一種多通道幹涉合成孔徑雷達高程重建方法及裝置與流程
2023-05-26 04:49:31 3
本發明涉及多通道幹涉合成孔徑雷達的高程重建技術，尤其涉及一種多通道幹涉合成孔徑雷達（InSAR，InterferometricSyntheticApertureRadar）高程重建方法及裝置。
背景技術：
InSAR技術是一種高精度對地三維觀測技術。在InSAR技術中，獲取地形表面的數字高程圖（高程重建）是其中最重要的應用方向之一。而多通道InSAR高程重建則特別適用於解決較複雜地區的高程疊掩問題，而且有利於高度變化大於一個高度模糊數的情況下的相位解纏。目前存在的多通道InSAR高程重建方法主要分為兩大類：基於最大似然估計的高程重建和基於最大後驗概率估計的高程重建。第一類高程重建算法將各通道幹涉相位的概率密度函數的乘積作為似然函數，通過搜索使該似然函數的值最大的高度值而獲得高程重建結果；第二類高程重建算法則利用了隱藏在幹涉相位圖中的相鄰像素之間的關係，並以此作為先驗信息，結合第一類算法中的似然函數，從而得到地表高度的最大後驗概率估計。以上兩類高程重建算法均屬於統計方法，需要較多的獨立樣本，而當獨立樣本的個數較少時，就不能通過上述方法進行高程重建了。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種多通道幹涉合成孔徑雷達高程重建方法及裝置，能夠利用較少的樣本對地形進行高程重建。為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：本發明提供了一種多通道幹涉合成孔徑雷達InSAR高程重建方法，通過設 置於測量太空飛行器上的至少兩個測量雷達對待測高程所在的位置分別發射電磁波，接收各發射電磁波的反射電磁波，並確定反射電磁波之間的幹涉相位、以及所述待測高程與所述至少兩個測量雷達之間的位置關係；該方法包括：根據所述幹涉相位、以及所述待測高程與所述至少兩個測量雷達之間的位置關係為所述待測高程建模同餘方程組；對所述同餘方程組進行等價變換，並求解變換後的同餘方程組，獲取所述變換後的同餘方程組的解及所述變換後的同餘方程組對應的模糊數；根據所述變換後的同餘方程組的解及所述模糊數，確定出所述同餘方程組的高程。上述方案中，所述根據所述幹涉相位、以及所述待測高程與所述至少兩個測量雷達之間的位置關係為待測高程建模同餘方程組，包括：確定所述待測高程的纏繞幹涉相位對應的斜距差；根據所述斜距差、以及所述待測高程與所述至少兩個測量雷達之間的位置關係，確定所述待測高程與幹涉相位之間的關係；根據設定的餘數，對所述待測高程與幹涉相位之間的關係進行等價變換，得到所述待測高程的同餘方程組。上述方案中，所述對所述同餘方程組進行等價變換包括：從同餘方程組中選取同餘方程作為參考方程；將同餘方程組中除參考方程以外的同餘方程與所述參考方程進行相減，並將相減後的所有方程等價變化為一組同餘方程組。上述方案中，所述求解變換後的同餘方程組包括：根據魯棒性中國剩餘定理，求解變換後的同餘方程組。上述方案中，根據所述變換後的同餘方程組的解及所述模糊數，確定出所述同餘方程組的高程，包括：將所述變換後的同餘方程組的解以及所述變換後的同餘方程組對應的模糊數代入到所述同餘方程組中而確定出所述同餘方程組的高程。本發明還提供了一種多通道InSAR高程重建裝置，該裝置包括：第一確定 單元、建模單元、獲取單元以及第二確定單元；其中，所述第一確定單元，用於通過設置於測量太空飛行器上的至少兩個測量雷達對待測高程所在的位置分別發射電磁波，接收各發射電磁波的反射電磁波，並確定反射電磁波之間的幹涉相位、以及所述待測高程與所述至少兩個測量雷達之間的位置關係；所述建模單元，用於根據所述幹涉相位、以及所述待測高程與所述至少兩個測量雷達之間的位置關係為所述待測高程建模同餘方程組；所述獲取單元，用於對所述同餘方程組進行等價變換，並求解變換後的同餘方程組，獲取所述變換後的同餘方程組的解及所述變換後的同餘方程組對應的模糊數；所述第二確定單元，用於根據所述變換後的同餘方程組的解及所述模糊數，確定出所述同餘方程組的高程。