TOPS模式哨兵-1雷達干涉圖誤差校正技術

徐 航，陳富龍，唐攀攀，張 達

(1.中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094；2.中國科學院大學，北京 101408；3.中國地質大學，北京 100083)

合成孔徑雷達(synthetic aperture radar,SAR)是一種高分辨率的成像雷達，其能夠不受天氣影響，全天候、全天時地工作，因此具有廣闊的研究和應用前景[1]。哨兵-1號(Sentinel-1)衛(wèi)星作為重要的開放式SAR衛(wèi)星系統(tǒng)，在寬幅成像中默認采用TOPS(terrain observation with progressive scans)模式[2]，相對于條帶和ScanSAR模式，該模式兼顧了測繪帶寬和影像質量，降低了重訪周期，提高了影像的干涉性能[3]，具有重要的應用價值[4]。

自2014年哨兵-1A衛(wèi)星發(fā)射成功至今，已有大量基于其數(shù)據(jù)的研究[2,5-8]。文獻[5]應用哨兵-1數(shù)據(jù)進行了希臘埃里索斯流域的地震同震形變研究。文獻[6]進行了格林蘭雅各布港的冰蓋移動研究。文獻[7]研究了塞羅普列托地熱田由于構造和人為影響造成了地表形變。文獻[8]進行了城市沉降分析。文獻[2]分析了哨兵-1 TOPS模式數(shù)據(jù)的配準及大氣層對數(shù)據(jù)聚焦成像的影響。以上應用在數(shù)據(jù)處理階段主要考慮了哨兵-1 TOPS模式數(shù)據(jù)的配準問題，而對于大氣效應的影響，大多只是作為誤差源提及，未進行系統(tǒng)、定量化估計與誤差去除。

利用哨兵-1 TOPS模式數(shù)據(jù)獲得干涉質量高、誤差小的結果并不容易：數(shù)據(jù)配準精度、大氣中的電離層和對流層都會對其產生影響。目前對于綜合性的 TOPS模式哨兵-1數(shù)據(jù)干涉誤差校正研究少有涉及，本研究旨在針對哨兵-1 TOPS模式數(shù)據(jù)差分干涉處理中產生相位誤差的關鍵因素進行分析，利用ESD(enhanced spectral diversity)[9]及外部數(shù)據(jù)源校正的方法，提出面向TOPS模式哨兵-1干涉圖的誤差校正技術和數(shù)據(jù)處理流程，以期為該開源數(shù)據(jù)的干涉應用提供更廣闊前景。

1 哨兵-1 TOPS模式干涉圖誤差校正技術

本研究提出的TOPS模式哨兵-1數(shù)據(jù)干涉相位誤差校正技術整體流程如圖1所示，包括配準、電離層/對流層校正3大關鍵技術和序貫數(shù)據(jù)處理過程。首先對影像配準，考慮到TOPS模式成像特性，采用由粗到精的配準策略，可實現(xiàn)該模式數(shù)據(jù)1/1000像元配準精度，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)干涉對配準方法；隨后，研究采用兩步法電離層校正技術(分別為頻譜分裂法和增強頻譜差異法)，能夠穩(wěn)定有效去除干涉圖中電離層相位屏及相位跳變，提升算法在小區(qū)域場景的適用性與穩(wěn)健性；最后，采用基于GACOS(generic atmospheric correction online service for InSAR)建模的對流層相位校正技術，不僅可降低對監(jiān)測區(qū)條件假設的限制，而且能有效去除對流層系統(tǒng)誤差。簡而言之，本研究提出的相位誤差校正技術可為TOPS模式哨兵-1數(shù)據(jù)干涉處理提供堅實的技術基礎。

1.1 TOPS數(shù)據(jù)配準

SAR影像對精配準是雷達干涉處理的基礎，多年來研究的高精度配準方法主要包括相關系數(shù)法、最大頻譜法和波動函數(shù)法[10]。這些配準方法能夠滿足條帶模式和ScanSAR模式數(shù)據(jù)的配準應用，但難以達到1/1000像元配準精度要求。考慮到哨兵-1衛(wèi)星高的軌道定位精度，本研究采用基于距離-多普勒模型的幾何粗配準[11]和基于ESD技術[9]的精配準組合方法。粗配準理論可達4/1000像元配準精度[2]，精配準利用burst重疊區(qū)進行干涉相位二次差分，可提高算法對配準偏移量的敏感性，實現(xiàn)哨兵-1衛(wèi)星TOPS模式數(shù)據(jù)配準精度要求。在ESD算法中，相位差φazerr(t)已知，多普勒中心頻率變化ΔfDC可由雷達回波信號求得精確解，進而利用式(1)[9]實現(xiàn)相位偏差到配準偏移量的轉換。

