机载重轨干涉SAR高程精度退化机理及运动补偿方法研究

Carrying out high-precision interferometric SAR topographic mapping accords with the national long-term development strategy. The baseline of arbitrary length can be constructed through the design of two flight trajectory for airborne repeat-pass interferometric SAR system. However, the independence of two flight path increases its practical application difficult. The project focus on degradation mechanism of height precision, high precision motion compensation method and flight test validation method, which constraints high precision airborne repeat-pass interferometric SAR topography mapping applications. Firstly, establish qualitative and quantitative relationship between the elevation error and all kinds of motion error, obtain motion compensation accuracy requirements and provide theoretical basis for the design of high-precision motion compensation scheme; then propose high precision motion compensation method based on IMU/DGPS measurement data and radar echo data; finally, through using the optimized data processing scheme, the valid data of flight test is processed to realize the principle validation of impact mechanism and compensation mechanism for all kinds of motion error. The project will lay a stable foundation for realizing high precision airborne repeat-pass interferometric SAR topographic mapping to satisfy large scale mapping requires.

开展高精度干涉SAR地形测绘符合国家的中长期发展战略。机载重轨干涉SAR系统通过设计两次飞行轨迹来构建任意长度的基线；然而，两次飞行轨迹的独立性增大了其走向实际应用的难度。本项目针对制约高精度机载重轨干涉SAR地形测绘应用的高程精度退化机理、高精度运动补偿方法及飞行试验验证方法等关键技术展开深入研究。首先建立高程误差与各类运动误差的定性和定量关系，明确运动补偿的精度指标要求，为高精度运动补偿方案设计提供理论依据；然后提出基于IMU/DGPS测量数据和雷达回波数据的高精度运动补偿方法；最终利用优化后的数据处理方案对有效飞行试验数据进行处理实现各类运动误差影响机理和补偿机制的原理性验证。本项目为我国实现满足大比例尺制图要求的高精度机载重轨干涉SAR地形测绘走向应用奠定基础。

目前机载双天线干涉SAR地形测绘已实用化，但机载重轨干涉SAR系统中两次飞行轨迹的独立性增大了其走向实际应用的难度，对此本项目展开机载重轨干涉SAR高程精度退化机理及运动补偿方法的研究。本项目主要研究了以下四个部分内容：（1）首先针对运动轨迹偏移和天线姿态误差，分别建立了运动误差影响的几何模型、原始回波信号模型和复图像模型，并推导了相关系数、干涉相位误差与运动误差关系的解析表达式；其次针对基于IMU/DGPS测量数据的运动补偿后的残余误差，对其进行分类并分别建立误差模型，然后基于前面建立的相关系数、干涉相位误差与运动误差关系的解析表达式进行分析。（2）首先从理论上对Stolt插值前后运动误差特性进行分析研究，提出了基于波数域成像算法的改进的两级运动补偿，论证了改进两级运动补偿方法的可行性，并利用点目标仿真实验验证了其有效性。其次针对误差补偿算法缺陷和地物目标定位误差导致的方位空变和地形依赖误差，提出了一种结合低精度DEM的频域动态子孔径算法；针对IMU/DGPS测量数据误差导致的残余运动误差，提出一种基于扩展卡尔曼滤波算法的高阶残余运动误差估计方法。（3）为了通过处理飞行试验获取的有效数据来更好地验证运动补偿方法的有效性，研究了机载重轨干涉SAR完整的数据处理方法；通过对实际飞行试验获取的有效数据处理，验证运动补偿方法的有效性，实现了运动补偿方法的飞行试验验证。（4）研究了太赫兹SAR/ISAR误差补偿算法。针对THz-SAR高频振动误差，提出一种高频振动误差估计和补偿方法，即利用小波多分辨分析方法和参数空间投影法来实现高频振动频率和幅相的估计；针对THz-ISAR雷达系统非线性误差对成像质量的影响，提出一种基于最小熵的系统误差校正算法。这些研究成果将为高精度机载重轨干涉SAR地形测绘走向应用奠定基础，对太赫兹SAR/ISAR系统的研制及应用起到进一步推动作用。