Методы радиолокационной интерферометрии в исследовании характеристик земных покровов

Оглавление
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ......................................5
ВВЕДЕНИЕ..............................................................6
1. ОРГАНИЗАЦИЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОЙ СЪЁМКИ...........................17
1.1. Геомегрия интерферометрической съёмки.........................17
1.1.1.* Иитерферометричсская фаза................................17
1.1.2. Измерение высот рельефа..................................21
1.1.3. Измерение смещений поверхности...........................22
1.1.4. Критические величины орбитальных параметров..............24
1.2. Орбитальные конфигурации для реализации интерферометрической съемки...........................................................29
1.2.1. Полноактивные системы.....................................30
1.2.2. Полуактивные системы......................................39
2. ЭТАПЫ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ, ИЗМЕРЯЕМЫЕ ВЕЛИЧИНЫ И ИХ ТОЧНОСТИ...............................................45
2.1. Этапы интерферометрической обработки..........................45
2.1.1. Совмещение...............................................46
2.1.2. Вычисление когерентности.................................48
2.1.3. Вычисление разности фаз..................................49
2.1.4. Фильтрация...............................................49
2.1.5. Интерпретация когерентности..............................53
2.1.6. Устранение набега фазы по дальности......................53
2.1.7. Устранение 271-неоднозначности разности фаз..............53
2.1.8. Устранение перепадов фазы, относящихся к рельефу.........54
2.1.9. Пересчет разности фаз в колебания высоты рельефа.........54
2.1.10. Пересчёт разности фаз в величину подвижек................55
2.1.1 Г Визуализация.............................................55
2.1.12. Геокодирование (картографическая привязка)...............55
2.2. Измеряемые величины и их точности.............................56
2.2.1. Оценка степени декорреляции..............................57
2.2.2. Оценка точности измерения высоты.........................58
2.2.3. Точности интерферометрических измерений, достигаемые существующими радиолокационными системами....................63
2.2.4. Оценка точности локальных деформаций......................65
Il
I
ï
3
3. АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАСКРЫТИЯ ФАЗОВОЙ НЕОДНОЗНАЧНОСТИ ПРИ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЯХ (МЕТОДЫ РАЗВОРОТА ФАЗЫ)..................................................................70
3 Л. Постановка задачи...............................................70
3.2. Локальные методы разворота фазы.................................72
3.2.1. Метод вычетов и его модификация.............................72
3.2.2. Потоковый метод разворота фазы..............................75
3.2.3. Частотный метод анализа фазовой неоднозначности
: интерферограммы.....................................................77
3.2.4. Метод восстановленных значений..............................78
г
3.2.5. Метод, основанный на локальной фильтрации интерферограммы...78
3.2.6. Метод определения граничных линий...........................80
i
3.3. Глобальные методы раскрытия фазовой неоднозначности.............80
3.3.1. Метод наименьших квадратов..................................80
3.3.2. Метод рекурсивного сглаживания..............................82
3;3.3. Метод кусочно-линейного моделирования.......................83
3.3.4. Взвешенное развёртывание фазы методом конечных элементов 84
3.4. Сравнение методов...............................................85
3.4.1. Сравнение локальных методов между собой.....................85
3.4.2. Сравнение глобальных методов между собой....................88
3.4.3. Сравнение результатов работы локальных и глобальных методов на примере данных ERS.................................................90
4. ПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ...................................97
4.1. Поляризационный базис, вектор рассеяния, матрица когерентности 98
4.2. Векторная когерентность........................................100
4.3. Преобразование когерентности при замене поляризационного базиса 101
4.4. Связь между поляриметрической и интерферометрической разностью фаз в поляриметрической интерферометрии.............................102
4.4.1. Интерферограммы с разными поляризациями....................104
4.4.2. Интерферограмма для поляриметрических разностей фаз........104
* 4.4.3. Дифференциальные интерферограммы вида XYUV-ITHHH............105
4.5. Модели рассеяния в скалярной и векторной (поляриметрической) интерферометрии.....................................................106
у 4.5.1. Объёмное и поверхностное рассеяние в векторной интерферометрии
; 106
?
