基于MFC框架的干涉相位解纏教學軟件設計

鐘何平

（海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢）

一 引言

干涉信號處理是在兩幅復圖像基礎上，通過比相測高原理來得到目標區(qū)域的高程信息，其處理過程主要包含4個步驟，依次為復圖像配準、干涉圖生成與相位濾波、相位解纏和數(shù)字高程模型重建[1-2]。在干涉信號處理的這四個步驟中，相位解纏是一個非常關鍵的步驟，相位差恢復的好壞直接關系到最終重建的三維地形精度[3-4]。相位解纏實驗是“干涉合成孔徑成像技術”課程中的一個重要教學內(nèi)容，由于相位解纏問題復雜，求解算法種類多，不同相位解纏算法有不同優(yōu)缺點，適用不同條件，理解與應用起來存在一定難度，不利于學生對相位解纏問題本質(zhì)的認識。

微軟提供的MFC具有強大的計算能力和數(shù)據(jù)可視化能力，在信號處理教學課程中得到了廣泛的應用，改善了教學效果。本文基于MFC設計交互式干涉相位解纏軟件，并用于實驗教學，學生可通過選擇不同的相位解纏算法，并將計算結果以多種方式進行顯示，提升學生對干涉相位解纏前后關系的認識，加強對不同相位解纏算法優(yōu)缺點的理解，指導實際應用中的相位解纏算法選取。

二 相位解纏的基本概念

直接根據(jù)復圖像提取的干涉相位，其值是模糊了整數(shù)倍周期的，相位解纏就是從直接提取的干涉相位中無模糊的重建真實相位差。真實相位φ與纏繞相位φ之間的關系可表示為：

式中k為整數(shù)。在大多數(shù)成像區(qū)域滿足Nyquist采樣定理的條件下，相位解纏問題就轉(zhuǎn)化為選擇滿足采樣定理路徑的問題，一旦選擇錯誤路徑，就會造成解纏相位的累積誤差傳播。原始干涉相位圖并

不直接給出哪些相位點之間滿足采樣定理，因此出現(xiàn)了基于不同原理的相位解纏策略與方法[5-8]。首先出現(xiàn)的是路徑跟蹤解纏算法，這類算法通過產(chǎn)生枝切線，限制解纏路徑，有效隔絕噪聲區(qū)域，阻止相位誤差的全程傳遞。該類算法具有代表性的為枝切法[9-11]和質(zhì)量引導算法[12-14]，其差別在于前者顯示生成枝切線，后者不顯示生成枝切線，而是基于質(zhì)量圖來引導解纏路徑。另一類相位解纏算法為最小二乘法[15]，它將相位解纏問題進行轉(zhuǎn)化，通過優(yōu)化解纏相位梯度與纏繞相位梯度兩者之間的差異來獲得最終解纏結果。

三 相位解纏軟件設計

(一) 總體設計

相位解纏軟件總體設計如圖1所示，主要包括數(shù)據(jù)輸入、算法選擇、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)導入導出四個部分。數(shù)據(jù)輸入主要指讀取原始纏繞數(shù)據(jù)，同時兼顧軟件的可拓展性，原始數(shù)據(jù)采用float類型的二進制文件表示，與之對應的配置文件采用ini格式，存儲纏繞文件名稱、纏繞數(shù)據(jù)行列數(shù)。算法選擇主要包括質(zhì)量計算方法選擇、相位解纏方法選擇。數(shù)據(jù)顯示主要是給出數(shù)據(jù)相關信息，或者以二維可視化方式顯示二維圖像。數(shù)據(jù)導入導出主要是將中間計算結果或最終計算結果進行導出，或者從外部導入相位質(zhì)量圖，用于參與相位解纏計算。

圖1 相位解纏軟件總體設計

除以上功能外，還涉及數(shù)據(jù)顯示時的調(diào)色板設置、相位計算的質(zhì)量圖參數(shù)設置，纏繞數(shù)據(jù)顯示時的區(qū)間設置等功能。

(二) GUI界面設計

根據(jù)相位解纏軟件總體功能設計的軟件界面如圖2所示，軟件框架主要包括左右兩部分。左側(cè)主要為交互式功能區(qū)和列表狀態(tài)顯示區(qū)，右側(cè)為四個二維圖像展示區(qū)。參數(shù)設置區(qū)域主要為五類，分別為調(diào)色板設置、質(zhì)量圖參數(shù)設置、相位解纏方法設置、纏繞數(shù)顯示區(qū)間設置和數(shù)據(jù)導入導出參數(shù)設置。調(diào)色板設置包含調(diào)色板類型選擇和作用的圖像選擇。質(zhì)量圖參數(shù)設置包括質(zhì)量圖類型設置、局部計算窗口設置和量化質(zhì)量等級設置。相位解纏方法包括枝切法、原始質(zhì)量引導法、量化質(zhì)量引導法和最小二乘法。纏繞數(shù)顯示設置包括需要顯示的最小纏繞數(shù)和最大纏繞數(shù)。數(shù)據(jù)導入和導出參數(shù)設置主要指需要導入和導出的數(shù)據(jù)選擇。左側(cè)四個列表顯示區(qū)域分別顯示纏繞相位圖信息、質(zhì)量圖信息、解纏結果信息和纏繞數(shù)信息。纏繞圖基本信息包括纏繞相位行列數(shù)、數(shù)值范圍和殘差點信息，質(zhì)量圖信息主要指相位質(zhì)量圖的分布信息，解纏相位信息包括解纏結果的值域區(qū)間和相位解纏時間，纏繞數(shù)信息是指纏繞數(shù)的最大值和最小值。

