CN103308914B - 一站固定双基地干涉sar处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一站固定双基地干涉SAR处理方法，属于合成孔径雷达技术领域。本发明所提供的一站固定双基地干涉SAR处理方法，针对双基地特殊几何模型，提出一种专门针对一站固定双基地干涉的数据处理方法：该方法在传统的单基地模型的基础上，改进了高程反演的方法，使之适用于处理一站固定双基地模式下的干涉数据，并获得更为精确的结果，该方法通过数据处理，可以反演出场景的高程信息。适用于双基地干涉处理技术。

Description

一站固定双基地干涉SAR处理方法

技术领域

本发明涉及一种一站固定双基地干涉SAR处理方法，属于合成孔径雷达技术领域。

背景技术

合成孔径雷达（SAR）是一种全天时、全天候的高分辨微波遥感成像雷达，可安装在飞机、卫星、宇宙飞船等飞行平台上。在环境监测、海洋观测、资源勘探、农作物估产、测绘和军事等方面的应用上具有独特的优势，能发挥其他遥感手段难以发挥的作用。

与单基地雷达相比，双基地雷达收发分置的特殊配置使其具有配置灵活、获取信息丰富、抗拦截、抗干扰等优点，这些优势以及应用前景使得双基地雷达近几年来越来越受到青睐。

双基地雷达包括很多种配置模式，其中一站固定模式最为简单，也最易实现，一站固定即为接收机位置固定，卫星发射电磁波，经过目标后向散射，信号由接收机接收。通过于不同位置放置接收机，可以在一次照射过程中，最大限度地消除阴影、叠掩等现象。进而提供更高质量的数据。

一站固定模式下双基地干涉是双基地SAR应用的一个重要方面。在实际情况下，卫星的运动构成合成孔径，两个位置相近接收接收机的空间距离构成干涉基线。干涉数据处理主要包括图像配准、去平地效应、相位滤波、相位解缠和高程反演几个主要步骤。

西班牙UPC大学在欧盟FEDER基金支持下自2004年起致力于卫星发射、地面固定站接收的一站固定模式双站SAR研究，并于2005年底开始了第一次实验，获得了一些结果。同时UPC大学研究团队发表了一些关于一站固定模式下干涉处理算法的研究工作。但是在高程反演过程中，他们依然沿用单基地模型的处理方法，并未考虑双基地模型的特殊变化，故并非一个很好的解决方案。

传统的单基地模型中，SAR图像中每一像素所对应的真实散射目标，出现在以孔径中心时刻平台位置为圆心的等斜距圆弧上。而在双基地模型中，SAR图像中的每一像素所对应的真实散射目标，则出现在以卫星和接收机位置为焦点，到两焦点距离和为所对应双站距离和的椭圆弧上。这就导致椭圆弧上每一点到接收机的距离不再相同，进而高程反演的模型就与传统的单基地模型有了很大的变化，因此需要提出适用于一站固定的双基地干涉SAR处理方法来解决这个问题。

所以，提出一种一站固定双基地干涉SAR处理方法，对于双基地干涉处理尤为重要。

发明内容

有鉴于此，本发明针对双基地特殊几何模型，提出一种针对于一站固定双基地干涉的数据处理方法，目的在适用于一站固定双基地模型的高程反演，能够精确处理一站固定双基地模式下的干涉数据，可以反演出场景的高程信息。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一站固定式双基地干涉SAR系统包括SAR卫星、两台接收机以及信号处理设备，令其中一台接收机为主接收机M、另一台为辅接收机S，令主辅两接收机之间的连线垂直于参考平面，建立一站固定式双基地干涉SAR系统的空间坐标系：以地面为参考平面，卫星的飞行方向在参考平面上的投影作为空间坐标系的Y轴，在参考平面内与Y轴垂直建立X轴，Z轴垂直于XOY面向上；

一种针对于一站固定双基地干涉的数据处理方法，主要包括以下步骤：

步骤一，对主辅接收机所获取的主辅图像进行图像配准，将辅图像配准于主图像；主图像复数据矩阵和配准后的图像复数据矩阵中对应像素复数据共轭相乘，获得干涉复数据矩阵，并生成干涉相位图；