г
ï
*•
t
4.5.2. Идеи двух- и трёхуровневых моделей рассеяния для растительности . 108
4.5.3. Линейная модель когерентности............................111
4.6. Поляриметрическая интерферометрия с двумя базами............115
4.7. Современные области применения интерферометрии, решаемые задачи, измеряемые параметры...........................................116
4.7.1. Классификация............................................117
4.7.2. Параметры высотной структуры растительности..............118
4.7.3. Топографические высоты и уклоны..........................121
4.7.4. Мониторинг естественных процессов и чрезвычайных ситуаций .. 123
4.7.5. Обнаружение искусственных объектов.......................125
5. ПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКИЕ СИГНАТУРЫ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОСТИ......................................................127
5.1. Преобразование поляризационного базиса......................127
5.2. Сигнатуры когерентности: определение........................131
5.3. Общие свойства сигнатур.....................................134
5.4. Классификация земных покровов, основанная на сигнатурах
когерентности....................................................136
5.5. Классификация леса, основанная на сигнатурах когерентности..142
5.6. Области когерентности и сравнение классификации.............149
5.6.1. Замена поляризационного базиса...........................150
5.6.2. Классификация на основе областей когерентности...........151
6. РЕГИСТРАЦИЯ МАТРИЦЫ РАССЕЯНИЯ ПО ЧАСТИЧНЫМ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫМ ИЗМЕРЕНИЯМ В РЕЖИМЕ
ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОЙ СЪЁМКИ........................................154
6.1. Моделирование квази-поляриметрической матрицы рассеяния.....156
6.2. Применение метода к данным радиолокатора БИ^-С..............172
ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................185
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................188
ПРИЛОЖЕНИЕ........................................................209
5
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ
ВВ, ГВ, ГГ — комбинации поляризаций на излучении/приёме (Г — горизонтальная, В — вертикальная)
ГГц — гигагерц
ГИС — геоинформационная система
дБ — децибел
КА — космический аппарат
РСА — радиолокатор с синтезированной апертурой
ALOS — Advanced Land Observing Satellite, Япония
Cosmo-SkyMed — семейство КА с РСА на борту, Италия ENVISAT — ENVIronment SATellite Европейского Космического
Агентства
ERS-1,2 — Earth Remote sensing Satellite Европейского Космического
Агентства
НН, HV, VV — комбинации поляризаций на излучении/приёме (Н — горизонтальная, V — вертикальная)
JERS — Japanese Earth Resources Satellite, Япония
PALSAR •— Phased-Array L-band Synthetic Aperture Radar (на борту ALOS)
RADARSAT — семейство КА с РСА на борту, Канада SAR — Synthetic Aperture Radar
SIR-B, С — Shuttle Imaging Radar, version В and С, США
SRTM — Shuttle Radar Topography Mission, США
TanDEM-X — TcrraSAR-X add-on for Digital Elevation Measurement, Гер-
мания
TerraSAR-X, -L — радиолокаторы с синтезированной апертурой, Гёрмания
6
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность исследований
Радиолокационная интерферометрия — активно развивающаяся в последние два десятилетия отрасль дистанционного зондирования Земли. В её возможности входит топографическое картирование местности, оценка динамики нестабильной поверхности за определённый период, оценка временной декорреляции поверхности, выявление доминирующих механизмов рассеяния, классификация земных покровов.
* Исследования Земли с помощью радиолокатора с синтезированной апер-
турой, расположенного на борту самолета или спутника — ото современный высокопроизводительный метод дистанционного зондирования, позволяющий получать двумерные распределения интенсивности отраженного сигнала, а также изучать отражательные свойства и структуры рельефа поверхности. Преимуществами радиолокаторов перед оптическими сенсорами является возможность съёмки независимо от солнечного освещения и от наличия/отсутствия облачности. Прием отраженного сигнала на две антенны на борту носителя (или же, в схеме с одной антенной, съемка выбранного участка поверхности с близких траекторий носителя) и дальнейшая совместная обработка позволяют при помощи анализа фазовой;составляющей эхо-сигнала добавить третье измерение к двумерным радиолокационным изображениям, выявляя, в зависимости от поставленной задачи и начальных условий, относительные высоты рельефа, степень декорреляции или изменение положения отражающей поверхности.
