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利用星载双天线InSAR技术获得高精度数字高程模型具有很大优势,但实现难度非常大,需要攻克多项技术难关。本论文针对星载双天线InSAR系统特有的柔性基线抖动,以干涉基线测定和运动误差补偿技术为主题,从基线矢量的高精度测量和估计、基线抖动引起的天线相位中心偏移误差对系统干涉性能的影响分析、基线抖动引起的波束失准分析与校正,以及高精度运动补偿等方面展开研究,主要创新性工作及研究成果如下:
(1)对基线高精度测量,基于光学相机和激光测距仪组成的基线测量系统,给出了确定算法和精度分析。其中,利用光学相机对LED标志点成像,给出了干涉基线长度和指向的近似解析表达形式,并通过对解析解修正,改进了算法的性能。此外,为提高基线长度在视轴方向的精度,采用相位式激光测距法,利用信号混频FFT检测相位方法,获得高精度测距。仿真结果表明光学测量给定的确定算法简单可靠;采用光学测角与激光测距相结合可实现干涉基线的高精度测量。
对基线高精度估计,首先,设计了基线确定算法,考虑了柔性基线的抖动,将支撑臂结构模态作为状态变量,构建了系统模型,以提高估计精度。其次,基于星敏感器和陀螺组成的姿态测量系统,采用扩展Kalman滤波算法,以实现姿态的高精度估计。然后,建立了基线指向与卫星姿态的关联模型,分析了两者之间的误差传递关系。仿真结果表明上述两个滤波器均能有效地提高估计精度:卫星定姿误差对基线指向精度的影响为相同量级。
(2)针对基线抖动引起的天线相位中心偏移误差对系统干涉性能的影响,建立了基线抖动模型,分别提出了考虑低频和高频抖动情况的二维频域原始回波仿真算法,并通过与理论分析的比较,验证了算法的有效性:以典型系统参数为例,详细分析了基线抖动误差对原始回波、单幅图像质量和干涉图等的影响。
(3)分析了基线抖动对天线方向图的影响,以及波束失准对干涉相位噪声的影响;主要针对方位向波束失准,基于副天线俯仰角和偏航角偏差与双天线相对多普勒频移之间的关系,并考虑副天线有效方向图对方位角偏差的影响,给出偏差角的最小二乘估计,提高了机械视轴与电子视轴之间偏差的估计精度,为实现波束精确对准提供依据;最后,可采用基于基线测量系统进行波束粗对准、根据多普勒频移估计失准角偏差进行波束精对准的方法。
(4)提出了一种改进的自聚焦运动补偿算法。该算法基于加权最小二乘相位估计和相位曲率自聚焦算法,能够产生更好的聚焦图像,校正失准的脉冲响应函数,从而获得相干性好的干涉数据,有利于复图像对的配准。与多斜视算法相比,该算法鲁棒性更强,能够独立估计运动误差,无需对干涉相位做假设,适用于InSAR高精度运动补偿。通过仿真模拟,验证了该算法的有效性和精确性。