上述方案中，所述建模單元包括：第一確定子單元、第二確定子單元和第一變換子單元；其中，所述第一確定子單元，用於確定所述待測高程的纏繞幹涉相位對應的斜距差；所述第二確定子單元，用於根據所述斜距差、以及所述待測高程與所述至少兩個測量雷達之間的位置關係，確定所述待測高程與幹涉相位之間的關係；所述第一變換子單元，根據設定的餘數，對所述待測高程與幹涉相位之間的關係進行等價變換，得到所述待測高程的同餘方程組。上述方案中，所述獲取單元包括：選取子單元和第二變換子單元；其中，所述選取子單元，用於從同餘方程組中選取同餘方程作為參考方程；所述第二等價變換子單元，用於將同餘方程組中除參考方程以外的同餘方程與所述參考方程進行相減，並將相減後的所有方程等價變換為一組同餘方程組。上述方案中，所述獲取單元，還用於根據魯棒性中國剩餘定理，求解變換後的同餘方程組。上述方案中，所述第二確定單元包括：回調子單元和第三確定子單元；其中，所述回調子單元，用於將所述變換後的同餘方程組的解以及所述變換後的同餘方程組對應的模糊數代入到所述同餘方程組中；所述第三確定子單元，用於在將所述變換後的同餘方程組的解以及所述變換後的同餘方程組對應的模糊數代入到所述同餘方程組中之後，確定出所述同餘方程組的高程。本發明提供的多通道幹涉合成孔徑雷達高程重建方法及裝置，通過設置於測量太空飛行器上的至少兩個測量雷達對所述待測高程所在的位置分別發射電磁波，接收各發射電磁波的反射電磁波，並確定反射電磁波之間的幹涉相位、以及所述待測高程與所述至少兩個測量雷達之間的位置關係；根據所述幹涉相位、以及所述待測高程與所述至少兩個測量雷達之間的位置關係為待測高程建模同餘方程組；對所述同餘方程組進行等價變換，並求解變換後的同餘方程組，獲取所述變換後的同餘方程組的解及所述變換後的同餘方程組對應的模糊數；根據所述變換後的同餘方程組的解及所述模糊數，確定出所述同餘方程組的高程。如此，能夠利用較少的樣本對地形進行高程重建。附圖說明圖1為本發明多通道InSAR高程重建方法實現流程示意圖一；圖2為本發明多通道InSAR高程重建方法實現流程示意圖二；圖3為利用仿真數據模擬的高程示意圖；圖4為利用幹涉相位與高程之間的關係仿真的纏繞幹涉相位示意圖；圖5為利用本發明提供的方法得到的高程結果示意圖；圖6a為本發明多通道InSAR高程重建裝置的組成結構示意圖；圖6b為本發明多通道InSAR高程重建裝置中建模單元的組成結構示意圖；圖6c為本發明多通道InSAR高程重建裝置中獲取單元的組成結構示意圖；圖6d為本發明多通道InSAR高程重建裝置中第二確定單元的組成結構示 意圖。具體實施方式為了能夠更加詳盡地了解本發明的特點與技術內容，下面結合附圖對本發明的實現進行詳細闡述，所附附圖僅供參考說明之用，並非用來限定本發明。本發明提供了一種多通道InSAR高程重建方法，如圖1所示，該方法包括以下步驟：步驟101：通過設置於測量太空飛行器上的至少兩個測量雷達對待測高程所在的位置分別發射電磁波，接收各發射電磁波的反射電磁波，並確定反射電磁波之間的幹涉相位、以及待測高程與所述至少兩個測量雷達之間的位置關係。步驟102：根據所述幹涉相位、以及所述待測高程與所述至少兩個測量雷達之間的位置關係為待測高程建模同餘方程組。本步驟具體包括：確定所述待測高程的纏繞幹涉相位對應的斜距差；根據所述斜距差、以及所述待測高程與所述至少兩個測量雷達之間的位置關係，確定所述待測高程與幹涉相位之間的關係；根據設定的餘數，對所述待測高程與幹涉相位之間的關係進行等價變換，得到所述待測高程的同餘方程組。步驟103：對所述同餘方程組進行等價變換，並求解變換後的同餘方程組，獲取所述變換後的同餘方程組的解及所述變換後的同餘方程組對應的模糊數。這裡，對所述同餘方程組進行等價變換，具體為：從同餘方程組中選取同餘方程作為參考方程；將同餘方程組中除參考方程外的同餘方程與所述參考方程進行相減，並將相減後的所有方程等價變換為一組同餘方程組。本方案中，將同餘方程組中除參考方程以外的同餘方程與所述參考方程進行相減是為了消除未知參數—高程。這裡，所述求解變換後的同餘方程組包括：根據魯棒性中國剩餘定理，求 解變換後的同餘方程組。步驟104：根據所述變換後的同餘方程組的解及所述模糊數，確定出所述同餘方程組的高程。