CN109633639A - Topsar干涉数据的高精度快速配准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种TOPSAR干涉数据的高精度快速配准方法，包含：利用InSAR的平台轨迹信息，修正TOPSAR辅图像；分别将TOPSAR主、辅图像沿距离向分块得到子主、辅图像，采用频域互相关法估计子主、辅图像间的偏移量进行配准；根据DEM信息生成地面高度信息，再结合成像几何关系得到主、辅天线间的干涉相位；利用干涉相位对TOPSAR主图像补偿，采用频域互相关法估计主、辅图像间的偏移量，并对TOPSAR辅图像进行重采样；对TOPSAR主、辅图像中相邻Burst的重叠区域进行差分干涉，采用增强型谱分集配准算法估计偏移量，再对TOPSAR辅图像进行移动，完成TOPSAR主、辅图像的最终配准。本发明可实现长基线及地形复杂区域图像的高精确配准，算法效率高，适合实时应用。

Description

TOPSAR干涉数据的高精度快速配准方法

技术领域

本发明涉及一种数据配准方法，具体是指一种针对TOPSAR干涉数据的高精度快速配准方法，属于雷达信号处理技术领域。

背景技术

干涉合成孔径雷达(InSAR，Interferometric Synthetic Aperture Radar)技术是基于合成孔径雷达(SAR)技术迅速发展起来的对地遥感新技术。其基本原理是利用SAR系统的两副天线(或一副天线重复观测)，来获取同一地区具有一定视角差的两幅具有相干性的单视复图像，并根据其干涉相位信息来提取地表的高程信息和重建数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)。

目前，现有的InSAR系统正在朝着宽幅高精度的方向发展，因此新型的TOPSAR(逐行扫描地形观测SAR，Terrain Observation by Progressive Scans SAR)工作模式被提出。TOPSAR工作模式由Zan等人提出，如图1所示，这种工作模式与SCAN SAR(扫描SAR)工作模式最大的区别在于：波束在方位向上做从后到前的均匀转动，天线指向的这种改变可以克服扇贝效应，同时获取宽刈幅。

但是，高精度的图像数据配准是采用TOPSAR工作模式的难点之一。在该工作模式下，由于每个Burst(突发脉冲)对应的多普勒中心不断变化，聚焦后每个点沿方位向具有不同的线性相位斜坡，因此导致Burst之间发生相位跳变。所以，TOPSAR工作模式对图像数据配准精度的要求极高，如果采用传统的数据配准算法(如互相关法等)将会使得配准失效。于是，进一步研究适用于TOPSAR工作模式的高精度图像配准算法是目前亟需解决的技术问题。

基于上述，本发明提出一种TOPSAR干涉数据的高精度快速配准方法，以解决现有技术中存在的问题和限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种TOPSAR干涉数据的高精度快速配准方法，可实现长基线以及地形复杂区域图像的高精确配准，算法效率高，适合实时应用。

为实现上述目的，本发明提供一种TOPSAR干涉数据的高精度快速配准方法，包含以下步骤：

S1、利用InSAR的主天线和辅天线，分别获取同一目标的具有相干性的TOPSAR主图像和辅图像；

S2、利用InSAR的平台轨迹信息，修正TOPSAR辅图像，得到经过轨迹补偿的TOPSAR辅图像；

S3、分别将TOPSAR主图像和修正后的TOPSAR辅图像沿距离向分块，得到子主图像和子辅图像，采用频域互相关法估计子辅图像相对于子主图像的偏移量，并对子辅图像进行配准处理，得到粗配准的TOPSAR辅图像；

S4、根据TOPSAR主、辅图像的成像区域的DEM信息，生成成像区域的地面高度信息，结合地面高度信息及成像几何关系，得到主、辅天线间的干涉相位；

S5、利用干涉相位对TOPSAR主图像进行相位补偿，再次采用频域互相关法估计粗配准的TOPSAR辅图像相对于相位补偿后的TOPSAR主图像的偏移量，并对完成粗配准的TOPSAR辅图像进行重采样，得到精配准的TOPSAR辅图像；

