TOPS模式哨兵-1雷達(dá)干涉圖誤差校正技術(shù)

徐 航，陳富龍，唐攀攀，張 達(dá)

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

合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar,SAR)是一種高分辨率的成像雷達(dá)，其能夠不受天氣影響，全天候、全天時(shí)地工作，因此具有廣闊的研究和應(yīng)用前景[1]。哨兵-1號(hào)(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(rèn)采用TOPS(terrain observation with progressive scans)模式[2]，相對(duì)于條帶和ScanSAR模式，該模式兼顧了測(cè)繪帶寬和影像質(zhì)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(yīng)用價(jià)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(xiàn)[5]應(yīng)用哨兵-1數(shù)據(jù)進(jìn)行了希臘埃里索斯流域的地震同震形變研究。文獻(xiàn)[6]進(jìn)行了格林蘭雅各布港的冰蓋移動(dòng)研究。文獻(xiàn)[7]研究了塞羅普列托地?zé)崽镉捎跇?gòu)造和人為影響造成了地表形變。文獻(xiàn)[8]進(jìn)行了城市沉降分析。文獻(xiàn)[2]分析了哨兵-1 TOPS模式數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)及大氣層對(duì)數(shù)據(jù)聚焦成像的影響。以上應(yīng)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(zhǔn)問題，而對(duì)于大氣效應(yīng)的影響，大多只是作為誤差源提及，未進(jìn)行系統(tǒng)、定量化估計(jì)與誤差去除。

利用哨兵-1 TOPS模式數(shù)據(jù)獲得干涉質(zhì)量高、誤差小的結(jié)果并不容易：數(shù)據(jù)配準(zhǔn)精度、大氣中的電離層和對(duì)流層都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。目前對(duì)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(duì)哨兵-1 TOPS模式數(shù)據(jù)差分干涉處理中產(chǎn)生相位誤差的關(guān)鍵因素進(jìn)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(shù)和數(shù)據(jù)處理流程，以期為該開源數(shù)據(jù)的干涉應(yīng)用提供更廣闊前景。

1 哨兵-1 TOPS模式干涉圖誤差校正技術(shù)

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(shù)整體流程如圖1所示，包括配準(zhǔn)、電離層/對(duì)流層校正3大關(guān)鍵技術(shù)和序貫數(shù)據(jù)處理過程。首先對(duì)影像配準(zhǔn)，考慮到TOPS模式成像特性，采用由粗到精的配準(zhǔn)策略，可實(shí)現(xiàn)該模式數(shù)據(jù)1/1000像元配準(zhǔn)精度，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)干涉對(duì)配準(zhǔn)方法；隨后，研究采用兩步法電離層校正技術(shù)(分別為頻譜分裂法和增強(qiáng)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(duì)流層相位校正技術(shù)，不僅可降低對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)條件假設(shè)的限制，而且能有效去除對(duì)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(shù)可為TOPS模式哨兵-1數(shù)據(jù)干涉處理提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

1.1 TOPS數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

SAR影像對(duì)精配準(zhǔn)是雷達(dá)干涉處理的基礎(chǔ)，多年來研究的高精度配準(zhǔn)方法主要包括相關(guān)系數(shù)法、最大頻譜法和波動(dòng)函數(shù)法[10]。這些配準(zhǔn)方法能夠滿足條帶模式和ScanSAR模式數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)應(yīng)用，但難以達(dá)到1/1000像元配準(zhǔn)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(zhǔn)[11]和基于ESD技術(shù)[9]的精配準(zhǔn)組合方法。粗配準(zhǔn)理論可達(dá)4/1000像元配準(zhǔn)精度[2]，精配準(zhǔn)利用burst重疊區(qū)進(jìn)行干涉相位二次差分，可提高算法對(duì)配準(zhǔn)偏移量的敏感性，實(shí)現(xiàn)哨兵-1衛(wèi)星TOPS模式數(shù)據(jù)配準(zhǔn)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(dá)回波信號(hào)求得精確解，進(jìn)而利用式(1)[9]實(shí)現(xiàn)相位偏差到配準(zhǔn)偏移量的轉(zhuǎn)換。

(1)

1.2 TOPS數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

在哨兵-1 TOPS模式數(shù)據(jù)中，由于電離層的影響，配準(zhǔn)的重采樣步驟會(huì)產(chǎn)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(xiàn)[12]提出頻譜分裂法和ESD算法結(jié)合的兩步法來進(jìn)行校正，可以處理電離層引起的burst間相位跳變，但是當(dāng)影像覆蓋范圍較小時(shí)，該技術(shù)難以獲取足夠的采樣點(diǎn)，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(jìn)兩步法處理電離層效應(yīng)，能突破算法對(duì)區(qū)域范圍的限制，即首先利用帶通濾波[13]技術(shù)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(jìn)行兩兩干涉，生成兩組高、低頻率(fL，fH)SAR影像干涉對(duì)，并用精配準(zhǔn)偏移量參數(shù)進(jìn)行二次配準(zhǔn)；接著，對(duì)處理得到的高、低頻SAR影像干涉對(duì)進(jìn)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(jì)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(duì)Δφiono進(jìn)行高斯濾波處理，得到電離層相位屏并用差分相減進(jìn)行去除。

(2)

