基于信息熵和DCS的多基线SAR干涉理论与新方法研究

When using multi-baseline synthetic aperture radar (SAR) interferometry techniques to measure the topography of a rough surface and to detect changes of the surface, we will come across problems caused by the limit of the number of the phase centers and the length of baselines and the large slope terrian. This project introduces the information entropy and distributed compressive sensing (DCS) theory to multibaseline SAR interferometry, derives the quantitative relationship between the baseline and the signal frequency, establishes the system theory models of multibaseline SAR, explores the joint sparsity of the complex SAR images, models the mapping from the entropy to the sparsity, studys the method to design multi baselines and the solution to separate the layover; presents the joint sparsity models of SAR images for DCS, a method for optimizing the sequence of multi-baseline SAR baselines vector and a reconstruction for mutibaseline SAR interferometric phases with noise; implements the optimization during the whole process for multibaseline SAR interferometry. The proposed theory and methods will have many advantages for complicated terrain interferometry such as improving the precision and reducing the baseline requirements.

面向复杂地形的高精度测绘与形变监测，针对目前星载SAR基线数目少、长度受限，多基线系统性能模型难以构建，坡度较大或突变地形干涉测量困难等瓶颈问题，本项目将信息熵和分布式压缩感知理论(DCS)引入多基线SAR干涉技术，深入分析基线与信号频率的关系，基于信息熵构建多基线SAR干涉性能理论模型；揭示SAR图像联合稀疏特性的一般规律，建立稀疏度与信息熵之间的映射关系，研究多基线优化设计方法和layover区域地形信息解算方法；突破基于信息熵的多基线SAR干涉复图像信号DCS联合稀疏建模、有约束星载SAR干涉基线矢量序列优化以及有噪条件下多基线SAR干涉相位信息联合稀疏重构等关键技术；实现多基线SAR干涉从基线到数据处理的全过程优化。提出的多基线SAR干涉系统理论模型和优化方法，能够解决复杂地形的干涉测量问题，降低对基线的要求，提高干涉测量精度，为提升SAR干涉测绘能力奠定一定的技术基础。

面向复杂地形的高精度测绘与形变监测，针对目前星载SAR基线数目少、长度受限，坡度较大或突变地形干涉测量困难等问题，本项目将信息熵和分布式压缩感知理论(DCS)引入到多基线SAR干涉技术中。在SAR干涉机理研究方面，深入分析了基线与信号频率的关系，研究了基于香农理论的极限基线及干涉SAR多视处理的极限视数，构建了多基线干涉性能理论模型；推导了多基线干涉相位统计模型，机载数据验证了所提统计模型的正确性。在基于DCS的多基线SAR干涉联合稀疏建模方面，分析了layover区域目标的相关性，提出了去相关统计信号模型，能够反映强点目标，仿真及真实数据验证了信号模型的适用性；构建了多基线SAR干涉性能分析模型，分析了多基线SAR干涉性能的影响因素，并用真实数据验证了所提模型的正确性。在基于信息熵的有约束星载多基线SAR干涉基线矢量优化设计方面，建立了多基线SAR干涉的信源信道编码模型及在一定失真度下的率失真机制，推导了基线、信息熵、互信息量与率失真函数间的定量化关系；利用最大互信息量准则与最小平均失真度准则，结合DCS理论和基线约束，提出了多基线SAR干涉基线参数优化方法，验证了基线与平均最小失真度的关系；推导了针对场景的平均最优估计性能，分析了影响平均最优估计性能的因素，得出了平均最优估计性能与最小率失真度等价性的重要结论。在多基线SAR干涉目标信息联合稀疏重构方面，提出了基于DCS的多基线SAR干涉盲信源估计方法，仿真验证了所提方法的超分辨率能力；提出了复杂场景下星载多基线SAR干涉叠掩、背景和目标高程与形变速率信息的快速精确重构方法，采用25幅TerraSAR-X/TanDEM-X真实SAR图像验证了所提方法的高精度重构能力。在计算机仿真验证方面，采用正方形细分算法生成layover地形场景，基于星地空间几何关系仿真生成了多幅SAR单视复图像，可用于多基线SAR干涉理论验证；提出了基于几何配准选取图像子集、像素级粗配准及亚像素级精配准的三步配准策略，采用真实SAR图像数据验证了高精度联合配准方法的精确性。