余安喜,王青松,孟智勇,董臻

1 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙　410073　2　二炮裝備研究院，北京　100085　3 中國(guó)人民解放軍63889部隊(duì)，湖南孟州　454750

?

基于虛擬特顯點(diǎn)的高精度InSAR性能評(píng)估方法

余安喜1,王青松2,孟智勇3,董臻1

1 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙4100732二炮裝備研究院，北京1000853 中國(guó)人民解放軍63889部隊(duì)，湖南孟州454750

摘要由于特顯點(diǎn)的高相干性，基于圖像特顯點(diǎn)的InSAR性能評(píng)估方法存在指標(biāo)計(jì)算偏高的技術(shù)缺陷.為了客觀評(píng)價(jià)InSAR性能，通過(guò)在實(shí)際特顯點(diǎn)鄰域引入虛擬特顯點(diǎn)作為評(píng)估樣本點(diǎn)，提出一種改進(jìn)的InSAR性能評(píng)估方法.該方法利用特顯點(diǎn)的高信雜比特性，并通過(guò)實(shí)際特顯點(diǎn)和虛擬特顯點(diǎn)的精確相對(duì)定位,可準(zhǔn)確估計(jì)虛擬特顯點(diǎn)在SAR圖像中位置坐標(biāo)，同時(shí)避免了特顯點(diǎn)高相干性的不利影響.全流程的分布式衛(wèi)星InSAR信號(hào)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了虛擬特顯點(diǎn)InSAR性能評(píng)估方法的有效性，絕對(duì)、相對(duì)干涉相位估計(jì)精度及絕對(duì)、相對(duì)測(cè)高精度等主要InSAR性能指標(biāo)的計(jì)算精度更高.

關(guān)鍵詞干涉合成孔徑雷達(dá)(InSAR)； 性能評(píng)估； 虛擬特顯點(diǎn)

1引言

星載干涉合成孔徑雷達(dá)(InSAR)系統(tǒng)是高效獲取全球高精度數(shù)字高程模型(DEM)最有效的工具，相關(guān)技術(shù)研究是當(dāng)前世界各國(guó)在遙感與測(cè)繪領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一.繼美國(guó)2000年實(shí)施航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪任務(wù)(SRTM)(Farr et al.,2000; Werner,2001; Rabus et al.,2003)并成功獲取了DTED-2標(biāo)準(zhǔn)的DEM以來(lái)，德國(guó)研制的TerraSAR-X/TanDEM-X(Schattler et al.,2011; López-Dekker et al.,2011)雙星編隊(duì)InSAR系統(tǒng)于2011年開始工作，獲取的DEM產(chǎn)品精度達(dá)到HRTI-3標(biāo)準(zhǔn)，成為InSAR技術(shù)發(fā)展新的里程碑.無(wú)論是在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)階段的地面試驗(yàn)驗(yàn)證，還是在系統(tǒng)在軌運(yùn)行階段的定標(biāo)與測(cè)試，高精度的InSAR性能評(píng)估都是不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)之一.反映InSAR產(chǎn)品性能的技術(shù)指標(biāo)主要是絕對(duì)測(cè)高精度、相對(duì)測(cè)高精度等，而直接影響DEM產(chǎn)品精度的干涉相位估計(jì)精度也是需要特別重視的性能指標(biāo)之一.各項(xiàng)性能指標(biāo)的高精度計(jì)算可為InSAR系統(tǒng)性能分析、系統(tǒng)誤差隔離和故障診斷等提供重要的技術(shù)支持.直觀上看，可以通過(guò)將InSAR處理得到的DEM與激光測(cè)量DEM等更高精度的先驗(yàn)DEM作比較來(lái)評(píng)估InSAR測(cè)高精度(王青松,2011).但是，亞米級(jí)的高精度DEM數(shù)據(jù)通常限于局部區(qū)域且獲取困難，同時(shí)國(guó)際上公開的全球SRTM DEM數(shù)據(jù)和ASTER DEM數(shù)據(jù)格網(wǎng)間距較大、精度較低，無(wú)法滿足現(xiàn)代星載InSAR系統(tǒng)的高精度評(píng)估需求.一些學(xué)者研究了理想干涉量的性能評(píng)估方法(Eineder,2003; 路興強(qiáng),2006; 王青松等,2009)，該方法雖然理論上精度較高，但在實(shí)際應(yīng)用中算法依賴的理想干涉量要全場(chǎng)景逐點(diǎn)計(jì)算，運(yùn)算量非常大，同時(shí)由于系統(tǒng)斜距測(cè)量誤差、時(shí)間同步誤差等的存在及其不確定性使得理想干涉量無(wú)法得到正確計(jì)算，因此該方法無(wú)法從根本上進(jìn)行客觀有效的評(píng)估.