S6、对TOPSAR主、辅图像中相邻Burst的重叠区域进行差分干涉，采用增强型谱分集配准算法估计偏移量，再对TOPSAR辅图像进行移动，完成TOPSAR主、辅图像的最终配准。

所述的S2中，具体包含以下步骤：

S21、计算辅天线相对于主天线的距离向偏移量Δr；

S22、计算辅天线相对于主天线的方位向偏移量Δx；

S23、以TOPSAR主图像为参考，对TOPSAR辅图像进行距离向及方位向的偏移(Δr,Δx)，实现基于平台轨迹信息的偏移校正。

所述的S3中，具体包含以下步骤：

S31、根据粗配准精度需达到的像素级要求，设定每个子主、辅图像的大小为N′_a×N′_r；其中，N′_a表示方位分块的像素点数，N′_r表示距离分块的像素点数；

S32、以TOPSAR主图像为参考，选取其中一幅N′_a×N′_r的子主图像，以该子主图像的中心像素为参考，将TOPSAR辅图像中的对应像素作为中心，选取N′_a×(N′_r+2ΔN′_r)的子辅图像；直至全部完成TOPSAR主、辅图像的分块；

其中，ΔN′_r为预留的保护区域的点数；

S33、将分块后得到的其中一组子主、辅图像转换至频域，计算峰值位置所对应的偏移量；

S34、根据偏移量对该组子主、辅图像进行配准，将子辅图像与子主图像的配准区域保留，不重合的保护区域丢弃；并依次按序对所有分块后的子主、辅图像进行配准，得到粗配准的TOPSAR辅图像。

所述的S4中，具体包含以下步骤：

S41、将DEM网格点坐标按照成像几何关系转换成图像域中的象元点坐标；

S42、利用转换到图像域中的对应坐标位置的DEM数据点，在图像域的成像网格上进行内插值操作，得到图像域中所有象元点的地面高度信息；

S43、主、辅天线间的干涉相位为：

其中，n为与InSAR收发模式相关的系数；R₁,R₂通过平台轨迹信息以及象元点的地面高度信息计算得到。

所述的S5中，具体包含以下步骤：

S51、对TOPSAR主图像进行干涉相位的补偿：

S52、在相位补偿后的TOPSAR主图像上选取若干个控制点，以该些控制点为中心，取3×3的窗口；在粗配准的TOPSAR辅图像上选取与各个控制点相对应的点为中心，取5×5的窗口；

S53、利用双三次样条内插法进行期望倍数插值，在正负一个像素内对两幅图像进行采样，并采用频域互相关法计算相关系数，按行列进行搜索，确定相关系数最大处的偏移量；

S54、以各个控制点处的偏移量为参考，进行分区域线性多项式拟合，确定TOPSAR主图像和TOPSAR辅图像配准位置处的相对偏移量；

S55、根据相对偏移量，对TOPSAR辅图像进行sinc插值重采样，窗口为5×5，得到精配准的TOPSAR辅图像。

所述的S6中，具体包含以下步骤：

S61、对TOPSAR主、辅图像中相邻Burst的重叠区域进行差分干涉，即利用两个带通滤波器将TOPSAR主、辅图像方位向带宽(B₁,B₂)分解为上下两个频带(B_1,up,B_1,down,B_2,up,B_2,down)，然后对TOPSAR主、辅图像的上频带和下频带分别进行干涉处理，再对上频带和下频带的两张干涉图像进行干涉处理，得到子带干涉处理结果φ_SD：

其中，Δt表示主辅天线方位向脉冲中心的时间差；

S62、由于谱分集差分结果与多普勒中心绝对值无关，仅仅与上下频带的多普勒中心差值有关，且InSAR图像中时间和采样单元之间可通过采样频率相互转换，得到主辅影像方位向配准误差为：