Преимущества интерферометрии перед привычными методами анализа только амплитудной информации заключаются в дополнительных возможностях, позволяющих проводить:
• извлечение информации о рельефе поверхности Земли;
• детектирование площадных подвижек поверхности;
• обнаружение изменений поверхности за время между съёмками;
• оценку скорости движущихся целей.
У
1
4 .
7
1
Возможность получать высокодетальные карты рельефа для любой территории дистанционным методом является значимой альтернативой геодезической съёмке, что особенно актуально для труднодоступных местностей. Спутниковый мониторинг активных динамических процессов (оползней, карстовых явлений, опусканий почвы в районах нефтегазодобычи и прочих подземных работ, выпучиваний в результате мерзлотных процессов, и т.д.), особенно вблизи населённых пунктов и объектов инфраструктуры, имеет важное хозяйственное значение. Исследование растительных сред с помощью методов поляриметрической интерферометрии важно для оценки биомассы лесных массивов, их участия в газообменных процессах и влияния на климат.
Состояние исследований (обзор литературы)
К настоящему моменту радиолокационные интерферометрические исследования занимают заметное место в дистанционном зондировании Земли. Однако эта отрасль науки возникла сравнительно недавно и получила бурное развитие в последнее двадцатилетие. Предлагаемый обзор литературы по данной тематике даст возможность понять истоки метода, оценить его современное состояние и перспективы.
Одной из первых публикаций, показывающей возможность количественной дистанционной оценки перепадов рельефа на поверхности Земли, является [1]. В этой работе 1974 года приведены первые результаты применения ин-терферомстрического метода к радиолокационным данным, полученным с борта самолёта, для построения карты рельефа. Аппаратная реализация метода такова, что в качестве результата были получены линии постоянной высоты в координатах «азимут—дальность». Следующие публикации на эту тему относятся к середине 1980-х годов и также касаются измерений, полученных с самолёта [2]. В работе использованы данные радиолокатора Ь-диапазона (съёмка с самолёта, однопроходная, 11 м жёсткой базы с антеннами на крыльях, точность измерения высоты — в пределах 10 м). Почти одновременно были продемонстрированы возможности отдельной методики интерфсрометрических измерений:
в случае ориентации базы интерферометра вдоль трассы полёта становится возможным измерять скорости движущихся на поверхности объектов, например, океанских течений [3]. В настоящей работе эта тема остаётся в стороне, равно как и интерферометрическая съёмка с самолётных носителей, однако три названных публикации имеют безусловную ценность как первые исследования в области радиолокационных интерферометрических измерений.
Первая публикация, касающаяся интерферометрической обработки данных, полученных с космической орбиты, имела целыо построения карты высот с повторяющихся орбит по данным радиолокатора SIR-B [4]. Также в этой работе уделяется внимание трудностям, возникающим при обработке данных с не параллельных орбит (пересекающихся под малым, но всё же заметным углом). Другой радиолокатор космического базирования, установленный на борту космического аппарата SeaSat, был использован для иллюстрации идеи дифференциальной интерферометрии в многопроходной схеме съёмки с компенсацией составляющей фазы, отражающей информацию о рельефе, за счёт дополнительной интерферограммы с другой пространственной базой [5, 6].
