一種面向無參考點的順軌干涉SAR海面復圖像配準方法

孔維亞 種勁松

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一種面向無參考點的順軌干涉SAR海面復圖像配準方法

孔維亞①②③種勁松*①②

①(中國科學院電子學研究所 北京 100190)②(微波成像技術國家重點實驗室 北京 100190)③(中國科學院大學 北京 100190)

順軌干涉SAR海面復圖像通常利用靜止陸地參考點進行配準，獲得精確有效的海洋流場干涉相位信息。復圖像中無參考點時，僅能依據海浪紋理進行配準，受海面隨機運動以及低信噪比的影響，配準像素偏移往往會出現像素級誤差，并導致干涉相位圖質量嚴重下降。根據大尺度海浪變化周期較長，在干涉成像間隔內可視作靜止這一特征，該文提出保留大尺度海浪對應的方位譜分量以提高數據信噪比和相關性，進而提高配準精度的方法，并選用海面實際方位分辨率作為大尺度海浪方位譜選取范圍的約束條件。通過機載順軌干涉SAR實驗數據證明，所提方法可有效提高無參考點海面復圖像的配準精度。

順軌干涉SAR；海面復圖像；無參考點配準

1 引言

順軌基線的存在導致前后SLC中的像素不是完全對應，即同一目標在前后SLC中的位置存在若干個方位向像素偏移，對SLC進行精確配準是獲取有效順軌干涉相位的必要前提，通常要求配準精度需達到亞像素級[6]，否則干涉相位將出現失配，嚴重影響流場速度的反演精度。目前，國際上進行ATI- SAR海面SLC配準時，通常選取圖像中陸地目標作為配準參考點，再利用相關系數法[5]對其進行配 準[6,7]。然而，人們關注的大量流場區域往往不包含陸地，尤其是對于機載ATI-SAR，由于其幅寬較窄，多數情況下不能覆蓋陸地，進而導致無參考點可用于配準。針對無參考點的ATI-SAR海面SLC的配準問題，國內外鮮有相關文獻報道。

對于無參考點的海面SLC，僅能對圖像中的海浪紋理進行基于相關系數最大準則的配準。ATI- SAR成像間隔即使是毫秒量級，前后天線SLC之間的相關性也會急劇下降[8]，這主要是由兩方面原因造成：一是海面隨機運動導致后天線SLC記錄的海浪紋理相比于前天線已經產生了一定的變化，即產生去相關效應；二是海面后向散射系數遠低于陸地，且振動周期短的小尺度波在合成孔徑時間內變化劇烈，已不能聚焦而間接轉化為噪聲[9,10]，進一步降低了回波信噪比，并加劇了去相關效應。因此，利用相關系數法對低相關的海浪紋理進行配準時，在噪聲影響下，由最大相關系數點對應的像素偏移配準后獲得的干涉相位圖質量往往不是最優，會產生像素級配準誤差，嚴重時甚至出現配準錯誤。

為此，本文提出了一種面向無參考點的ATI- SAR海面SLC配準方法。基于海浪頻散關系，大尺度海浪振動周期長[9]，在干涉時間間隔內變化很小，因此截取大尺度海浪對應的SLC方位譜低頻分量可以提升數據信噪比和相關性。首先對濾波后的前后SLC進行迭代配準搜索，得到配準所需的像素偏移，再對未濾波的原始SLC進行配準，最終獲得干涉相位圖。考慮到僅保留SLC的方位譜低頻分量會降低圖像分辨率，并導致配準精度下降這一問題，本文選用海面方位向實際分辨率作為海浪方位譜選取的約束條件。通過機載ATI-SAR實驗數據證明，本文方法可有效提高海面SLC的配準精度。

2 面向無參考點的ATI-SAR海面SLC配準方法

針對無參考點ATI-SAR海面SLC的配準問題，本文提出以大尺度海浪紋理為配準對象的迭代配準算法。以下以機載ATI-SAR海面SLC配準為例進行說明，本文方法同樣適用于星載ATI-SAR。

圖1 無參考點ATI-SAR海面SLC配準方法流程圖

本文方法主要包括4個步驟：數據預處理、配準搜索、大尺度海浪對應的方位譜分量選取、干涉相位生成，下面對這些步驟進行介紹。

2.1 數據預處理

圖2 數據預處理示意圖

2.2 配準搜索

2.3 大尺度海浪對應的方位譜分量截取

若配準出現像素級誤差，則選取匹配窗和搜索窗中SLC方位譜的大尺度海浪分量以提高ATI- SAR海面SLC的配準精度，本文方法與相關系數法的本質區別在于是否進行該步驟。

