遙感技術與應用干涉合成孔徑雷達成像技術研究
摘要：用SIR—c／x SAR的X波段的原始數據，實現了真實數據下星載雙航過InSAR的數字高度 地圖。首先給出了一種新的解釋InSAR三堆成像原理的數學描述。該描述對成像關系做了合理近 似，與以前的一些描述相比具有如下優點：①把相位差與地表高度在距離線上直接聯系在一起，清 晰地反映出它們之問的關系；②指明了基線對高度測量的有效貢獻在于其在斜距垂直方向的投影 這一重要概念；⑧可用于對測高精度與部分成像參數之間的關系做理論分析；④可用于求取相位差 值到地表高度值之聞的轉換系數；⑤基本反映了成像處理的實際過程；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系。然后，給出了一個完整的實現數字高度地圖的數據處理過程， 并將整個過程分成9個環節，逐一對各環節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的處理過程中關鍵步驟的結 果，和最終的三堆地貌成像結果。
1 引 言 干涉合成孔徑雷達(InSAR)三維成像，是合成 孔徑雷達(SAR)遙感技術的新發展，它用從相距很 近的兩個天線得出的兩個SAR的復圖像，取得地面 各點在兩個復圖中的相位差，進而得出各點在兩次 成像中電波的路程差，最后得出對地面各點地表高 度的遙感，形成三維地貌圖，又稱數字高度地圖。 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點，具有廣 泛的應用領域 實現InSAR三維成像的核心是其數 據處理技術。InSAR的數據采集分單航過和雙航過 兩種方式 ，后者的數據處理較前者更為復雜。 照度計| 噪音計| 輻照計| 聲級計| 溫濕度計| 紅外線測溫儀| 溫濕度儀| 紅外線溫度計| 露點儀| 亮度計| 溫度記錄儀2o 世紀從9o年代初開始，國際上爭相開展InSAR三 維成像研究。一。國內原始數據來源有限，研究論文 較少，1 996年中國科學院遙感應用研究所王超用 SIR C的L波段數據對我國新疆的昆侖山進行過 InSAR三維成像研究 ，并成功地得到了三維地貌 圖，同時對數據處理進行了較完整的研究。此外，完 整的數據處理過程尚未見報道。 墼字高度地圖芝難懶 A 文章編號：1004—6323(2000)O4—0256—05 收稿日期：2000—08—09}修訂日期 2000—10 23 基金項目；國家自然科學基金(60082002)資助 作者簡介：磕冬n961一)，男、博士生，主要從事合成孔徑雷達研究 近年來，InSAR三維成像的理論和技術又有了 新發展。作者用sIR—c／x—sAR中x波段的真實 原始數據，研究了雙航過InSAR三維成像技術，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 像原理的數學描述，該描述在距離線上直接把地表 高度與相位差聯系在一起。然后結合作者的研究，給 出了完整的數據處理過程，并分步驟做了扼要說明。 最后給出了處理過程中關鍵步驟的結果和最終的數 字高度地圖。
2 基本原理 當兩次SAR成像的軌道平行時，它們的距離線 可以重臺，單條距離線的成像幾何關系可以用圖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Y的高度為^(y)的地表的斜距，r0是天線A 到地面點Y的斜距，它們都是Y的函數。H是天線 圍1 距離線成像幾何關系圍 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 外還有雷達波長 ，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時的 為 o。則 表示地表為 水平面時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遠小于 h也遠小于ro(對于SIR— c／x—SAR，它們的量級為：r0≈31O km，B≈60 rfl，h ≈ 2 km)。 對(7)泰勒展開，并做近似處理后得(附錄)： ，： ， ㈣ (8)清晰地表達了地表高度^( )與相差 ( )的關 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)實現對地表高度^( )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(對于SIR c／x SAP．，場景中心的y,-~230 km，W ≈4 km)，多近似 地將^( )和吼( )看成線性關系。
3 三維成像的實現 實現InSAR三維成像的過程復雜，步驟較多。 下面結合作者對sm—c／x—sAR原始數據處理的 方法，將實現過程分成9個部分，分別扼要說明 ① SAR成像。用SAR的成像算法，分別對各航過收集 的原始數據做成像處理，得出兩個地面=維單視復 圖。其作用是實現距離和方位向的二維成像，并得出 圖中各點的相位信息。此外，成像過程中對各航過得 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。②像素配準。 各航過獨立進行，不能保證生成的兩個二維復圖中 同樣位置的像素對應于地面上的同一點。配準的目 的是要使兩個圖中同樣位置的像素對應地面同一回 波點 像素配準用相關法，將兩個復圖的模做二維相 關，依據相關蜂的位置對一圖做平移 這樣的配準誤 差約為一個像素 ③預濾波。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，干涉時兩 圖中相同譜段部分的信息產生所需的相干結果，不 同譜段部分的信息則成為干擾 預濾波的目的是 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方向的分 量，他們導致的譜段差別分別對應于距離向的波數 平移和方位向的不同多普勒中心。相應地，預濾波處 理也分別在距離和方位兩個方向上進行。對方位向， 依據各航過的多普勒中心和帶寬，得出共同的多普 勒譜段 對距離向，先估計譜段的平移量，依估值得 出共同譜段。譜段平移量的估值用干涉法實現 對 像素配準過的兩個單視復圖做干涉，干涉相位條紋 在距離向主頻率與兩次成像的入射角有關，從主頻 率中可以得出距離向譜段的平移量。 。同時，各航過 的入射角也是三維成像的重要參數。在共同的距離 和方位向譜段上，對原始數據重做各航過的SAR單 視復圖，得出的就是預濾波后的SAR圖對。記為 x： 和xz 。④亞像素配準。獨立進行的兩個航過的 數據采集，使墨中的像素對應的地面點，在 中 不會正好對應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 點距在距離向上對應的地面距離也不同。亞像素配 準以x 為基準，找出 的各像素對應的地面點在 x’z中對應的像素之間的精確位置，按這一位置對 xz 進行插值得 ，使 和x 中同樣位置的各像 素精確地對應于地面同一點。Gabriel等的方法可以 得出誤差不大于1／a像素的配準結果。 。對于平行 軌道，Gabriel等的方法可以簡化，對方位和距離向 分別配準。⑤ 干涉。將x 中各像素乘上x 中的對 應像素的共軛，其相角即為兩次成像的相位差。但由 于復數對其相角的周期性，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 位條紋中存在嚴重噪聲，使相位展開無法進行。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 依據折疊 后的相位主值 ，把折疊前的相位 恢復出來。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(8)將 轉換為^( )，最終實現 對高度h( )的遙感。
4 結果 圖2給出了成像處理的幾個中間結果和最后結 2。。 4。。la】 6。。 B。。 1。。。 2。。 4。。Ib1 6。。 8。。 1。。。 200 400 6oo B00 1oo0 圄2 遙感結果(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 遙感結果
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