Δ_azi＝Δt·F_a；

其中，F_a表示方位向采样频率；

S63、根据求得的方位向偏移量，再对TOPSAR辅图像进行重采样处理即可完成TOPSAR干涉配准处理。

综上所述，本发明所提供的TOPSAR干涉数据的高精度快速配准方法，与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：1、结合成像系统几何模型与DEM信息，生成干涉相位用于补偿TOPSAR主图像，当系统基线较长或者成像区域地形复杂导致干涉相位变化很大时，仍然可以获得很高的主辅图像配准精度；2、采用频域互相关算法得到TOPSAR主、辅图像之间的相干系数，算法效率更高，适合实时应用。

附图说明

图1为现有技术中的TOPSAR工作模式的示意图；

图2为本发明中的TOPSAR干涉数据的高精度快速配准方法的流程图；

图3为本发明中的干涉TOPSAR的几何关系模型的示意图。

具体实施方式

以下结合图2～图3，通过优选实施例对本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明。

如图2所示，为本发明所提供的TOPSAR干涉数据的高精度快速配准方法，包含以下步骤：

S1、利用InSAR(干涉合成孔径雷达)的主天线和辅天线，分别获取同一目标的具有相干性的TOPSAR主图像和辅图像；

S2、利用InSAR的平台轨迹信息，修正TOPSAR辅图像，得到经过轨迹补偿的TOPSAR辅图像；

S3、分别将TOPSAR主图像和修正后的TOPSAR辅图像沿距离向分块，得到子主图像和子辅图像，采用频域互相关法估计子辅图像相对于子主图像的偏移量，并对子辅图像进行配准处理，得到粗配准的TOPSAR辅图像；

S4、根据TOPSAR主、辅图像的成像区域的DEM信息，生成成像区域的地面高度信息，结合地面高度信息及成像几何关系，得到主、辅天线间的干涉相位；

S5、利用干涉相位对TOPSAR主图像进行相位补偿，再次采用频域互相关法估计粗配准的TOPSAR辅图像相对于相位补偿后的TOPSAR主图像的偏移量，并对完成粗配准的TOPSAR辅图像进行重采样，得到精配准的TOPSAR辅图像；

S6、对TOPSAR主、辅图像中相邻Burst的重叠区域进行差分干涉，采用增强型谱分集(ESD)配准算法估计偏移量，再对TOPSAR辅图像进行移动，完成TOPSAR主、辅图像的最终配准。

所述的S1中，如图3所示，为本发明中的干涉TOPSAR的几何关系模型的示意图。其中，一副天线采用一发两收，S₁为主天线，获取目标P的TOPSAR主图像；S₂为辅天线，获取目标P的TOPSAR辅图像。

所述的S2中，具体包含以下步骤：

S21、以主天线S₁为参考，辅天线S₂相对于主天线S₁的距离向偏移量Δr(单位像素)为：

其中，f_s1,f_s2分别为主、辅天线的距离向采样频率；R₁,R₂分别为主、辅天线与目标之间的斜距；τ₁₀,τ₂₀分别为基线中心和主、辅天线距离采样的最短时延；c代表光速；

在此过程中，忽略天线相对于地面的高度信息，利用平台轨迹信息修正R₁,R₂，即可得到TOPSAR辅图像相对于TOPSAR主图像在距离向上的偏移量Δr；

S22、辅天线相对于主天线的方位向偏移量Δx(单位像素)为：

Δx＝PRF₂(t₂-t₂₀)-PRF₁(t₁-t₁₀)；

其中，PRF₁,PRF₂分别为主、辅天线的脉冲重复频率；t₁,t₂分别为目标对应主、辅天线的方位时刻；t₁₀,t₂₀分别为主、辅天线接收到TOPSAR主、辅图像的方位起始时刻；

S23、以TOPSAR主图像为参考，对TOPSAR辅图像进行距离向及方位向的偏移(Δr,Δx)，实现基于平台轨迹信息的偏移校正，得到经过轨迹补偿的TOPSAR辅图像。

所述的S3中，具体包含以下步骤：

S31、由于距离向偏移量在近距端和远距端是存在差异的，所以需要根据粗配准的要求(即粗配准精度所需达到的像素级)来确定距离向的分块大小；具体为：设定每个子主、辅图像的大小为N′_a×N′_r；其中，N′_a表示方位分块的像素点数，N′_r表示距离分块的像素点数；