В 1991 году был запущен искусственный спутник Земли ERS-1 с радиолокатором на борту, ознаменовавший начало новой эры в радиолокационной интерферометрии, поскольку 35-дневный период повторения съёмок и охват съёмками практически всей поверхности планеты благодаря околополярной орбите позволили получать пары изображений, пригодные для интерферометрической обработки, в небывалом ранее количестве. Таким образом, начиная с 1992 года, количество публикаций, посвящённых интерферометрической тематике в радиолокации, стремительно увеличивается. На симпозиуме, посвящённым первым результатам работы ERS-1, а также на крупнейшем международном ежегодном симпозиуме по дистанционному зондированию IGARSS (International Geoscience And Remote Sensing Symposium), проведённым в 1992 году, появились доклады, посвящённые радиолокационной интерферометрии для картирования рельефа Земли. Также вышли работы, посвящённые теоретическим основам и анализу ошибок интерферометрических измерений [7,8].
В 1993 году возникает поток публикаций, демонстрирующих широкие возможности радиолокационной интерферометрии в обнаружении мелкомасштабных смещений поверхности различного происхождения, в частности, при землетрясениях [9], движении ледников [10]. При этом продолжает активно развиваться направление картирования рельефа земной поверхности и совершенствуются методы интерферомстрической обработки [11, 12].
1994 год ознаменовался съёмками радиолокаторов SIR-C/X-SAR (совместный американо-германо-итальянский проект, аппаратура производила съёмку в трёх частотных диапазонах X, С и L, причём в двух последних в поляриметрическом режиме). Несмотря на то, что съёмка производилась в течение всего двух коротких периодов 9.04.1994—20.04.1994 и 30.09.1994—11.10.1994, полученные данные представляют большую научную ценность, в том числе для развития интсрферометрической и поляриметрической радиолокации. Помимо ежегодных симпозиумов, посвящённых дистанционному зондированию вообще и при использовании данных космического аппарата ERS-1 в частности — IGARSS, 2Ы ERS-1 Symposium, Progress in Electromagnetics Research Symposium (PIERS), 1st Workshop on ERS-1 Pilot Projects — в 1994 году проводится первый международный научный симпозиум, посвящённый задачам собственно радиолокационной интерферометрии — Г1 Workshop on SAR Interferometry. К этому времени тематику как обсуждений на конференциях, так и журнальных публикаций можно условно разбить на три группы: интерферометрия как средство измерения рельефа [13-15], интерферометрия как средство измерения динамики поверхности [16-18], проблемы интерферометриической обработки радиолокационных данных и направления их решения [19-23]. Среди последних следует особо выделить растущее количество работ, посвящённых двумерной развёртке фазы (устранения 271-неоднозначности), которая является нетривиальной задачей и представляет собой одну из самых вычислительно ёмких процедур интерферометрической обработки.
В 1995 году были запущены сразу два ИСЗ с PC А на борту: европейский ERS-2 (с радиолокатором, имеющим те же характеристики, что и у ERS-1 и ор-
10
битой, организованной так, что съемка каждого участка поверхности Земли проводится спустя ровно сутки после съёмки ERS-1) [24] и канадский RADARS АТ с радиолокатором С-диапазона [25 J. Расширяется сфера приложений радиолокационной интерферометрии: появляются работы, посвящённые исследованиям состояния лесов [26] и других типов растительности [27], вулканов [28] и береговых полос [29]. Усиливается внимание к точностям интерфе-рометрических измерений [30] и причинам искажений на ингерферограммах (в том числе, влиянию атмосферы [31, 32]), рассматриваются различные аспекты интерферомегрической обработки, в частности, по-прежнему большое внимание уделяется поиску оптимального метода развёртки фазы [33].
В 1996-1997 годах возрастает количество публикаций, посвящённых аспектам интерфсрометрической обработки для конкретных инструментов (SIR-C/X-SAR, ERS-1/2 Tandem, JERS-1, SIR-C и планируемая в тот момент миссия SRTM), продолжаются исследования возможностей интерферометрии для регистрации рельефа и подвижек земной поверхности, вместе с тем рассматриваются различные особенности обработки и коррекции интерферометрических изображений. Кроме того, появляются обзоры, иллюстрирующие потенциальные возможности интерфсрометрического направления с точки зрения научных и хозяйственных приложений. Материалы нескольких секций трех крупных международных конференций (IGARSS, EuSAR, Fringe) посвящены радиолокационной интерферометрии. Все большее внимание уделяется приложениям к изучению растительных покровов ([34]) и анализу точности измеряемых величин, особенно атмосферным искажениям [35].
