干涉SAR三维地形成像数据处理技术综述

干涉SAR三维地形成像数据处理技术综述

徐华平,陈　杰,周荫清,李春升

(北京航空航天大学电子信息工程学院,北京100083)

摘　要:干涉合成孔径雷达(InSAR,Interferometric Synthetic Aperture Radar)三维地形成像技术能够提供精确的高分辨率地形高度信息,它在上世纪后期发展非常迅速,目前仍是SAR技术领域的研究热点之一。本文给出了干涉SAR三维地形成像数据处理流程及主要步骤,综述了图像配准、相位展开、基线估计以及高度计算等干涉SAR数据处理步骤实现算法的发展概况,比较了各种算法的优劣,最后分析了干涉SAR三维地形成像数据处理所面临的技术难点,并对未来的研究重点作了展望。

关键词:干涉SAR;地形成像;数据处理;相位展开

中图分类号:TN958 文献标识码:A 文章编号:167222337(2006)0120015207

A Survey of Interferometric SAR Topography Mapping Data

Processing T echnique

XU Hua2ping,CH EN Jie,ZHOU Y in2qing,L I Chun2sheng

(Elect ronic and I nf ormation Engineering I nstit ute,Bei j ing Universit y of A eronautics and

A st ronautics,

B ei j ing100083,China)

Abstract:　Interferometric synthetic aperture radar(SAR)is employed to supply terrain elevation with high precision and high resolution.It is one of the hot topics in the field of SAR in this century.The flow2 chart and main step s of interferometric SAR data processing are presented.Some research issues of the imple2 mentation of the main step s,such as SAR image registration,phase unwrapping,baseline estimation and ele2 vation calculation,are summarized.In the end,the key problems and the prospect about interferometric SAR data processing are pointed out.

K ey w ords:　interferometric SAR;topography mapping;data processing;phase unwrapping

1　引言

干涉SA R是一种比较理想的三维地形成像技术,它利用天线之间的细微视角差,通过SAR 复图像干涉得到干涉相位,进而根据地形高度与干涉相位之间的关系式获取地形高度信息。干涉SAR采用微波遥感,具有全天时、全天候工作的优点,而且能够利用计算机的强大功能进行数字信号处理,因此是获取地形高度的一种非常重要的技术。

采用干涉SA R技术实现三维地形成像的数据处理[1～4]主要包括非模糊相位估计、基线估计和地形高度计算三大部分。如图1所示,从SAR单视复图像出发,实现干涉SA R三维地形成像的数据处理过程主要包括图像配准、图像干涉、噪声抑制、相位展开、基线估计和地形高度计算六大步骤。其中图像配准、图像干涉、噪声抑制和相位展开的目的是获得高精度的非模糊干涉相位;而基线估计的目的则是获取高精度的基线信息。最后根据地形高度与非模糊相位之间的定量关系,结合基线估计得到的垂直轨迹基线长度和基线倾角,计算出所观测地形的高度信息。另外,为了选取相关性强的可靠区域,通常在图像配准之前还需要求取图像对的相关系数图,浏览所有数据的相关性[5];为了获得数字高程图,在计算出地形高

第1期2006年2月

雷达科学与技术

R a d a r S c i e nc e a nd Te c hnol og y

Vol.4No.1

February2006

收稿日期:2005208205;修回日期:2005210225

度之后,还需要进行几何校正和坐标转换处理[2]。鉴于它们均是干涉SA R 数据处理的辅助步骤,故本文不详细讨论

。图1　干涉SAR 三维地形成像处理的基本流程

本文主要讨论干涉SAR 三维地形成像数据

处理技术,综述干涉SAR 数据处理技术的研究现状,给出当前干涉SA R 三维地形成像数据处理的难点,展望未来干涉SAR 三维地形成像数据处理技术的研究重点。

2　干涉SA R 数据处理技术综述

2.1　图像配准

几何位置上存在一定分离的两部天线接收地面回波所形成的两幅SA R 图像,将分别处于两个雷达图像平面内,它们的像素之间不对应,即图像不匹配,这将严重降低两幅图像之间的相关性[6],进而影响到干涉SA R 相位展开的准确性和地形测高精度。因此在图像干涉之前,先要进行配准处理,使得像素点点对应。基本的实现方法是,先找出第二幅图像相对于第一幅图像在距离向和方位向上的偏移量,即配准参数,然后对第二幅图像进行插值重采样,使两幅图像之间的偏移误差小于一个像素点。

1988年,G abriel [7]提出了基于最优化思想的图像配准方法。该方法利用所定义的目标函数最优的

办法求取两幅图像之间的配准参数,然后以一幅图像为准,根据配准参数插值另一幅图像。Gabriel 以干涉图像信噪比作为目标函数,估计配准参数使得信噪比最大。后来Li [6]采用相关系数最大准则估计两幅图像之间的配准参数,Lin [8]利用平均扰动函数最小估计配准参数实现图像配准。

上世纪90年代末,Scheiber 和Moreira [9～11]提出了一种频谱差异法的图像配准方法。与基于最优化准则的配准方法不同,频谱差异法根据SAR 系统点目标冲激响应函数的相位特点,通过求取不同频段图像之间的干涉相位差来计算配准参数。

最大相关系数、最大信噪比、最小平均扰动函数和频谱差异四种图像配准方法都可以获得亚像素级的配准精度。比较而言,频谱差异法的配准精度最高,估计配准参数时不需要插值处理,所以运算量小,但它仅适用于图像偏移量小于二分之一分辨单元的情况;最小平均扰动函数法的精度也较高,但它采用整个干涉图像数据,运算量太大;最大相关系数法和最大信噪比法虽然采用局

部数据来估计整幅图像的配准参数,精度较差,但

与最小平均扰动函数法相比运算量较小。

比较有效的方法是:首先采用最大相关系数或最大信噪比方法对图像进行粗配准,使图像间偏移量小于分辨单元的一半,然后采用频谱差异法进行精配准,这样可获得较高的配准精度。2.2　图像干涉

图像干涉的目的是求取干涉相位的模糊值。由于用于干涉的SAR 单视复图像是随机参量,因此图像干涉的过程实际上就是估计干涉相位模糊

值的过程。常采用最大似然法来估计干涉相位,Seymour [12]给出了单基线干涉SA R ,最大似然法

估计干涉相位模糊值的公式为

^φ=arg

∑

N look

i =1

s i

1

(s i

2)

3

(1)

式中,^φ为干涉相位估计值,s i 1和s i

2分别为两副天

线获取的第i 视复图像,N look 为平均视数,()

3

表

示对括号内的数取共轭。

干涉相位一般由两部分组成:一是由平地引起的随距离向近似线性变化的相位;二是由地形高度变化引起的相位。为了简化后续的噪声抑制和相位展开处理,通常在获得干涉相位之后,还要

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1 雷达科学与技术

第4卷第1期