L波段機載重軌干涉SAR系統及其試驗研究

魯加國 陶 利 鐘雪蓮 張佳佳 沈明星 劉志坤

(中國電子科技集團第三十八研究所 合肥 230088)

1 引言

星載重軌干涉合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)可以快速、大范圍地進行地表形變測量，其技術已趨于成熟，正在向實用化的方向發展。而機載重軌干涉SAR可以靈活、機動地對點、線等小面積地物以及滑坡、地震等快速形變進行高精度探測。而且，對于低頻SAR系統，機載重軌干涉SAR還能夠對林下地形進行測繪。但是，與星載重軌干涉SAR相比，機載重軌干涉SAR仍處于試驗階段。

在機載重軌干涉SAR試驗上，德國宇航局(DLR)做了很多開拓性的工作。2006年，Reigber等人[1]利用TopoSAR系統獲取的P波段重軌干涉SAR數據，在去除了殘余運動誤差的基礎上，得到了精度為6 m的數字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)。2018年又提出利用雙頻雙基線的方式提取平原地區的高程，其精度約為14 cm[2]。2003年和2006年，他們利用E-SAR系統在瑞士阿爾卑斯山地區采集了Aletsch冰河的L和P波段的差分干涉SAR(Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar,DInSAR)數據，反演出了該地區冰河的2維和3維速度場，得到了L波段的精度比P波段好的結論[3]。2013年，DLR還發表了一幅德國礦區的L波段機載DInSAR干涉結果[4]，兩次數據采集的時間間隔為6個月，但即使在植被覆蓋地區，相干性也非常好。同時，DLR在長時序機載SAR差分干涉方面也進行了一些初步嘗試[5-8]。美國噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)在機載重軌干涉SAR方面也做了不少工作。他們詳細分析了進行機載重軌干涉SAR的條件[9,10]，并使用無人機SAR(Unpiloted Aerial Vehicle SAR,UAVSAR)系統開展了多次重軌飛行試驗。2008年5月和7月，他們利用兩次飛行的重軌數據得到加州Lost Hills地區由于石油開采而造成的地表形變圖[11]。同年，利用3次重復飛行的L波段機載SAR數據，探測加州San Andreas斷層附近的滑坡狀況[12]。2009年5月和6月，他們又在格陵蘭和冰島采集了一系列L波段重軌干涉SAR數據，用于監測這些地區冰河和冰原的變化[13]。意大利和巴西的研究者們利用OrbiSAR-1機載SAR系統也進行了多次X波段重軌干涉SAR試驗[14,15]，并利用2009年和2010年采集的多次重軌飛行的X和P波段數據反演地表的3維形變，用于評估管道沿線的地質災害對石油/燃氣管道的威脅[16]。關于國外機載重軌干涉SAR詳細的研究進展可以參見文獻[17]。最近兩年，為了回避頻域成像算法固有的平地假設、波束中心造成的誤差，有學者提出使用時域后向投影(Back Projection,BP)算法進行成像并進行機載重軌干涉SAR信息提取[18,19]。

國內由于載機平臺的航線控制精度難于滿足干涉SAR的要求，在重軌干涉SAR飛行試驗開展的數量和成果上與國外相比都存在一定的差距。2010年下半年，中科院電子所利用P波段全極化SAR系統進行了多次重復軌道飛行試驗，考慮高程、孔徑以及殘余運動誤差的影響，成功獲取了試驗區的DEM，與同時獲取的X波段雙天線干涉SAR系統獲取的DEM相比，精度在6 m左右[20]。近幾年，國防科大也利用小型無人機載P波段SAR系統采集了貴州某地區的重軌干涉SAR數據，并提取了該地區的DEM，但由于缺少地面外定標，DEM精度未進行定量化評估。目前，國內機載重軌干涉SAR試驗還停留在DEM提取階段，由于尚未實現載機無人駕駛控制系統的改造，靠飛行員手動控制難以達到差分干涉SAR的基線要求等因素，因而鮮見好的機載差分干涉SAR試驗結果。