В 1998 году возникает новая перспективная ветвь интерферометрических исследований: поляриметрическая интерферометрия, использующая поляриметрические данные РСА [36]. Особенности методов поляриметрической интерферометрии позволяют оценивать характеристики объёмных рассеивающих сред (главным образом, растительных), на основе интерферометрической обработки сигналов с различными комбинациями поляризаций на излучении/приёме.
и
В 1999 году впервые рассмотрена возможность однопроходной интерфе-ромстрической съёмки, организованной при помощи полуактивной конфигурации спутников: активный излучающий инструмент установлен на одном из них, остальные (малогабаритные) снабжены только приёмными устройствами, регистрирующими сигнал, причём орбиты всех космических аппаратов расположены достаточно близко, чтобы можно было формировать интерферометрическое изображение [37].
В 2000-м году детальное внимание было уделено различным этапам ин-терферометрической обработки: геокодированию [38], высокоточному совмещению пары изображений [39], учитыванию тропосферных [40] и ионосферных [41] эффектов. Кроме того, впервые рассмотрена возможность интерферомст-рической обработки данных двух разных инструментов, несколько отличающихся по частотному диапазону [42]. В 2001 году продолжают появляться публикации по всем названным выше направлениям, ширится поток исследований, связанных с техникой постоянных отражателей (permanent scatterers), которая позволяет оценивать смещения поверхности по данным даже с высокой степенью декорреляции [43]. В 2002 году впервые упомянуты уголковые отражатели в связи с интерферометрическими измерениями [44].
В 2003 году в научной печати появляются первые результаты интерферо-метрической обработки данных ENVISAT [45], который был выведен на орбиту в марте предыдущего, 2002 года. Всё шире рассматриваются возможности совместной обработки данных, полученных из различных источников, для достижения наилучших результатов [46, 47] Также рассматриваются результаты интерферометрии для L-диапазона (радиолокатор JERS-1), на основе которых происходит планирование интерферометрической составляющей миссии Тегга-SAR-L [48]. В 2004 году появляется первое упоминание о планируемой миссии COSMO-SkyMed [49] — первой реализованной системы из четырёх спутников, следующих по орбите друг за другом и несущих идентичные инструменты. Множество работ посвящены обнаружению деформаций земной поверхности при помощи интерферометрии, а также методологии и частным аспектам обра-
12
ботки. Всё чаще привлекаются сторонние источники информации для совместного анализа с интерферометрическими измерениями. Впервые упоминаются планируемые миссии Radarsat-2 и Radarsat-3 [50].
С середины первого десятилетия 21 века были выведены на околоземную орбиту несколько новых космических аппаратов с РСА на борту. Это ALOS (Япония, 2006) с радиолокатором PALSAR L-диапазона, семейство COSMO-SkyMed (Италия, 2007-2010) из четырёх спутников, оснащённых РСА Х-диапазона, RADARS АТ-2 (Канада, 2007) с РСА С-диапазона, а также группировка TerraSAR-X и TanDBM-X (Германия, 2007 и 2010) снова Х-диапазона. Преобладающие темы публикаций в эти годы: деформации земной поверхности, получение точных цифровых карт земной поверхности, особенности различных этапов обработки, особенности миссий, способы выявления и устранения атмосферного влияния, поляриметрическая интерферометрия. Продолжают совершенствоваться системы обработки, отслеживаются различные динамические явления на земной поверхности, предлагаются методы коррекции атмосферной составляющей, предлагаются модели для оценки возможностей распознавания деформаций методом интерферометрии. Также большое внимание уделяется точности полученных интерферометрическими методами измерений, которая подтверждается альтернативными способами [51, 52], а также продолжаются работы по детектированию деформаций, в том числе зданий [53-55] Сравниваются возможности интерферометрической обработки данных различных диапазонов [56]. Выходит несколько книг, посвящённых особенностям обработки радиолокационных данных, в каждую из которых входят разделы, посвящённые интерферометрии [57-60]. Интенсивно развивается поляриметрическая интерферометрия [61-63].