S32、以TOPSAR主图像为参考，选取其中一幅N′_a×N′_r的子主图像，以该子主图像的中心像素为参考，将TOPSAR辅图像中的对应像素作为中心，选取N′_a×(N′_r+2ΔN′_r)的子辅图像；直至全部完成TOPSAR主、辅图像的分块；

其中，ΔN′_r为保证图像无缝拼接而预留的保护区域的点数；

S33、由于时域互相关法的处理效率低于频域互相关法，因此将所有子主、辅图像均转换至频域进行互相关配准；具体为：设定分块后得到的其中一组子主、辅图像分别为f₁(r,x),f₂(r,x)，均转换至频域后为F₁(u,v),F₂(u,v)，经过共轭相乘和逆傅里叶变换后，得到峰值位置所对应的偏移量：

S34、根据偏移量对该组子主、辅图像进行配准，将子辅图像与子主图像的配准区域保留，不重合的保护区域丢弃，实现大小为N′_a×N′_r的子主、辅图像的配准；并依次按序对所有分块后的子主、辅图像进行配准，得到粗配准的TOPSAR辅图像，使最大配准误差不超过一个距离分辨单元，达到像素级配准要求。

所述的S4中，具体包含以下步骤：

S41、一般情况下，由于DEM(数字高程模型)数据相对于InSAR图像的分辨率低，网格划分大，所对应的地面成像点更为稀疏，因此需要对DEM数据进行内插得到各成像点的高程数据；

将DEM网格点坐标按照图3所示的成像几何关系转换成图像域中的象元点坐标；设定DEM网格点坐标为(x_D,y_D,z_D)，与之对应的象元点坐标为(x,y)，建立两者之间的距离多普勒方程：

其中，R₀为最短斜距；ρ_r为斜距分辨率；λ为工作波长；f_dc为多普勒中心频率；(X_s,Y_s,Z_s)为主、辅天线相位中心的瞬时位置；(v_x,v_y,v_z)为平台速度，通过建立匀加速模型进行计算；

S42、利用转换到图像域中的对应坐标位置的DEM数据点，在图像域的成像网格上进行内插值操作，得到图像域中所有象元点的地面高度信息；

S43、根据InSAR的测高原理，主、辅天线间的干涉相位(包含平地效应)为：

其中，n为与InSAR收发模式相关的系数，当InSAR的收发模式为单航过一发两收时，n＝1；R₁,R₂通过平台轨迹信息以及象元点的地面高度信息计算得到。

所述的S5中，具体包含以下步骤：

S51、针对成像区域内的干涉相位变化较快的情形，尤其当干涉基线很长或者成像区域地形剧烈起伏时，频域互相关法的配准误差会增大，因此需要先对TOPSAR主图像进行干涉相位的补偿：

S52、由于粗配准(像素级配准)的精度只能达到一个像素范围以内，而精配准(亚像素级配准)的精度可达到0.1个像素内，但处理过程相对复杂很多；具体为：

在相位补偿后的TOPSAR主图像上选取若干个控制点，以该些控制点为中心，取3×3的窗口；在粗配准的TOPSAR辅图像上选取与各个控制点相对应的点为中心，取5×5的窗口；

S53、利用双三次样条内插法进行期望倍数插值(若取下插值倍数为20倍，期望精配准精度为0.05像素单元)，在正负一个像素内对两幅图像进行采样，并采用频域互相关法计算相干系数，按行列进行搜索，确定相干系数最大处的偏移量；

S54、以各个控制点处的偏移量为参考，进行分区域线性多项式拟合，确定两幅图像中任何位置的相对偏移量；本实施例中，采用线性多项式来分区域拟合的方程组为：

其中：a₁、b₁、c₁，a₂、b₂、c₂为多项式系数；(x,y)为TOPSAR主图像中的像素坐标；(u,v)为TOPSAR主图像和TOPSAR辅图像配准位置处的相对偏移量；