為了獲得高精度、高效率和高穩(wěn)健性InSAR性能評(píng)估，本文將提出一種基于虛擬特顯點(diǎn)的性能評(píng)估方法.第2節(jié)首先介紹了基于特顯點(diǎn)的性能評(píng)估方法，并指出該方法的優(yōu)勢(shì)和直接應(yīng)用的技術(shù)缺陷，第3節(jié)詳細(xì)介紹虛擬特顯點(diǎn)的概念，并對(duì)評(píng)估方法加以改進(jìn)，第4節(jié)對(duì)虛擬特顯點(diǎn)InSAR性能評(píng)估方法的性能進(jìn)行定量化的仿真驗(yàn)證與分析，最后是結(jié)論.

2基于特顯點(diǎn)的InSAR性能評(píng)估及其缺陷

特顯點(diǎn)InSAR性能評(píng)估方法的主要思想是在三維自然場(chǎng)景的SAR圖像中選取高信雜比的特顯點(diǎn)，或者在地面仿真試驗(yàn)中布設(shè)若干強(qiáng)散射的特顯點(diǎn)目標(biāo)，并以這些特顯點(diǎn)作為評(píng)估階段的樣本點(diǎn)進(jìn)行性能指標(biāo)計(jì)算.在軌測(cè)試時(shí)，特顯點(diǎn)可以是定標(biāo)場(chǎng)的角反射器或者位置可精確測(cè)量的強(qiáng)散射地物目標(biāo)，地面仿真試驗(yàn)中，精心布設(shè)的特顯點(diǎn)目標(biāo)i(i=1,2,…,N)的三維坐標(biāo)Pi(xi,yi,hi)是已知的.為了避免旁瓣響應(yīng)的相互影響，特顯點(diǎn)兩兩之間的距離應(yīng)不小于50個(gè)圖像分辨單元.

選擇特顯點(diǎn)作為評(píng)估樣本點(diǎn)，主要是因?yàn)榭梢岳闷鋸?qiáng)信雜比特性精確獲得它們?cè)赟AR圖像中的像素位置.首先，特顯點(diǎn)i在主、輔通道配準(zhǔn)SAR圖像中的位置(a1i,r1i)和(a2i,r2i)可以通過(guò)sinc插值方法提取局部散射幅度的最大值位置而精確得到，再根據(jù)SAR圖像的慢時(shí)間基準(zhǔn)獲得對(duì)應(yīng)時(shí)刻的主、輔衛(wèi)星軌道位置S1i和S2i，理想的特顯點(diǎn)干涉相位φi可由下式計(jì)算得到，其中λ為雷達(dá)波長(zhǎng)，

(1)

最后，四項(xiàng)主要的InSAR性能指標(biāo)可用式(2)—(5)加以計(jì)算.

(1) 絕對(duì)相位估計(jì)精度：

(2)

(2) 相對(duì)相位估計(jì)精度：

(3)

(3) 絕對(duì)高程測(cè)量精度:

(4)

(4) 相對(duì)高程測(cè)量精度:

(5)

由于特顯點(diǎn)的位置可以精確解算，因此以上各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算也是非常精確的.然而需要指出的是，計(jì)算結(jié)果盡管可以準(zhǔn)確反映特顯點(diǎn)處的InSAR測(cè)量性能，但卻無(wú)法準(zhǔn)確反映特顯點(diǎn)周圍一般自然場(chǎng)景的InSAR測(cè)量性能，尤其是與相位噪聲密切相關(guān)的相對(duì)測(cè)量精度.

圖1a和圖2a分別為信雜比(SCR)為22dB和12dB時(shí)的特顯點(diǎn)區(qū)域SAR圖像，圖1b、1c、2b、2c分別為特顯點(diǎn)的方位向剖面和距離向剖面，當(dāng)SCR為22dB時(shí)，峰值位置比較清晰，當(dāng)SCR為12dB時(shí)，峰值位置出現(xiàn)了較強(qiáng)的不確定性，可見(jiàn)高信雜比是精確獲取特顯點(diǎn)位置的必要條件.圖1d和圖2d分別為兩組情況下的相干系數(shù)圖，可以看出，較高的信雜比使得特顯點(diǎn)處的相干性顯著提高，這與(Ferrettietal.,2001)對(duì)永久散射體的論述是相似的.