2 L波段機載重軌干涉SAR系統

本文介紹的L波段機載SAR系統由雙極化有源天線陣面、低功率單元、綜合處理單元、電源單元、顯控單元、數據記錄儀、高精度慣導等組成，該雷達系統的功能如下：低功率單元中的頻率源模塊產生基準頻率，并由波形產生模塊生成發射激勵信號，進行預功率放大后，送入發射/接收(Transmitter/Receiver,T/R)組件進一步放大后，經天線陣面輻射至指定區域，回波信號經天線陣面接收后，通過T/R組件、接收機后，進行低噪聲放大、下變頻、正交解調和模數(Analog to Digital,AD)量化，最后將數據送入大容量記錄儀存儲記錄。通過控制系統極化選擇開關，交替發射H,V極化信號，雙通道同時接收H,V極化數據，在兩個脈沖周期內形成HH,HV,VH和VV 4種極化回波數據。對于此次飛行試驗，L波段SAR系統搭載在Y-7飛機上，安裝在機艙的左腹部，如圖1所示。

圖1 L波段機載重軌干涉SAR飛行系統Fig.1 L-band SAR system for airborne repeat-pass interferometry

機載SAR重軌干涉實驗中，由于環境溫度的變化，會出現系統參數的漂移。為此，在飛行中對發射機功率、收發通道增益和相位等重要參數進行內定標。本系統的內定標分為3個方面：發射通道定標、接收通道定標以及參考定標。發射通道定標用于監測和補償發射信號功率以及包括T/R組件在內的SAR系統發射通道增益和相位的變化；接收定標用于監測和補償包括T/R組件在內的SAR系統接收通道增益和相位的變化；內定標測量得到的SAR系統收發增益和相位包含了內定標通道及其周邊路徑的影響，為了消除這種影響，還進行了參考定標。系統內定標環路如圖2所示。

圖2 系統內定標環路Fig.2 Internal calibration loop of the SAR system

由于重軌干涉SAR對載機的位置、姿態的測量精度要求很高，因此該機載SAR系統配備了高精度的差分全球定位系統/慣性測量單元(Differential Globe Positioning System/Inertial Measurement Unit,DGPS/IMU)組合的慣導系統，用于精確測量載機的位置和姿態，其測量精度如表1所示。

表1 組合慣導的精度Tab.1 Precisions of the DGPS/IMU navigation system

3 機載飛行試驗

此次飛行試驗中雷達系統參數如表2所示。飛行試驗區域位于陜西省渭南市，圖3是重復軌道飛行的航線設計圖，其中，在A至B段和C至D段雷達采集數據。選擇黃河邊的一塊平坦地區作為定標場，在定標場內沿著距離向布置了10個邊長為2.5 m的三面角反射器，其形狀如圖4所示，其中8個角反的開口朝AB航線方向，如圖3中的標注，用于輻射定標和極化定標，兩個角反的開口朝向CD航線方向，未在圖3中標出。

載機繞定標場進行多次重復飛行，如圖5所示。SAR系統只在圖中直線區域獲取數據，單個航跡1次獲取的數據長度約為20 km。由于飛行過程中，航跡的控制完全依靠飛行員手動實時調整，所以其平行度難以精確保證，在單次數據獲取期間飛行航跡間存在著交叉現象，如圖6所示。為了獲得較好的DEM精度，L波段的重軌干涉基線應選擇在二三十米左右。根據此原則，同時考慮地面情況，在9圈軌跡中選擇了較為平行的兩段進行重軌干涉SAR處理，圖6顯示了所選擇的兩段軌跡的局部，其中紅色表示主圖像航跡，綠色代表輔圖像航跡，藍色代表未使用的航跡。與航跡對應的試驗區1正好位于定標場附近，地勢較為平坦，在CD段成像，圖像中心位于圖5中藍色?號所標記區域，其L波段HH極化幅度圖如圖7所示。試驗區2的數據也是在CD段獲取，靠近航線的C端，如圖3所示，圖像中心位于圖5中紅色?號所標記的區域，該區域地表分布著大大小小的溝壑，如圖8所示。表3列出了這兩個試驗區重軌干涉的基線、獲取時間間隔以及成像場景大小。

表2 L波段SAR系統參數Tab.2 Parameters for L-band SAR system

圖3 飛行試驗的航線設計圖Fig.3 Route planning for the SAR campaign

圖4 布設于定標場內的角反射器Fig.4 Corner reflectors deployed in the calibrating area

4 處理過程和方法

4.1 機載SAR信號處理方法

4.1.1 距離向幅相誤差校正

圖5 重軌干涉飛行試驗的飛行航跡圖Fig.5 Flight tracks for the repeat-pass interferometric campaign