Таким образом, за 20 лет активных исследований в области радиолокационной интерферометрии были разработаны и усовершенствованы методики обработки, показана возможность исполЕ>зования их для решения множества прикладных задач, выделены активно развивающиеся новые направления.
I
13
Цели и задачи работы
Целью диссертационной работы является исследование возможностей радиолокационной интерферометрии в изучении характеристик земных покровов при дистанционном зондировании Земли из космоса, демонстрация существующих методик обработки, а также их развитие: предложение модификации одного из методов двумерной развёртки фазы на интерферограмме, представление нового метода классификации естественных покровов на основе данных поляриметрической интерферометрии, введение и обоснование нового способа регистрации полной матрицы рассеяния при интерферометрической схеме съемки. Для достижения поставленной цели выполнены следующие этапы:
1. Проведён анализ геометрических характеристик интерферометрической съёмки, рассмотрены различные варианты организации интерферометрической съёмки, в том числе, конфигурации космических аппаратов.
2. Проанализированы этапы интерферометрической обработки для получения карт рельефа, обнаружения смещений поверхности и анализа декорреляции изображений.
3. Показаны измеряемые величины и приведены точности их оценки.
4. Проведён сравнительный анализ методов развёртки фазы на интерферограмме, предложена модификация метода вычетов для двумерной развёртки фазы и продемонстрированы результаты его работы в сравнении с двумя другими методами.
5. Изложены основы поляриметрической интерферометрии и проанализированы существующие на текущий момент её приложения.
6. Введён в рассмотрение новый метод классификации естественных покровов по поляриметрико-интерферометрическим данным на основе анализа поляриметрических сигнатур когерентности.
7. Предложен метод квази-поляриметрической съёмки с повторяющихся орбит, проведено моделирование искажений получаемой таким образом матрицы рассеяния; обработаны экспериментальные данные двух
14
частотных диапазонов, показана работоспособность метода, проведён сравнительный анализ источников декорреляции.
Научная новизна.
- Проведено оригинальное сравнительное исследование различных методов двумерной развёртки фазы на радиолокационных интерферограммах.
- Предложена модификация одного из методов развёртки фазы, адаптирующая его для условий пересечённого рельефа на снимаемой местности.
- Предложен метод построения поляриметрических сигнатур когерентности и способ классификации на его основе. Проведён сравнительный анализ возможностей такой классификаций для данных Ь- и С-диапазона, а также для различных интервалов между съёмками.
- Предложен метод получения полной матрицы за два прохода носителя в схеме интерферометрической съёмки; промоделированы возможные искажения и предложен способ их коррекции.
Достоверность
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается использованием методов и подходов, апробированных в научной литературе и зарекомендовавших себя как надёжные, для новых предлагаемых методов — сравнением с результатами работы других методов, а также с наземными данными.
Практическая значимость
Практическая значимость работы заключается в том, что
- предложенная модификация метода вычетов использует более эффективную обработку данных на этапе развёртки фазы благодаря площадному маскированию областей низкой интерферометрической когерентности;
- введённые поляриметрические сигнатуры интерферометрической когерентности являются новым признаком, позволяющим выполнять классификацию земных покровов на основе совместного анализа поляриметрической и интерферометрической информации;
- предложенный метод формирования полной матрицы рассеяния по частичным поляризационным измерениям расширяет возможности поляриметрических систем наблюдения поверхности Земли.
Положения, выносимые на защиту
- Система критериев, обеспечивающая эффективное использование и сравнение методов устранения 2л:-неоднозначности на интерферограммах.
- Модифицированный метод вычетов, устраняющий 2я-неоднозначность на интерферограмме при условии пересечённого рельефа на снимаемой местности.
