干涉合成孔径雷达数据处理软件设计与实现

2013-10-10 11:32唐绍华

常州工学院学报 2013年2期

唐绍华

(湖南工程职业技术学院，湖南长沙 410151)

0 引言

随着科学技术的发展，SAR技术正朝着能够为人们提供更广、更丰富目标信息的方向发展。未来SAR技术发展的趋势主要有:高分辨率和超高分辨率成像，多波段、多极化、可变视角和多模式，能够产生目标三维图像的干涉SAR，动目标成像，实时SAR成像处理器。其中追求更高分辨率成像是SAR技术发展的核心。

目前InSAR数据处理的主要软件有:EVInSAR、PCI、Gamma、Erdas IMAGE、Doris InSAR、ASFSoftware Tools、ROI_PAC、武汉大学开发的GeoImager 5．0、中国测绘遥感研究院的ImageInfo1．0以及中科院遥感所的InSAR处理器等，但这些软件远没有达到InSAR数据的规模化和商业化程度，目前主要还处于利用国外提供的干涉数据进行研究的阶段。由于InSAR处理数据的缺乏，限制了InSAR处理技术的发展，因此，需要积极研发本国的InSAR系统，得到大量可以用于InSAR处理的数据和算法处理软件，为国防建设和国民经济建设服务。

干涉合成孔径雷达CCI数据处理系统把等值线相关干涉(CCI)系列理论应用于干涉合成孔径雷达(InSAR)数据处理的复图像配准、干涉条纹图生成、相位解缠等过程中，能快速得到精度更高的数据处理结果。

1 CCI方法处理InSAR数据流程及原理

InSAR是以合成孔径雷达复数据提取的相位信息为信息源获取地表的三维信息和变化信息的一项技术。基于数字信号处理技术，InSAR的数据处理过程可以被高度自动化，以提取地表三维信息和地表形变结果。在干涉数据处理实施之前，必须选择合适的干涉像对和其他辅助数据(如，外部DEM、用于地形相位的去除)。

干涉像对的选择准则:对DEM生成来说，干涉基线既不能太长也不能太短，对于形变监测来说，干涉基线越短越好。在得到有效的干涉数据集后，对其进行必要的处理，处理步骤包括SAR图像配准、干涉图生成、参考面地形影响去除、几何变换、相位解缠等，CCI方法处理InSAR数据处理流程如果1所示。

图1 CCI方法处理InSAR数据流程图

系统数据处理需要经过打开相位数据、条纹方向图计算、方向图滤波、条纹密度图计算、生成干涉图、干涉图滤波、相位解缠等过程。

生成InSAR干涉相位图的CCI方法的主要原理及步骤如下:

1)对两幅复数图像中对应的每一像素点，以当前点为中心，取一大小为m×n的等值线窗口，在窗口内对两幅复图像数据的实部或虚部用式(1)进行相关运算，求出其相关系数C1。

其中，＜f1·f2＞m×n算符代表在m×n像素范围内对某一变量求均值。

2)用相同方法对主图像数据的实部和辅图像用式(1)进行相关运算，求出其相关系数C2，或对主图像数据的虚部和辅图像数据的实部进行相关运算，求出其相关系数－C2，进而得到C2。

3)对C2与C1的比值求反正切获得干涉相位图像。

2 设计结果与检验

结合CCI方法处理InSAR数据处理流程和软件系统目标，划分了系统功能模块，通过示例展示及系统测试介绍系统设计与检验结果。

2.1 系统目标

系统主要实现以下目标:

1)数据预处理:主要完成取部分数据、查看相位幅值图、去平地和复多视等功能。

2)方向图与密度图计算:包括多种计算条纹方向图和密度图方法，以及方向图滤波。

3)复图像配准:包括粗配准、精配准、等值线相关配准。

4)干涉条纹图生成:包括共轭相乘、矩形窗口相关、等值线窗口相关生成干涉条纹图，以及干涉条纹图滤波等功能。

5)相位解缠:包括MaskCut、枝切法、最小二乘、质量图引导路径跟踪、等值线窗口指导解缠等。

6)其他辅助功能:各种条纹图处理的辅助功能。

2.2 模块划分

根据系统需求，将系统划分为数据预处理管理、方向图管理、配准管理、相位解缠管理、辅助功能管理五大模块，各模块对应的子功能如表1所示。

2.3 系统实现

系统使用VC++6．0程序开发环境实现，系统主界面设计如图2所示，系统界面主要包括文件、预处理、方向图、配准、生成干涉图、相位解缠、辅助功能、编辑、查看、窗口等菜单。

表1 模块功能表

图2 系统主界面

2.4 系统处理流程展示

通过案例展示系统的部分处理流程，包括打开相位数据、条纹方向图计算、条纹密度图计算和相位解缠等。

2.4.1 图像预处理

1)打开相位数据

图像预处理包含SLC数据的预处理方法，如打开相位图、取部分数据、复多视与平地效应去除等。用于打开SLC相位数据，并以相位幅值图的形式显示，如图3、图4所示。

2)取部分InSAR数据

SLC原始数据通常较大，有时需要取出部分数据进行处理，数据大小设置:width 1024，height 1024，数据类型float，每次读取的行数512。

图3 打开相位数据

图4 显示相位数据

3)复多视处理

原始的SLC数据距离向与方位向分辨率不同，为了获得相同的分辨率，提高数据的信噪比，有必要进行复多视处理，数据大小设置:width 1024，height 1024，距离向为1，方位向为5。

4)平地效应消除

高度不变的平地在干涉纹图中所表现出来的干涉条纹随距离向与方位向的变化而呈周期性变化的现象称为平地效应。此效应使得干涉纹图的主要频率不在零频，不能反映实际地面的高程变化，所以必须进行消除。消除平地的方法很多，本软件采用的是通过测量距离向和方位向占优势的干涉频率来计算平地相位，然后消除平地效应，具体如下:

首先，对相位数据进行FFT变换，并计算距离向和方位向的频谱偏移量;然后通过频谱平移来消除平地效应。数据大小设置:width 0，height 0，数据类型int;去平地参数设置:距离向频谱偏移量为0，方向向频谱偏移量为0。

2.4.2 方向图

1)条纹方向图计算

条纹方向图是CCI方法的基础，本软件采用平面拟合、多点平均、局域频率估计以及多方向拟合等方法实现条纹方向图的计算。首先打开待处理条纹图，然后选择相应的算法和计算窗口，最后得到并显示方向图，如图5、图6所示。

图5 仿真条纹图

图6 条纹方向图

2)方向图滤波

方向图滤波包括中值滤波、均值滤波和等值线滤波，如图7所示。

图7 方向图滤波后结果

3)条纹密度图计算

条纹方向求取、干涉纹图生成等处理都存在窗口尺寸的选取问题。对于InSAR干涉纹图，当地形变化较大时，其条纹宽度变化剧烈。若用同一窗口尺寸必然会降低处理的精度，因此必须根据局部条纹宽度自适应地选取窗口尺寸，这就要求计算条纹密度。本软件采用局域频率估计和多方向梯度平均的方法来实现条纹密度的计算，如图8、图9所示。