圖6 試驗區重軌干涉航跡(局部)Fig.6 The repeat-pass flight tracks for the test areas (partial)

圖7 試驗區1的HH極化幅度圖Fig.7 The amplitude image of HH polarization for the first test area

圖8 試驗區2的HH極化幅度圖Fig.8 The amplitude image of HH polarization for the second test area

表3 試驗區重軌數據的參數Tab.3 Parameters for the repeat-pass SAR data

假設發射通道定標信號、接收通道定標信號以及參考定標信號分別為st(t),sr(t)和sc(t)，通過式(1)可以計算出包含信號源、發射及接收通道誤差在內的線性調頻脈沖信號R(t)，提取該線性調頻脈沖信號的幅度和相位誤差來補償距離向脈沖壓縮參考函數，可以提高距離向壓縮性能。

對于該L波段SAR系統，根據式(1)得到線性調頻脈沖信號的頻譜幅度如圖9(a)所示，理論上該信號的頻譜應為矩形，但誤差的存在導致頻譜的幅度出現波動。可以通過求頻譜幅度的倒數均衡不同頻率上的幅度。圖9(b)是該線性調頻信號中有效頻譜范圍內存在的3階及以上相位誤差。距離向頻譜的幅度和相位誤差可以在頻域距離壓縮時一起去除。對于該L波段機載SAR系統，未進行距離向幅相誤差校正時的點目標壓縮的結果如圖10所示，可以看到距離向一側副瓣升高，主瓣展寬，并且存在明顯的成對回波。而經過距離向幅相誤差校正后，點目標的距離向壓縮接近理想情況，如圖11所示。

4.1.2 機載重軌干涉SAR成像處理方法

有關L波段實際數據成像，大多數采用CS方法[21]。但本文在處理本系統實際數據時發現，在斜視角達到6°～7°時，傳統ECS方法[22]聚焦的效果很差。而ω-k成像方法在2維頻域通過Stolt插值來校正距離、方位耦合與距離頻率、方位頻率間的依賴關系，是一種更為精確的SAR成像方法，它可以實現寬孔徑、大斜視角下的聚焦處理。為了與未來P波段SAR系統處理方法保持一致，該系統采用ω-k成像方法。

實際的機載SAR成像處理需要進行運動補償處理。ω-k方法也能使用兩級運動補償方法，第2級運動補償可以通過方位向逆壓縮或利用文獻[23]中的方法進行處理，兩者是等價的。與ECS方法不同，對于ω-k成像方法，2級運動補償后的運動誤差不僅

圖9 L波段SAR系統線性調頻脈沖信號的幅相誤差Fig.9 The spectrum amplitude and phase errors of the chirp signal for the L-band SAR system

圖10 距離向幅相補償前的點目標壓縮結果Fig.10 The focused point image before amplitude and phase compensation

圖11 距離向幅相誤差補償后的點目標壓縮結果Fig.11 The focused point image after amplitude and phase compensation

隨方位向頻率變化，還隨著距離向頻率變化，即

式中，Δx(r,kx,ω)是補償量在方位向偏移的距離，kx是方位向波數，ω0和ω分別是距離向載波的中心頻率和實際頻率，r是目標的最近斜距，c是光速。為了得到高精度的SAR圖像，在常規的2級運動補償后還應進行3級運動補償。該補償需要在方位向壓縮前的時域、對距離和方位向進行分塊處理，分塊的大小一般為64×64像元。對于每個數據塊，先作2維快速傅里葉變換到方位、距離向頻域，再乘以式(3)所示的補償相位

式中，xc,rc分別是數據塊中心位置處的方位向位置和最近斜距，rm是用于初級運動補償時的參考斜距，kxi,ωrj分別是方位向波數和距離向頻率。式(3)中，所有的 Δr表示的都是地面上的目標與載機的實際位置、參考位置間的距離之差。假設多普勒中心為0，那么，第1個Δr項是地面目標位置(xc+xshift,rc,h)處與xc+Δx處載機實際的位置和參考位置間的距離差，其中，

式(3)中，第2個 Δr項是目標位置(xc,rc,hm)與xc處的載機位置間的距離差，第3項是目標位置(xc+xshift,rm,h′)與xc+Δx處的載機位置間的距離差，第4項是目標位置(xc,rm,hm)與xc處的載機位置間的距離差。上述 Δr是根據兩點間的3維坐標計算的，h和h′分別是相應點目標位置處的高程，可以從外部DEM中獲得。hm是成像時的參考高程。因此，式(3)不僅補償了與孔徑有關的誤差，同時也補償了地形引起的相位誤差。

