一种基于稳定像元加权的地基sar大气延迟改正方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于稳定像元加权的地基SAR大气延迟改正方法，属于微波遥感 测量技术领域，主要是应用在小范围、高精度、多时相的地表变形监测领域。
【背景技术】
[0002] 地基SAR是在星载SAR的基础上发展起来的一项雷达微波遥感测量新型技术，具 有使用灵活、平台稳定、分辨率高、全天时全天候连续获取高分辨率变形信息等优势。目前 在边坡、大坝、建筑物、桥梁等变形监测领域已经有了广泛的研宄与应用。但是地基SAR也 存在着系统频率不稳定、大气延迟、目标散射特性变化和噪声等误差的影响，极大的限制其 在生产生活中的应用。
[0003] -般的地基SAR采用高频信号如步进频率连续波（SF-CW)作为传播信号，由此带 来的一个问题就是高频信号易受大气影像。大气效应尤其是大气水汽含量在时间和空间上 的变化引起的雷达信号的延迟是雷达干涉测量中难以消除的误差之一，是制约雷达干涉测 量监测精度提高的主要因素。
[0004] 地基SAR差分干涉测量要求具有很高的精度，视线方向一般都要达到毫米或亚毫 米级。有研宄表明，对于地基SARIBIS-L系统，在20°CIKM的距离上，仅1%湿度的变化可 导致的观测值误差约为2_，因此大气延迟误差对地基SAR差分干涉测量的影响是不可忽 略的。
[0005] 目前大气扰动的校正方法主要有气象数据补偿法和稳定点法。气象数据补偿法主 要是利用已获取的雷达信号传播路径上的温度、气压、湿度等气象参数，建立气象参数与大 气折射指数的数学模型，计算大气延迟并予以改正；稳定点法利用无变形的稳定点获取大 气延迟量，建立视线向大气延迟与观测距离的关系，推算待测点的视线向大气延迟。气象数 据补偿法受获取的气象参数采集位置及精度影响，精度较低。稳定点法精度取决于大气的 一致性及稳定点位置分布等。这两种方法均认为大气延迟在方位向满足某种规律，用几个 雷达视线向大气延迟代表其他像元的大气延迟，未考虑大气延迟在方位向的扰动。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种考虑了大气延迟在方位向的扰动，提高 了地基SAR干涉测量精度的基于稳定像元加权的地基SAR大气延迟改正方法。
[0007]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
[0008] 一种基于稳定像元加权的地基SAR大气延迟改正方法，其特征在于：包括以下步 骤：
[0009] 步骤一：选取时间序列地基SAR影像中的相干像元；
[0010] 步骤二：根据垂线测量和全站仪测量信息在地基SAR影像中选取位移不随时间发 生变化的稳定像元，计算两个不同时刻地基SAR影像中稳定像元的干涉相位；
[0011] 步骤三：将大气延迟作为线性变化考虑推算稳定像元在雷达视线向的大气扰动因 子；
[0012] 步骤四：计算非稳定像元（i，j)的大气扰动因子，考虑大气延迟在方位向的相关 性，非稳定像元（i，j)的大气扰动因子根据其到稳定像元的距离加权计算；
[0013] 步骤五：由非稳定像元的大气扰动因子乘以几何距离得到其大气延迟量。
[0014] 步骤三中的雷达视线向即地基SAR系统测量时所发射雷达脉冲方向。
[0015] 步骤四里的方位向的意思简单来说就是大气延迟在不同的方向上是不同的。
[0016] 步骤一所采用的选取方法为双阈值相干目标选取法；所述双阈值相干目标选取法 包括平均相干系数阈值法和振幅离差指数阈值法；
[0017] 平均相干系数阈值法的方案步骤如下：
[0018] 相干系数Y是定义在两个随机平稳序列S1U)和S2 (t)上的，假设S1 (t)和S2 (t) 各态历经，利用窗口大小为L的空间平均代替汇集平均，以f作为Y的估计，
【主权项】
1. 一种基于稳定像元加权的地基SAR大气延迟改正方法，其特征在于：包括以下步 骤： 步骤一：选取时间序列地基SAR影像中的相干像元； 步骤二：根据垂线测量和全站仪测量信息在地基SAR影像中选取位移不随时间发生变 化的稳定像元，计算两个不同时刻地基SAR影像中稳定像元的干涉相位； 步骤三：将大气延迟作为线性变化考虑推算稳定像元在雷达视线向的大气扰动因子； 步骤四：计算非稳定像元（i，j)的大气扰动因子，考虑大气延迟在方位向的相关性，非 稳定像元（i，j)的大气扰动因子根据其到稳定像元的距离加权计算； 步骤五：由非稳定像元的大气扰动因子乘以几何距离得到其大气延迟量。