特顯點(diǎn)處更高的相干性使得其InSAR測(cè)量精度顯著偏高，相應(yīng)的指標(biāo)計(jì)算結(jié)果與其周圍一般自然場(chǎng)景的InSAR測(cè)高性能不一致，從而無(wú)法直接用于表征InSAR產(chǎn)品的性能.下一節(jié)，我們引入虛擬特顯點(diǎn)的概念，對(duì)評(píng)估方法加以改進(jìn).

圖1　SCR為22 dB的特顯點(diǎn)區(qū)域圖像與相干系數(shù)圖(a) 幅度圖; (b) 方位向剖面圖; (c) 距離向剖面圖; (d) 相干系數(shù)圖.

圖2　SCR為12 dB的特顯點(diǎn)區(qū)域圖像與相干系數(shù)圖(a) 幅度圖; (b) 方位向剖面圖; (c) 距離向剖面圖; (d) 相干系數(shù)圖.

3引入虛擬特顯點(diǎn)的高精度InSAR性能評(píng)估方法

圖3　虛擬特顯點(diǎn)與實(shí)際特顯點(diǎn)的位置關(guān)系

主、輔圖像的多普勒方程和斜距方程分別如式(6)—(11)所示：

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

其中，τ和τ0分別為距離向第m個(gè)像元和第一個(gè)像元的快時(shí)間，fs為雷達(dá)信號(hào)采樣頻率；t和t0分別為方位向第n個(gè)像元和第一個(gè)像元的慢時(shí)間，PRF為雷達(dá)方位向脈沖重復(fù)頻率；S1(t)、S2(t)、P分別為主星、輔星及地面散射點(diǎn)的位置矢量，V1(t)、V2(t)分別為主星、輔星的速度矢量，ρ1(τ)、ρ2(τ)分別為地面散射點(diǎn)在兩幅SAR圖像中的斜距，f1、f2分別為主、輔通道的多普勒中心頻率.

(12)

相應(yīng)地，我們可以得到虛擬特顯點(diǎn)精確的圖像位置坐標(biāo)：

(13)

進(jìn)一步，采用第2節(jié)的指標(biāo)計(jì)算方法即可將虛擬特顯點(diǎn)作為評(píng)估樣本點(diǎn)，利用式(2)—(5)計(jì)算四項(xiàng)InSAR性能指標(biāo).

需要指出的是，圖3中虛擬特顯點(diǎn)和實(shí)際特顯點(diǎn)的相對(duì)位置ΔPi應(yīng)盡量控制在50～100個(gè)分辨單元內(nèi)，一方面偏小的間距容易引入實(shí)際特顯點(diǎn)旁瓣能量的影響，另一方面偏大的間距將使得圖像相對(duì)位置的計(jì)算誤差增大.

4仿真實(shí)驗(yàn)與分析

實(shí)驗(yàn)采用一發(fā)雙收的雙星編隊(duì)InSAR系統(tǒng)方案，衛(wèi)星和雷達(dá)參數(shù)參考TanDEM-X系統(tǒng)，如表1所示.實(shí)驗(yàn)的仿真場(chǎng)景為3 km×3 km的山地，平均坡度小于10°，場(chǎng)景中均勻布設(shè)100個(gè)特顯點(diǎn)，間距大于150 m，各特顯點(diǎn)的后向散射系數(shù)設(shè)為20 dBm2.實(shí)驗(yàn)中僅考慮了兩種主要的系統(tǒng)誤差，即不同去相干條件下的干涉相位誤差和10 mm的視線向基線測(cè)量誤差，InSAR系統(tǒng)模糊高度約32.73 m.

表1　衛(wèi)星與雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)

仿真實(shí)驗(yàn)流程如圖4所示，編隊(duì)衛(wèi)星的InSAR回波數(shù)據(jù)模擬、SAR成像和InSAR數(shù)據(jù)處理均采用天基雷達(dá)先進(jìn)仿真器(SBRAS)(Wang et al.,2007; Chen et al.,2012)實(shí)現(xiàn)，其中三維自然場(chǎng)景的散射建模與回波仿真方法可參考文獻(xiàn)(Ulaby and Dobson,1989; Franceschetti et al.,1992; Eineder,2003).