根據海浪頻散關系，波長越長，變化周期越大。在隨機多尺度海面模型中，將波長大于雷達分辨率的波浪定義為大尺度海浪[13]。大尺度海浪在毫秒級干涉時間間隔內，基本可視作靜止。去除SLC方位譜中小尺度海浪對應的高頻成分既提高了大尺度海浪在配準中所占的權重，也提升了數據信噪比，同時提高了數據的相關性。但是，SLC僅保留大尺度海浪對應的方位譜分量會降低圖像實際分辨率，分辨率越低，配準誤差越大，所以實際處理時，需要兼顧信噪比提升和圖像分辨率下降兩個因素。提高ATI-SAR海面SLC配準精度轉化為方位譜截取范圍的選擇問題。

圖3 配準搜索示意圖

下面選用海面實際方位分辨率作為大尺度海浪方位譜選取范圍的約束條件，ATI-SAR方位向分辨率一般可表示為[14]

海浪沿著雷達視向傳播時，海面相關時間可以近似為[16]

以上為大尺度海浪對應的方位譜分量選取的主要流程，實際數據處理時，還需考慮以下幾個問題。

在截取大尺度海浪的方位譜分量之前，需要先估計實際流場徑向速度導致的多普勒中心偏移。當流場速度均勻時，由海面SLC獲取的方位譜多普勒中心出現一致性偏移[17]，此時的SLC已非“基帶”信號，多普勒中心偏移可表示為

2.4 干涉相位生成

3 實驗結果與分析

3.1 機載ATI-SAR海面SLC配準實驗

本節使用中國科學院電子學研究所Ku波段機載ATI-SAR于2015年12月9日獲取的中國渤海海面SLC數據進行配準驗證，雷達系統參數如表1所示，天線為雙發雙收模式，實驗當日海面風速2~6 m/s。

在方位向對條帶數據進行分塊，每塊數據大小為1024×4096(方位向×距離向)像素。圖4為前后天線SLC相應的幅度圖(圖像方位向尺寸過大，這里僅截取一部分進行示例)，幅度圖中海浪具有明顯的紋理特征，分辨單元大小為0.03 m×0.12 m(方位向×距離向)。實驗數據的分辨率較高，主要是考慮到后續進行流場提取時，能夠進行足夠的空間多視以降低干涉相位噪聲，提升數據信噪比，進而提高流速的反演精度。虛線框中為配準誤差較大的問題數據塊，由相關系數法得到其方位向和距離向的配準像素偏移為(-5.5, 1.6)，這個結果同其他正常數據塊配準結果(-5~-7, 0.5~0.7)相比，距離向存在像素級誤差，需用本文方法對該數據塊重新進行配準(方位向配準結果波動較大，是由于飛機實際飛行過程中速度非恒定，且SLC方位向分辨率同距離向分辨率不相等)。

圖4 前后天線SLC幅度圖

表1 機載ATI-SAR系統參數

具體操作如圖6所示，首先對小塊數據在方位向進行平均，擬合獲得平地相位變化曲線，進而得到整塊數據對應的2維平地相位，然后去除該小塊數據的平地相位，并統計剩余相位的RMSE。結果表明，本文方法對應的干涉相位RMSE為1.191 rad，明顯優于相關系數法的1.396 rad。

圖5 兩種方法獲得的干涉相位圖對比

圖6 干涉相位圖質量評價標準建立示意圖

3.2 本文方法性能分析

3.2.1本文方法最優性分析 本文方法本質上是通過低通濾波以提高匹配窗和搜索窗內SLC的相關性，進而獲得精度提升的配準像素偏移。濾波必然會對海面SLC圖像結構帶來一定的變化，所以用該配準像素偏移對原始SLC進行配準，雖然得到的干涉相位圖質量優于相關系數法，卻不能證明干涉相位圖達到了原始SLC可以達到的最優配準結果。

(1)方位向像素偏移固定-5.5個像素，改變距離向像素偏移分別為-2, -1, 0, 1, 2個像素，得到的干涉相位對比結果如圖7(a)-圖7(e)所示。

圖7(a)-圖7(e)中干涉相位對應的RMSE分別為1.757, 1.487, 1.207, 1.264, 1.536 (rad)。所以，距離向偏移在0~1個像素之間時，干涉相位圖質量最優。

