[發明專利]基于修正嵌入式容積卡爾曼濾波的相位展開算法

有效

• 申請號: 201710022768.2
• 申請日: 2017-01-12
• 公開（公告）號: CN106932773B
• 公開（公告）日: 2019-08-30
• 發明（設計）人: 謝先明;代高興
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: G01S13/90
• 分類號: G01S13/90
• 代理公司: 桂林市華杰專利商標事務所有限責任公司 45112
• 代理人: 周雯

技術領域

本發明涉及干涉合成孔徑雷達(InSAR)技術測量應用中干涉相位展開算法領域，尤其涉及一種基于修正嵌入式容積卡爾曼濾波的相位展開算法。

背景技術

干涉合成孔徑雷達(InSAR)可以高精度、高可靠性地獲取地表三維信息和高程變化信息，被廣泛應用在大地測繪、海洋監測、火山監測和地震檢測等領域。干涉相位展開是干涉合成孔徑雷達(lnSAR)技術應用中尤為關鍵的環節，其相位展開精度直接影響著干涉合成孔徑雷達(InSAR)系統高程測量精度,故干涉圖展開問題受到越來越多的關注。傳統相位展開算法，包括枝切法、質量圖引導法、網絡流法、最小二乘法等，要在相位展開之前使用前置預濾波器抑制干涉圖中的相位噪聲，以提高展開相位的精度，但在盡可能地抑制干涉相位噪聲的同時卻易模糊掉干涉條紋的邊緣特性。

隨后，一類基于數據融合的相位展開算法陸續被提出，包括擴展卡爾曼濾波相位展開算法(EKFPU)、不敏卡爾曼濾波相位展開算法(UKFPU)、粒子濾波相位展開算法等。這類算法利用自身具有抑制噪聲的能力，可以在展開纏繞像元的同時抑制相位噪聲，在一定程度上彌補了傳統相位展開算法使用前置預濾波器的不足，但其相位展開精度有待進一步提高。

發明內容

針對上述現有技術，本發明要解決的技術問題是如何進一步提高相位展開算法的精度。

為解決上述技術問題，本發明提供的技術方案是提供一種基于修正嵌入式容積卡爾曼濾波的相位展開算法(MECKFPU)，把經Levenberg-Marquardt方法修正后的嵌入式容積卡爾曼濾波器、基于修正矩陣束模型(AMPM)的局部相位梯度估計算法以及量化跟蹤策略結合起來，利用修正嵌入式容積卡爾曼濾波器(MECKF)同時執行干涉相位的遞推估計和相位噪聲抑制，利用基于修正矩陣束模型(AMPM)的局部相位梯度估計算法快速和精確地從復干涉圖中獲取相位梯度信息，以及利用量化跟蹤策略從高質量像元到低質量像元快速地搜索展開路徑，以保證精確和高效地展開纏繞像元，主要步驟如下：

步驟1利用干涉圖相干系數圖以及微分偏差圖構造路徑引導圖，并將其進行歸一化和量化操作，同時創建附鏈表的優先隊列和一個全局的指針，指針初始值設為零；

步驟2在路徑引導圖中選擇一個質量最好的非邊界像元作為初始像元，并默認它為已展開像元，把其纏繞相位作為展開相位；將與初始展開像元相鄰的非邊界纏繞像元標記為待展開像元，并根據待展開像元的量化路徑引導值，把待展開像元插入到優先隊列對應鏈表的頂部，同時指針指向量化路徑引導值最大的待展開像元；

步驟3根據指針標記，從優先隊列相應鏈表頂部獲取最佳待展開像元x，并利用基于修正嵌入式容積卡爾曼濾波的相位展開算法(MECKFPU)展開此纏繞像元；從優先隊列相應鏈表中刪除像元x；把鄰接像元x的非邊界纏繞像元標記為待展開像元，并根據其量化路徑引導值，把它們分別插入到優先隊列相應鏈表的頂部；并使指針始終指向量化路徑引導值最大的待展開像元；

步驟4優先隊列中是否存在待展開像元？存在，轉步驟3，否則轉步驟5；

步驟5結束。

利用基于修正嵌入式容積卡爾曼濾波的相位展開算法(MECKFPU)同時執行干涉相位的遞推估計和相位噪聲抑制，過程如下：

利用干涉圖中相鄰干涉相位之間的關系，以及把歸一化復干涉的同向分量和正交分量分別作為干涉相位的兩個觀測值，在沿某一確定路徑下，相位展開系統模型如下：

其中，x_(m,n)和x_(a,s)分別表示(m,n)像元和(a,s)像元的真實干涉相位；表示干涉圖中 (m,n)像元與(a,s)像元之間的相位梯度估計值，本文通過AMPM局部相位梯度估計算法獲得；表示干涉圖中(m,n)像元與(a,s)像元之間的相位梯度估計誤差；v_1,(m,n)和v_2,(m,n)分別表示附加在復干涉正交分量和同向分量上的噪聲。

嵌入式容積卡爾曼濾波器采用三階嵌入式容積準則，使用帶有權值的積分點實現對非線性系統后驗均值和方差的逼近，具有良好的狀態估計精度和數值穩定性，相應的積分點和權值計算如下：

上式中，n_x表示狀態矢量維數；[δ]_j表示[δ]的第j列，其[δ]的詳細取值為現有技術。針對上述系統方程，利用修正嵌入式容積卡爾曼濾波器(MECKF)執行干涉相位的遞推估計，按如下進行：