遙感技術(shù)與應(yīng)用干涉合成孔徑雷達(dá)成像技術(shù)研究

遙感技術(shù)與應(yīng)用干涉合成孔徑雷達(dá)成像技術(shù)研究
摘要：用SIR—c／x SAR的X波段的原始數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了真實(shí)數(shù)據(jù)下星載雙航過InSAR的數(shù)字高度 地圖。首先給出了一種新的解釋InSAR三堆成像原理的數(shù)學(xué)描述。該描述對(duì)成像關(guān)系做了合理近 似，與以前的一些描述相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：①把相位差與地表高度在距離線上直接聯(lián)系在一起，清 晰地反映出它們之問的關(guān)系；②指明了基線對(duì)高度測(cè)量的有效貢獻(xiàn)在于其在斜距垂直方向的投影 這一重要概念；⑧可用于對(duì)測(cè)高精度與部分成像參數(shù)之間的關(guān)系做理論分析；④可用于求取相位差 值到地表高度值之聞的轉(zhuǎn)換系數(shù)；⑤基本反映了成像處理的實(shí)際過程；⑥可解釋為何工程上可將相 位差與高度之間近似看成線性關(guān)系。然后，給出了一個(gè)完整的實(shí)現(xiàn)數(shù)字高度地圖的數(shù)據(jù)處理過程， 并將整個(gè)過程分成9個(gè)環(huán)節(jié)，逐一對(duì)各環(huán)節(jié)的目的和作用做了扼要說明。最后，給出了包括單視 SAR成像、干涉相位奈紋、水平相差修正和干涉條紋的降噪濾波在內(nèi)的處理過程中關(guān)鍵步驟的結(jié) 果，和最終的三堆地貌成像結(jié)果。

1 引 言 干涉合成孔徑雷達(dá)(InSAR)三維成像，是合成 孔徑雷達(dá)(SAR)遙感技術(shù)的新發(fā)展，它用從相距很 近的兩個(gè)天線得出的兩個(gè)SAR的復(fù)圖像，取得地面 各點(diǎn)在兩個(gè)復(fù)圖中的相位差，進(jìn)而得出各點(diǎn)在兩次 成像中電波的路程差，最后得出對(duì)地面各點(diǎn)地表高 度的遙感，形成三維地貌圖，又稱數(shù)字高度地圖。 InSAR三維成像保有SAR成像的高分辨率、 大范圍、全天候、有一定的穿透能力等優(yōu)點(diǎn)，具有廣 泛的應(yīng)用領(lǐng)域 實(shí)現(xiàn)InSAR三維成像的核心是其數(shù) 據(jù)處理技術(shù)。InSAR的數(shù)據(jù)采集分單航過和雙航過 兩種方式 ，后者的數(shù)據(jù)處理較前者更為復(fù)雜。 照度計(jì)| 噪音計(jì)| 輻照計(jì)| 聲級(jí)計(jì)| 溫濕度計(jì)| 紅外線測(cè)溫儀| 溫濕度儀| 紅外線溫度計(jì)| 露點(diǎn)儀| 亮度計(jì)| 溫度記錄儀2o 世紀(jì)從9o年代初開始，國(guó)際上爭(zhēng)相開展InSAR三 維成像研究。一。國(guó)內(nèi)原始數(shù)據(jù)來源有限，研究論文 較少，1 996年中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所王超用 SIR C的L波段數(shù)據(jù)對(duì)我國(guó)新疆的昆侖山進(jìn)行過 InSAR三維成像研究 ，并成功地得到了三維地貌 圖，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了較完整的研究。此外，完 整的數(shù)據(jù)處理過程尚未見報(bào)道。 墼字高度地圖芝難懶 A 文章編號(hào)：1004—6323(2000)O4—0256—05 收稿日期：2000—08—09}修訂日期 2000—10 23 基金項(xiàng)目；國(guó)家自然科學(xué)基金(60082002)資助 作者簡(jiǎn)介：磕冬n961一)，男、博士生，主要從事合成孔徑雷達(dá)研究 近年來，InSAR三維成像的理論和技術(shù)又有了 新發(fā)展。作者用sIR—c／x—sAR中x波段的真實(shí) 原始數(shù)據(jù)，研究了雙航過InSAR三維成像技術(shù)，成 功地得出了三維地貌圖。 本文首先提出了一種新的解釋InSAR三維成 像原理的數(shù)學(xué)描述，該描述在距離線上直接把地表 高度與相位差聯(lián)系在一起。然后結(jié)合作者的研究，給 出了完整的數(shù)據(jù)處理過程，并分步驟做了扼要說明。 最后給出了處理過程中關(guān)鍵步驟的結(jié)果和最終的數(shù) 字高度地圖。

