Sentinel-1A衛(wèi)星TOPS模式數(shù)據(jù)干涉處理

吳文豪，李　陶，陳志國(guó)，郝洪美

(1. 武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430079； 2. 吉林省基礎(chǔ)測(cè)繪院， 吉林 四平 136001)

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Sentinel-1A衛(wèi)星TOPS模式數(shù)據(jù)干涉處理

吳文豪1，李陶1，陳志國(guó)1，郝洪美2

(1. 武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430079； 2. 吉林省基礎(chǔ)測(cè)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(guò)在方位向和距離向聯(lián)合調(diào)整波束姿態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)寬幅成像。與條帶模式不同，該模式在成像過(guò)程中每組Burst多普勒中心頻率在方位向發(fā)生變化，干涉處理重采樣時(shí)精確獲取每個(gè)采樣單元的多普勒中心頻率是本文研究的重點(diǎn)。因此本文采用意大利那波里地區(qū)Sentinel-1A衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行了試驗(yàn)，首先采用聯(lián)合估計(jì)方法有效計(jì)算出了多普勒中心頻率，再調(diào)制插值核，進(jìn)而獲得了干涉處理結(jié)果，最后參考零多普勒時(shí)間進(jìn)行Burst干涉圖間的拼接，獲得了更大范圍的干涉圖。

關(guān)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(duì)推動(dòng)差分干涉測(cè)量技術(shù)發(fā)展具有劃時(shí)代意義的C波段合成孔徑雷達(dá)(SAR)衛(wèi)星，其默認(rèn)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(tǒng)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(shí)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(shù)據(jù)剛剛發(fā)布，目前還沒(méi)有開源軟件可以處理TOPS干涉，因此本文針對(duì)Sentinel-1A衛(wèi)星的TOPS模式影像，以開源軟件DORIS作為基礎(chǔ)試驗(yàn)平臺(tái)，提出新的多普勒中心頻率估計(jì)聯(lián)合方法對(duì)內(nèi)插核進(jìn)行調(diào)制，獲得各組Burst干涉圖，又以零多普勒時(shí)間作為參考，對(duì)干涉圖進(jìn)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(zhì)量而提出的新型寬幅成像模式[2]。與傳統(tǒng)的條帶模式相比，寬幅合成孔徑雷達(dá)在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)確保影像具有較大的覆蓋面積，SRTM即是通過(guò)該技術(shù)在短時(shí)間內(nèi)獲取的全球數(shù)字高程模型[3]。

TOPS模式在成像過(guò)程中，天線波束沿方位向從后向前擺動(dòng)，下一個(gè)波束指向另一個(gè)子帶時(shí)，波束沿方位向重新由后指向前，經(jīng)過(guò)一個(gè)掃描周期后，天線波束重新照射第一個(gè)子帶，從而獲得一個(gè)更大范圍的成像區(qū)域[4]。TOPS每個(gè)子測(cè)繪帶由多組脈沖序列(Burst)組成，其點(diǎn)目標(biāo)多普勒歷程如圖1所示，其中橫軸為方位向時(shí)間，縱軸為多普勒頻率值。圖中P1—P4分別代表方位向上4個(gè)點(diǎn)目標(biāo)TOPS模式中的零多普勒時(shí)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(biāo))，斜率即多普勒調(diào)頻率。方格條紋區(qū)域表示雷達(dá)接收的有效回波，豎直條紋區(qū)域?yàn)闊o(wú)效回波。從圖1中可以看出，方位向上點(diǎn)目標(biāo)的多普勒中心頻率隨著方位向時(shí)間的變化而變化。傳統(tǒng)的干涉處理方法主要是針對(duì)條帶模式，認(rèn)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(shí)需要考慮到方位向多普勒中心頻率變化對(duì)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(biāo)P4將被兩組Burst觀測(cè)到，但其零多普勒時(shí)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(tǒng)的干涉處理方法基礎(chǔ)上進(jìn)行多普勒中心頻率計(jì)算和內(nèi)插核調(diào)制，實(shí)現(xiàn)Sentinel-1A衛(wèi)星TOPS數(shù)據(jù)的干涉處理，并進(jìn)行方位向和距離向的干涉圖拼接，實(shí)現(xiàn)其寬幅成像的意義。

