平的测度参数和分步骤S51中滤波相位失相干缓慢目标点的候选点，选取滤波相位失相干缓慢目标点。
S55、根据分步骤S54中的滤波相位失相干缓慢目标点、3D解缠方法和步骤S4中目标区域修正后的解缠干涉相位图，获取目标区域的高分三号影像的时序形变速率图，以实现目标区域的监测。
具体地，本发明根据分步骤S54中的滤波相位失相干缓慢目标点，能对目标区域修正后的解缠干涉相位图进行相位改正，根据3D解缠方法对相位改正后的干涉相位图进行相位解缠，并利用空间相关误差改正方法对解缠后的干涉相位图进行大气改正，以获取目标区域的高分三号影像的时序形变速率图，进而实现对目标区域的准确监测。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于高分三号的时序雷达干涉监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、利用高分三号获取目标区域的干涉相位图；
S2、根据步骤S1中目标区域的干涉相位图和数字高程模型数据获取目标区域的缠绕干涉相位图；
S3、根据星历数据和步骤S2中目标区域的缠绕干涉相位图，获取目标区域去除密集条纹的缠绕干涉相位图；
步骤S3包括以下分步骤：
S31、根据星历数据，利用轨道状态矢量估计获取目标区域的缠绕干涉相位图的第一初始基线；
步骤S31包括以下分步骤：
S311、根据星历数据，拟合卫星的时间位置曲线；
S312、根据最小二乘法计算分步骤S311中卫星的时间位置曲线的未知参数，获取卫星的轨道曲线模型；
S313、根据分步骤S312中卫星的轨道曲线模型，获取目标区域的缠绕干涉相位图的第一初始基线；
S32、获取干涉条纹频率数据，并根据干涉条纹频率数据获取目标区域的缠绕干涉相位图的第二初始基线；
S33、根据分步骤S31中的第一初始基线和分步骤S32中的第二初始基线，获取目标区域去除密集条纹的缠绕干涉相位图；
S4、根据多项式拟合、线性回归模型和步骤S3中目标区域去除密集条纹的缠绕干涉相位图，获取目标区域修正后的缠绕干涉相位图；
步骤S4包括以下分步骤：
S41、对步骤S3中目标区域去除密集条纹的缠绕干涉相位图进行相位解缠，获取目标区域的解缠干涉相位图；
S42、根据多项式拟合分步骤S41中目标区域的解缠干涉相位图的相位跳变，获取轨道误差的残余相位；
S43、根据分步骤S41中目标区域的解缠干涉相位图，利用线性回归模型获取大气误差；
S44、根据多项式拟合分步骤S42中轨道误差的残余相位和分步骤S43中的大气误差，获取拟合结果；
S45、根据分步骤S44中的拟合结果修正步骤S3中去除密集条纹的缠绕干涉相位图，获取目标区域修正后的缠绕干涉相位图；
S5、根据步骤S4中目标区域修正后的缠绕干涉相位图，采用时序雷达干涉测量方法获取目标区域的高分三号影像的时序形变速率图，以实现目标区域的监测。
2.根据权利要求1所述的一种基于高分三号的时序雷达干涉监测方法，其特征在于，步骤S2包括以下分步骤：
S21、对步骤S1中目标区域的干涉影像进行配准和干涉组合，生成目标区域的单视缠绕干涉相位图；
S22、根据数字高程模型数据对分步骤S21中目标区域的单视缠绕干涉相位图进行去平地和地形改正，获取目标区域的缠绕干涉相位图。
3.根据权利要求1所述的一种基于高分三号的时序雷达干涉监测方法，其特征在于，在分步骤S311中，拟合卫星的时间位置曲线，表示为：
其中：为天线中心的/>轴坐标值，/>为天线中心的/>轴的常数项系数，/>为天线中心的/>轴的一次项系数，/>为采样点时间，/>为天线中心的/>轴的二次项系数，/>为天线中心的/>轴的三次项系数，/>为天线中心的/>轴坐标值，/>为天线中心的/>轴的常数项系数，/>为天线中心的/>轴的一次项系数，/>为天线中心的/>轴的二次项系数，/>为天线中心的/>轴的三次项系数，/>为天线中心的/>轴坐标值，/>为天线中心的/>轴的常数项系数，/>为天线中心的/>轴的一次项系数，/>为天线中心的/>轴的二次项系数，/>为天线中心的/>轴的三次项系数。
4.根据权利要求1所述的一种基于高分三号的时序雷达干涉监测方法，其特征在于，在分步骤S42中，拟合分步骤S41中目标区域的解缠干涉相位图的相位跳变，获取轨道误差的残余相位，表示为：
其中：为解缠干涉相位图中轨道误差的残余相位，/>为雷达坐标系下的/>轴坐标，/>为雷达坐标系下的/>轴坐标，/>为残余相位的第一系数，/>为残余相位的第二系数，为残余相位的第三系数，/>为残余相位的第四系数，/>为残余相位的第五系数，/>为残余相位的第六系数。
5.根据权利要求1所述的一种基于高分三号的时序雷达干涉监测方法，其特征在于，在分步骤S43中，利用线性回归模型获取大气误差，表示为：
其中：为解缠干涉相位图中的大气误差，/>为雷达坐标系下的/>轴坐标，/>为雷达坐标系下的/>轴坐标，/>为大气误差的第一系数，/>为大气误差的第二系数，为解缠干涉相位图中的高程信息。
6.根据权利要求1所述的一种基于高分三号的时序雷达干涉监测方法，其特征在于，步骤S5包括以下分步骤：
S51、根据振幅差离差指数和步骤S4中目标区域修正后的缠绕干涉相位图，选取滤波相位失相干缓慢目标点的候选点；
S52、根据分步骤S51中滤波相位失相干缓慢目标点的候选点，确定相位误差；
S53、根据分步骤S52中的相位误差确定像素噪声水平的测度参数；
S54、根据分步骤S53中像素噪声水平的测度参数和分步骤S51中滤波相位失相干缓慢目标点的候选点，选取滤波相位失相干缓慢目标点；
S55、根据分步骤S54中的滤波相位失相干缓慢目标点、3D解缠方法和步骤S4中目标区域修正后的解缠干涉相位图，获取目标区域的高分三号影像的时序形变速率图，以实现目标区域的监测。
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