機載重軌干涉SAR要求成像時兩幅機載SAR圖像的參考航跡平行，否則將在生成的干涉紋圖中產生沿方位向分布的密集條紋，影響參數反演的正確性。因此，需要在進行主、輔圖像成像之前，計算兩者的參考軌跡。將所需處理的原始回波脈沖的起始、結束時間信息與后處理的組合慣導中的全球定位系統(Global Positioning System,GPS)時間信息精確對齊，利用組合慣導數據分別擬合該段時間內主輔圖像的參考軌跡，同時計算它們的速度。最終的參考軌跡以兩幅圖像的平均航跡角作為航跡角、以兩航跡的平均速度作為速度。然后分別進行ω-k成像。實際軌道計算時，可以采用速度積分得到位置信息，也可以利用經緯度信息經過坐標轉換變為大地坐標，從而得到位置信息，這里使用后者。機載重軌干涉SAR成像的處理流程如圖12所示。

利用上述成像算法對該L波段SAR數據進行成像，對于重軌干涉，本文只使用了方位向總帶寬的0.6倍進行成像。圖13是成像區域中一個角反射器的成像結果，可以看到點目標壓縮較為理想。

4.1.3 殘余運動誤差的估計和補償

經過地形和孔徑補償后的SAR圖像中仍然存在著由于導航設備精度的限制而引起的載機位置的誤差，即所謂的殘余運動誤差(Residual Motion Error,RME)。未補償的誤差會在生成的SAR圖像中產生幾何位移和相位誤差。與機載雙天線干涉SAR系統不同，機載重軌干涉由于兩幅SAR圖像中的殘余運動誤差相互獨立，干涉計算時不能抵消，因此，由殘余運動引起的相位誤差會嚴重影響干涉產品的精度。文獻中也提出了多種去除殘余運動誤差的方法[24-29]，其中，對于重軌干涉來說，多斜視(MultiSquint technique,MS)方法[29]最為有效和精確，但在實際處理過程中，主、輔圖像間方位向的配準誤差很大程度上決定了該方法的精度。

圖12 機載重軌干涉SAR成像處理流程Fig.12 The imaging diagram for airborne repeat-pass interferometric SAR

圖13 角反射器的成像結果Fig.13 The imaging results for the corner reflectors

下面利用點目標多斜視方法(Multi-squint Technique with Point Targets,MTPT)[27]的原理對MS的配準誤差進行分析討論。對于某一點目標，假設它在線性殘余運動的影響下，在主、輔圖像的兩幅相鄰子孔徑圖像m1,m2,s1和s2中的位置如圖14所示。其中，Om,Os是在理想軌跡下該點目標在主、輔圖像中的方位位置，即目標的理想位置。它們之間存在 Δx的配準誤差。是該目標在主圖像的第1,2子孔徑圖像中的峰值位置，是它在輔圖像的兩子孔徑圖像中的相應峰值位置。不失一般性，可以認為在4個子孔徑圖像中，目標的峰值相位都是?。假設考慮的這6個方位位置都位于所有子孔徑圖像的共同主瓣內。那么，根據文獻[27]可知，主圖像兩子孔徑內殘余運動的平均1階導數可以通過測量目標理想位置Om處的相位差Δ?m獲得。這里簡單地將Δ?m等效為該1階導數，如圖14所示，圖中的虛線分別表示第1,2子孔徑圖像中的方位向相位斜率，它與子孔徑圖像的多普勒中心直接相關[30]。同樣，輔圖像兩子孔徑內殘余運動的平均1階導數Δ?s也可在理想目標位置Os處獲得，如圖14所示。另一方面，主、輔圖像第1個子孔徑的干涉相位Δ?interf1也很容易在圖14中表示出。需要注意的是，為了減少主、輔圖像方位頻譜去相干的影響，在成像時主、輔圖像使用它們的平均多普勒中心和共同的方位向帶寬成像，因此，主、輔圖像對應的子孔徑圖像具有相同的多普勒中心，因而它們沿方位向的相位斜率是相同的。對于第1個子孔徑，在該目標的共同主瓣內都可以正確測量主、輔圖像的干涉相位，如圖14中的陰影部分所示。同樣，對于第2個子孔徑圖像也可在圖中標出它們的干涉相位Δ?interf2。