圖1　TOPS 模式點(diǎn)目標(biāo)多普勒歷程

二、TOPS多普勒中心頻率計(jì)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(guò)程中，聚焦影像頻譜直接受到點(diǎn)目標(biāo)多普勒歷程的影響，即非零多普勒中心頻率導(dǎo)致聚焦影像脈沖響應(yīng)函數(shù)存在嚴(yán)重的相位斜坡效應(yīng)，方位線轉(zhuǎn)為非基帶信號(hào)，無(wú)法對(duì)非基帶信號(hào)計(jì)算進(jìn)行插值處理。因此需要根據(jù)單視復(fù)影像的多普勒中心頻率分布對(duì)其內(nèi)插核進(jìn)行調(diào)制，使其內(nèi)插核頻譜中心與影像多普勒中心頻率保持一致，實(shí)現(xiàn)方位線的重采樣[6]。

準(zhǔn)確獲取TOPS聚焦影像的每個(gè)采樣單元的多普勒中心頻率是正確重采樣的前提。衛(wèi)星姿態(tài)是緩變的，且天線方向圖為距離的光滑函數(shù)，多普勒中心頻率不會(huì)出現(xiàn)跳變，因此計(jì)算多普勒中心頻率時(shí)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(shù)[7]。TOPS模式每組Burst成像時(shí)波束姿態(tài)在距離向不變化，處理方法與條帶模式相同。而波束姿態(tài)在方位向是變化的，多普勒中心頻率需要根據(jù)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(diào)頻率；kψ為波束旋轉(zhuǎn)角速度。在聚焦成像過(guò)程中，點(diǎn)目標(biāo)被校正到零多普勒位置，雷達(dá)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(duì)應(yīng)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(xù)時(shí)間相當(dāng)于原始回波信號(hào)作了延展處理(如圖2所示)，其延展系數(shù)α為

(3)

可進(jìn)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(wèi)星參數(shù)文件中每組Burst僅提供兩個(gè)參考時(shí)間點(diǎn)的多普勒調(diào)頻率和多普勒中心頻率，而成像過(guò)程中上述參數(shù)時(shí)刻都在變化，僅靠?jī)蓚€(gè)參考時(shí)間點(diǎn)的參數(shù)根據(jù)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(lián)合估計(jì)法計(jì)算多普勒中心頻率，即在此基礎(chǔ)上根據(jù)多普勒中心頻率分布對(duì)影像方位線進(jìn)行去斜處理，再采用相位增量法對(duì)殘余的方位線多普勒中心頻率進(jìn)行估計(jì)[8-9]，最后將兩種方法估計(jì)值求和獲得準(zhǔn)確的多普勒中心頻率。

TOPS影像重采樣時(shí)需要根據(jù)影像每個(gè)采樣單元的多普勒中心頻率對(duì)內(nèi)插核進(jìn)行調(diào)制，如式(5)所示

Wshift=Wkerexp(j·2π·fDC(tr,ta)·tα)

(5)

式中，Wker和Wshift分別為調(diào)制前和調(diào)制后的插值核。采用調(diào)制后的插值核便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)TOPS影像進(jìn)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(dú)立聚焦成像，干涉處理后差分干涉圖需要進(jìn)行拼接處理。本文采用DORIS軟件，結(jié)合本文所述的多普勒中心頻率估計(jì)方法分別完成Sentinel-1A衛(wèi)星TOPS影像的每組Burst進(jìn)行干涉處理[10]。

TOPS模式影像每組Burst均參考了同一衛(wèi)星軌道，其幾何關(guān)系較為穩(wěn)定，相對(duì)定位精度較高，重疊區(qū)域采樣單元的零多普勒時(shí)間存在交集，可以根據(jù)零多普勒時(shí)間計(jì)算干涉圖的重疊采樣單元[11]。

進(jìn)行拼接時(shí)，相鄰的Burst差分干涉圖往往出現(xiàn)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(qū)域存在一定的噪聲。點(diǎn)目標(biāo)在SAR影像中相位較為穩(wěn)定，首先根據(jù)影像信號(hào)雜波比(SCR)值提取出重疊區(qū)域的點(diǎn)目標(biāo)，然后基于這些點(diǎn)目標(biāo)干涉相位信息計(jì)算相位跳變值。最后根據(jù)跳變值彌補(bǔ)兩相鄰Burst干涉圖相位差異，實(shí)現(xiàn)對(duì)干涉圖的無(wú)縫拼接。

四、試驗(yàn)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(qū)Sentinel-1A衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行干涉處理與數(shù)據(jù)拼接試驗(yàn)。

