利用干涉合成孔径雷达技术提取数字地面模型

利用干涉合成孔径雷达技术

提取数字地面模型

单新建1,刘浩

2(1.中国地震局地质研究所,中国地震局构造物理开放实研室,北京 100029; 2.中

国科学院遥感应用研究所,北京 100101)

摘要:简单介绍了干涉测量合成孔径雷达((I NSA R,Inter ferometric Synthetic Aperture R adar;简称:干涉雷达)的技术特点及原理,概述了干涉图像的相位解缠算法,并以西藏玛尼地区ERS-1/2SAR 图像为例,提取了数字高程模型(DEM )。

关键词:干涉雷达;相位解缠;数字高程模型

中图分类号:T P 79;T N 957.52 文献标识码:A 文章编号:1001-070X(2001)02-0043-050 引言

合成孔径雷达(SAR)概念是相对真实孔径雷达而提出的,其基本原理是:卫星在同一轨道不同位置上定时地对同一地物发射电磁波脉冲信号,然后接收回波信号,在某种意义上,可以认为是延伸了雷达天线的长度,从而大大提高了空间分辨率。SAR 不仅具有全天时、高灵敏度的成像能力,而且接收信号的同时记录了振幅强度和相位两种信息,为探测地物高程提供了可能。近年来,INSAR 技术已逐渐成为研究热点,该技术正是利用SAR 图像中的相位信息,通过同一地区两幅SAR 图像相减,得到两幅SAR 图像的相对相位(相位干涉图),通过相对相位与地表目标之间的位置关系,提取地形高程数据。

许多学者在这方面开展过研究工作。1990年Li 用Seasat 的SAR 数据展示了单天线近轨道数据的干涉测量结果[1]

;NASA/JPL(Jet Propulsion Laboratory)于1991年采用带有GPS 的机载干涉SAR 系统(TOPSAR)对6.5@30km 2的地区进行了测试,在确定绝对相位时,采用了多视技术(距离向因素为4,方位向因素为32),最后获得了该地区水平误差为10m 的地形图。把所获地形结果与DEM 进行比较表明:在平坦地区有2m 的均方根测量偏差,山区有5~6m 的均方根偏差。NASA/JPL 在5a 一度的IEEE 国际雷达会议(1995年5月8日~11日,加利福尼亚)上展示了1994/奋进号0航天飞机上SIR-C/X-SAR 合成孔径雷达的成像结果,给出了将1994年SIR-C/L 波段获得的SAR 图像与1994年4月和1994年10月两次的SAR 图像的干涉图像导出的高程叠加数据,所得到的加利福尼亚Long Valley 地区的三维成像结果[5]观测精度可达cm 级。

目前能用于干涉处理的雷达卫星资料有美国1978年发射的L 波段Seasat SAR;美国/奋收稿日期:1999-12-01;修订日期:2001-04-10

基金项目:国家自然科学基金项目(49802027);国家基础研究发展规划项目(G1998040703)赞助第2期,总第48期

国土资源遥感No.2,20012001年6月15日 R EM OT E SENSIN G FOR LAN D &RESOU RCES Jun.,2001

进号0航天飞机SIR-A 、SIR-B 和SIR-C;1991年和1995年欧空局发射的雷达卫星ERS-1/2(C 波段,VV 极化,分辨率为30m);日本1992年发射的JERS-1(L 波段,HH 极化,分辨率为18m)。1995年加拿大发射的商业雷达卫星Radarsat(C 波段,HH 极化,最优分辨率为10m,重复周期为24d)是目前最为先进的雷达卫星。此外,具有双天线系统的机载干涉雷达系统也有较快的发展,如NASA JPL 的AIRSAR 、加拿大CCRS 的CV-580等。机载干涉雷达系统不仅相干性好,而且测量地形精度可达0.1m 。

