CN112859077A - 一种多级合成孔径雷达干涉相位解缠方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多级合成孔径雷达干涉相位解缠方法，包括步骤：(1)生成合成孔径雷达干涉影像；(2)应用外部数字高程模型生成合成孔径雷达差分干涉图；(3)利用最小费用流法对合成孔径雷达差分干涉图进行相位解缠，得到初始的合成孔径雷达解缠差分干涉图；(4)根据不同的相干性阈值，应用枝切法对初始的合成孔径雷达解缠差分干涉图进行迭代解缠，得到最终的合成孔径雷达解缠差分干涉图；(5)补偿地形相位，得到最终的合成孔径雷达解缠干涉图。所述方法能够提高现有的单一的合成孔径雷达干涉相位解缠的成功率，可在星载和机载干涉合成孔径雷达***对地表三维重建和地物高度提取中起到重要的作用，具有较佳的技术效果。

Description

一种多级合成孔径雷达干涉相位解缠方法
技术领域
本发明涉及一种遥感影像的数字摄影测量处理方法，特别是涉及合成孔径雷达干涉相位解缠方法。
背景技术
干涉合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)作为一种主动的微波遥感技术在地形测绘已经显现出越来越大的优势。合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)影像的干涉相位信息是提取地形和高度关键信息。在合成孔径雷达干涉测量中，合成孔径雷达干涉相位解缠(简称解缠)是把缠绕的干涉相位恢复到真实的干涉相位，是整个处理链中的关键和重要步骤。在地形和地物条件复杂的区域，由于受地形变化和植被的影响，极易造成干涉相位的去相干，在干涉影像中的某些区域表现出很低的相干性。这些低相干(相干系数小于0.2)区域在单一的解缠过程中解缠错误，造成了整幅合成孔径雷达干涉影像的解缠失败。为了保障在中高相干(相干系数大于0.3)区域解缠成功，需要发展一种多级的合成孔径雷达干涉相位解缠方法。
一般来说，合成孔径雷达干涉相位解缠方法主要有：(1)一类方法是经典的路径跟踪算法——枝切法，该方法用像元集形成的最小闭合路径积分检测出二维相位数据中的所有残数点，用枝切使得所有的积分路径不包含未平衡的残数点。这种方法的计算速度很快，解缠相位与缠绕相位只会相差整数个相位周期，不会破坏真实相位的主值；它最大的缺点是在相干性低，残数点密集的区域，很难正确地设置枝切，经常得不到准确的解，甚至枝切会形成一些孤立区域，在这些区域内无法得到解。(2)另一类方法称为网络流法，比较典型的是最小费用流法，它的主要思想是将解缠相位的导数和与缠绕相位的导数之间的差异最小化，它还可以将整个误差限制在一个小范围内，防止误差的再传递，解缠结果较精确，计算效率也相对较高。最小费用流法虽然解缠的成功率很高，但对于在地形和地物复杂的区域，也容易出现解缠错误，从而导致全局性的解缠失败。
发明内容
本发明提供了一种多级合成孔径雷达干涉相位解缠方法，通过控制相干系数阈值，根据二种合成孔径雷达干涉相位解缠方法(最小费用流法和枝切法)各自的特点，联合这两种解缠方法实施多次迭代解缠处理，在地形和地物复杂区域能够实现高精度的合成孔径雷达干涉相位解缠。
一种多级合成孔径雷达干涉相位解缠方法，包括以下步骤：
S1：生成合成孔径雷达干涉影像，包括干涉图和相干系数图；
S2：利用外部DEM生成合成孔径雷达差分干涉图；
S3：应用最小费用流法对合成孔径雷达差分干涉图解缠，得到初始的合成孔径雷达解缠差分干涉图；
S4：根据不同的相干系数阈值，利用枝切法对初始的合成孔径雷达解缠差分干涉图进行迭代解缠，得到最终的合成孔径雷达解缠差分干涉图；
S5：针对合成孔径雷达解缠差分干涉图补偿地形相位，得到合成孔径雷达解缠干涉图。
进一步的，步骤S1中，根据获取的合成孔径雷达影像对进行共轭相乘和相干系数计算，从而生成合成孔径雷达干涉影像，其中，所述合成孔径雷达影像对为：
