原创 遥感技术与应用干涉合成孔径雷达成像技术研究

遥感技术与应用干涉合成孔径雷达成像技术研究
摘要：用SIR—c／x SAR的X波段的原始数据，实现了真实数据下星载双航过InSAR的数字高度 地图。首先给出了一种新的解释InSAR三堆成像原理的数学描述。该描述对成像关系做了合理近 似，与以前的一些描述相比具有如下优点：①把相位差与地表高度在距离线上直接联系在一起，清 晰地反映出它们之问的关系；②指明了基线对高度测量的有效贡献在于其在斜距垂直方向的投影 这一重要概念；⑧可用于对测高精度与部分成像参数之间的关系做理论分析；④可用于求取相位差 值到地表高度值之闻的转换系数；⑤基本反映了成像处理的实际过程；⑥可解释为何工程上可将相 位差与高度之间近似看成线性关系。然后，给出了一个完整的实现数字高度地图的数据处理过程， 并将整个过程分成9个环节，逐一对各环节的目的和作用做了扼要说明。最后，给出了包括单视 SAR成像、干涉相位奈纹、水平相差修正和干涉条纹的降噪滤波在内的处理过程中关键步骤的结 果，和最终的三堆地貌成像结果。

1 引 言 干涉合成孔径雷达(InSAR)三维成像，是合成 孔径雷达(SAR)遥感技术的新发展，它用从相距很 近的两个天线得出的两个SAR的复图像，取得地面 各点在两个复图中的相位差，进而得出各点在两次 成像中电波的路程差，最后得出对地面各点地表高 度的遥感，形成三维地貌图，又称数字高度地图。 InSAR三维成像保有SAR成像的高分辨率、 大范围、全天候、有一定的穿透能力等优点，具有广 泛的应用领域 实现InSAR三维成像的核心是其数 据处理技术。InSAR的数据采集分单航过和双航过 两种方式 ，后者的数据处理较前者更为复杂。 照度计| 噪音计| 辐照计| 声级计| 温湿度计| 红外线测温仪| 温湿度仪| 红外线温度计| 露点仪| 亮度计| 温度记录仪2o 世纪从9o年代初开始，国际上争相开展InSAR三 维成像研究。一。国内原始数据来源有限，研究论文 较少，1 996年中国科学院遥感应用研究所王超用 SIR C的L波段数据对我国新疆的昆仑山进行过 InSAR三维成像研究 ，并成功地得到了三维地貌 图，同时对数据处理进行了较完整的研究。此外，完 整的数据处理过程尚未见报道。 墼字高度地图芝难懒 A 文章编号：1004—6323(2000)O4—0256—05 收稿日期：2000—08—09}修订日期 2000—10 23 基金项目；国家自然科学基金(60082002)资助 作者简介：磕冬n961一)，男、博士生，主要从事合成孔径雷达研究 近年来，InSAR三维成像的理论和技术又有了 新发展。作者用sIR—c／x—sAR中x波段的真实 原始数据，研究了双航过InSAR三维成像技术，成 功地得出了三维地貌图。 本文首先提出了一种新的解释InSAR三维成 像原理的数学描述，该描述在距离线上直接把地表 高度与相位差联系在一起。然后结合作者的研究，给 出了完整的数据处理过程，并分步骤做了扼要说明。 最后给出了处理过程中关键步骤的结果和最终的数 字高度地图。

2 基本原理 当两次SAR成像的轨道平行时，它们的距离线 可以

重台，单条距离线的成像几何关系可以用图1 来表示。 图1中Y为距离方向，^( )为随Y而变的地表 高度，其圆波构成SAR的一条距离线。A 和Az分 别为各航过的天线。r 和 分别为天线A 和A。到 地面点Y的高度为^(y)的地表的斜距，r0是天线A 到地面点Y的斜距，它们都是Y的函数。H是天线 围1 距离线成像几何关系围 A 的轨道高度。B是两天线间距离，称为基线。胃 和 胃 分别为B在y轴和z轴方向的投影，B』为B在 r0的垂线方向的投影。 为B与z轴间的夹角。 图1中的待求量为^( )。已知量为H、B、。，此 外还有雷达波长 ，以及用干涉法求出的两次成像 的相位差 且有： 一竿(r2一r]) (1) 由图1中的几何关系知： 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) 记(4)中^( )￡0时的 为 o。则 表示地表为 水平面时的两次成像的相位差。 一 [√(H+ )：+(y-B )z—v／H2~-y23 (5) 记霉 霉 一 o，则 为地表高度^( )不为0时的 相差 与水平地面的相差 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远小于 h也远小于ro(对于SIR— c／x—SAR，它们的量级为：r0≈31O km，B≈60 rfl，h ≈ 2 km)。 对(7)泰勒展开，并做近似处理后得(附录)： ，： ， ㈣ (8)清晰地表达了地表高度^( )与相差 ( )的关 系，已知 ( )就可以求出^( )来。在InSAR三维 成像中，利用SAR为相干成像而带有的相位信息， 将地面各点在两次成像中的相差 用干涉法求出， 在其中减除假想的水平地面的相差 得出 ，即 可按(8)实现对地表高度^( )的遥感。 工程上见于Y的变化范围(扫描带地面宽度 W )较其本身的取值要小得多(对于SIR c／x SAP．，场景中心的y,-~230 km，W ≈4 km)，多近似 地将^( )和吼( )看成线性关系。