S55、根据相对偏移量，对TOPSAR辅图像进行sinc插值重采样，窗口为5×5，得到精配准的TOPSAR辅图像。

所述的S6中，增强型谱分集(Enhanced Spectral Diversity，ESD)算法与传统谱分集原理上是一致的，不同的是增强型谱分集是利用Burst间的重叠区域来实现高精度配准。增强型谱分集算法基于图像复信号的频谱属性，利用不同Burst块重叠区域的相位信息来获取影像间的偏移量，即时间域的偏移导致的相位差，具体包含以下步骤：

S61、由于InSAR系统的脉冲响应存在线性相位变化，其方位向脉冲响应函数可以表示为：

其中，f_dc1和f_dc2分别代表主辅天线的多普勒中心频率，sinc[·]代表辛克函数，B₁和B₂分别代表主辅天线的方位多普勒带宽，Δt表示主辅天线方位向脉冲中心的时间差；

增强型谱分集配准需要利用两个带通滤波器，将TOPSAR主、辅图像方位向带宽(B₁,B₂)分解为上下两个频带(B_1,up,B_1,down,B_2,up,B_2,down)，然后对TOPSAR主、辅图像的上频带和下频带分别做干涉处理，再对上频带和下频带的两张干涉图像进行干涉处理，即为子带干涉处理结果φ_SD，如下式所示：

S62、上式说明增强型谱分集算法的差分结果与多普勒中心绝对值无关，仅仅与上下频带的多普勒中心差值有关；由于InSAR图像中的时间和采样单元之间可通过采样频率相互转换，则TOPSAR主、辅图像方位向配准误差为：

Δ_azi＝Δt·F_a；

其中，F_a表示方位向采样频率；

S63、至此求得方位向偏移量，再进行重采样处理即可完成干涉配准。

增强型谱分集算法配准可以大大提高配准精度，但是由于其多普勒差异值较小会降低配准误差的敏感度；谱分集算法的配准精度的克拉美罗下界如下式所示：

上式中B为总信号带宽；b为子带带宽；γ为相干系数；N为处理点数。

由上式可知，在TOPSAR模式下利用增强型谱分集算法，其配准精度难以达到千分之一个像素。而增强型谱分集算法的上下频带间隔远远大于谱分集法频率间隔，因此改用增强型谱分集方法可以实现更高配准精度。

综上所述，本发明所提供的TOPSAR干涉数据的高精度快速配准方法，与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：1、结合成像系统几何模型与DEM信息，生成干涉相位用于补偿TOPSAR主图像，当系统基线较长或者成像区域地形复杂导致干涉相位变化很大时，仍然可以获得很高的主辅图像配准精度；2、采用频域互相关算法得到TOPSAR主、辅图像之间的相干系数，算法效率更高，适合实时应用。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种TOPSAR干涉数据的高精度快速配准方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、利用InSAR的主天线和辅天线，分别获取同一目标的具有相干性的TOPSAR主图像和辅图像；

S2、利用InSAR的平台轨迹信息，修正TOPSAR辅图像，得到经过轨迹补偿的TOPSAR辅图像；

S3、分别将TOPSAR主图像和修正后的TOPSAR辅图像沿距离向分块，得到子主图像和子辅图像，采用频域互相关法估计子辅图像相对于子主图像的偏移量，并对子辅图像进行配准处理，得到粗配准的TOPSAR辅图像；

S4、根据TOPSAR主、辅图像的成像区域的DEM信息，生成成像区域的地面高度信息，结合地面高度信息及成像几何关系，得到主、辅天线间的干涉相位；

S5、利用干涉相位对TOPSAR主图像进行相位补偿，采用频域互相关法估计粗配准的TOPSAR辅图像相对于相位补偿后的TOPSAR主图像的偏移量，并对完成粗配准的TOPSAR辅图像进行重采样，得到精配准的TOPSAR辅图像；

S6、对TOPSAR主、辅图像中相邻Burst的重叠区域进行差分干涉，采用增强型谱分集配准算法估计偏移量，再对TOPSAR辅图像进行移动，完成TOPSAR主、辅图像的最终配准。

