天宫二号InIRA数据系统延迟改正估算方法

高精度和高空间分辨率的宽刈幅3维成像微波高度计(InIRA)在探测海洋和陆地水文变化等方面具有广阔的应用前景。然而,在湖泊水位监测应用中,由于InIRA传感器的系统延迟偏差,导致水位反演出现米级偏差。为此,针对InIRA的数据特性,本文提出了一种以Cryosat-2数据为基准的InIRA系统延迟改正估算方法,该方法在一定区域内可获取较为可靠的系统延迟改正量。利用该方法,在研究区内获取了4.6287 m的系统延迟改正,将该系统延迟改正加入后反演青海湖水位的精度为0.3327 m,表明了系统延迟改正的可靠性,也体现了InIRA数据在湖泊水位反演方面的潜力。

一种基于权重自适应相似性度量改进的InSAR-BM3D算法

针对InSAR-BM3D算法在三维成像雷达高度计干涉图近距端纹理密集区域、远距端低信噪比区域干涉条纹细节保持及去噪能力不足的问题,提出了一种基于权重自适应相似性度量改进的InSAR-BM3D算法。以皮尔森相关系数和余弦相异性为基础,构建了一种根据干涉条纹密集程度和噪声水平变化而对皮尔森相关系数和余弦相异性进行权重分配的相似性度量,进一步保证了相似块搜索过程的准确性;在最终估计阶段,对基础估计图像中噪声残留区域进行了进一步滤波处理,提高了算法的去噪能力。利用模拟数据和机载三维成像雷达高度计影像数据进行了实验,并与均值滤波、Goldstein滤波、NL-Means滤波以及各向异性扩散滤波等算法进行了比较,结果证明该算法能够在有效滤除噪声的同时进一步保留干涉条纹的细节。

基于总变分的干涉成像高度计相位滤波方法

宽幅干涉成像高度计采用双天线近天底角短基线干涉测高技术,实现对海洋亚中尺度现象的高时空分辨率与高精度观测。在反演海面高度(SSH)的过程中,干涉相位滤波处理是抑制随机相位噪声,保持相位边缘细节的重要环节。该文针对成像高度计干涉相位随机噪声方差在刈幅范围内分布不均匀的特点,基于宽幅干涉成像高度计相位模型,提出一种改进的总变分正则化滤波方法,可以有效抑制去平地后成像高度计的干涉相位噪声。通过仿真数据验证,滤波相位误差的标准差(STD)由0.32 rad降低至0.023 rad,且刈幅范围内STD最大偏差小于0.001 rad。改进的总变分滤波方法实现全刈幅干涉相位误差精度的均匀分布,较好地保持了分辨率和边缘信息,为海面高程精度的一致性提供有效保障。

基于DWT的天宫二号三维成像雷达高度计陆表水体图像融合研究

陆表水体是人类赖以生存的重要资源。天宫二号三维成像雷达高度计(TG2-InIRA)在国际上首次采用小入射角、短基线雷达干涉测量技术获取地球海洋和陆表水体的准镜面反射信息,克服了传统星载雷达高度计和星载合成孔径雷达不能获取宽刈幅水体高度的不足。然而在小入射角情况下水体散射易受观测角度变化的影响,且水体在不同气象条件下表面粗糙度的变化容易导致雷达影像呈现较大差异,因此开展多角度、多时相TG2-InIRA水体图像融合对于全面了解陆表水体真实状态十分重要。研究提出了一种基于离散小波变换(Discrete Wavelet Transform,DWT)的TG2-InIRA雷达图像融合方法,DWT旨在将待融合雷达图像分解为低频子图像和高频子图像。陆表水体在形态学上呈现出极大的多样性,这些在频域表现为丰富的低频和高频特征,对其融合需采用不同的策略。具体地,低频方面,提出了一种基于Canny算子的融合规则,突出江河、湖泊等大型水体宏观特征;高频方面,发展出了一种基于局部对比度的融合规则,突出细小水体及水体边缘等微观特征。在长江流域安庆地区多角度、多时相TG2-InIRA雷达图像上与加权平均以及基于Laplacian金字塔、Nonsubsampled Contourlet变换和DWT的几种常用经典融合方法所做的对比实验表明,所提方法在清晰度、交叉熵等评价指标上均有明显提升,基于融合结果所开展的图像分割实验进一步展示了所提方法在提取水体的精细度和完整性方面的良好性能。