(1)

1.2 TOPS數(shù)據(jù)配準

在哨兵-1 TOPS模式數(shù)據(jù)中，由于電離層的影響，配準的重采樣步驟會產生新的偏移量[12]，而傳統(tǒng)的電離層校正算法不能解決該問題。文獻[12]提出頻譜分裂法和ESD算法結合的兩步法來進行校正，可以處理電離層引起的burst間相位跳變，但是當影像覆蓋范圍較小時，該技術難以獲取足夠的采樣點，影響了算法的穩(wěn)定性與適用范圍。考慮到上述問題，本研究提出改進兩步法處理電離層效應，能突破算法對區(qū)域范圍的限制，即首先利用帶通濾波[13]技術分別提取高頻分量圖和低頻分量圖；然后將主、從影像的高、低頻分量圖分別進行兩兩干涉，生成兩組高、低頻率(fL，fH)SAR影像干涉對，并用精配準偏移量參數(shù)進行二次配準；接著，對處理得到的高、低頻SAR影像干涉對進行常規(guī)InSAR處理(干涉成圖、濾波和相位解纏)，得到ΔφL和ΔφH；最后，基于式(2)[14]計算獲得電離層相位(Δφiono)和殘余相位(Δφnon-disp)。考慮到分離處理，相位分量圖像元值可呈現(xiàn)不連續(xù)、破碎狀，需對Δφiono進行高斯濾波處理，得到電離層相位屏并用差分相減進行去除。

(2)

文獻[12]在估算出電離層相位屏后，利用Δφnon-disp分量估算電離層偏移量。但該分量在空間上不連續(xù)，呈破碎狀，當研究區(qū)范圍較小時，難以有效獲取足夠樣本點。作為改進，本研究選用精配準后的SAR影像數(shù)據(jù)進行干涉成圖及電離層相位校正，并基于此，繼續(xù)利用ESD算法進一步消除因電離層影響導致的配準誤差。上述序貫處理策略可保證干涉圖相位值在空間上連續(xù)且相位信息可靠，有利于利用相干閾值選取高質量樣本點，進而確保算法在小區(qū)域也可穩(wěn)健運行。

1.3 TOPS數(shù)據(jù)對流層校正

目前，對于干涉圖的對流層校正主要分為基于SAR數(shù)據(jù)自身的分析方法和基于外部數(shù)據(jù)(GPS等)的分析方法[15]。前者主要基于干涉數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性來進行對流層校正，通常需要較大的干涉數(shù)據(jù)量，且當試驗區(qū)位移非線性變化或變形量較大時效果不佳；后者基于外部的現(xiàn)有參數(shù)或天氣模型以進行大氣校正，雖對干涉圖數(shù)量要求不高，卻受限于外部數(shù)據(jù)的時空分布。本研究綜合了ECMWF氣象數(shù)據(jù)高空間分辨率和GPS數(shù)據(jù)高時間分辨率的優(yōu)勢，采用GACOS建模數(shù)據(jù)[16]進行對流層校正，包括地形相關分量和水平湍流分量的校正，基于式(3)[16]的對流層相位的估算為

ZTDk=T(Xk)+S(hk)+εk

(3)

式中，ZTD為大氣天頂方向延遲；k為站點編號；T(xk)為站點測得的垂直分層分量；S(hk)為對應的大氣湍流分量；εk為誤差項。

2 試驗分析

2.1 試驗區(qū)

研究數(shù)據(jù)選取某區(qū)域兩景哨兵-1 TOPS重軌影像，數(shù)據(jù)參數(shù)見表1。該時間內目標地區(qū)數(shù)據(jù)存在顯著的大氣效應，便于進行大氣校正效果的定性及定量分析。試驗取影像第一個條帶，覆蓋區(qū)域如圖2所示。下文將依次對其進行精配準、電離層相位校正以及對流層相位校正等處理。由于該區(qū)域臨海，島嶼周圍的水環(huán)境對SAR數(shù)據(jù)有較大的影響，試驗中采用掩膜消除水體及植被覆蓋度較高的低相干性區(qū)域。