文獻(xiàn)[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(dāng)研究區(qū)范圍較小時(shí)，難以有效獲取足夠樣本點(diǎn)。作為改進(jìn)，本研究選用精配準(zhǔn)后的SAR影像數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)一步消除因電離層影響導(dǎo)致的配準(zhǔn)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(zhì)量樣本點(diǎn)，進(jìn)而確保算法在小區(qū)域也可穩(wěn)健運(yùn)行。

1.3 TOPS數(shù)據(jù)對(duì)流層校正

目前，對(duì)于干涉圖的對(duì)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(jì)特性來進(jìn)行對(duì)流層校正，通常需要較大的干涉數(shù)據(jù)量，且當(dāng)試驗(yàn)區(qū)位移非線性變化或變形量較大時(shí)效果不佳；后者基于外部的現(xiàn)有參數(shù)或天氣模型以進(jìn)行大氣校正，雖對(duì)干涉圖數(shù)量要求不高，卻受限于外部數(shù)據(jù)的時(shí)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(shí)間分辨率的優(yōu)勢(shì)，采用GACOS建模數(shù)據(jù)[16]進(jìn)行對(duì)流層校正，包括地形相關(guān)分量和水平湍流分量的校正，基于式(3)[16]的對(duì)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(diǎn)編號(hào)；T(xk)為站點(diǎn)測(cè)得的垂直分層分量；S(hk)為對(duì)應(yīng)的大氣湍流分量；εk為誤差項(xiàng)。

2 試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)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(shí)間內(nèi)目標(biāo)地區(qū)數(shù)據(jù)存在顯著的大氣效應(yīng)，便于進(jìn)行大氣校正效果的定性及定量分析。試驗(yàn)取影像第一個(gè)條帶，覆蓋區(qū)域如圖2所示。下文將依次對(duì)其進(jìn)行精配準(zhǔn)、電離層相位校正以及對(duì)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(duì)SAR數(shù)據(jù)有較大的影響，試驗(yàn)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(yàn)用哨兵-1數(shù)據(jù)信息

2.2 配準(zhǔn)處理結(jié)果分析

經(jīng)過R-D算法粗配準(zhǔn)后，影像的干涉結(jié)果如圖3(a)所示，以RMSE估計(jì)其配準(zhǔn)精度為0.013 8，但未達(dá)到哨兵-1 TOPS模式數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)精度要求。接著，采用ESD法進(jìn)行影像的精配準(zhǔn)，基于克拉美羅界[17]估計(jì)其偏移量值為0.000 13，優(yōu)于1/1000的像元精度。圖3(b)為經(jīng)過精配準(zhǔn)后的差分干涉相位圖，理論上經(jīng)過ESD處理，配準(zhǔn)精度足以消除干涉圖中的burst相位跳變，但這對(duì)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(zhǔn)前后干涉相位幾乎沒有變化)。該相位跳變由嚴(yán)重電離層影響導(dǎo)致[12]，因此需要對(duì)電離層相位進(jìn)一步校正。

2.3 電離層處理結(jié)果分析

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

2.4 對(duì)流層處理結(jié)果分析

電離層校正后，對(duì)干涉相位圖采用最小費(fèi)用流法進(jìn)行解纏處理并轉(zhuǎn)為形變值，此時(shí)研究區(qū)域的干涉結(jié)果圖中仍存在明顯的團(tuán)塊狀對(duì)流層湍流相位，如圖5所示。從干涉相位和地表高程值散點(diǎn)分布(圖5(c))可發(fā)現(xiàn)相位值和地形高程存在線性相關(guān)關(guān)系，即存在高程依賴對(duì)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(shí)間間隔較短，且在該時(shí)間段內(nèi)，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)無地震、山體滑坡、崩塌等地表移動(dòng)的報(bào)道，研究可假設(shè)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(duì)流層大氣相位校正結(jié)果的驗(yàn)證。經(jīng)由對(duì)流層校正，原有的團(tuán)塊狀對(duì)流層相位減弱(圖5(b))；通過圖5(c)、圖5(d)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)校正后散點(diǎn)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(duì)流層高層相關(guān)相位得到很好的抑制；另一方面，對(duì)流層校正前差分?jǐn)?shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.724 1，校正后的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(jié) 語

哨兵-1數(shù)據(jù)是完全開放的SAR數(shù)據(jù)，其默認(rèn)的TOPS模式成像數(shù)據(jù)具有廣闊的應(yīng)用前景，但該模式數(shù)據(jù)干涉結(jié)果易受配準(zhǔn)精度、電離層、對(duì)流層等影響因子的干擾，進(jìn)而限制其在InSAR、DInSAR等高精度應(yīng)用中的研究，甚至導(dǎo)致錯(cuò)誤的地形/形變反演結(jié)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(zhǔn)、電離層/對(duì)流層大模式氣相位校正關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)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(jìn)行試驗(yàn)，配準(zhǔn)結(jié)果能夠滿足數(shù)據(jù)1/1000像元精度要求；改進(jìn)的兩步法ESD能模擬并去除電離層相位；應(yīng)用ECMWF模型數(shù)據(jù)能夠提升對(duì)流層相位27%定量精度。該技術(shù)流程充分考慮了哨兵-1 TOPS模式的成像特點(diǎn)，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(shù)參考。