星载干涉成像高度计在轨干涉处理方法研究

干涉成像高度计是一种新体制雷达高度计,可以获得宽刈幅、高分辨率和高精度的海面高程信息。但其在轨工作原始数据量巨大,无法全部下传,而且传统用于合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)数据压缩的块自适应量化算法(Block Adaptive Quantization,BAQ)会显著增加干涉成像高度计的测高误差,且数据压缩比较低。因此,在保证海面高程测量精度的前提下,大幅压缩原始数据量的在轨处理算法研究具有重要意义。基于干涉成像高度计海洋观测区域的工作时序和干涉处理方法,提出了两项改进算法:①提出一种基于目标位置估计的图像配准和去平地效应方法,相比基于轨道参数的配准和去平地效应方法,大幅降低了运算量,同时可以去除由于小角度入射导致的快速变化的平地条纹;②针对干涉成像高度计在小入射角时地距分辨率变化剧烈的情况,提出了一种插值平均的多视方法,能够降低均匀窗口多视引入的测高误差。利用天宫二号三维成像微波高度计获得的海面数据验证该方法的可行性和对测高精度的影响,实验结果表明:当在轨分辨率为300 m×300 m时,该方法数据压缩比为46.99;当地面产品分辨率为5 km×5 km时,在轨处理算法引入的相位误差标准差小于0.0049°,测高误差标准差小于0.26 cm,相对于BAQ算法,该方法具有数据压缩比高、测高误差小的优势,更适合于未来新一代宽刈幅干涉成像高度计在轨数据处理。

天宫二号干涉成像雷达高度计的基线倾角反演

天宫二号干涉成像雷达高度计是国际上第一个采用小入射角和短基线干涉测量技术实现宽刈幅海面高度测量的高度计。利用其在拓展试验中获取的星下点干涉回波进行干涉相位处理,进而根据几何关系对干涉基线的倾角进行了反演,并将反演结果与平台测量的横滚角进行了对比以验证利用干涉相位进行干涉基线倾角测量的技术。天宫二号平台姿态是相对于地心来进行控制的,而从干涉回波反演出的基线倾角是相对于地表的。由于地球是一个椭球体,因此反演得到的基线倾角与平台测量的横滚角两者之间存在一个与轨道有关的系统偏差,经校正后得到了符合预期的结果:两者测量的横滚角变化趋势以及标准差均相符合。

天宫二号三维成像微波高度计大气斜距时延校正

2016-09-15随天宫二号空间实验室发射升空的三维成像微波高度计(简称天宫二号成像高度计)是国际上第一个采用小入射角、短干涉基线实现宽刈幅海面高度测量的高度计。由于天宫二号没有为成像高度计配备用于大气校正的微波辐射计,因此需要采用模型方法对大气时延进行精确估计。传统高度计采用星下点观测,通常只考虑大气折射率的改变引起传播速度变化的时延。天宫二号成像高度计采用偏离星下点1°-8°的小角度观测,因此在进行大气传输时延校正时不仅要考虑雷达信号传播速度的改变,还应考虑由于传播方向改变带来的路径弯曲效应。本文针对天宫二号成像高度计的观测几何特性,提出基于数值天气模型校正大气斜距时延的算法:采用欧洲中期天气预报中心的天气数据和大气分层模型,通过气象参数计算大气折射率;根据高度计参数和各层大气折射率,依赖折射定律和信号传播的几何关系在路径上逐层积分,计算大气斜距时延的估值。通过对天宫二号成像高度计的陆地角反射器定标实测数据进行处理,经大气斜距时延校正后,角反射器的剩余距离误差的标准差约为6.2 cm,达到厘米量级的斜距测量精度,验证了在不同入射角情况下,所提出的大气斜距时延校正算法的有效性和可靠性。