Sentinel-1A衛星TOPS模式數據干涉處理

吳文豪，李　陶，陳志國，郝洪美

(1. 武漢大學衛星導航定位技術研究中心，湖北 武漢 430079； 2. 吉林省基礎測繪院， 吉林 四平 136001)

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Sentinel-1A衛星TOPS模式數據干涉處理

吳文豪1，李陶1，陳志國1，郝洪美2

(1. 武漢大學衛星導航定位技術研究中心，湖北 武漢 430079； 2. 吉林省基礎測繪院， 吉林 四平 136001)

Interferometric Processing of TOPS Mode for Sentinel-1A

WU Wenhao,LI Tao,CHEN Zhiguo，HAO Hongmei

摘要：TOPS成像模式通過在方位向和距離向聯合調整波束姿態來實現寬幅成像。與條帶模式不同，該模式在成像過程中每組Burst多普勒中心頻率在方位向發生變化，干涉處理重采樣時精確獲取每個采樣單元的多普勒中心頻率是本文研究的重點。因此本文采用意大利那波里地區Sentinel-1A衛星數據進行了試驗，首先采用聯合估計方法有效計算出了多普勒中心頻率，再調制插值核，進而獲得了干涉處理結果，最后參考零多普勒時間進行Burst干涉圖間的拼接，獲得了更大范圍的干涉圖。

關鍵詞：干涉處理; 多普勒中心頻率; 多普勒歷程; TOPS成像

Sentinel-1A(哨兵)是繼ERS和ENVISAT之后對推動差分干涉測量技術發展具有劃時代意義的C波段合成孔徑雷達(SAR)衛星，其默認的成像模式TOPS(terrain observation by progressive scans)不但寬幅成像，更支持干涉處理[1]。與傳統的條帶模式相比，TOPS模式方位向多普勒中心頻率是變化的，因此干涉處理時TOPS不但要考慮多普勒中心頻率在距離向的變化，還要顧及在方位向的變化。

由于TOPS數據剛剛發布，目前還沒有開源軟件可以處理TOPS干涉，因此本文針對Sentinel-1A衛星的TOPS模式影像，以開源軟件DORIS作為基礎試驗平臺，提出新的多普勒中心頻率估計聯合方法對內插核進行調制，獲得各組Burst干涉圖，又以零多普勒時間作為參考，對干涉圖進行拼接，獲得大范圍的干涉成果。

一、TOPS多普勒歷程分析

TOPS是Rocca等為改善ScanSAR影像質量而提出的新型寬幅成像模式[2]。與傳統的條帶模式相比，寬幅合成孔徑雷達在相對較短的時間內確保影像具有較大的覆蓋面積，SRTM即是通過該技術在短時間內獲取的全球數字高程模型[3]。

TOPS模式在成像過程中，天線波束沿方位向從后向前擺動，下一個波束指向另一個子帶時，波束沿方位向重新由后指向前，經過一個掃描周期后，天線波束重新照射第一個子帶，從而獲得一個更大范圍的成像區域[4]。TOPS每個子測繪帶由多組脈沖序列(Burst)組成，其點目標多普勒歷程如圖1所示，其中橫軸為方位向時間，縱軸為多普勒頻率值。圖中P1—P4分別代表方位向上4個點目標TOPS模式中的零多普勒時間，其多普勒歷程如傾斜虛線所示(不同虛線代表不同的目標)，斜率即多普勒調頻率。方格條紋區域表示雷達接收的有效回波，豎直條紋區域為無效回波。從圖1中可以看出，方位向上點目標的多普勒中心頻率隨著方位向時間的變化而變化。傳統的干涉處理方法主要是針對條帶模式，認為方位向多普勒中心頻率是一致的，因此TOPS模式干涉處理時需要考慮到方位向多普勒中心頻率變化對重采樣的影響[5]。TOPS模式每組Burst在距離向和方位向均存在一定程度的重疊，如目標P4將被兩組Burst觀測到，但其零多普勒時間依然是一致的，這為影像拼接提供了可能。因此本文基于上述分析，在傳統的干涉處理方法基礎上進行多普勒中心頻率計算和內插核調制，實現Sentinel-1A衛星TOPS數據的干涉處理，并進行方位向和距離向的干涉圖拼接，實現其寬幅成像的意義。