2 基本原理 當(dāng)兩次SAR成像的軌道平行時(shí)，它們的距離線 可以重臺(tái)，單條距離線的成像幾何關(guān)系可以用圖1 來表示。 圖1中Y為距離方向，^( )為隨Y而變的地表 高度，其圓波構(gòu)成SAR的一條距離線。A 和Az分 別為各航過的天線。r 和 分別為天線A 和A。到 地面點(diǎn)Y的高度為^(y)的地表的斜距，r0是天線A 到地面點(diǎn)Y的斜距，它們都是Y的函數(shù)。H是天線 圍1 距離線成像幾何關(guān)系圍 A 的軌道高度。B是兩天線間距離，稱為基線。胃 和 胃 分別為B在y軸和z軸方向的投影，B』為B在 r0的垂線方向的投影。 為B與z軸間的夾角。 圖1中的待求量為^( )。已知量為H、B、。，此 外還有雷達(dá)波長(zhǎng) ，以及用干涉法求出的兩次成像 的相位差 且有： 一竿(r2一r]) (1) 由圖1中的幾何關(guān)系知： r2一^／(H+B。一^) +( —B ) (2) r1=√ (H 一^) + (3) (2)、(3)代人(1)得： ： 竽[√(H+B 一^)z+( —B )。一 √ = 干I2] (4) 記(4)中^( )￡0時(shí)的 為 o。則 表示地表為 水平面時(shí)的兩次成像的相位差。 一 [√(H+ )：+(y-B )z—v／H2~-y23 (5) 記霉 霉 一 o，則 為地表高度^( )不為0時(shí)的 相差 與水平地面的相差 之差。 一4fC~／(H+B．-h)2+(y-B ) 一√ |J 干 一√(H+B。) +( —B )。+√H。+ (6) 整理(6)得： r0(／ v I+hZ+BZ．+B~+2HB． -2Hh-2B．h-2yB, +h — ~ - — 2Hh ～ r： 式中：r0：√H + 。 √ + 二 +lj (7) 257 工程上B遠(yuǎn)小于 h也遠(yuǎn)小于ro(對(duì)于SIR— c／x—SAR，它們的量級(jí)為：r0≈31O km，B≈60 rfl，h ≈ 2 km)。 對(duì)(7)泰勒展開，并做近似處理后得(附錄)： ，： ， ㈣ (8)清晰地表達(dá)了地表高度^( )與相差 ( )的關(guān) 系，已知 ( )就可以求出^( )來。在InSAR三維 成像中，利用SAR為相干成像而帶有的相位信息， 將地面各點(diǎn)在兩次成像中的相差 用干涉法求出， 在其中減除假想的水平地面的相差 得出 ，即 可按(8)實(shí)現(xiàn)對(duì)地表高度^( )的遙感。 工程上見于Y的變化范圍(掃描帶地面寬度 W )較其本身的取值要小得多(對(duì)于SIR c／x SAP．，場(chǎng)景中心的y,-~230 km，W ≈4 km)，多近似 地將^( )和吼( )看成線性關(guān)系。