圖4　InSAR性能評(píng)估的仿真實(shí)驗(yàn)流程

圖5和圖6分別為地面三維自然場(chǎng)景和解纏后的干涉相位圖.四組不同平均相干系數(shù)下的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，圖中不同的曲線分別對(duì)應(yīng)各項(xiàng)指標(biāo)的理論預(yù)估結(jié)果、特顯點(diǎn)評(píng)估結(jié)果(PS)和虛擬特顯點(diǎn)評(píng)估結(jié)果(VPS).理論值是根據(jù)InSAR系統(tǒng)參數(shù)及文獻(xiàn)(張永俊,2011)的性能預(yù)估模型獲得，其中模型中的干涉相位濾波等效視數(shù)取16.可以看出，特顯點(diǎn)方法的評(píng)估結(jié)果與理論值相差較大，尤其是相位估計(jì)精度和相對(duì)測(cè)高精度明顯偏高，并且指標(biāo)值隨著相干系數(shù)的變化表現(xiàn)過(guò)緩，無(wú)法準(zhǔn)確反映相干性與相對(duì)測(cè)高精度的變化關(guān)系；而改進(jìn)后的虛擬特顯點(diǎn)方法則有效避免了特顯點(diǎn)強(qiáng)散射特性的影響，其四組性能指標(biāo)計(jì)算結(jié)果與理論分析曲線均很好地吻合，充分說(shuō)明了新方法的優(yōu)越性.需要說(shuō)明的是，圖7c中PS方法似乎與理論值更為接近，這是因?yàn)榻^對(duì)測(cè)高精度不同于其他三組InSAR性能指標(biāo)，其誤差來(lái)源主要是10 mm的視線向基線誤差，而受信號(hào)相干性影響較小，因此實(shí)驗(yàn)中該指標(biāo)難以在評(píng)估方法上形成顯著差異.圖中三條曲線在指標(biāo)數(shù)值上已非常接近，曲線之間的細(xì)微差異主要是理論模型的近似和仿真計(jì)算的隨機(jī)性引起的，完全可以忽略不計(jì).

圖5　仿真輸入的三維場(chǎng)景

圖6　解纏后的干涉相位圖

圖7　不同平均相干系數(shù)下的InSAR性能評(píng)估結(jié)果(a) 絕對(duì)相位估計(jì)精度; (b) 相對(duì)相位估計(jì)精度; (c) 絕對(duì)測(cè)高精度; (d) 相對(duì)測(cè)高精度.

5結(jié)論

本文研究了基于特顯點(diǎn)的分布式衛(wèi)星InSAR性能評(píng)估方法，一方面指出了特顯點(diǎn)的高信雜比特性有助于SAR圖像位置的精確計(jì)算，分析了高信雜比帶來(lái)的相干性提高使得InSAR性能指標(biāo)偏高的技術(shù)缺陷，進(jìn)一步提出在實(shí)際特顯點(diǎn)鄰域引入虛擬特顯點(diǎn)作為評(píng)估樣本點(diǎn)的改進(jìn)方法，實(shí)現(xiàn)了高精度、高效率和高穩(wěn)健的InSAR性能指標(biāo)計(jì)算.最后，全流程的分布式衛(wèi)星InSAR信號(hào)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)評(píng)估方法進(jìn)行了充分驗(yàn)證.本文成果可廣泛應(yīng)用于InSAR系統(tǒng)的地面仿真試驗(yàn)，以及在軌InSAR系統(tǒng)的性能評(píng)估、外定標(biāo)、誤差隔離和故障診斷等.

References

Chen Q,Yu A X,Sun Z Y,et al.2012.A multi-mode space-borne SAR simulator based on SBRAS.∥ 2012 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS).Munich: IEEE,4567-4570.

Eineder M.2003.Efficient simulation of SAR interferograms of large areas and of rugged terrain.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,41(6): 1415-1427.

Farr T G,Hensley S,Rodriguez E,et al.2000.The shuttle radar topography mission.∥ CEOS SAR Workshop.Paris: European Space Agency,361-363.

Ferretti A,Prati C,Rocca F.2001.Permanent scatterers in SAR interferometry.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,39(1): 8-20.

Franceschetti G,Migliaccio M,Riccio D,et al.1992.SARAS: A synthetic aperture radar (SAR) raw signal simulator.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,30(1): 110-123.

López-Dekker P,Prats P,De Zan F,et al.2011.TanDEM-X first DEM acquisition: A crossing orbit experiment.IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,8(5): 943-947.