圖14 主、輔圖像存在配準誤差時，MS算法的原理示意圖Fig.14 The principle diagram of MS when coregistration error exists between the master and slave images

對于MS算法來說，得到第1,2子孔徑的干涉相位后，需要將它們相減，以獲得主、輔圖像殘余運動誤差差異的1階導數，即Δ?interf1-Δ?interf2。而對于主、輔圖像來說，它們的殘余運動的1階導數的差異可以用Δ?m-Δ?s表示。根據圖14中所測相位之間的關系，容易得出

即由MS方法計算出來的結果與理想數值之間存在Δ?的誤差，而該誤差是由方位向配準誤差 Δx引起的。由于方位向的相位斜率可用2πfdc/v表示[30]，v是載機的速度，fdc是圖像的多普勒中心，那么根據圖14中的關系，Δ?可表示為

其中，fdc1,fdc2分別是第1,2子孔徑的多普勒中心，Bsep是子孔徑的間隔帶寬。對于方位向所有的點目標，如果它們的配準誤差都相同，那么只是在最終計算的1階導數中引入了一個常數偏移，而這并不影響殘余運動的估計。因為在MS方法中，為了消除該配準誤差造成的相位偏置，減去了1階導數的均值，使得最終的估計中常數項和1階項待定。利用外部DEM信息可以很容易解算這兩個未知數。但是，如果方位向點目標的配準誤差并不完全相同，這會在殘余運動估計中引入非線性誤差。注意，這里的配準誤差相對于理想方位位置而言。因此，對于成像在零多普勒頻率的情況，只要主、輔圖像的理想參考軌跡相互平行，那么對于所有方位位置上的點目標，配準誤差都是一致的，與目標的本地視角無關。

而對于較大斜視角的情況下，目標通常成像在多普勒中心位置，即獲取坐標系中(Acquisition Doppler,AD)。此時，由于目標在方位向會從零多普勒頻率的位置上平移到多普勒中心頻率位置。對于主圖像，方位向平移量為

其中，Rm是目標的最近斜距，β是斜視角。對于輔圖像，如果成像的斜視角與主圖像相同，那么，對于相同的目標在方位向平移時由于干涉基線的影響，目標的最近距離會有變化，其方位向平移量為

其中，B,α分別是基線和基線角，B∥是基線在視線向的基線分量，θ為視角。假設沿軌基線為0，那么本應該成像在相同方位位置的主、輔圖像上的點目標，此時產生的位移為

如果不考慮這種情況，就會認為該位移是由殘余運動誤差引起的，從而得到錯誤的估計結果。通過式(9)可知，在大斜視角和大基線成像的情況下，由目標方位向位移引起的配準差異非常明顯。在斜視成像的條件下，如果考慮目標的本地視角，主、輔圖像方位向的配準偏移量在全圖范圍內都是不同的。

根據上述討論，實際數據處理時，如果目標成像在零多普勒位置，由于主、輔圖像的參考軌跡平行，所有目標的方位向配準誤差都一致，因此，在進行主、輔圖像配準時，所有方位向的配準偏移量都使用一個值，這里使用所有方位向配準偏移量的均值；而當成像在多普勒中心位置時，方位向配準偏移量要考慮式(9)的關系。實際數據處理時，為了避免引入不必要的處理誤差，應盡量成像在零多普勒中心位置。由于MS方法只能估計出主、輔圖像殘余運動的差值，因此在補償時并不能確定各自補償多少，在實際處理時主圖像不變，而將估計出的殘余運動都補償到輔圖像中。

4.2 機載干涉處理方法

4.2.1 機載重軌干涉SAR觀測模型

一般情況下，重軌干涉SAR觀測幾何(側視/斜視)建模如圖15所示。主、輔天線經過一定時間間隔對地面同一點P進行重復觀測，設主圖像天線高度為H，空間基線及其傾角分別為B,α,B位于YOZ平面，雷達視線在垂直于航跡的平面內的下視角為θ，斜視角為γ，雷達波長為λ。在該干涉幾何關系下見(圖15)，兩天線之間的干涉相位φ為