3 三維成像的實(shí)現(xiàn) 實(shí)現(xiàn)InSAR三維成像的過程復(fù)雜，步驟較多。 下面結(jié)合作者對(duì)sm—c／x—sAR原始數(shù)據(jù)處理的 方法，將實(shí)現(xiàn)過程分成9個(gè)部分，分別扼要說明 ① SAR成像。用SAR的成像算法，分別對(duì)各航過收集 的原始數(shù)據(jù)做成像處理，得出兩個(gè)地面=維單視復(fù) 圖。其作用是實(shí)現(xiàn)距離和方位向的二維成像，并得出 圖中各點(diǎn)的相位信息。此外，成像過程中對(duì)各航過得 出的多普勒中心、多普勒帶寬和各扶成像斜距^和 的估值，也是三維成像的重要參數(shù)。②像素配準(zhǔn)。 各航過獨(dú)立進(jìn)行，不能保證生成的兩個(gè)二維復(fù)圖中 同樣位置的像素對(duì)應(yīng)于地面上的同一點(diǎn)。配準(zhǔn)的目 的是要使兩個(gè)圖中同樣位置的像素對(duì)應(yīng)地面同一回 波點(diǎn) 像素配準(zhǔn)用相關(guān)法，將兩個(gè)復(fù)圖的模做二維相 關(guān)，依據(jù)相關(guān)蜂的位置對(duì)一圖做平移 這樣的配準(zhǔn)誤 差約為一個(gè)像素 ③預(yù)濾波。用不同入射角得出的 SAR圖像中含有的地面信息的譜段不同，干涉時(shí)兩 圖中相同譜段部分的信息產(chǎn)生所需的相干結(jié)果，不 同譜段部分的信息則成為干擾 預(yù)濾波的目的是 要濾l蓉兩圖中譜段的不同部分，取得更好的相干性。 人射角的不同可分解成高度和方位兩個(gè)方向的分 量，他們導(dǎo)致的譜段差別分別對(duì)應(yīng)于距離向的波數(shù) 平移和方位向的不同多普勒中心。相應(yīng)地，預(yù)濾波處 理也分別在距離和方位兩個(gè)方向上進(jìn)行。對(duì)方位向， 依據(jù)各航過的多普勒中心和帶寬，得出共同的多普 勒譜段 對(duì)距離向，先估計(jì)譜段的平移量，依估值得 出共同譜段。譜段平移量的估值用干涉法實(shí)現(xiàn) 對(duì) 像素配準(zhǔn)過的兩個(gè)單視復(fù)圖做干涉，干涉相位條紋 在距離向主頻率與兩次成像的入射角有關(guān)，從主頻 率中可以得出距離向譜段的平移量。 。同時(shí)，各航過 的入射角也是三維成像的重要參數(shù)。在共同的距離 和方位向譜段上，對(duì)原始數(shù)據(jù)重做各航過的SAR單 視復(fù)圖，得出的就是預(yù)濾波后的SAR圖對(duì)。記為 x： 和xz 。④亞像素配準(zhǔn)。獨(dú)立進(jìn)行的兩個(gè)航過的 數(shù)據(jù)采集，使墨中的像素對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)，在 中 不會(huì)正好對(duì)應(yīng)在同樣位置的像素上，而是落入像素 之間。而且，由不同的入射角得出的x1和x ，其樣 點(diǎn)距在距離向上對(duì)應(yīng)的地面距離也不同。亞像素配 準(zhǔn)以x 為基準(zhǔn)，找出 的各像素對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)在 x’z中對(duì)應(yīng)的像素之間的精確位置，按這一位置對(duì) xz 進(jìn)行插值得 ，使 和x 中同樣位置的各像 素精確地對(duì)應(yīng)于地面同一點(diǎn)。Gabriel等的方法可以 得出誤差不大于1／a像素的配準(zhǔn)結(jié)果。 。對(duì)于平行 軌道，Gabriel等的方法可以簡(jiǎn)化，對(duì)方位和距離向 分別配準(zhǔn)。⑤ 干涉。將x 中各像素乘上x 中的對(duì) 應(yīng)像素的共軛，其相角即為兩次成像的相位差。但由 于復(fù)數(shù)對(duì)其相角的周期性，干涉得出的不是直接兩 次成像相位差的原值 ，，而是其被周期折疊后的主 值 。 ，一 +2kn。 表現(xiàn)為相位條紋。⑥ 水平相 差修正。除去水平相差采用的是： 一 �！� ，使得 h正比于 。其中水平相位 可依據(jù)兩次成像的 斜距和它們的入射角得出。 則用干涉得出的相位 條紋 替代。這樣得出的不是 ，而是 的主值 。 也是相位條紋 ⑦ 降噪濾波。干涉得出的相 位條紋中存在嚴(yán)重噪聲，使相位展開無法進(jìn)行。因此 要濾波以降低噪聲。濾波須考慮 僅為相位主值， 要用特殊的方法濾波。 。⑧二維相位展開 依據(jù)折疊 后的相位主值 ，把折疊前的相位 恢復(fù)出來。有 多種展開方法 ，筆者采用的是最小二乘法 ：。 將⑦和⑧放在⑥ 之后進(jìn)行，是考慮到修正后的相位 條紋較修正前的平坦，更便于濾波和展開的實(shí)施。@ 相位高度變換。由兩次航過的斜距和它們的入射角 的差求出吼，依據(jù)(8)將 轉(zhuǎn)換為^( )，最終實(shí)現(xiàn) 對(duì)高度h( )的遙感。

4 結(jié)果 圖2給出了成像處理的幾個(gè)中間結(jié)果和最后結(jié) 2。。 4。。la】 6。。 B。。 1。。。 2。。 4。。Ib1 6。。 8。。 1。。。 200 400 6oo B00 1oo0 圄2 遙感結(jié)果(a～d) 200 400 600 800 10O0 Cd) 啪 瑚 m 瑚 枷 m 4 穆冬等：干涉合成孔徑霞 速健壁查盟窒 囤2 遙感結(jié)果44t 3 km e圖 2(a)是SAR復(fù)圖像 的模，圖2(b)是 1和 于 259 涉得出的相位條紋，圖2(c)是水平相差修正后的相 位條紋，圖2(d)是降噪濾波后的相位條紋，圖2(e) 是三維地貌圖(縱坐標(biāo)的單位是m)。