3 三维成像的实现 实现InSAR三维成像的过程复杂，步骤较多。 下面结合作者对sm—c／x—sAR原始数据处理的 方法，将实现过程分成9个部分，分别扼要说明 ① SAR成像。用SAR的成像算法，分别对各航过收集 的原始数据做成像处理，得出两个地面=维单视复 图。其作用是实现距离和方位向的二维成像，并得出 图中各点的相位信息。此外，成像过程中对各航过得 出的多普勒中心、多普勒带宽和各扶成像斜距^和 的估值，也是三维成像的重要参数。②像素配准。 各航过独立进行，不能保证生成的两个二维复图中 同样位置的像素对应于地面上的同一点。配准的目 的是要使两个图中同样位置的像素对应地面同一回 波点 像素配准用相关法，将两个复图的模做二维相 关，依据相关蜂的位置对一图做平移 这样的配准误 差约为一个像素 ③预滤波。用不同入射角得出的 SAR图像中含有的地面信息的谱段不同，干涉时两 图中相同谱段部分的信息产生所需的相干结果，不 同谱段部分的信息则成为干扰 预滤波的目的是 要滤l蓉两图中谱段的不同部分，取得更好的相干性。 人射角的不同可分解成高度和方位两个方向的分 量，他们导致的谱段差别分别对应于距离向的波数 平移和方位向的不同多普勒中心。相应地，预滤波处 理也分别在距离和方位两个方向上进行。对方位向， 依据各航过的多普勒中心和带宽，得出共同的多普 勒谱段 对距离向，先估计谱段的平移量，依估值得 出共同谱段。谱段平移量的估值用干涉法实现 对 像素配准过的两个单视复图做干涉，干涉相位条纹 在距离向主频率与两次成像的入射角有关，从主频 率中可以得出距离向谱段的平移量。 。同时，各航过 的入射角也是三维成像的重要参数。在共同的距离 和方位向谱段上，对原始数据重做各航过的SAR单 视复图，得出的就是预滤波后的SAR图对。记为 x： 和xz 。④亚像素配准。独立进行的两个航过的 数据采集，使墨中的像素对应的地面点，在 中 不会正好对应在同样位置的像素上，而是落入像素 之间。而且，由不同的入射角得出的x1和x ，其样 点距在距离向上对应的地面距离也不同。亚像素配 准以x 为基准，找出 的各像素对应的地面点在 x’z中对应的像素之间的精确位置，按这一位置对 xz 进行插值得 ，使 和x 中同样位置的各像 素精确地对应于地面同一点。Gabriel等的方法可以 得出误差不大于1／a像素的配准结果。 。对于平行 轨道，Gabriel等的方法可以简化，对方位和距离向 分别配准。⑤ 干涉。将x 中各像素乘上x 中的对 应像素的共轭，其相角即为两次成像的相位差。但由 于复数对其相角的周期性，干涉得出的不是直接两 次成像相位差的原值 ，，而是其被周期折叠后的主 值 。 ，一 +2kn。 表现为相位条纹。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 可依据两次成像的 斜距和它们的入射角得出。 则用干涉得出的相位 条纹 替代。这样得出的不是 ，而是 的主值 。 也是相位条纹 ⑦ 降噪滤波。干涉得出的相 位条纹中存在严重噪声，使相位展开无法进行。因此 要滤波以降低噪声。滤波须考虑 仅为相位主值， 要用特殊的方法滤波。 。⑧二维相位展开 依据折叠 后的相位主值 ，把折叠前的相位 恢复出来。有 多种展开方法 ，笔者采用的是最小二乘法 ：。 将⑦和⑧放在⑥ 之后进行，是考虑到修正后的相位 条纹较修正前的平坦，更便于滤波和展开的实施。@ 相位高度变换。由两次航过的斜距和它们的入射角 的差求出吼，依据(8)将 转换为^( )，最终实现 对高度h( )的遥感。

4 结果 图2给出了成像处理的几个中间结果和最后结 2。。 4。。la】 6。。 B。。 1。。。 2。。 4。。Ib1 6。。 8。。 1。。。 200 400 6oo B00 1oo0 圄2 遥感结果(a～d) 200 400 600 800 10O0 Cd) 啪 瑚 m 瑚 枷 m 4 穆冬等：干涉合成孔径霞 速健壁查盟窒 囤2 遥感结果44t 3 km e图 2(a)是SAR复图像 的模，图2(b)是 1和 于 259 涉得出的相位条纹，图2(c)是水平相差修正后的相 位条纹，图2(d)是降噪滤波后的相位条纹，图2(e) 是三维地貌图(纵坐标的单位是m)。