2. 根据权利要求1所述的一种基于稳定像元加权的地基SAR大气延迟改正方法，其特 征在于：步骤一所采用的选取方法为双阈值相干目标选取法；所述双阈值相干目标选取法 包括平均相干系数阈值法和振幅离差指数阈值法； 平均相干系数阈值法的方案步骤如下： 相干系数γ是定义在两个随机平稳序列S1 (t)和S2(t)上的，假设S1 (t)和S2 (t)各态 历经，利用窗口大小为L的空间平均代替汇集平均，以f作为γ的估计，
式（1)中，sJP s 2表示构成干涉像对的两幅地基SAR影像，s i (M)和s2 (M)表示对应像 元的复数，*表示复数共轭，M是像素坐标；;P的大小介于O与1之间，r越大表示地基SAR 影像间的相干性较好； 连续观测模式中，N+1幅地基SAR影像采用相邻干涉模式得N个干涉对，由式（1)计算 相干系数Yi, i = 1，2…N，则平均相关系数均值^为
根据相干目标数量与平均相干系数之间的关系，给定阈值7将大于阈值；的像 元作为相干目标初选结果； 振幅离差指数阈值法的方案步骤如下：该方法在时间序列地基SAR影像中求取每个像 元的振幅均值％及标准差〇 A，按下式计算振幅离差指数Da Da= 〇 A/mA (3) 同样的，根据相干目标数量与振幅离差指数之间的关系，给定阈值Td= 0.25,当D/J、 于阈值Td时即被选为相干像元，相干像元是指相位信息稳定、散射特性稳定、不受时间失相 关影响的像元，这里的相干像元为从所述相干目标初选结果中精选出的像元； 双阈值相干目标选取法就是利用上述的相干系数阈值法和振幅离差指数阈值法提供 的阈值G和阈值Td来选取时间序列地基SAR影像中的相干像元。
3. 根据权利要求1所述的一种基于稳定像元加权的地基SAR大气延迟改正方法，其 特征在于：步骤二中计算两个不同时刻地基SAR影像中稳定相干像元的干涉相位的方法如 下： 对地基SAR而言，小区域短时间内可认为大气介质的空间分布是均匀的，大气折射指 数只与时间有关，若不考虑折射，仅考虑几何距离Ye(i，j)上的大气延迟，将其他因素归为 观测噪声同时考虑相对参考时刻h的变形相位则其相位波可表示为：
式（4中）Δη(?)为大气折射指数差； 若采用连续观测模式，即保持地基SAR影像不动，γ<;α，j)保持不变，则不同相位ρ， q(P〈q)的地基SAR影像其干涉相位表示为： A
所述稳定相干像元为同时满足稳定像元和相干像元的条件的像元。
4. 根据权利要求1所述的一种基于稳定像元加权的地基SAR大气延迟改正方法，其特 征在于：步骤三的推算方法如下： 设影像中有C个稳定像元（i。，j。)，。e C，即=的(4，Λ)=〇,另外，为削弱噪声 影响，选取高质量的相干目标进行干涉处理，即根据式（6)有：
设在小区域内大气一致性较好，可将大气延迟作为线性考虑，则大气延迟满足：
式（8)中，为单位长度的大气延迟量，若监测区域雷达视线向大气延迟一致性较 好，则对任意c e C，应近似相等，则有
上式变化为：
反应了 P到q时刻稳定像元单位长度大气延迟量的变化，定义其为大气扰动因子； 同时定义：
dK为大气扰动因子长度，其反应了大气扰动的变化程度，dK值较小说明大气延迟变化 一致，dK值较大说明大气延迟变化不均匀；设定阈值(1?= 0. 002,若dK>dK μ则将q时刻地 基SAR影像去除。
5.根据权利要求1所述的一种基于稳定像元加权的地基SAR大气延迟改正方法，其特 征在于：步骤四中非稳定像元（i，j)的大气扰动因子的计算公式为：
式（12)、（13)中式中，1为稳定像元，I e C' ；P1为1的加权因子，C'为实验所选取的 稳定像元1的集合，士是所求非稳定像元与稳定像元1的距离，d。为所求非稳定像元依次 与稳定像元集合C'中每个稳定像元之间的距离。
【专利摘要】本发明公开了一种基于稳定像元加权的地基SAR大气延迟改正方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：选取时间序列地基SAR影像中的相干像元；步骤二：计算两个不同时刻地基SAR影像中稳定像元的干涉相位；步骤三：推算稳定像元在雷达视线向的大气扰动因子；步骤四：计算非稳定像元的大气扰动因子；步骤五：由非稳定像元的大气扰动因子乘以几何距离得到其大气延迟量。本发明提供的一种基于稳定像元加权的地基SAR大气延迟改正方法，大气延迟现象对地基SAR干涉测量精度的影响严重，利用基于稳定点加权的方法实现对地基SAR的大气延迟改正，从而提高地基SAR干涉测量的精度。
【IPC分类】G01S13-90, G01S7-40, G01S7-41, G06F19-00
【公开号】CN104678392
【申请号】CN201510026672
【发明人】黄其欢, 周伟, 刘学敏, 徐晶鑫, 夏磊凯
【申请人】河海大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年1月19日