- Поляриметрические сигнатуры интерферометрической когерентности как новый классификационный признак типов земных покровов.
- Метод формирования полной матрицы рассеяния зондируемых сред по частичным поляризационным измерениям, выполняемым в двухпроходной интерферометрической схеме съёмки.
Личный вклад автора
Основные результаты диссертации получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Автором лично разработана модификация одного из методов развёртки фазы, предложен метод классификации на основе поляриметрических сигнатур интерферометрической когерентности, а также проведено моделирование возможных искажений матрицы рассеяний, полученной по частичным поляризационным измерениям, предложен метод их коррекции, проведена обработка экспериментальных данных для демонстрации работы предложенных методов. Автором разработан фрагмент пакета программ интерферометрической обработки радиолокационных данных в части этапа устранения 2л-неоднозначности (двумерной развёртки фазы), а также полностью модуль поляриметрической интерферометрии. Интерпретация научных результатов осуществлялась вместе с соавторами публикаций, которым автор глубоко благодарен за плодотворную совместную работу.
16
Публикации
По результатам диссертационной работы опубликовано 35 работ, из них 7 в журналах, рекомендованных ВАК (ссылки [64], [65], [102], [155], [166], [169], [171] в общем списке литературы и [1-7] в Приложении).
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 213 страницах, содержит 51 рисунок, 6 таблиц и библиографический список из 182 наименований.
Апробация работы
Результаты работы, изложенные в диссертации, докладывались на международных, всероссийских, отраслевых конференциях и симпозиумах: XXI, XXII, XXIV, XXV Симп. «Радиолокационное исследование природных сред», Санкт-Петербург, 2003, 2004, 2006, 2009; Второй всеросс. научн. конф. «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами», Санкт-Петербург, 2004; Пятой Юбилейной Откр. Всеросс. Конф. «Дистанционное зондирование Земли из Космоса», Москва, 2007; V конф. молод. уч. «Фундаментальные и прикладные космические исследования», Москва, 2008; IV Всеросс. науч. шк. и конф. "Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред", Муром, 2009; Первой молодежи, тектонофизич. шк.-семинаре, Москва, 2009; конф. «Всероссийские радиофизические научные чтения-конференции памяти H.A. Арманда. Всеросс. научно-практич. конф. «Космическая радиолокация»», Муром, 2010; IEEE International Geoscience Arid Remote Sensing Symposium (IGARSS), Toulouse, 2003; Workshop on ERS&Envisat Interferometry “Fringe”, Italy, 2003; 5th,6th,7lh,8lh European Conference on Synthetic Aperture Radar (EUSAR), Germany, 2004, 2006, 2008, 2010; 4th, 5,h International Symposium on Retrieval of Bio- and Geophysical Parameters from SAR Data for Land Applications (BioGeoSAR), Innsbruck, 2004, Bari, 2007; 28th General Assembly URSI, New-Delhi, 2005; Joint PI Symposium for ALOS Science Program, Tokyo, 2010, и др.
17
1. ОРГАНИЗАЦИЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОЙ СЪЁМКИ
1.1. Геометрия интерферометрической съёмки
Пары радиолокационных изображений, пригодные для интерферомстри-ческой обработки, должны быть получены при определённых условиях съёмки. В этом разделе рассмотрена связь геометрических параметров орбит и интер-ферометрической разности фаз сигналов.
Фазовая составляющая интерферограммы представляет собой одну из важнейших измеряемых величин в радиолокационной интерферометрии [64]. Она содержит среди прочих компоненту, обусловленную рельефом местности, и компоненту, возникающую из-за смещения отражающей поверхности за время между съёмками, что позволяет широко применять интерферометрические методики для построения цифровых карг рельефа и для мониторинга динамики поверхности.
1.1.1. Интерферометрическая фаза
Комплексная интерферограмма вычисляется после точного совмещения двух изображений следующим образом:
\nterf = 2, -г'2)
где г, и г2 — комплексные коэффициенты обратного рассеяния, полученные при первой и второй съёмке соответственно.