表1 試驗用哨兵-1數(shù)據(jù)信息

2.2 配準處理結果分析

經過R-D算法粗配準后，影像的干涉結果如圖3(a)所示，以RMSE估計其配準精度為0.013 8，但未達到哨兵-1 TOPS模式數(shù)據(jù)的配準精度要求。接著，采用ESD法進行影像的精配準，基于克拉美羅界[17]估計其偏移量值為0.000 13，優(yōu)于1/1000的像元精度。圖3(b)為經過精配準后的差分干涉相位圖，理論上經過ESD處理，配準精度足以消除干涉圖中的burst相位跳變，但這對研究區(qū)的哨兵-1 TOPS模式數(shù)據(jù)干涉相位圖并不適用(圖3(b)，精配準前后干涉相位幾乎沒有變化)。該相位跳變由嚴重電離層影響導致[12]，因此需要對電離層相位進一步校正。

2.3 電離層處理結果分析

完成數(shù)據(jù)的精配準及去除地形相關相位后，研究區(qū)干涉結果還存在明顯的條帶狀電離層相位，如同一個掩膜，遮蓋、扭曲了研究區(qū)內的地表形變信息，嚴重影響了InSAR地表形變測量的精度。本研究基于改進兩步法電離層校正技術，得到處理過程圖及結果圖，如圖4所示。其中，圖4(a)為電離層相位屏模擬結果；圖4(b)為考慮了偏移量后的電離層校正結果，彎曲條帶狀的電離層相位被消除，同時burst間的相位跳變也被消除，由此完成了試驗區(qū)數(shù)據(jù)的電離層相位校正。

2.4 對流層處理結果分析

電離層校正后，對干涉相位圖采用最小費用流法進行解纏處理并轉為形變值，此時研究區(qū)域的干涉結果圖中仍存在明顯的團塊狀對流層湍流相位，如圖5所示。從干涉相位和地表高程值散點分布(圖5(c))可發(fā)現(xiàn)相位值和地形高程存在線性相關關系，即存在高程依賴對流層相位分量。由于所選的兩景重軌哨兵-1 TOPS模式數(shù)據(jù)時間間隔較短，且在該時間段內，試驗區(qū)內無地震、山體滑坡、崩塌等地表移動的報道，研究可假設兩景數(shù)據(jù)成像期間研究區(qū)無地表形變，可用于干涉圖對流層大氣相位校正結果的驗證。經由對流層校正，原有的團塊狀對流層相位減弱(圖5(b))；通過圖5(c)、圖5(d)對比，發(fā)現(xiàn)校正后散點圖擬合曲線趨向于水平，擬合斜率由原來的0.006 9降低到0.001 2，表明對流層高層相關相位得到很好的抑制；另一方面，對流層校正前差分數(shù)據(jù)的標準差為0.724 1，校正后的數(shù)據(jù)標準差為0.570 6，即相位定量平滑提升了27%，揭示大氣相位得到了正確的校正。

3 結 語

哨兵-1數(shù)據(jù)是完全開放的SAR數(shù)據(jù)，其默認的TOPS模式成像數(shù)據(jù)具有廣闊的應用前景，但該模式數(shù)據(jù)干涉結果易受配準精度、電離層、對流層等影響因子的干擾，進而限制其在InSAR、DInSAR等高精度應用中的研究，甚至導致錯誤的地形/形變反演結果。本研究定量分析了以上諸因素的影響，在研究哨兵-1 TOPS模式影像高精度配準、電離層/對流層大模式氣相位校正關鍵技術的基礎上，提出一種面向TOPS模式哨兵-1干涉圖誤差校正的數(shù)據(jù)處理流程。選用2016年某地區(qū)兩景哨兵-1 TOPS模式數(shù)據(jù)進行試驗，配準結果能夠滿足數(shù)據(jù)1/1000像元精度要求；改進的兩步法ESD能模擬并去除電離層相位；應用ECMWF模型數(shù)據(jù)能夠提升對流層相位27%定量精度。該技術流程充分考慮了哨兵-1 TOPS模式的成像特點，能夠有效減小干涉圖相位誤差，可以為TOPS模式哨兵-1數(shù)據(jù)的InSAR高精度地形及形變反演研究提供技術參考。