Figure BDA0002919369380000021
M和S为复数，分别表示合成孔径雷达影像对中的主影像和从影像，|M|和|S|分别表示主影像和从影像的模，
Figure BDA0002919369380000031
和
Figure BDA0002919369380000032
分别表示主影像和从影像的相位，j表示虚数；
其中，主影像和从影像共轭相乘生成干涉图为：
Figure BDA0002919369380000033
Figure BDA0002919369380000034
为合成孔径雷达干涉相位；
其中，通过相干性计算得到相干系数图为：
Figure BDA0002919369380000035
γ表示相干系数，E表示均值计算。
进一步的，步骤S2中，利用外部DEM生成高程相位，与生成的干涉图进行差分运算，得到合成孔径雷达差分干涉相位，进而生成合成孔径雷达差分干涉图，其中，外部DEM的高程相位：
Figure BDA0002919369380000036
Figure BDA0002919369380000037
表示外部DEM的高程相位，B⊥为合成孔径雷达***的垂直基线，λ表示合成孔径雷达***的波长，R表示合成孔径雷达***的斜距，θ表示合成孔径雷达***的入射角，Δz表示外部DEM中相邻像元的高度差；
其中，差分运算生成干涉图外部DEM的高程相位为：
Figure BDA0002919369380000038
公式(5)中，
Figure BDA0002919369380000039
为合成孔径雷达差分干涉相位。
进一步的，步骤S3中，选取设定的相干系数阈值，应用最小费用流法的相位解缠算法对合成孔径雷达差分干涉图进行解缠，得到初始的合成孔径雷达解缠差分干涉相位，从而形成初始的合成孔径雷达解缠差分干涉图；其中，初始的合成孔径雷达解缠差分干涉相位为：
Figure BDA00029193693800000310
ψMCF表示应用最小费用流法解缠后的初始的合成孔径雷达解缠差分干涉相位，W{.}代表解缠运算符，n表示解缠后的整周期数，γ表示相干系数，γh表示设定的相干系数阈值，所述合成孔径雷达解缠差分干涉相位ψMCF是针对相干系数大于γh的合成孔径雷达差分干涉相位
Figure BDA0002919369380000041
所作的解缠运算结果。
进一步的，步骤S4中，以γ作为相干系数的步进数，逐级递减相干系数阈值，应用枝切法对初始的合成孔径雷达解缠差分干涉相位进行迭代解缠，直到迭代到一个设定的相干系数阈值γl，结束迭代，得到迭代解缠后的合成孔径雷达解缠差分干涉相位，从而形成最终的合成孔径雷达解缠差分干涉图；
其中，合成孔径雷达解缠差分干涉相位为：
Figure BDA0002919369380000042
Figure BDA0002919369380000043
表示应用枝切法每次迭代解缠后的合成孔径雷达解缠差分干涉相位，m表示迭代次数，γT表示每次迭代解缠所运用的不同的相干系数阈值，γ表示相干系数的步进数，γl表示设定的相干系数阈值，所述合成孔径雷达解缠差分干涉相位
Figure BDA0002919369380000044
是针对相干系数大于γT的合成孔径雷达差分干涉相位
Figure BDA0002919369380000045
所作的解缠运算结果，ψBR为每次迭代解缠后的合成孔径雷达解缠差分干涉相位的集合。
进一步的，步骤S5中，将不同相干系数阈值条件下的合成孔径雷达解缠差分相位ψMCF和ψBR进行地形相位补偿，
Figure BDA0002919369380000046
Figure BDA0002919369380000047
得到合成孔径雷达解缠干涉相位ψunw。
