TOPS模式哨兵-1雷达干涉图误差校正技术

哨兵-1系统因其优质的设备参数及开放性的政策具有很高的学术及应用价值,然而其特殊的TOPS成像模式对利用该数据的干涉处理与分析提出了挑战。本文对影响哨兵-1 TOPS模式数据干涉质量的数据配准、电离层及对流层因素进行了定量化分析,提出了基于ESD,以及GPS、ECMWF等外部数据源校正的TOPS哨兵-1模式干涉图误差校正技术;以一对2016年某区域的哨兵-1 TOPS模式影像为研究数据,对其依次进行了精配准、电离层相位和对流层相位系统校正。研究结果表明,配准精度能够满足数据1/1000像元的精度要求;能去除电离层条带相位和方位向相位跳变;进而实现对流层相位约27%标准差精度的提升。此技术能够显著减小哨兵-1 TOPS模式数据的干涉误差,提高其在差分雷达干涉乃至时序差分雷达干涉等形变监测中的应用价值。     

精密轨道支持下的哨兵卫星TOPS模式干涉处理

哨兵卫星采用TOPS模式成像,为确保影像干涉相位偏差小于3°,方位向配准精确度需达到0.001个像素。本文论证了哨兵卫星精密轨道条件下进行几何配准即可达到较高的配准精度,满足增强谱分集进行方位向残余偏移量估计的前提条件,并基于DORIS软件实现哨兵卫星TOPS模式影像的几何配准和增强谱分集优化配准处理。地表方位向形变等信号可导致Burst干涉图之间发生相位跳变,并对增强谱分集估计几何配准残余偏移量时产生干扰,本文开展了相关的理论分析和数据处理试验,提出粗差探测方法消除相位跳变对增强谱分集配准的干扰。     

RADARSAT-2卫星TOPS模式影像干涉处理

宽幅干涉(terrain observation by progressive scans,TOPS)模式方位向多普勒中心频率的变化导致了干涉图相位的相对扭曲,干涉处理时需要较高的配准精度。加拿大合成孔径雷达遥感卫星(RADARSAT-2)TOPS模式影像由于轨道精度较差,几何配准精度过低,导致其干涉配准较哨兵合成孔径雷达遥感(Sentinel-1)卫星更加复杂。为了实现该卫星TOPS模式影像的干涉处理,首先采用相关配准、谱分集方法依次对几何配准结果进行校正,然后利用增强谱分集进行方位向偏移量矫正。由于依靠卫星星历参数和聚焦成像参数的多普勒中心估计方法精度有限,因此提出了采用相位增量法优化多普勒中心估计结果,并通过影像方位线功率谱检验了估计的多普勒中心。     

基于迪杰斯特拉算法的哨兵卫星TOPS模式时序影像精配准

目前,哨兵卫星被广泛应用于监测地表形变,然而其默认成像模式TOPS(terrain observation with progressive scanning)受粗配准的精度限制,方位向的频谱混叠会导致重叠观测区域出现相位跳变,需要通过精配准进行纠正。多数开源软件都采用几何配准和增强谱分集结合的方式对哨兵影像进行精配准。增强谱分集的精度通常受到时间去相干、几何去相干和方位向形变等诸多因素的影响,但其直接影响因素是相干性,研究了增强谱分集的精度与相干性的关系。同时,为了提高时序影像的配准精度,提出在精确估计相干性的基础上提取高相干点用于增强谱分集,并应用迪杰斯特拉最短路径算法生成最优配准像对,完成时序像对的精配准。利用传统的单主影像增强谱分集和目前精度最高的序贯网络增强谱分集(network-based enhanced spectral diversity,NESD)对所提出的方法进行了精度验证。实验证明,所提方法能够达到对哨兵影像进行有效精配准的目的,并且弥补了NESD方法的不足。     

顾及方位向偏移的光谱分频法InSAR电离层改正

针对电离层变化导致的影像方位向偏移,使子带影像配准结果存在部分区域失相干现象,从而导致估计出的电离层相位屏精度较低的问题,该文提出了一种改进后的共配准方法以提高干涉图相干性。该方法采用复互相关的估计方法进行影像间的偏移量估计,然后对估计阵列中的异常值进行中值滤波器和低通滤波处理,提高偏移量矩阵的精度,最后利用双线性插值的方法进行插值采样完成影像配准。该文以覆盖昆明地区的L-波段先进陆地观测卫星(ALOS-2)数据和覆盖墨西哥城地区的C-波段欧洲航天局哨兵1号(Sentinel-1)数据进行实验,结果显示,使用改进后的配准方法得到的最终改正结果的精度分别提升了13%、15%左右。该方法有效地平衡了电离层变化对于配准精度的影响,提高了干涉图的相干性,进而提高了电离层相位屏的精度,电离层的影响得到了缓解。     