由于R1已知，根據式(10)可求得R2。由二面角定理可得基線B與R1之間的夾角β為

進而，由余弦定理得到主輔天線斜距差為

從而得到θ。最后，由主天線觀測構型，得到目標高度為

4.2.2 干涉處理方法

圖15 機載重軌干涉SAR觀測幾何模型Fig.15 The observation geometry for airborne repeat-pass interferometric SAR

圖16 干涉SAR數據處理步驟Fig.16 Data processing steps for interferometric SAR

通常，干涉數據處理包括單視復(Single-Look Complex,SLC)圖像頻譜濾波、精配準、干涉圖生成、基線估計、平地相位生成與去除、相位濾波、相位解纏、相位轉高程及地理編碼等[31]，如圖16所示。主輔圖像間頻域濾波能夠降低距離向的頻譜偏移去相干影響；圖像精配準至少需要達到亞像元以上精度，以降低配準去相干影響；干涉基線主要根據精確的組合慣導參數及主輔圖像系統參數進行計算，對于機載重軌運動平臺，需要著重考慮時變基線和線性基線的估計與補償，提高干涉反演的精度；去除平地相位后的干涉相位紋圖經濾波和解纏后，得到高程相位；最后，根據干涉測量幾何關系，逐點計算得到地面高程信息，經過地理定位及坐標轉換等地理編碼步驟，最終生成地理坐標系下的DEM產品。

需要指出的是，主、輔圖像的精確配準影響干涉紋圖的質量及相干性，在機載重軌干涉SAR測量中，由于平臺的不穩定及慣性導航系統精度的局限性，圖像對間存在嚴重扭曲和變形，數據配準及重采樣處理需著重考慮[32]。一方面，當系統處于斜視觀測幾何時多普勒中心頻率不為0，那么，在圖像精配準階段則需要考慮非基帶復數據的重采樣處理，以正確恢復圖像信息。另一方面，由于斜視SAR成像的斜距特性及重軌飛行狀態和軌跡的復雜性，更容易引起復雜的圖像幾何畸變問題，給主、輔圖像間的配準帶來更多的困難。因此，在本文試驗數據處理中，為了對主、輔圖像嚴重的幾何畸變關系進行精確擬合，這里采取分塊處理的數據配準策略，每一分塊配準區域內具有嚴格的局部畸變對應關系，從而能更精確地建立主、輔圖像像素間的映射方程。

5 試驗結果和分析

該L波段SAR系統能夠實時調整方位向波束，因此，對于該重軌干涉SAR數據，多普勒中心較小，成像時所有圖像都成像在零多普勒位置上。由于缺少該地區精確的DEM，并且由于該區域非常平坦，成像過程中沒有使用外部DEM，僅使用了該地區的平均高程。平均高程由角反射器位置上實地測量獲得。重軌干涉僅對HH極化數據進行處理。由于該試驗區地表較為穩定，地面不存在明顯的形變，可以使用MS方法進行殘余運動的估計和補償。MS方法采用4個子孔徑計算，當視線向誤差的最大值小于0.1 rad或兩次循環的計算結果的最大差異小于0.1 rad時停止循環。

5.1 試驗區1

圖17是試驗區1主、輔圖像實際軌跡與參考軌跡之間水平向(y方向)和垂直向(z方向)的偏移量，可以看到，在這段軌跡內飛行比較平穩，兩者相差不超過5 m。試驗區1的相干系數和干涉紋圖如圖18所示。圖19是該試驗區相干系數的統計。可以看到，由于該區域兩圖像獲取的時間間隔只有半小時，基線也不長，因此，該區域的相干系數普遍大于0.8。圖20是從試驗區1中估計出的殘余運動誤差的水平分量和垂直分量，經過3次循環，MS算法收斂，如圖20所示。將3次循環得到的殘余運動相加，得到兩個方向上總的殘余運動Ey,Ez，根據式(14)計算出殘余運動誤差在不同距離處的視線向誤差Elos，