本发明提供的多级合成孔径雷达干涉相位解缠方法以后，实现了在地形和地物复杂区域的高精度的合成孔径雷达干涉相位解缠，保障了中高相干区域的解缠成功。多级合成孔径雷达干涉相位解缠方法在基于合成孔径雷达干涉测量技术的地表三维重建和地物高度提取起到重要作用，具有较佳的技术效果。
附图说明
下面结合附图对本发明进行进一步详细的描述，以使得本发明的上述优点更加明确。
图1是本发明所述的多级合成孔径雷达干涉相位解缠方法的流程图；
图2是应用单一的最小费用流法解缠的合成孔径雷达解缠差分干涉图；
图3是应用最小费用流法解缠的初始的合成孔径雷达解缠差分干涉图；
图4是应用枝切法迭代解缠后的合成孔径雷达解缠差分干涉图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供的多级合成孔径雷达干涉相位解缠方法，通过控制相干系数阈值，联合二种合成孔径雷达干涉相位解缠方法(最小费用流法和枝切法)多次迭代解缠，适用于星载和机载合成孔径雷达干涉影像，在地形和地物复杂区域能够实现高精度的合成孔径雷达干涉相位解缠。本发明包括以下步骤：
S1：首先根据获取的合成孔径雷达影像对，进行共轭相乘和相干系数计算，从而生成合成孔径雷达干涉影像，所述合成孔径雷达干涉影像包括干涉图和相干系数图。其中，合成孔径雷达影像对可表示为：
Figure BDA0002919369380000051
公式(1)中，M和S为复数，分别表示合成孔径雷达影像对中的主影像和从影像，|M|和|S|分别表示主影像和从影像的模，
Figure BDA0002919369380000052
和
Figure BDA0002919369380000053
分别表示主影像和从影像的相位，j表示虚数。
通过公式(2)，主影像和从影像共轭相乘生成干涉图：
Figure BDA0002919369380000061
其中
Figure BDA0002919369380000062
为合成孔径雷达干涉相位。
通过公式(3)，通过相干性计算得到相干系数图。
Figure BDA0002919369380000063
γ表示相干系数，E表示均值计算。
S2：根据外部的DEM(DEM：全称为Digital Elevation Model，中文名称为：数字高程模型)生成高程相位，与生成的干涉图进行差分运算，得到合成孔径雷达差分干涉相位，进而生成合成孔径雷达差分干涉图。
通过公式(4)，得到外部DEM的高程相位：
Figure BDA0002919369380000064
公式(4)中，
Figure BDA0002919369380000065
表示外部DEM的高程相位，B⊥为合成孔径雷达***的垂直基线，λ表示合成孔径雷达***的波长，R表示合成孔径雷达***的斜距，θ表示合成孔径雷达***的入射角，Δz表示外部DEM中相邻像元的高度差。
通过公式(5)，生成干涉图外部DEM的高程相位：
Figure BDA0002919369380000066
公式(5)中，
Figure BDA0002919369380000067
为合成孔径雷达差分干涉相位。
通过合成孔径雷达差分干涉相位，进而生成合成孔径雷达差分干涉图。
S3：选取较高的相干系数阈值，所述相干系数阈值为0.8以上，应用最小费用流法(MCF,The Minimum Cost Flow)的相位解缠算法对合成孔径雷达差分干涉图进行解缠，得到初始的合成孔径雷达解缠差分干涉相位，如公式(6)所示，从而形成初始的合成孔径雷达解缠差分干涉图。
Figure BDA0002919369380000068
公式(6)中,ψMCF表示应用最小费用流法解缠后的合成孔径雷达解缠差分干涉相位，W{.}代表解缠运算符，n表示解缠后的整周期数，γ表示相干系数，γh表示较高的相干系数阈值，公式(6)中计算的合成孔径雷达解缠差分干涉相位ψMCF是针对相干系数大于γh的合成孔径雷达差分干涉相位