圖2 相位解纏軟件界面

(三) 軟件關鍵設計

軟件關鍵設計主要包括相位解纏算法的集成設計和二維圖像可視化設計。相位解纏算法的集成設計是將不同算法集成到同一框架下，實現(xiàn)不同算法的輸入與輸出接口的統(tǒng)一。這里將算法的輸入固定為二進制纏繞相位數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)塊的行數(shù)和列數(shù)，并且將纏繞相位數(shù)據(jù)進行歸一化處理，輸出為解纏相位。不同解纏算法共用函數(shù)接口也進行約定，相位質(zhì)量圖的取值范圍進行歸一化處理，這樣有效避免接口不匹配產(chǎn)生的錯誤。

二維圖像顯示是該軟件的一個重要功能，主要是將相位解纏過程中的中間計算結果以可視化的方式展現(xiàn)。考慮到不同解纏算法的中間計算步驟和計算結果不同，四個二維圖像展示區(qū)域顯示是完全獨立的。每個二維視圖窗口進行數(shù)據(jù)顯示時，需要指定顯示的二維數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的行列數(shù)、數(shù)據(jù)顯示時所使用的調(diào)色板、數(shù)據(jù)標題，這樣可以更加清楚顯示。在二維數(shù)據(jù)圖像顯示后，可通過交互式方式，修改二維數(shù)據(jù)顯示所使用的調(diào)色板，改善顯示效果。

相位解纏軟件的使用操作流程如圖3所示。首先選擇纏繞數(shù)據(jù)對應的ini配置文件，根據(jù)配置參數(shù)讀取原始數(shù)據(jù)。設置質(zhì)量圖計算參數(shù)，包括質(zhì)量圖種類、局部計算窗口大小和量化質(zhì)量等級。然后選擇相應相位解纏算法，開始相位解纏。解纏完畢后，可計算纏繞數(shù)，設置顯示的纏繞數(shù)區(qū)間，局部顯示纏繞數(shù)圖。最后可根據(jù)需要，將計算所得的相位質(zhì)量圖和解纏相位進行導出。

圖3 相位解纏軟件操作流程圖

四 實驗舉例

軟件設計完成后，我們采用實測數(shù)據(jù)進行了功能測試。圖4左上方為實驗所用纏繞相位圖，該圖為一幅試驗所得干涉合成孔徑聲吶相位圖，其大小為2160×4000像素，包含4893個殘差點。相位解纏實驗過程中，相位質(zhì)量圖選擇相位梯度變化質(zhì)量圖，局部計算窗口設置為3×3，根據(jù)設置參數(shù)計算所得質(zhì)量圖如圖4右上視圖所示。然后將質(zhì)量圖等級設置為1000，選擇量化質(zhì)量引導相位解纏算法進行相位解纏，解纏結果顯示在圖4左下方，低質(zhì)量區(qū)域有部分的累積解纏誤差，但總體解纏結果沒有出現(xiàn)顯著的相位跳變。根據(jù)解纏相位和纏繞相位之間的纏繞關系計算所得的纏繞數(shù)如圖4右下視圖所示，纏繞數(shù)的區(qū)域邊界與纏繞相位跳變位置一致，解纏效果良好。

圖4 相位解纏實例

軟件其他功能也一并進行了測試，包括質(zhì)量圖切換，解纏算法切換，調(diào)色板動態(tài)設置、設定纏繞數(shù)顯示范圍、數(shù)據(jù)導入和導出等功能。通過全面的相位解纏實驗，驗證了所開發(fā)的相位解纏軟件功能的可靠性，滿足基本相位解纏實驗的教學要求。

五 結語

本文在MFC框架下開發(fā)了一套干涉相位解纏教學軟件，完成了經(jīng)典相位解纏算法的集成與計算結果的可視化顯示，并可交互式修改計算與顯示參數(shù)，實時觀測不同參數(shù)對最終相位解纏結果的影響，加深對不同相位解纏算法的理解，滿足“干涉合成孔徑成像技術”課程實驗教學要求。后續(xù)將會集成更多相位解纏算法，更好為課程教學服務。