步骤二，对上述干涉相位图去除平地相位：平地相位的计算公式为：

式(1)中，以卫星和主接收机位置为焦点，建立到两焦点距离和为所对应双站距离和的椭圆弧，R_M和R_S分别表示椭圆弧与地面交点到主、辅接收站的斜距；λ为卫星发射波的波长；

干涉相位图中各像素点的相位减去所计算的平地相位，得到去除平地相位后的干涉复数据，根据各像素点的去除平地相位后的干涉复数据获得去除平地效应的干涉相位图

步骤三，对上述去除平地相位后的干涉相位图进行相位滤波以及相位解缠处理，生成解缠后干涉相位图；

步骤四，对于步骤三得到的解缠后干涉相位图针对每个像素点的相位进行高程反演，得到解缠后干涉图中每个像素点对应真实目标点的高程h；

假设真实目标点为P，P在地面XOY平面依据双站距离和相等法则投影为点P₀,且P₀和P在地距向相差为ΔX，高程为h；主接收站到真实目标点的距离为R，下视角为θ；主接收站到投影点的距离为R₀，下视角为θ₀；在解缠后干涉相位图中真实目标点P对应的像素点的相位为坐标原点与P₀点的连线与Y轴夹角为 与h的关系为：

式中，B为主辅两接收机之间的距离，α为主辅两接收机之间连线与参考平面的夹角；卫星到真实目标点的发射波假设为平行波，其中平行波与竖直方向的夹角为

对所述的解缠后干涉相位图中每个像素点对应的真实目标点使用上述式（2）计算高程。

为达到较优的效果，上述步骤一中图像配准的步骤为：

(1)参考点偏移量计算：在整幅图像中随机选取n个参考点，使用幅值最大相关法计算所有n个参考点的偏移量；

(2)配准系数拟合：采用最小二乘拟合的方法，计算出参考点坐标与偏移量的参考函数关系；

(3)辅图像重采样：通过上述参考函数关系，计算出每个像素的偏移量，对辅图像进行二维sinc插值重采样，将辅图像配准于主图像；

(4)主图像复数据矩阵和配准后的辅图像复数据矩阵中对应像素复数据共轭相乘，获得干涉复数据矩阵，并生成干涉图像，公式如下：

I＝M×S^*

式中，I为干涉复数据矩阵、M为主图像复数据矩阵、S^*为辅配准后的辅图像复数据的共轭复数据矩阵。

为达到较优的效果，上述步骤三中相位滤波的步骤为：

①、将去除平地相位后的干涉复数据进行多视处理；

②、使用Goldstein滤波技术进一步滤除噪声，获得低噪声的缠绕相位图。

为达到较优的效果，上述步骤三中相位解缠所使用的方法为：

采用最小费用流算法进行相位解缠。

有益效果：

1、本发明所提供的方法考虑到双基地模型的特殊性，针对现有的适用于传统单基地模型的计算方法中去平地效应以及高程反演的计算步骤进行了改进，使得计算的精确度较现有算法更高，更适用于双基地干涉SAR的处理。

2、本发明所提出的方法可通过数据处理，反演出场景的高程信息，为双基地干涉提供技术支持。

附图说明

图1为一站固定双基地高程反演模型图

图2为主图像幅值图

图3为干涉相位图

图4为去平地相位后干涉相位图

图5为相位滤波后干涉相位图

图6为相位解缠结果

图7为卫星至散射目标平行波原理示意图

图8为高程反演结果

具体实施方式

本发明所提供的一站固定双基地干涉SAR处理方法，针对双基地特殊几何模型，提出一种专门针对一站固定双基地干涉的数据处理方法：该方法在传统的单基地模型的基础上，改进了高程反演的方法，使之适用于处理一站固定双基地模式下的干涉数据，并获得更为精确的结果，该方法通过数据处理，可以反演出场景的高程信息。适用于双基地干涉处理技术。