Figure BDA0002919369380000071
所作的解缠运算结果。
S4：以γ作为相干系数的步进数，逐级递减相干系数阈值，应用枝切法(BR，BranchCut)对初始的合成孔径雷达解缠差分干涉相位进行迭代解缠，如公式(7)所示，直到迭代到一个较低的相干系数阈值γl(0.2<γl<0.4)，结束迭代，得到迭代解缠后的合成孔径雷达解缠差分干涉相位ψBR。ψMCF和ψBR共同组成了不同相干系数阈值条件下合成孔径雷达解缠差分干涉相位，从而形成最终的合成孔径雷达解缠差分干涉图。
Figure BDA0002919369380000072
公式(7)中，
Figure BDA0002919369380000073
表示应用枝切法每次迭代解缠后的合成孔径雷达解缠差分干涉相位，m表示迭代次数，γT表示每次迭代解缠所运用的不同的相干系数阈值，γ表示相干系数的步进数，γl表示较低的相干系数阈值，(7)中计算的合成孔径雷达解缠差分干涉相位
Figure BDA0002919369380000074
是针对相干系数大于γT的合成孔径雷达差分干涉相位
Figure BDA0002919369380000075
所作的解缠运算结果，ψBR为每次迭代解缠后的合成孔径雷达解缠差分干涉相位的集合。
S5：针对合成孔径雷达解缠差分干涉图补偿地形相位，得到合成孔径雷达解缠干涉相位，形成合成孔径雷达解缠干涉图。
通过公式(8)，将公式(6)和(7)计算得到的不同相干系数阈值条件下的合成孔径雷达解缠差分相位ψMCF和ψBR进行地形相位补偿，从而形成合成孔径雷达解缠干涉相位。
Figure BDA0002919369380000076
Figure BDA0002919369380000081
公式(8)中，ψunw表示合成孔径雷达解缠干涉相位。
利用星载合成孔径雷达干涉影像进行相位解缠实验，图2是实施例中的应用单一的最小费用流法解缠的合成孔径雷达解缠差分干涉图(相干系数阈值为0.3)，从图中可以看出，该结果存在全局性的相位跳变，导致整幅影像解缠失败。
图3为应用最小费用流法的初始的合成孔径雷达解缠差分干涉图(相干系数阈值为0.85)，图4为应用枝切法对初始的合成孔径雷达解缠差分干涉相位进行迭代解缠后的合成孔径雷达解缠差分干涉图(相干系数的步进数为0.05，相干系数阈值为0.3)。
可以看出，通过实施多级合成孔径雷达干涉相位解缠方法后，不存在全局性的解缠错误，在中高相干性区域，保留了正确的合成孔径雷达解缠干涉相位值，能够提升合成孔径雷达干涉测量技术在地形和高度测量中的精度。
上述具体实施例仅仅是示例性的，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种多级合成孔径雷达干涉相位解缠方法，包括以下步骤：
S1：生成合成孔径雷达干涉影像，包括干涉图和相干系数图；
S2：利用外部DEM生成合成孔径雷达差分干涉图；
S3：应用最小费用流法对合成孔径雷达差分干涉图解缠，得到初始的合成孔径雷达解缠差分干涉图；
S4：根据不同的相干系数阈值，利用枝切法对初始的合成孔径雷达解缠差分干涉图进行迭代解缠，得到最终的合成孔径雷达解缠差分干涉图；
S5：针对合成孔径雷达解缠差分干涉图补偿地形相位，得到合成孔径雷达解缠干涉图。
2.根据权利要求1所述的多级合成孔径雷达干涉相位解缠方法，其特征在于：步骤S1中，根据获取的合成孔径雷达影像对进行共轭相乘和相干系数计算，从而生成合成孔径雷达干涉影像，其中，所述合成孔径雷达影像对为：
Figure FDA0002919369370000011
M和S为复数，分别表示合成孔径雷达影像对中的主影像和从影像，|M|和|S|分别表示主影像和从影像的模，
Figure FDA0002919369370000012
和
Figure FDA0002919369370000013
