遙感技術(shù)與應用干涉合成孔徑雷達成像技術(shù)研究
摘要：用SIR—c／x SAR的X波段的原始數據，實(shí)現了真實(shí)數據下星載雙航過(guò)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(xué)描述。該描述對成像關(guān)系做了合理近 似，與以前的一些描述相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：①把相位差與地表高度在距離線(xiàn)上直接聯(lián)系在一起，清 晰地反映出它們之問(wèn)的關(guān)系；②指明了基線(xiàn)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(guān)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(shí)際過(guò)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(xiàn)性關(guān)系。然后，給出了一個(gè)完整的實(shí)現數字高度地圖的數據處理過(guò)程， 并將整個(gè)過(guò)程分成9個(gè)環(huán)節，逐一對各環(huán)節的目的和作用做了扼要說(shuō)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(guò)程中關(guān)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(shù)的新發(fā)展，它用從相距很 近的兩個(gè)天線(xiàn)得出的兩個(gè)SAR的復圖像，取得地面 各點(diǎn)在兩個(gè)復圖中的相位差，進(jìn)而得出各點(diǎn)在兩次 成像中電波的路程差，最后得出對地面各點(diǎn)地表高 度的遙感，形成三維地貌圖，又稱(chēng)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(yōu)點(diǎn)，具有廣 泛的應用領(lǐng)域 實(shí)現InSAR三維成像的核心是其數 據處理技術(shù)。InSAR的數據采集分單航過(guò)和雙航過(guò) 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(xiàn)測溫儀| 溫濕度儀| 紅外線(xiàn)溫度計| 露點(diǎn)儀| 亮度計| 溫度記錄儀2o 世紀從9o年代初開(kāi)始，國際上爭相開(kāi)展InSAR三 維成像研究。一。國內原始數據來(lái)源有限，研究論文 較少，1 996年中國科學(xué)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(jìn)行過(guò) InSAR三維成像研究 ，并成功地得到了三維地貌 圖，同時(shí)對數據處理進(jìn)行了較完整的研究。此外，完 整的數據處理過(guò)程尚未見(jiàn)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(xué)基金(60082002)資助 作者簡(jiǎn)介：磕冬n961一)，男、博士生，主要從事合成孔徑雷達研究 近年來(lái)，InSAR三維成像的理論和技術(shù)又有了 新發(fā)展。作者用sIR—c／x—sAR中x波段的真實(shí) 原始數據，研究了雙航過(guò)InSAR三維成像技術(shù)，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(xué)描述，該描述在距離線(xiàn)上直接把地表 高度與相位差聯(lián)系在一起。然后結合作者的研究，給 出了完整的數據處理過(guò)程，并分步驟做了扼要說(shuō)明。 最后給出了處理過(guò)程中關(guān)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(shí)，它們的距離線(xiàn) 可以重臺，單條距離線(xiàn)的成像幾何關(guān)系可以用圖1 來(lái)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(xiàn)。A 和Az分 別為各航過(guò)的天線(xiàn)。r 和 分別為天線(xiàn)A 和A。到 地面點(diǎn)Y的高度為^(y)的地表的斜距，r0是天線(xiàn)A 到地面點(diǎn)Y的斜距，它們都是Y的函數。H是天線(xiàn) 圍1 距離線(xiàn)成像幾何關(guān)系圍 A 的軌道高度。B是兩天線(xiàn)間距離，稱(chēng)為基線(xiàn)。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(xiàn)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(cháng) ，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(guān)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(shí)的 為 o。則 表示地表為 水平面時(shí)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(shí)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(kāi)，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(guān) 系，已知 ( )就可以求出^( )來(lái)。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(diǎn)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(shí)現對地表高度^( )的遙感。 工程上見(jiàn)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(chǎng)景中心的y,-~230 km，W ≈4 km)，多近似 地將^( )和吼( )看成線(xiàn)性關(guān)系。

3 三維成像的實(shí)現 實(shí)現InSAR三維成像的過(guò)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(shí)現過(guò)程分成9個(gè)部分，分別扼要說(shuō)明 ① SAR成像。用SAR的成像算法，分別對各航過(guò)收集 的原始數據做成像處理，得出兩個(gè)地面=維單視復 圖。其作用是實(shí)現距離和方位向的二維成像，并得出 圖中各點(diǎn)的相位信息。此外，成像過(guò)程中對各航過(guò)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(guò)獨立進(jìn)行，不能保證生成的兩個(gè)二維復圖中 同樣位置的像素對應于地面上的同一點(diǎn)。配準的目 的是要使兩個(gè)圖中同樣位置的像素對應地面同一回 波點(diǎn) 像素配準用相關(guān)法，將兩個(gè)復圖的模做二維相 關(guān)，依據相關(guān)蜂的位置對一圖做平移 這樣的配準誤 差約為一個(gè)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(shí)兩 圖中相同譜段部分的信息產(chǎn)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(gè)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(gè)方向上進(jìn)行。對方位向， 依據各航過(guò)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(shí)現 對 像素配準過(guò)的兩個(gè)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(guān)，從主頻 率中可以得出距離向譜段的平移量。 。同時(shí)，各航過(guò) 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(guò)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(jìn)行的兩個(gè)航過(guò)的 數據采集，使墨中的像素對應的地面點(diǎn)，在 中 不會(huì )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(diǎn)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(diǎn)在 x’z中對應的像素之間的精確位置，按這一位置對 xz 進(jìn)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(diǎn)。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(jiǎn)化，對方位和距離向 分別配準。⑤ 干涉。將x 中各像素乘上x(chóng) 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(kāi)無(wú)法進(jìn)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(kāi) 依據折疊 后的相位主值 ，把折疊前的相位 恢復出來(lái)。有 多種展開(kāi)方法 ，筆者采用的是最小二乘法 ：。 將⑦和⑧放在⑥ 之后進(jìn)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(kāi)的實(shí)施。@ 相位高度變換。由兩次航過(guò)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(shí)現 對高度h( )的遙感。

4 結果 圖2給出了成像處理的幾個(gè)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44t 3 km e圖 2(a)是SAR復圖像 的模，圖2(b)是 1和 于 259 涉得出的相位條紋，圖2(c)是水平相差修正后的相 位條紋，圖2(d)是降噪濾波后的相位條紋，圖2(e) 是三維地貌圖(縱坐標的單位是m)。