圖1　TOPS 模式點目標多普勒歷程

二、TOPS多普勒中心頻率計算

如上文所述，TOPS成像模式多普勒中心頻率在方位向是變化的。在成像過程中，聚焦影像頻譜直接受到點目標多普勒歷程的影響，即非零多普勒中心頻率導致聚焦影像脈沖響應函數存在嚴重的相位斜坡效應，方位線轉為非基帶信號，無法對非基帶信號計算進行插值處理。因此需要根據單視復影像的多普勒中心頻率分布對其內插核進行調制，使其內插核頻譜中心與影像多普勒中心頻率保持一致，實現方位線的重采樣[6]。

準確獲取TOPS聚焦影像的每個采樣單元的多普勒中心頻率是正確重采樣的前提。衛星姿態是緩變的，且天線方向圖為距離的光滑函數，多普勒中心頻率不會出現跳變，因此計算多普勒中心頻率時為了處理方便，分別在距離向和方位向擬合出多普勒中心頻率分布函數[7]。TOPS模式每組Burst成像時波束姿態在距離向不變化，處理方法與條帶模式相同。而波束姿態在方位向是變化的，多普勒中心頻率需要根據TOPS多普勒歷程與零多普勒影像聚焦原理求出。多普勒中心頻率fDC(tr,ta)在方位向的變化表示為

(1)

(2)

式中，KR(tr)為多普勒調頻率；kψ為波束旋轉角速度。在聚焦成像過程中，點目標被校正到零多普勒位置，雷達回波的多普勒中心頻率變化率Ks與影像聚焦后的零多普勒影像所對應的多普勒中心頻率KAZ變化并不相同，零多普勒投影聚焦影像的持續時間相當于原始回波信號作了延展處理(如圖2所示)，其延展系數α為

(3)

可進一步得到

(4)

圖2　TOPS模式原始回波與聚焦影像多普勒頻譜

TOPS衛星參數文件中每組Burst僅提供兩個參考時間點的多普勒調頻率和多普勒中心頻率，而成像過程中上述參數時刻都在變化，僅靠兩個參考時間點的參數根據式(1)獲取的多普勒中心頻率是不夠精確的。因此本文采用聯合估計法計算多普勒中心頻率，即在此基礎上根據多普勒中心頻率分布對影像方位線進行去斜處理，再采用相位增量法對殘余的方位線多普勒中心頻率進行估計[8-9]，最后將兩種方法估計值求和獲得準確的多普勒中心頻率。

TOPS影像重采樣時需要根據影像每個采樣單元的多普勒中心頻率對內插核進行調制，如式(5)所示

Wshift=Wkerexp(j·2π·fDC(tr,ta)·tα)

(5)

式中，Wker和Wshift分別為調制前和調制后的插值核。采用調制后的插值核便可以實現對TOPS影像進行重采樣，確保相位信息的完整。

三、TOPS影像拼接

TOPS模式影像由多組Burst組成，且每組Burst獨立聚焦成像，干涉處理后差分干涉圖需要進行拼接處理。本文采用DORIS軟件，結合本文所述的多普勒中心頻率估計方法分別完成Sentinel-1A衛星TOPS影像的每組Burst進行干涉處理[10]。

TOPS模式影像每組Burst均參考了同一衛星軌道，其幾何關系較為穩定，相對定位精度較高，重疊區域采樣單元的零多普勒時間存在交集，可以根據零多普勒時間計算干涉圖的重疊采樣單元[11]。

進行拼接時，相鄰的Burst差分干涉圖往往出現相位跳變。另外干涉圖還受到電離層、大氣、SAR傳感器本身的噪聲影響，Burst干涉圖重疊區域存在一定的噪聲。點目標在SAR影像中相位較為穩定，首先根據影像信號雜波比(SCR)值提取出重疊區域的點目標，然后基于這些點目標干涉相位信息計算相位跳變值。最后根據跳變值彌補兩相鄰Burst干涉圖相位差異，實現對干涉圖的無縫拼接。