1 IN SAR 技术的原理

干涉雷达技术按工作原理可分为距离向、方位向和重轨3种。距离向和方位向方式一般图1 INSAR 几何关系示意图

适用于机载雷达,重轨方式适用于星

载干涉雷达。其原理是利用同一卫

星在相邻轨道上对同一地区进行两

次SAR 成像。单纯对一幅SAR 图

像来讲,相位信息没有被利用,而同

一场景的两幅SAR 图像之间的相对

相位却包含了地表场景的三维信息。

利用两幅SAR 图像的相位差所产生

的干涉条纹,便可提取出地表高程信

息[6~7]。本文以双天线系统为例简单地介绍INSAR 技术原理,但其推导结果完全适用于单天线双成像雷达系统。

图1给出了INSAR 处理中所涉及的几何参数关系图。其中,成像天线分别为A 1和A 2,到地物B 的斜距分别为r 1和r 2。地物位于距星下点y 处,高度为h;H 为雷达高度,d 为两天线基线距。其中基线倾角A 、航高H 可从雷达参数中获取。由成像几何关系可得地物到两天线的斜距差:

$r =r 2-r 1 r 2>r 1

(1)

天线A 2比天线A 1接收信号的延时为:

t d =$r C

(2)其中C 为光速。回波在A 1,A 2处的相位差为

<=

4P K (r 2-r 1)(3)上式可改写为:

<=4P K {[r 12+d (d +2r 1cos (A +H ))]-r 1(4)已知的参数是H ,d ,R 1。要获取地物的三维坐标,必须知道h 和y 参数,这两个参数分别为:

h =H -r 1cos H (5)

#44# 国 土 资 源 遥 感2001年

y =r 12-(H -h )2

(6)其中:r 2=r 1+

具体的计算过程是准确地测量延时t d 。由(2)式可计算出$r ,根据公式(3)进一步得到相位差<,再由公式(4)反推出H ,最后由公式(5)、(6)计算出地物的高程及横向位置。纵向位置可由观测平台的飞行速度确定。

从(4)式可以看出,相位差<和基线距d 、倾角A 、斜距(C 1、C 2)及入射角H 有关。

其中,从雷达脉冲延时可以获取斜距r 1和r 2;从干涉图像中可以估算基线距d 和倾角A ,这两个参数在整个图像上基本不变,剩下的参数就是入射角H 。在雷达参数中,所给定的入射角是SAR 图像中心点的标称值。但在实际图像上,入射角H 是随像元位置的不同而变化的,因此,必须利用式(4)计算出每个像元的精确入射角H ,才能得到各个像元位置的高程值。从公式(4)可知,如果测定了相位差<(绝对相位差),易求出入射角H 。但在相干图像上,相干条纹的周期性变化代表的是相位差被2P 除之后的模(为-P 到+P 之间的数),是包缠(unw rapped)相位。因此,要获取地形信息,必须从包缠相位中解缠出绝对相位差,即所测相位差再加2P 的整数倍,这个整数倍的确定就涉及到了相位解缠算法[2~3]。

目前常用的相位解缠算法有支切法(branch cut)、循环圆盘掩模法(iterative disk masking )和最小二乘法(least square)。循环圆盘掩模法的基本原理是用圆形模覆盖在热噪点上,然后逐渐增加解缠环形半径,直到没有不连续的相位出现,然后对圆盘内的不连续点进行修补或剔除。该方法的特点是解缠精度高,但对相干性较差的图像进行修补时工作量大;最小二乘法是根据已知参考点拟合出改正值周期,这个改正值不一定是2P 的整数倍。改正值是依据将全局误差降到最小而求出的。因此,最小二乘法具有全局误差最小,但局部误差较大的特点。

本文采用支切法进行了相位解缠处理。支切法的前提是假设两个相邻像元相位差之差不超过一个P 。如果从图像某一点出发,两相邻像元相位差超过P 时,则增减2P 。设

$

(8)$

(9)d W =

(10)

式中,当d W >P 时,n j =n i +1;当d W <-P 时,n j =n i -1;否则n j =n i 。

支切法适合于相干性较好、地形起伏不大的地区。但由于叠置、阴影、无信号(光滑地表)等因素影响所造成的非相干热噪点不满足相邻像元相位小于P 的假设。在这种情况下,用此方法解缠时,噪点的不连续性将产生误差的传播和累加,使相位解缠复杂化。在实际数据处理过程中,对不连续热噪点常采用分片处理方法。基本思路是在相位解缠前,对热噪点进行标志,然后把热噪点的连线作为图像空间划块依据,对图像进行划块,然后在每一块上采用P 假设搜寻,最后进行块合并处理,得到整个图像的DEM 结果。#45#第2期单新建等: 利用干涉合成孔径雷达技术提取数字地面模型