下面结合附图和实施例对本发明方法做进一步的详细说明。

本实施例中，SAR仿真系统基本参数和场景几何配置情况基本如下列所示：

卫星高度：630km

卫星入射角：45°

波段：L

波长：0.24m

主接收机高度：1000m

从接收机高度：1005m

基线长度：5m

场景范围：2km╳1.5km

场景目标：金字塔，高560m

一站固定式双基地干涉SAR系统包括SAR卫星、两静止于地面的接收机和信号处理设备，令其中一台接收机为主接收机M、另一台为辅接收机S，令主辅两接收机之间的连线垂直于参考平面，建立一站固定式双基地干涉SAR系统的空间坐标系，如图1所示：以地面为参考平面，卫星的飞行方向在参考平面上的投影作为空间坐标系的Y轴，在参考平面内与Y轴垂直建立X轴，Z轴垂直于XOY面向上；

采用本实施例所提供的一站固定双基地干涉SAR处理方法完成仿真数据处理，其具体步骤为：

步骤一，由于几何位置关系的影响，主辅SAR图像之间存在平移、拉伸和旋转。为了将主辅图像重新匹配，需要对其进行图像配准。图像配准是指将辅图像与主图像对齐，进而生成干涉图的处理过程。这个步骤分为四步：(1)参考点偏移量计算；(2)配准系数拟合；(3)辅图像重采样；(4)干涉图生成。先需要将主辅图像进行配准，主辅图像数据分别由主辅接收机采集获得，配准方法如下：

1、图像配准是先在整幅图像中随机选取n个参考点，然后通过这些参考点的信息去估计整幅图像所有像素的偏移信息。参考点的选择必须基本均匀分布于整幅SAR图像，本实施例中考虑到图像的大小以及图像质量，选取2000个参考点，计算这2000个参考点的偏移量，偏移量的计算使用幅值最大相关法，其具体实现为：以参考点位置为中心，分别在主辅图像中选取窗，对窗内的幅值数据进行2维升采样。如图2为主图像幅值图，通过主图像窗在辅图像窗中的移动，计算每一时刻的幅度相关系数，而相关系数最大的移动量，就是所计算参考点的偏移量。同时，考虑到参考点处可能成像质量较差，进而导致偏移量计算不正确，可以通过选择相关系数阈值滤除相关系数较差参考点的信息。幅值相关系数的计算公式为：即：

$\mathrm{\γ}=\frac{\left|\underset{m_0=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n_0=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\right|s_1(m_0,n_0)\left|\right|s_2(m_0,n_0)\left|\right|}{\sqrt{\underset{m_0=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n_0=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|s_1(m_0,n_0)\right|}^2\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|s_2(m_0,n_0)\right|}^2}}---\left(1\right)$

式中，s₁(m₀,n₀)、s₂(m₀,n₀)分别为主辅图像在窗内m₀行n₀列的像素点复数据，|s₁(m₀,n₀)|、|s₂(m₀,n₀)|表示像素点复数据的幅值；M×N为窗内像素个数，其中1≤m₀≤M、1≤n₀≤N；

2、采用最小二乘拟合的方法，计算出参考点坐标与偏移量的参考函数关系；

一般来说，偏移量的计算越准确，阶数越高，拟合效果会越好。但是，高阶数的拟合会占用更多的计算时间，这一点会对后续重采样的过程中增加很重的负担。综合考虑拟合效果与计算时间两方面的因素，本实施例中选用二维三阶拟合方程：

offset₃＝a₀+a₁x+a₂y+a₃x²+a₄xy+a₅y²

       +a₆x³+a₇x²y+a₈xy²+a₉y³             （2）

offset₃为偏移量，（x，y）为图像参考点在图像矩阵中的行列坐标，a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₇、a₈、为拟合系数；

通过拟合方程，可以计算出每一个像素的偏移量；

3、对辅图像进行二维sinc插值重采样，最终将辅图像配准于主图像

4、主图像复数据矩阵和配准后的辅图像复数据矩阵中对应像素复数据共轭相乘，获得干涉复数据矩阵，并生成干涉相位图，公式如下：

I＝M×S^*          （3）

式中，I为干涉复数据矩阵、M为主图像复数据矩阵、S^*为辅配准后的辅图像复数据的共轭复数据矩阵；获取的干涉条纹图如图3所示。

步骤二，去除平地效应。

在上一步处理中，生成了干涉图像，但是此时干涉相位图中各像素点的相位，存在两个部分：平地相位和叠加于平地相位之上的高程相位。只有后一部分高程相位才与目标的高程相关，因此在反演高程之前，必须去除平地相位。在一站固定双基地模式中，平地相位是以卫星和主接收机位置为焦点，到两焦点距离和为所对应双站距离和的椭圆弧与参考平面交点处的干涉相位。其数学表达式可以描述为：