Таким образом, фаза полученной величины (комплексной интерферограммы) является разностью фаз исходных величин 2, и г2, её принято в литературе называть «и нтерферомегри ческой фазой». Как правило, с целью фильтрации шумов интерферограмму (а следовательно, и фазу) вычисляют не по индивидуальным отсчётам, а берут усреднение по неко торому пространственному ансамблю отсчётов с центром в текущем элементе изображения.
Опишем сначала связь топографических высот местности с интерферо-мстрической фазой. В предположении неподвижной поверхности рассмотрим
возможность вычисления перепада высот по известным значениям интерферо-метрической фазы.
Для фиксированного элемента изображения обозначим наклонную даль- ' ность Б1 (расстояние от точки излучения-приёма первого аппарата до цели, вычисляемое по формуле \Х/2, где V — скорость распространения радиоволны в воздухе, приближенно равное скорости света в вакууме с, I — интервал времени между излучением и приёмом, деление на два возникает из-за двойного прохождения сигнала — «туда и обратно»). Ошибки совмещения здесь не рассматриваются, поскольку при ухудшении точности совмещения увеличивается уровень шумов на фазовом изображении, а на её среднюю величину и вычисляемое по ней расстояние это практически не влияет.
«ло-§
\
Л'
, + /<
,где (1.1)
с — скорость света,
^ — время запаздывания для начала строки,
N— номер пиксела (элемента изображения) в строке,
— частота квантования.
Разность фаз двух изображений — один из центральных объектов интер-ферометрических приложений. На её формирование оказывают влияние различные параметры, поэтому условно разность фаз можно разделить на несколько слагаемых:
Ф = Фдааьн + Фтопо **" Фдеиж * Фатм + Фшум » О *2)
где первое слагаемое включает в себя набег фазы при увеличении номера элемента строки, второе и третье учитывают влияние рельефа и сдвига поверхности между съёмками (при схеме повторяющихся орбит), четвёртое — вариации пути сигнала в атмосфере благодаря атмосферным неоднородностям, пятое включает неизбежную шумовую составляющую.
19
Непосредственно к геометрии съёмки имеют отношение первая и вторая составляющие интерферометрической разности фаз. Рассмотрим их подробнее в предположении отсутствия динамики поверхности и влияния атмосферы.
Набег фазы по дальности определяется только координатами точек съёмки, радиусом Земли и параметрами сигнала, участвующими в (1.1). Таким образом, эту составляющую легко компенсировать, с тем чтобы далее работать с информативными слагаемыми, показывающими рельеф и движение, и пытаться отсеять мешающие атмосферную и шумовую компоненты.
На рис. 1.1 показана схема съёмки с базой интерферометра, ориентированной поперёк трассы носителя, для земной поверхности, лишённой каких бы то ни было перепадов рельефа. Для наглядности пропорции искажены. Плоскость рисунка ортогональна векторам мгновенной скорости космических аппаратов, содержит точки излучения/приёма сигнала £/ и & и центр Земли (точку О), линии распространения сигналов пересекают усреднённую земную поверхность нулевой высоты (дуга на рис. 1.1) в точке А. Покажем возникновение первого слагаемого
Компенсация фазовой составляющей <рдальн происходит следующим образом.
4><шш =-у(*1 (1-3)
причём разность расстояний от каждого из спутников до цели определяется только положением точки А на условной земной поверхности, или, другими словами, её наклонной дальностью я/, вычисляемой по формуле (1). Величину б2 необходимо измерить не прямо, исходя из параметров второго сеанса съёмки, а из геометрии, показанной на рис. 1.1, поскольку в процессе совмещения двух изображений произойдёт искажение величины вычисленной по формуле (1.1). Поэтому величина б2 может быть вычислена по теореме косинусов для треугольника 8&А:
52 = $ +^2 _ 25,6со5(а + л/2 - в) = л/я? +Ь2 -28\Ьът(0 - а) (1.4)