2.如权利要求1所述的TOPSAR干涉数据的高精度快速配准方法，其特征在于，所述的S2中，具体包含以下步骤：

S21、计算辅天线相对于主天线的距离向偏移量Δr；

S22、计算辅天线相对于主天线的方位向偏移量Δx；

S23、以TOPSAR主图像为参考，对TOPSAR辅图像进行距离向及方位向的偏移(Δr,Δx)，实现基于平台轨迹信息的偏移校正。

3.如权利要求2所述的TOPSAR干涉数据的高精度快速配准方法，其特征在于，所述的S3中，具体包含以下步骤：

S31、根据粗配准精度需达到的像素级要求，设定每个子主、辅图像的大小为N′_a×N′_r；其中，N′_a表示方位分块的像素点数，N′_r表示距离分块的像素点数；

S32、以TOPSAR主图像为参考，选取其中一幅N′_a×N′_r的子主图像，以该子主图像的中心像素为参考，将TOPSAR辅图像中的对应像素作为中心，选取N′_a×(N′_r+2ΔN′_r)的子辅图像；直至全部完成TOPSAR主、辅图像的分块；

其中，ΔN′_r为预留的保护区域的点数；

S33、将分块后得到的其中一组子主、辅图像转换至频域，计算峰值位置所对应的偏移量；

S34、根据偏移量对该组子主、辅图像进行配准，将子辅图像与子主图像的配准区域保留，不重合的保护区域丢弃；并依次按序对所有分块后的子主、辅图像进行配准，得到粗配准的TOPSAR辅图像。

4.如权利要求3所述的TOPSAR干涉数据的高精度快速配准方法，其特征在于，所述的S4中，具体包含以下步骤：

S41、将DEM网格点坐标按照成像几何关系转换成图像域中的象元点坐标；

S42、利用转换到图像域中的对应坐标位置的DEM数据点，在图像域的成像网格上进行内插值操作，得到图像域中所有象元点的地面高度信息；

S43、主、辅天线间的干涉相位为：

其中，n为与InSAR收发模式相关的系数；R₁,R₂通过平台轨迹信息以及象元点的地面高度信息计算得到。

5.如权利要求4所述的TOPSAR干涉数据的高精度快速配准方法，其特征在于，所述的S5中，具体包含以下步骤：

S51、对TOPSAR主图像进行干涉相位的补偿：

S52、在相位补偿后的TOPSAR主图像上选取若干个控制点，以该些控制点为中心，取3×3的窗口；在粗配准的TOPSAR辅图像上选取与各个控制点相对应的点为中心，取5×5的窗口；

S53、利用双三次样条内插法进行期望倍数插值，在正负一个像素内对两幅图像进行采样，并采用频域互相关法计算相关系数，按行列进行搜索，确定相关系数最大处的偏移量；

S54、以各个控制点处的偏移量为参考，进行分区域线性多项式拟合，确定TOPSAR主图像和TOPSAR辅图像配准位置处的相对偏移量；

S55、根据相对偏移量，对TOPSAR辅图像进行sinc插值重采样，窗口为5×5，得到精配准的TOPSAR辅图像。

6.如权利要求5所述的TOPSAR干涉数据的高精度快速配准方法，其特征在于，所述的S6中，具体包含以下步骤：

S61、对TOPSAR主、辅图像中相邻Burst的重叠区域进行差分干涉，即利用两个带通滤波器将TOPSAR主、辅图像方位向带宽(B₁,B₂)分解为上下两个频带(B_1,up,B_1,down,B_2,up,B_2,down)，然后对TOPSAR主、辅图像的上频带和下频带分别进行干涉处理，再对上频带和下频带的两张干涉图像进行干涉处理，得到子带干涉处理结果φ_SD：

其中，Δt表示主辅天线方位向脉冲中心的时间差；

S62、由于谱分集差分结果与多普勒中心绝对值无关，仅仅与上下频带的多普勒中心差值有关，且InSAR图像中时间和采样单元之间可通过采样频率相互转换，得到主辅影像方位向配准误差为：

Δ_azi＝Δt·F_a；

其中，F_a表示方位向采样频率；

S63、根据求得的方位向偏移量，再对TOPSAR辅图像进行重采样处理即可完成TOPSAR干涉配准处理。