(2)距離向像素偏移固定1.6個像素，改變方位向像素偏移分別為-3, -4, -5, -6, -7個像素，得到的干涉相位對比結果如圖8(a)-圖8(e)所示。

圖8(a)-圖8(e)中干涉相位對應的RMSE分別為1.651, 1.455, 1.376, 1.354, 1.416 (rad)。所以，方位向偏移在-5~-7個像素之間時，干涉相位圖質量最優。

圖7 不同距離向像素偏移的干涉相位圖對比

圖8 不同方位向像素偏移的干涉相位圖對比

根據上述實驗結果綜合可知，由本文方法得到的配準像素偏移(-6.1, 0.6)在上述實驗過程得到的最佳像素偏移范圍內，證明本文方法得到的配準像素偏移使原始SLC配準后的干涉相位圖質量達到最優。

3.2.2本文方法穩健性分析 為了驗證本文方法的穩健性，對整個條帶的32個數據塊分別用相關系數法和本文方法進行處理，記錄各自的配準像素偏移，如圖9所示。由統計結果可知，距離向像素偏移穩定在0.5~0.7個像素之間，證明本文方法可使海面SLC距離向的配準精度達到亞像素級，方位向像素雖然變化相對較大，但是考慮到方位向像素本身比距離向像素小4倍，所以本文方法并未對方位向像素配準精度造成明顯的降低。

圖10為兩種方法對前述問題數據塊進行配準搜索時得到的相關系數分布圖，本文方法相比于相關系數法，相關系數得到明顯的提升，但“相關峰值區域”在方位向上存在一定的延展，這是由于僅保留大尺度海浪方位譜分量導致SLC方位向實際分辨率有所下降。但對比圖5可知，距離向配準精度提升帶來的干涉相位圖質量提升，大于方位向配準精度下降導致的損失。

4 總結

順軌干涉SAR海面復圖像精確配準是獲取有效流場干涉相位的必要前提。圖像中無靜止陸地作為參考點時，依據海面紋理信息進行相關配準會存在像素級誤差。本文利用大尺度海浪變化周期較長且紋理特征明顯等優點，保留原始SLC方位譜中大尺度海浪對應的低頻分量，有效提高了ATI-SAR海面SLC配準精度，保障了海面流場速度的精確反演。本文方法一定程度上解決了ATI-SAR海面SLC配準對陸地參考點的依賴問題，使ATI-SAR進行海洋遙感應用研究的實驗地點和研究對象都有了更大范圍的拓展。

圖9 兩種方法配準結果統計對比

圖10 兩種方法的相關系數分布圖對比

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孔維亞： 男，1990年生，博士生，研究方向為干涉SAR海洋遙感探測與應用.

種勁松： 女，1969年生，研究員，博士生導師，研究方向為海洋微波遙感.

A Coregistration Method for Ocean Surface Complex Images of Along-track Interferometric SAR without Control Point

KONG Weiya①②③CHONG Jinsong①②

①(,,100190,)②(,100190,)③(,100190,)

In order to get high-precision interferogram of ocean surface current, static control points from land area are normally used to coregistrate ocean surface complex images of along-track interferometric SAR. When there is no control point in the image, ocean wave texture can only be used instead. Under the influence of stochastic movement and low signal-to-noise ratio of the ocean, the coregistration error tends to exceed one pixel, hence damages the quality of interferogram severely. Since the period of large-scale wave is much longer than the interferometric interval, large-scale wave can be treated as static during the interval. Based on this matter of fact, this paper proposes a coregistration method by reserving the spectrum of large-scale wave to improve the signal-to-noise ratio and correlation coefficient, further improving the coregistration precision. Ocean azimuth resolution is used as the criterion to decide which part of the spectrum should be reserved. Airborne along-track interferometric SAR data is demonstrated here, proving the proposed method can improve the coregistration precision of ocean surface complex images without control point.

Along-Track Interferometric SAR (ATI-SAR);Ocean surface complex image; Coregistration without control point

TN957.52

A

1009-5896(2017)12-2819-08

10.11999/JEIT170223

2017-03-17；

2017-08-08；

2017-09-14

通信作者：種勁松 iecas_chong@163.com

微波成像技術國家重點實驗室基金(CXJJ_15S119)

The Foundation of National Key Laboratory of Science and Technology on Microwave Imaging (CXJJ_15S119)