式中，R_M和R_S分别表示为椭圆弧与地面交点到主、辅接收机的斜距；λ为卫星发射波的波长。

干涉相位图中各像素点的相位减去所计算的平地相位，得到去除平地相位后的干涉复数据，根据各像素点的去除平地相位后的干涉复数据获得去除平地效应的干涉相位图，其结果如图4所示。

步骤三，相位滤波。

上一步去除了平地效应，但在干涉相位图中，依旧存在大量的斑点噪声，为了去除噪声对后续步骤的影响，需要对干涉复数据进行相位滤波。相位滤波采用多视和Goldstein相位滤波联合处理方法。在去除平地效应的基础上，先将复数据进行多视处理，再使用Goldstein滤波技术进一步滤除噪声，最大限度地减弱噪声的影响。

多视处理时，将多个像素点复数据进行平均处理，即令多个点的信息融合为一个点的信息，最大限度地减小噪声的影响。

Goldstein相位滤波是一种频域自适应滤波，它构造一个与自身频谱相近的滤波函数。通过这种滤波方式，可以在损失较小分辨力的情况下，达到减小相位噪声的效果，其结果如图5所示。

步骤四，相位解缠。

经过上一步的处理，已经获得了低噪声的缠绕相位图，所有相位信息全部缠绕在[-π,π]的区域内，为了还原目标的真实干涉相位信息，需要进行相位解缠。相位解缠采用最小费用流算法，它可以使误差扩散最小的情况下，恢复原始干涉相位，得到解缠后干涉相位图。其结果如图6所示。

步骤五，高程反演。

对上述解缠后干涉相位图，由各像素点的干涉相位可以反演高程了。但是由于一站固定双基地特殊的几何关系，高程反演与传统单基地高程反演有较大的差异。

双基地模型如图1所示,真实目标点P在地面XOY平面上等双站距离的投影为点P₀,且P₀和P在地距向相差为ΔX，高程为h。主接收机到目标点的距离为R，下视角为θ；主接收机到投影点的距离为R₀，下视角为θ₀；在解缠后干涉相位图中真实目标点P对应的像素点的相位为坐标原点与P₀点的连线与Y轴夹角为高程反演的具体方法为：根据其几何关系，可得：

h＝R₀cosθ₀-Rcosθ    （5）

同时，考虑到卫星到目标的距离较远，卫星到真实目标点这一段分析采用平行波假设，其中平行波与竖直方向的夹角为

如图7所示，卫星至点P的距离R_SatP和点P₀距离的关系可以表示为：

同时，由于双站距离和相等：

$R_0+R_{{\mathrm{SatP}}_0}=R+R_{\mathrm{SatP}}$ （8）

综合式（7）和式（8）可得：

联立式（9）、式（5）和式（6），可得最终的三个方程：

式中，有R、h、ΔX和θ4个未知量和3个方程，只要知道其中一个量，所有的量就知道了，即这个点的位置就确定了。

和计算单基地高程反演模型相似，借助于全微分不变性理论，对式（10）中各式等号左右未知量均进行全微分，可以推导处出h和θ之间的关系，具体推导如下：

对式（11）中各式，使用带有dh、dθ的表达式分别表示dΔX和dR，从而消除dΔX和dR，可得：

因此，在一站固定式双基地模式下，与高程h的关系为：

B为主辅两接收机之间的距离，α为主辅两接收机之间连线与参考平面的夹角，在本实施例中，α=90°。

在实际操作的过程中，由于公式中含有R、ΔX和θ的信息，需要进行迭代操作。使用牛顿迭代法，对公式中的ΔX和R进行近似迭代，可获得目标高程的信息，反演的高程图如图8所示。成功恢复金字塔模型。本实施例所计算金字塔顶尖的反演高度558.32m，符合精度要求。

