地球同步轨道合成孔径雷达差分干涉处理理论与方法研究

Geosynchronous Synthetic Aperture Radar differential Interferometry (GEO D-InSAR) is able to obtain the surface deformation information by utilizing differential phase information of sequential time-series GEO SAR images. However, compared with low- orbit D-InSAR technnique, GEO D-InSAR has the extremely long synthetic apeture time (up to 1000-second order) and consequently the effect of trajectory curvature should be taken into account. Meanwhile, signal decorrelation is rather serious due to ionosphere interfering. Therefore, the investigations on image formation with high-quality phase perservation and 3-D deformation field retrieval under the constraint of deteriorated signal corherence are essential for GEO D-InSAR. There are 4 key issues involved in this project: 1) physical modeling with accomodation of temporal and spatial variance based on Appleton expression and multi-phase screen theory, and subsequently quantitative analysis of ionosphere effect; 2) higly accurate phase-preservation algorithm based on methods of series reversion and two-dimensional Nonlinear Chirp Scaling (NCS); 3) enhancement of permanent scatterers with deteriorated coherence through maximum likelihood correlation and Kolmogorov-Smirnov statistically homogeneous pixels detection; 4) retrieval of highly accurate three-dimensional deformation field by utilizing continuous temporal and spatial observations with multi-angle and Markov random field model. These works will lay the strong theorectical and technical foundation for the future launch of our first GEO D-InSAR satellite in China.

地球同步轨道合成孔径雷达差分干涉（GEO D-InSAR）利用地球同步轨道SAR卫星连续获取图像的相位差分信息来实现地表形变的反演。但是，相比于低轨D-InSAR，GEO D-InSAR合成孔径时间长（近千秒量级），弯曲轨迹效应明显；同时受电离层扰动影响大，信号存在欠相干效应；因此，高保相成像与欠相干约束下的高精度三维形变场反演是GEO D-InSAR亟待解决的核心科学问题。本项目将基于Appleton公式及多相屏理论实现GEO D-InSAR时空变电离层物理建模及定量影响分析；提出基于级数反转理论的两维非线性频率变标（NCS）与保相方法实现高保相成像；提出基于最大似然相关与KS (Kolmogorov-Smirnov)同类散射点检测实现欠相干区域的永久散射体增强；结合时空连续多角度观测与马尔可夫随机场模型实现高精度的三维形变场反演，为我国首颗GEO D-InSAR卫星的发射奠定理论基础。

地球同步轨道合成孔径雷达差分干涉（GEO D-InSAR）测量系统可以连续获取观测区域的图像，利用相位差分信息来完成高精度形变反演，从而实现对地震和滑坡等突发自然灾害的快速形变监测。但是，GEO D-InSAR具有弯曲轨迹、电离层扰动下的信号欠相干等问题，严重影响了形变反演的精度。本项目针对GEO SAR干涉/差分干涉和三维形变反演的关键步骤及主要技术难点，给出了基于GEO SAR系统进行形变反演研究领域关键内容及相关技术的分析、设计、问题解决方法，主要研究成果如下：.一、研究了电离层传播效应的影响分析和补偿。建立了高精度GEO SAR背景电离层时频混合信号模型，解决了电离层冻结模型失效的问题，详细分析了背景电离层变化对GEO SAR成像质量的影响。基于电离层闪烁相位屏模型，分析了电离层闪烁对GEO SAR方位向成像的影响，并提出了基于图像熵准则的幅相联合补偿自聚焦算法，高精度地补偿了电离层闪烁引入的幅相起伏对误差。.二、研究了GEO SAR高保成像和数据处理关键技术。建立了远距离超长孔径时间下的GEO SAR高精度信号模型，消除了弯曲轨迹、电离层的影响，获取高保相图像。构建了GEO SAR干涉/差分干涉软件仿真平台，可实现全链路数据处理，解决了GEO D-InSAR形变反演和精度评估的问题。.三、研究了多重扰动欠相关区域的 PS 增强技术。针对多重扰动欠相关下PS点幅度选择门限随场景动态变化和PS点相位质量随时间动态变化两大核心问题，给出了基于幅度、相关系数和相位联合的动态PS点选择方法。.四、研究了GEO SAR三维形变反演理论和优化的数据处理方法。推导了GEO SAR三维形变反演多角度处理三维形变反演模型并完成精度分析，解决了GEO SAR多角度数据融合三维形变反演问题。此外，以北斗导航系统IGSO卫星作为照射源，完成了GEO SAR差分干涉和三维形变反演等效验证实验。.本项目在GEO SAR差分干涉方面开展了大量研究，构建了长孔径时间、弯曲轨迹下的差分干涉SAR理论和处理框架，为我国地震灾害监测等系统的构建提供关键基础理论支撑。