分别表示主影像和从影像的相位，j表示虚数；
其中，主影像和从影像共轭相乘生成干涉图为：
Figure FDA0002919369370000014
Figure FDA0002919369370000015
为合成孔径雷达干涉相位；
其中，通过相干性计算得到相干系数图为：
Figure FDA0002919369370000021
γ表示相干系数，E表示均值计算。
3.根据权利要求2所述的多级合成孔径雷达干涉相位解缠方法，其特征在于：步骤S2中，利用外部DEM生成高程相位，与生成的干涉图进行差分运算，得到合成孔径雷达差分干涉相位，进而生成合成孔径雷达差分干涉图，其中，外部DEM的高程相位：
Figure FDA0002919369370000022
Figure FDA0002919369370000023
表示外部DEM的高程相位，B⊥为合成孔径雷达***的垂直基线，λ表示合成孔径雷达***的波长，R表示合成孔径雷达***的斜距，θ表示合成孔径雷达***的入射角，Δz表示外部DEM中相邻像元的高度差；
其中，差分运算生成干涉图外部DEM的高程相位为：
Figure FDA0002919369370000024
公式(5)中，
Figure FDA0002919369370000025
为合成孔径雷达差分干涉相位。
4.根据权利要求3所述的多级合成孔径雷达干涉相位解缠方法，其特征在于：步骤S3中，选取设定的相干系数阈值，应用最小费用流法的相位解缠算法对合成孔径雷达差分干涉图进行解缠，得到初始的合成孔径雷达解缠差分干涉相位，从而形成初始的合成孔径雷达解缠差分干涉图；其中，初始的合成孔径雷达解缠差分干涉相位为：
Figure FDA0002919369370000026
ψMCF表示应用最小费用流法解缠后的初始的合成孔径雷达解缠差分干涉相位，W{.}代表解缠运算符，n表示解缠后的整周期数，γ表示相干系数，γh表示设定的相干系数阈值，所述合成孔径雷达解缠差分干涉相位ψMCF是针对相干系数大于γh的合成孔径雷达差分干涉相位
Figure FDA0002919369370000027
所作的解缠运算结果。
5.根据权利要求4所述的多级合成孔径雷达干涉相位解缠方法，其特征在于：步骤S4中，以γ作为相干系数的步进数，逐级递减相干系数阈值，应用枝切法对初始的合成孔径雷达解缠差分干涉相位进行迭代解缠，直到迭代到一个设定的相干系数阈值γl，结束迭代，得到迭代解缠后的合成孔径雷达解缠差分干涉相位，从而形成最终的合成孔径雷达解缠差分干涉图；
其中，合成孔径雷达解缠差分干涉相位为：
Figure FDA0002919369370000031
Figure FDA0002919369370000032
Figure FDA0002919369370000033
表示应用枝切法每次迭代解缠后的合成孔径雷达解缠差分干涉相位，m表示迭代次数，γT表示每次迭代解缠所运用的不同的相干系数阈值，γ表示相干系数的步进数，γl表示设定的相干系数阈值，所述合成孔径雷达解缠差分干涉相位
Figure FDA0002919369370000034
是针对相干系数大于γT的合成孔径雷达差分干涉相位
Figure FDA0002919369370000035
所作的解缠运算结果，ψBR为每次迭代解缠后的合成孔径雷达解缠差分干涉相位的集合。
6.根据权利要求5所述的多级合成孔径雷达干涉相位解缠方法，其特征在于：步骤S5中，将不同相干系数阈值条件下的合成孔径雷达解缠差分相位ψMCF和ψBR进行地形相位补偿，
Figure FDA0002919369370000036
Figure FDA0002919369370000037
得到合成孔径雷达解缠干涉相位ψunw。
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