在重采樣環(huán)節(jié)，本文提出了聯(lián)合估計(jì)方法計(jì)算多普勒中心頻率，下面通過(guò)方位線頻譜與多普勒中心頻率匹配程度來(lái)驗(yàn)證該方法的有效性。根據(jù)影像參數(shù)獲得的多普勒中心頻率圖如圖3所示，聯(lián)合估計(jì)獲得多普勒中心頻率圖如圖4所示。橫坐標(biāo)為聚焦影像所對(duì)應(yīng)的方位向時(shí)間，縱坐標(biāo)為各個(gè)頻譜分量所對(duì)應(yīng)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(dǎo)致方位向信號(hào)帶寬大于采樣頻率，對(duì)方位向信號(hào)采樣時(shí)其頻譜出現(xiàn)多次混疊現(xiàn)象，功率譜峰值對(duì)應(yīng)的頻率也出現(xiàn)折疊現(xiàn)象，進(jìn)而多普勒中心頻率也存在折疊現(xiàn)象。與圖3相比，圖4多普勒中心頻率與頻譜匹配更好，這說(shuō)明聯(lián)合估計(jì)方法估計(jì)出的多普勒中心頻率更準(zhǔn)確、更有效。

圖3　根據(jù)影像參數(shù)獲得的多普勒中心頻率參數(shù)

圖4　聯(lián)合估計(jì)獲得的多普勒中心頻率參數(shù)

利用聯(lián)合估計(jì)方法獲得每個(gè)采樣單元的多普勒中心頻率對(duì)內(nèi)插核進(jìn)行調(diào)制，進(jìn)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(yīng)和地形信息，一般不會(huì)導(dǎo)致干涉圖出現(xiàn)過(guò)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?yàn)闆](méi)有考慮多普勒中心頻率在方位向的變化，重采樣時(shí)內(nèi)插核頻率中心與默認(rèn)的多普勒中心頻率相差很大，產(chǎn)生差值誤差，出現(xiàn)波狀條紋，由此可見本文方法可靠。試驗(yàn)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(huì)發(fā)生相位信息的泄露。插值誤差也會(huì)影響干涉圖的相干性。本文利用相干系數(shù)分布圖來(lái)衡量干涉圖相干性， 圖7為未進(jìn)行內(nèi)插核調(diào)制后的相干系數(shù)分布圖。圖8為內(nèi)插核調(diào)制的相干系數(shù)分布圖。橫軸為相干系數(shù)，縱軸為相干點(diǎn)數(shù)量。圖8中高相干點(diǎn)數(shù)量較多，說(shuō)明內(nèi)插核調(diào)制后的干涉圖的相干性更高。TOPS模式各組Burst干涉圖進(jìn)行拼接時(shí)，消除相位跳變是其關(guān)鍵。本文根據(jù)前文所述的方法進(jìn)行干涉圖拼接處理試驗(yàn)，圖9為相鄰兩組Burst重疊區(qū)域點(diǎn)目標(biāo)的相位差分直方圖， 橫軸為相位差分值，縱軸為點(diǎn)目標(biāo)數(shù)量，其點(diǎn)目標(biāo)數(shù)量最多處的相位差分值即為相位跳變值。拼接時(shí)，先在方位向上進(jìn)行Burst間拼接，再進(jìn)行距離向上的子測(cè)繪帶間拼接。圖10為27組Burst干涉拼接結(jié)果。拼接時(shí)并未做羽化處理，可以看出方位向拼接效果較好。

圖5　內(nèi)插核調(diào)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(jìn)行內(nèi)插核調(diào)制的相干系數(shù)分布

圖8　內(nèi)插核調(diào)制后的相干系數(shù)分布

圖9　點(diǎn)目標(biāo)相位差分分布

圖10　27組Burst干涉拼接結(jié)果

五、結(jié)束語(yǔ)

本文在TOPS成像機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了采用影像參數(shù)與相位增量法聯(lián)合估計(jì)多普勒中心頻率參數(shù)的方法進(jìn)行Sentinel-1A衛(wèi)星TOPS模式的干涉處理，并利用影像零多普勒時(shí)間信息和重疊區(qū)域點(diǎn)目標(biāo)相位信息進(jìn)行Burst干涉圖的拼接，體現(xiàn)了寬幅成像的優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)展了其應(yīng)用空間。但是TOPS影像每個(gè)子測(cè)繪帶的像素采樣空間大小并不一致，導(dǎo)致SAR影像距離向拼接出現(xiàn)較大的痕跡，拼接效果不夠理想，還需要進(jìn)一步的研究。

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中圖分類號(hào)：P237

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2016)02-0042-04

作者簡(jiǎn)介：吳文豪 (1987—),男，博士生，研究方向?yàn)镾AR成像與干涉。E-mail: wuwh@whu.edu.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(41274048)

收稿日期：2014-11-24

引文格式： 吳文豪，李陶，陳志國(guó),等. Sentinel-1A衛(wèi)星TOPS模式數(shù)據(jù)干涉處理[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(2)：42-45.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0045.