本步驟具體為：將所述變換後的同餘方程組的解以及所述變換後的同餘方程組對應的模糊數代入到所述同餘方程組中而確定出所述同餘方程組的高程。下面結合具體實施例對圖1所示的方法做進一步詳細描述，如圖2所示，圖2為本發明實施例提供的一種多通道InSAR高程重建實現方法，該方法包括以下步驟：步驟201：通過設置於測量太空飛行器上的兩個測量雷達對待測高程所在的位置分別發射電磁波，接收各發射電磁波的反射電磁波，並確定反射電磁波之間的幹涉相位、以及待測高程與所述至少兩個測量雷達之間的位置關係。步驟202：確定所述待測高程的纏繞幹涉相位對應的斜距差。這裡，所述斜距是指測量雷達到待測高程位置之間的距離。由於測量雷達接收到的電磁波的幹涉相位與雷達到待測高程位置的斜距差有關，因此可以通過測量雷達接收到的幹涉相位確定所述幹涉相位對應的斜距差。步驟203：根據所述斜距差、以及高程與測量雷達之間的位置關係，確定所述高程與幹涉相位之間的關係。本實施例中，獲取的高程與幹涉相位之間的關係是在去除平地效應後所獲取的；平地效應是指水平地面上高度相同的兩個物體由於衛星的距離不同所產生的相位差異。平地效應使得產生的幹涉條紋過於密集，因此獲取的高程與幹涉相位之間的關係之前需要去除平地效應。這裡，幹涉相位與高程之間的關係為：公式（1）中，h表示所求的地面上某個像素點的高程，k表示幹涉通道的序號，φk表示第k組幹涉通道上觀測到的纏繞幹涉相位值，nk表示φk對應的模 糊數，K表示幹涉通道的總組數，hk表示第k組幹涉通道的高度模糊數。優選地，高度模糊數hk可以表示為：公式（2）中，λk表示第k組幹涉通道的系統波長，B⊥k表示第k組幹涉通道對應的垂直基線的長度，θ為系統的下視角，R0為主圖像的景中心斜距。這裡，系統是指多通道InSAR系統。步驟204：根據設定的餘數，對所述高程與幹涉相位之間的關係進行等價變換，得到所述高程的同餘方程組。這裡，設定的餘數可以表示為：對所述高程與幹涉相位之間的關係進行等價變換，具體為：將公式（3）和公式（2）代入公式（1）中，並對公式（1）進行等價變換，得到下式：h=nk×hk+rk,k=1,2,...,K（4）公式（4）中，第k組幹涉通道的高度模糊數hk、以及餘數rk均為已知參數（可以通過多通道InSAR系統測出）；模糊數nk未知參數；h為待求的同餘方程組的解，為未知參數。這裡，高度模糊數hk和模糊數nk是兩個不同的參量。這裡，公式（4）為第k個同餘方程的表達式，通過公式（4）可以得到K個同餘方程，這K個同餘方程進而組成同餘方程組，即：h=n1×h1+r1h=n2×h2+r2h=n3×h3+r3（5）h=nK×hK+rK步驟205：從同餘方程組中選取同餘方程作為參考方程。具體的，設定一組互質的數，這組互質的數中第k個數可以表示為：Γk=hk/M,1≤k≤K（6）公式（6）中，M是根據系統參數設定好的歸一化因子，且M為實數。根據公式（6），設定參數Γ和參數γk表示如下：（7）其中，為定義符號，這裡表示Γ的定義式為Γ1Γ2...ΓK；同理，γk的定義式為Γ1...Γk-1Γk+1...ΓK。通過公式（7）可知γk與Γk互質，因此γk關於Γk的乘法逆元一定存在，也即滿足以下同餘方程的一定存在：<![CDATA[γkγk≡1modΓK---(8)]]>其中，表示γk關於Γk的乘法逆元；≡為恆等符號。將所有帶噪聲的餘數除以M取餘，得到K個不同的新餘數：其中，表示帶噪聲的餘數；表示由公式（9）所得的新餘數；表示下取整符號。公式（9）中，表示第k個新餘數。對公式（9）中的新餘數進行平均，得到：<![CDATA[r^c=argminxR,0≤x≤MΣk=1Kd2(rk^c,x)---(10)]]>其中，∈表示屬於符號；argmin表示取泛函的最小值，這裡具體為取的最小值。公式（10）中，距離函數d(x,y)設定為：公式（11）中，x，y為實數，且範圍為大於等於0且小於M；j0滿足下式：<![CDATA[j0=argminj{-1,0,1}|x-y-j0×M|---(12)]]>其中，||表示取絕對值符號，這裡具體為取（x-y-j0×M）的絕對值。距離平均值最近的所在的同餘方程即為選取的參考方程。這裡，距離平均值最近的也即取最小值時的步驟206：將同餘方程組中的同餘方程與所述參考方程進行等價變換。