Lu X Q.2006.Study on modeling and simulation of distributed spaceborne InSAR [Ph.D.thesis] (in Chinese).Changsha: National University of Defense Technology.

Rabus B,Eineder M,Roth A,et al.2003.The shuttle radar topography mission—a new class of digital elevation models acquired by spaceborne radar.ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing,57(4): 241-262.

Roth A,Huber M,Kosmann D.2005.Geocoding of TerraSAR-X data.DLR TerraSAR-X Tech.Report.

Schattler B,Kahle R,Metzig R,et al.2011.The joint TerraSAR-X/TanDEM-X ground segment.∥ 2011 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS).Vancouver,BC: IEEE,2298-2301.

Schreier G.1993.SAR Geocoding: Data and Systems.Karlsruhe: Wichmann-Verlag.

Ulaby F T,Dobson M C.1989.Handbook of Radar Scattering Statistics for Terrain.Norwood: Artech House.

Wang M,Liang D N,Huang H F,et al.2007.SBRAS: An advanced simulator of spaceborne radar.∥ 2007 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS).Barcelona: IEEE,4942-4944.

Wang Q S,Huang H F,Dong Z,et al.2009.Fast simulation of InSAR ideal interferometric phase and precision analysis.Journal of System Simulation (in Chinese),21(18): 5951-5954.

Wang Q S.2011.Research on high-efficiency and high-precision processing techniques of spaceborne interferometric synthetic aperture radar [Ph.D.thesis] (in Chinese).Changsha: National University of Defense Technology.Werner M.2001.Shuttle radar topography mission (SRTM) mission overview.Frequenz,55(3-4): 75-79.

Zhang Y J.2011.Study on error analysis and DEM precision improvement methods of spaceborne distributed InSAR [Ph.D.thesis] (in Chinese).Changsha: National University of Defense Technology.

附中文參考文獻(xiàn)路興強(qiáng).2006.天基分布式InSAR系統(tǒng)建模與仿真研究[博士論文].長(zhǎng)沙: 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué).王青松,黃海風(fēng),董臻等.2009.INSAR理想干涉相位計(jì)算的快速方法及精度分析.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),21(18): 5951-5954.

王青松.2011.星載干涉合成孔徑雷達(dá)高效高精度處理技術(shù)研究[博士論文].長(zhǎng)沙: 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué).

張永俊.2011.星載分布式InSAR系統(tǒng)的誤差分析與DEM精度提高方法研究[博士論文].長(zhǎng)沙: 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué).

(本文編輯胡素芳)

基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金(41271459,61002031)課題資助.

作者簡(jiǎn)介余安喜，男，1978年生，2003年畢業(yè)于國(guó)防科技大學(xué)，博士，副教授，主要從事星載SAR系統(tǒng)仿真與數(shù)據(jù)處理方面的研究工作. E-mail：yu_anxi@sina.com

doi:10.6038/cjg20160309 中圖分類號(hào)P228

收稿日期2015-06-30，2015-10-30收修定稿

An InSAR performance evaluation method based on virtual prominent scatterers

YU An-Xi1,WANG Qing-Song2,MENG Zhi-Yong3,DONG Zhen1

1CollegeofElectronicScienceandEngineering,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China2EquipmentResearchInstituteofTheSecondArtillery,Beijing100085,China3Unit63889ofPLA,HunanMengzhou454750,China

AbstractFor the conventional prominent scatterers method,InSAR performance is over evaluated because of the higher coherence of the scatterers.An improved InSAR performance evaluation method is proposed based on virtual prominent scatterers (VPS).The VPS are some ordinary scatterers distributed around the prominent scatterers and treated as statistical samples.The pixel position of the VPS can be precisely estimated with the accurate relative geolocation because of the high signal to clutter ratio of the prominent scatterers.And the absolute/relative interferometric phase and height precisions can be more accurately calculated.Experiment results based on spaceborne InSAR signal simulation show the validation of the VPS-based method.

KeywordsInterferometric synthetic aperture radar (InSAR); Performance evaluation; Virtual prominent scatterers

余安喜,王青松,孟智勇等.2016.基于虛擬特顯點(diǎn)的高精度InSAR性能評(píng)估方法.地球物理學(xué)報(bào)，59(3):865-870,doi:10.6038/cjg20160309.

Yu A X,Wang Q S,Meng Z Y,et al.2016.An InSAR performance evaluation method based on virtual prominent scatterers.Chinese J.Geophys.(in Chinese),59(3):865-870,doi:10.6038/cjg20160309.