四、試驗分析

本文采用2014年8月9日和2014年8月21日意大利拿波里地區Sentinel-1A衛星數據進行干涉處理與數據拼接試驗。

在重采樣環節，本文提出了聯合估計方法計算多普勒中心頻率，下面通過方位線頻譜與多普勒中心頻率匹配程度來驗證該方法的有效性。根據影像參數獲得的多普勒中心頻率圖如圖3所示，聯合估計獲得多普勒中心頻率圖如圖4所示。橫坐標為聚焦影像所對應的方位向時間，縱坐標為各個頻譜分量所對應的頻率值，其灰度值表示功率譜大小，斜線為多普勒中心頻率。因多普勒中心頻率在方位向是變化的，導致方位向信號帶寬大于采樣頻率，對方位向信號采樣時其頻譜出現多次混疊現象，功率譜峰值對應的頻率也出現折疊現象，進而多普勒中心頻率也存在折疊現象。與圖3相比，圖4多普勒中心頻率與頻譜匹配更好，這說明聯合估計方法估計出的多普勒中心頻率更準確、更有效。

圖3　根據影像參數獲得的多普勒中心頻率參數

圖4　聯合估計獲得的多普勒中心頻率參數

利用聯合估計方法獲得每個采樣單元的多普勒中心頻率對內插核進行調制，進行一系列的干涉處理后獲得干涉圖如圖5所示。理論上差分干涉圖消除了平地效應和地形信息，一般不會導致干涉圖出現過多條紋。圖6為沿用條帶模式處理方法獲取的差分干涉圖,因為沒有考慮多普勒中心頻率在方位向的變化，重采樣時內插核頻率中心與默認的多普勒中心頻率相差很大，產生差值誤差，出現波狀條紋，由此可見本文方法可靠。試驗證明TOPS模式多普勒中心在方位向的變化是不可以忽略的，否則會發生相位信息的泄露。插值誤差也會影響干涉圖的相干性。本文利用相干系數分布圖來衡量干涉圖相干性， 圖7為未進行內插核調制后的相干系數分布圖。圖8為內插核調制的相干系數分布圖。橫軸為相干系數，縱軸為相干點數量。圖8中高相干點數量較多，說明內插核調制后的干涉圖的相干性更高。TOPS模式各組Burst干涉圖進行拼接時，消除相位跳變是其關鍵。本文根據前文所述的方法進行干涉圖拼接處理試驗，圖9為相鄰兩組Burst重疊區域點目標的相位差分直方圖， 橫軸為相位差分值，縱軸為點目標數量，其點目標數量最多處的相位差分值即為相位跳變值。拼接時，先在方位向上進行Burst間拼接，再進行距離向上的子測繪帶間拼接。圖10為27組Burst干涉拼接結果。拼接時并未做羽化處理，可以看出方位向拼接效果較好。

圖5　內插核調制后生成的干涉相位圖

圖6　未考慮多普勒中心頻率變化生成的干涉相位圖

圖7　未進行內插核調制的相干系數分布

圖8　內插核調制后的相干系數分布

圖9　點目標相位差分分布

圖10　27組Burst干涉拼接結果

五、結束語

本文在TOPS成像機理的基礎上，提出了采用影像參數與相位增量法聯合估計多普勒中心頻率參數的方法進行Sentinel-1A衛星TOPS模式的干涉處理，并利用影像零多普勒時間信息和重疊區域點目標相位信息進行Burst干涉圖的拼接，體現了寬幅成像的優勢，擴展了其應用空間。但是TOPS影像每個子測繪帶的像素采樣空間大小并不一致，導致SAR影像距離向拼接出現較大的痕跡，拼接效果不夠理想，還需要進一步的研究。

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中圖分類號：P237

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)02-0042-04

作者簡介：吳文豪 (1987—),男，博士生，研究方向為SAR成像與干涉。E-mail: wuwh@whu.edu.cn

基金項目：國家自然科學基金(41274048)

收稿日期：2014-11-24

引文格式： 吳文豪，李陶，陳志國,等. Sentinel-1A衛星TOPS模式數據干涉處理[J].測繪通報，2016(2)：42-45.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0045.