具體的，將同餘方程組中除參考方程以外的同餘方程與參考方程相減，並將相減後的所有方程等價變換為一組同餘方程組：公式（13）中，這裡，[]表示四捨五入取整符號。步驟207：根據魯棒性中國剩餘定理，求解變換後的同餘方程組。具體的，求解公式（13）中的同餘方程組，得到的解以及與該同餘方程組對應的模糊數為：<![CDATA[n^1=Σk=2K^k,1×bk,1×γ1Γkmodγ1]]>（14）公式（14）中，bk,1為γ1/Γk關於模Γk的乘法逆元。步驟208：將所述變換後的同餘方程組的解以及所述變換後的同餘方程組對應的模糊數代入到所述同餘方程組中進而確定出所述同餘方程組的高程。具體的，將步驟205中求得的解以及與該同餘方程組對應的模糊數（如公式（14）所示）代入到原來的同餘方程組（如公式（5）所示），求得各個同餘方程的解。優選地，並取各個同餘方程中高程的平均值作為多通道InSAR高程的估計值。該平均高程表示為：下面結合圖3至圖5對本發明的多通道InSAR高程重建方法做進一步描述。圖3為利用仿真數據模擬的高程示意圖，如圖3所示，右圖為三維立體圖，不同的形狀具有不同的高度；左圖為右圖的俯視圖，通過左圖灰度的明暗程度可以看出實際情況下不同形狀的相對於基準面的高度。圖4為利用幹涉相位與高程之間的關係仿真的加噪聲後的纏繞幹涉相位圖，該圖為三個幹涉通道所得到的幹涉相位圖。從圖中可以明顯看出圖像受到噪聲的幹擾，顯示不清晰；要想得到實際情況下不同形狀的相對於基準面的高度，需要綜合考慮三幅幹涉相位圖。圖5為利用本發明提供的方法得到的高程結果示意圖，如圖5所示，通過該圖灰度的明暗程度可以看出實際情況下不同形狀的相對於基準面的高度，與圖3所示的高程示意圖極為接近，因此本發明提供的多通道InSAR高程重建方法具有較高的精確度。本發明實施例還提供了一種多通道InSAR高程重建裝置，如圖6a所示，該多通道InSAR高程重建裝置包括：第一確定單元61、建模單元62、獲取單元63以及第二確定單元64；其中，所述第一確定單元61，用於通過設置於測量太空飛行器上的至少兩個測量雷達對所述待測高程所在的位置分別發射電磁波，接收各發射電磁波的反射電磁波，並確定反射電磁波之間的幹涉相位、以及所述待測高程與所述至少兩個測量雷 達之間的位置關係；所述建模單元62，用於根據所述幹涉相位、以及所述待測高程與所述至少兩個測量雷達之間的位置關係為待測高程建模同餘方程組；所述獲取單元63，用於對所述同餘方程組進行等價變換，並求解變換後的同餘方程組，獲取所述變換後的同餘方程組的解及所述變換後的同餘方程組對應的模糊數；所述第二確定單元64，用於根據所述變換後的同餘方程組的解及所述模糊數，確定出所述同餘方程組的高程。優選地，所述獲取單元63，還用於根據魯棒性中國剩餘定理，求解變換後的同餘方程組。如圖6b所示，所述建模單元62包括：第一確定子單元621、第二確定子單元622和第一變換子單元623；其中，所述第一確定子單元621，用於確定所述待測高程的纏繞幹涉相位對應的斜距差；所述第二確定子單元622，用於根據所述斜距差、以及所述待測高程與所述至少兩個測量雷達之間的位置關係，確定所述待測高程與幹涉相位之間的關係；所述第一變換子單元623，根據設定的餘數，對所述待測高程與幹涉相位之間的關係進行等價變換，得到所述待測高程的同餘方程組。如圖6c所示，所述獲取單元63包括：選取子單元631和第二變換子單元632；其中，所述選取子單元631，用於從同餘方程組中選取同餘方程作為參考方程；所述第二等價變換子單元332，用於將同餘方程組中除參考方程以外的同餘方程與所述參考方程進行相減，並將相減後的所有方程等價變化為一組同餘方程組。如圖6d所示，所述第二確定單元64包括：回調子單元641和第三確定子單元642；其中，所述回調子單元641，用於將所述變換後的同餘方程組的解以及所述變換後的同餘方程組對應的模糊數代入到所述同餘方程組中；所述第三確定子單元642，用於在將所述變換後的同餘方程組的解以及所述變換後的同餘方程組對應的模糊數代入到所述同餘方程組中之後，確定出所述同餘方程組的高程。以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。