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作者：

于瀚雯

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摘要：

相位解缠绕(Phase Unwrapping,PU)做为一种重要的图像处理技术,在干涉合成孔径雷达(Interferometry Synthetic Aperture Radar,InSAR),核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)和光学干涉(Optical Interferometry)等干涉测量技术中都有着重要的应用.本文在InSAR的背景下,结合工程应用中存在的一些核心问题,针对相位解缠绕技术展开研究. 本文总体上可以分为两大部分:第一部分主要研究了单基线相位解缠绕的相关技术,这部分首先对单基线相位解缠绕的基本概念进行了介绍,然后针对单基线相位解缠绕现存的一些技术问题,提出了相应的解决策略.单基线相位解缠绕在近几十年中有了长足的发展,但是单基线相位解缠绕技术对于复杂地区内绝对相位的恢复(例如:山谷,陡峭山脉等地形)存在着一定的"天然缺陷".针对单基线相位解缠绕技术存在的不足之处,本文第二部分主要对多基线相位解缠绕技术展开了研究.这部分首先分析了多基线相位解缠绕技术的基本原理,然后在此基础之上提出了多基线相位解缠绕技术的一系列算法. 本文的主要工作概括如下: 1,提出了一种基于离群点检测技术的单基线相位解缠绕方法.L0-norm相位解缠绕方法是目前人们比较公认的一种在统计意义下最优的相位解缠绕算法,其解缠绕结果也是人们在实际工程中最想获得的.遗憾的是,Chen(?)(?)Zebker证明了L0-norm是一个NP-hard问题,也就是说其最优解无法由现有的知识在多项式时间内获得.为了有效的解决这个问题,本文提出了一种基于离群点检测技术的单基线相位解缠绕算法.此方法首先将相位解缠绕问题抽象为一个超定方程组的求解问题,然后把方程组内对应于L0-norm枝切线的方程视为离群点,通过数据挖掘中基于密度信息的离群点检测技术将这类方程剔除后再进行方程求解以获得L0-norm(?)勺近似解缠绕结果.与其他近似方法不同的是,本文提出的这种方法不是直接获取L0-norm枝切线的近似,而是获取L0-norm枝切线的母集,也就是说,其可以避免直接求解上述NP-hard(?)司题来获得L0-norm(?)勺解.实验结果表明了该方法的有效性. 2,提出了两种基于残点聚类的缠绕相位图分块策略.到目前为止已经有很多著名的相位解缠绕算法被提出.这些算法在不同的方面有着各自的优势,例如:解缠绕结果的精度或者算法的执行速度.但是,绝大多数的算法在设计时并没有考虑到计算机内存对算法性能的限制.而随着InSAR技术的发展,待处理的缠绕相位图的规模也越来越大.当出现由于计算机内存的限制导致的缠绕相位图不能一次性整体处理的情况时,分块求解的策略将不得不被采用.在这种情况下,局部相位解缠绕结果和全局整体处理时的相位解缠绕结果是否一致就成为了相位解缠绕技术的新挑战.本文根据残点聚类的思想,首先提出了一种近似保证L0-norm相位解缠绕算法局部解和全局解一致性的分块策略来辅助L0-norm(?)相位解缠绕算法进行大规模相位解缠绕.然后,本文在上述分块策略的基础上提出了另一种辅助L1-norm(?)相位解缠绕算法进行大规模相位解缠绕的分块策略.此分块策略可以严格保证L1-norm自的局部解缠绕结果和全局解缠绕结果的一致性.理论证明和实验结果都表明这两种缠绕相位图分块策略的有效性. 3,提出了一种基于L1-norm的多基线相位解缠绕算法.单基线相位解缠绕属于数学领域中的逆问题,逆问题的最大特点是其解不具有唯一性.为了使得单.基线相位解缠绕具有唯一解,相位解缠绕的工作者们提出了相位连续性假设来保证其解具有唯一性.从本质上说,这个假设是要求lnSAR系统进行测绘的地区具有空间连续性.但是,并不是所有的实际场景都服从这个假设,例如山谷,陡峭山脉以及悬崖等地形通常就难以保证地形高度的连续性.为了解决单基线相位解缠绕技术的不足,人们提出了多基线相位解缠绕技术.本文通过借助传统单基线L1-norm相位解缠绕方法,同时结合不同长度的基线获得的多幅缠绕相位图之间的关系,提出了一种基丁L1-norm(?)勺多基线相位解缠绕方法.仿真实验的结果表明,该算法具有较高的解缠绕精度,可以适用于复杂地形的测绘. 4,提出了一种基于聚类分析的多基线相位解缠绕算法.多基线相位解缠绕技术可以摆脱相位连续性假设的限制,但是其却存在着噪声鲁棒性差的缺点,并且由于多基线相位解缠绕是同时处理多幅缠绕相位图,因此多基线相位解缠绕在运算效率和内存使用上都存在着一定的压力.本文首先对多幅缠绕相位图的联合信息,进行研究,然后在此基础上提出了一种基于聚类分析的高效多基线相位解缠绕算法.该方法首先将具有相同模糊数向量的像素进行聚类,然后逐类进行相位解缠绕.仿真实验表明,与传统方法相比本方法具有更好的噪声鲁棒性和低的时间复杂度.

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关键词：

相位解缠绕；干涉合成孔径雷达；单基线；多基线；L~0-norm；L~1-norm；缠绕相位图分块策略；逆问题；聚类分析；离群点检测；超定方程组

学位级别：

博士

学位年度：

2012

DOI：

CNKI:CDMD:1.1013.114251

被引量：

1