其中，θ是本地視角，±分別表示右、左側視的情況。對于試驗區1，不同距離處視線向殘余運動誤差如圖20(c)所示。圖21是殘余運動補償前后，去平地后的干涉紋圖的比較。可以看出，補償前沿方位向存在著明顯的相位波動，而且該相位波動與圖20(c)的波動趨勢相符；而經過殘余運動補償后，該相位波動消除了。圖22是該區域殘余運動補償后生成的高程圖。圖23是殘余運動補償前后反演的高程值的差異。去除圖中由河流區域帶來的去相干影響，該區域殘余運動補償前后高程值的差異約在-5.8～0.9 m之間。通過6個地面點測量值(其分布如圖22所示)與反演的高程值比較，得到該區域的DEM精度約為3.40 m，如表4所示。其中，P5,P6兩點為角反點，可以精確測量其地面經緯度信息用于平面定位精度評測，由實測信息P5(34°31′25.8316′′,109°30′32.6706′′),P 6 (34°31′24.2423′′,109°30′14.9873′′)及平面定位后 P5′(34°31′25.83′′,109°30′32.42′′),P6′(34°31′24.24′′,109°30′14.79′′)，得到定位精度分別為5.0 m和6.4 m。

圖17 試驗區1主、輔圖像載機實際航跡與參考軌跡之間的偏移量Fig.17 The displacement between the actual and referenced tracks for the first test area

圖18 試驗區1的相干系數及干涉紋圖Fig.18 The coherence and interferometry map for the first test area

5.2 試驗區2

圖19 試驗區1的相干系數統計Fig.19 The coherence plot for the test area

所選擇的試驗區2存在沖積溝地形，起伏較為明顯，如圖3和圖8所示。由于事先未在該區域布置角反射器，因此干涉過程中的外定標點和高程驗證點都是在飛行后去實地補測的。該試驗區的相干系數及其統計如圖24所示，大部分地區的相干系數都能達到0.8左右。圖25是試驗區2估計出的殘余運動的水平和垂直分量，不同距離處總的殘余運動誤差如圖25(c)所示。殘余運動補償前后該區域的干涉紋圖如圖26所示，觀察圖26(a)中沿方位向波動的相位，它與圖25(c)中的計算結果頗為一致。經過殘余運動補償后，該相位波動消除了。反演的該區域的DEM如圖27所示。通過實測的8個地面點(其分布如圖26(b)所示)與反演的高程值比較，得到該區域的DEM精度約為2.85 m，如表5所示。其中，部分測量點的高程誤差較大，可能與該成像區域溝壑較多，某些目標相干系數不高有關，同時也與測量點的地面坡度、定位精度相關。

6 結束語

圖20 利用MS方法估計的主輔圖像干涉條紋中的高階殘余運動誤差Fig.20 The high-order residual motion errors derived from the interferometric fringes with MS

圖21 殘余運動誤差補償前后的干涉紋圖(去平地效應之后)Fig.21 The interferometry map before and after RME compensation for the first test area (after flat-earth removing)

圖22 殘余運動補償后生成的高程圖Fig.22 The derived DEM after RME compensation

表4 試驗區1干涉反演的DEM精度評價Tab.4 Evaluation of the derived DEM for the first test area

圖24 試驗區2的相干系數Fig.24 The coherence for the second test area

圖25 利用MS方法估計的主輔圖像干涉條紋中的高階殘余運動誤差Fig.25 The high-order RME derived from the interferometric fringes with MS

圖27 試驗區2反演的DEM的3維顯示圖Fig.27 3-dimentinal display of the derived DEM for the second test area

表5 試驗區2干涉反演的DEM精度評價Tab.5 Evaluation of the derived DEM for the second test area

本文在詳細研究了L波段重軌干涉SAR系統和試驗的基礎上，重點分析討論了本系統重軌干涉SAR處理的過程和方法，尤其是殘余運動的估計和補償，最后對實際采集的L波段重軌干涉SAR數據進行處理和分析。試驗結果表明，此次重軌干涉飛行試驗獲取的數據具有較高的相干性，利用地面實測點目標進行比對，兩試驗區反演的DEM精度能夠分別達到3.40 m和2.85 m。需要指出的是，由于缺少試驗區域高精度的DEM作為參考，精度分析只能在有限的地面實測點上進行，而由于實測點的分析結果并不能完全反映整個試驗區域的情形，因此，這里的精度分析并不全面，重軌干涉全面的精度分析還需要進一步試驗。

本次飛行試驗沒有采集到有效的差分干涉SAR像對，而且試驗區域內也沒有明顯的發生形變的區域，因此，此次飛行沒能進行差分干涉SAR數據分析處理。未來，在條件允許時會進行差分干涉SAR試驗，甚至在飛行航跡控制較好的情況下，本系統可用于層析SAR研究。另外，由于本系統是全極化SAR系統，極化干涉SAR研究也是本系統未來應用的一個重要方向。