基于几何配准的多模式SAR影像配准及其误差分析

星载合成孔径雷达影像干涉处理时所需方位向配准精度因成像模式的差异而有所不同,目前在精密轨道条件下以几何配准为基础辅以影像信息的配准方案因其严格的理论模型和较高的精度成为干涉处理的首选。本文以TerraSAR-X影像为例,论证了不同成像模式影像所需的配准精度和卫星轨道精度,并通过理论分析和试验证明了精密轨道条件下,利用几何配准即可满足TerraSAR-X等卫星的条带模式影像干涉处理的需要;聚束模式影像需要在几何配准的基础上利用影像相干性或谱分集进一步优化配准结果。鉴于增强谱分集偏移量估计精度最高,本文进一步利用增强谱分集对比分析了不同轨道不同DEM条件下的几何配准误差。研究结果表明:卫星轨道切向误差是几何配准的主要误差源,目前常用3种DEM几何配准差异远小于0.001个像素,均可满足Sentinel-1影像干涉配准的需要。     

机载双天线InSAR复图像自动配准研究

干涉雷达复图像之间的精确配准是提高雷达干涉测量精度的关键之一。对于机载双天线干涉雷达系统,精确的地形高程测量需要精确的干涉相位来保证,从而要求干涉复图像在亚像元级的精确配准。为了使两幅机载双天线InSAR复图像之间配准精度达到亚像元级以及提高运算效率,在分析前人算法的基础上,分别采用基于快速傅里叶变换(FFT)复相关精配准算法以及基于过采样图像的精配准方法对机载双天线InSAR复图像进行精配准试验和比较,生成了干涉条纹图,并进行了相干性分析。试验结果表明,机载双天线复图像相干性很高、偏移量较小;对于机载双天线复数据而言,这两种方法都可以有效地实现复图像数据的高精度配准,但是从配准精度以及算法运行时间来看,基于FFT的复相关精配准算法较优,运算效率更高,且更具实用性。     

实时轨道条件下Sentinel-1卫星影像干涉配准

Sentinel-1卫星步进扫描模式干涉处理方位向配准精度要求达到0.001个像素,通常在精密轨道条件下采用几何配准联合增强谱分集完成影像的配准。但Sentinel-1卫星精密轨道发布较晚,而实时轨道精度较低,几何配准后易导致增强谱分集相位缠绕。为了进一步修正实时轨道条件下的几何配准结果,满足卫星干涉实时处理的需要,选取以点目标为中心的窗口进行相关配准,并对多组Burst配准结果进行拼接处理,以提高相关配准算法的可靠性和精度,确保配准精度满足增强谱分集的要求。     

大孔径静态干涉成像光谱仪图像的条纹消除与配准

大孔径静态干涉成像光谱仪获取的图像是叠加了干涉信息的二维图像,点干涉图的获取需要经过全视场的推扫,平台姿态误差会导致提取的干涉图存在误差,进而影响复原光谱准确性,因此,图像配准是干涉图提取的关键。由于图像受到干涉调制作用,导致传统的图像配准方法在应用于LASIS图像配准时配准精度有限。为了减弱干涉条纹对图像配准的影响,本文提出一种利用条纹模板消除LASIS图像条纹,再结合图像频域配准的方法实现LASIS图像的高精度配准。配准结果表明,本方法很好地消除了干涉条纹对配准精度的影响,配准精度可以达到0.029 4个像素,相对于已开展的LASIS图像配准方法,沿轨方向配准精度提高了45.48%,跨轨方向配准精度提高了52.22%,图像旋转精度提高了39.13%。     

相位补偿SAR差分干涉提取山区DEM算法及精度分析

首先,将去平干涉相位和外部DEM模拟的地形相位作差分,以降低干涉图的条纹率。然后,采用模拟的地形相位对差分干涉图的解缠相位进行补偿得到去平干涉图的解缠相位,并用此相位进行基线精化和高程提取。实验结果表明,该算法可得到高程精度更高的山区DEM。与常规干涉算法相比,它不仅可改善解缠精度,还可得到更加真实且相干性明显改善的相干图,减少因相干性低于解缠时设定的相干性阈值而产生的高程空洞区。相比于＂高程补偿＂算法,其可更有效地削弱残余系统相位以及解缠和外部DEM引入的随机相位误差的影响。