对所述的解缠后干涉相位图中每个像素点对应的真实目标点使用上述步骤计算高程。

通过本实施例所提供的方法可以针对SAR图像中的每一像素进行高程反演，反演出SAR图像中像素对应的真实目标点的高程，则能够得出地形图。

可见利用本发明方法，能够精确处理一站固定双基地模式下的干涉数据，通过数据处理，可以反演出场景的高程信息。为双基地干涉提供技术支持。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种一站固定双基地干涉SAR处理方法，其特征在于，具体步骤为：

一站固定式双基地干涉SAR系统包括SAR卫星、两台接收机以及信号处理设备，令其中一台接收机为主接收机M、另一台为辅接收机S，令主辅两接收机之间的连线垂直于参考平面，建立一站固定式双基地干涉SAR系统的空间坐标系：以地面为参考平面，卫星的飞行方向在参考平面上的投影作为空间坐标系的Y轴，在参考平面内与Y轴垂直建立X轴，Z轴垂直于XOY面向上；

步骤一，对主辅接收机所获取的主辅图像进行图像配准，将辅图像配准于主图像；主图像复数据矩阵和配准后的图像复数据矩阵中对应像素复数据共轭相乘，获得干涉复数据矩阵，并生成干涉相位图；

步骤二，对所述的干涉相位图去除平地相位：平地相位的计算公式为：

式(1)中，以卫星和主接收机位置为焦点，建立到两焦点距离和为所对应双站距离和的椭圆弧，R_M和R_S分别表示椭圆弧与地面交点到主、辅接收站的斜距；λ为卫星发射波的波长；

干涉相位图中各像素点的相位减去所计算的平地相位，得到去除平地相位后的干涉复数据，根据各像素点的去除平地相位后的干涉复数据获得去除平地相位的干涉相位图

步骤三，对所述的去除平地相位后的干涉相位图进行相位滤波以及相位解缠处理，生成解缠后干涉相位图；

步骤四，对于步骤三所述的解缠后干涉相位图针对每个像素点的相位进行高程反演，得到解缠后干涉图中每个像素点对应真实目标点的高程h；

假设真实目标点为P，P在地面XOY平面依据双站距离和相等法则投影为点P₀,且P₀和P在地距向相差为ΔX，高程为h；主接收站到真实目标点的距离为R，下视角为θ；主接收站到投影点的距离为R₀，下视角为θ₀；在解缠后干涉相位图中真实目标点P对应的像素点的相位为坐标原点与P₀点的连线与Y轴夹角为 与h的关系为：

式中，B为主辅两接收机之间的距离，α为主辅两接收机之间连线与参考平面的夹角；卫星到真实目标点的发射波假设为平行波，其中平行波与竖直方向的夹角为

对所述的解缠后干涉相位图中每个像素点对应的真实目标点使用所述的式(2)计算高程。

2.如权利要求1所述的一种一站固定双基地干涉SAR处理方法，其特征在于，所述的步骤一中图像配准的方法为：

(1)参考点偏移量计算：在整幅图像中随机选取n个参考点，使用幅值最大相关法计算所有n个参考点的偏移量；

(2)配准系数拟合：采用最小二乘拟合的方法，计算出参考点坐标与偏移量的参考函数关系；

(3)辅图像重采样：通过上述参考函数关系，计算出每个像素的偏移量，对辅图像进行二维sinc插值重采样，将辅图像配准于主图像；

(4)主图像复数据矩阵和配准后的辅图像复数据矩阵中对应像素复数据共轭相乘，获得干涉复数据矩阵，并生成干涉相位图，公式如下：

I＝M×S^*

式中，I为干涉复数据矩阵、M为主图像复数据矩阵、S^*为辅配准后的辅图像复数据的共轭复数据矩阵。

3.如权利要求1或2所述的一种一站固定双基地干涉SAR处理方法，其特征在于，所述的步骤三中相位滤波的方法为：

①、将去除平地相位后的干涉复数据进行多视处理；

②、使用Goldstein滤波技术进一步滤除噪声，获得低噪声的缠绕相位图。

4.如权利要求1或2所述的一种一站固定双基地干涉SAR处理方法，其特征在于，所述的步骤三中相位解缠所使用的方法为：

采用最小费用流算法进行相位解缠。