一种面向无参考点的顺轨干涉SAR海面复图像配准方法

孔维亚 种劲松



一种面向无参考点的顺轨干涉SAR海面复图像配准方法

孔维亚①②③种劲松*①②

①(中国科学院电子学研究所 北京 100190)②(微波成像技术国家重点实验室 北京 100190)③(中国科学院大学 北京 100190)

顺轨干涉SAR海面复图像通常利用静止陆地参考点进行配准，获得精确有效的海洋流场干涉相位信息。复图像中无参考点时，仅能依据海浪纹理进行配准，受海面随机运动以及低信噪比的影响，配准像素偏移往往会出现像素级误差，并导致干涉相位图质量严重下降。根据大尺度海浪变化周期较长，在干涉成像间隔内可视作静止这一特征，该文提出保留大尺度海浪对应的方位谱分量以提高数据信噪比和相关性，进而提高配准精度的方法，并选用海面实际方位分辨率作为大尺度海浪方位谱选取范围的约束条件。通过机载顺轨干涉SAR实验数据证明，所提方法可有效提高无参考点海面复图像的配准精度。

顺轨干涉SAR；海面复图像；无参考点配准

1 引言

顺轨基线的存在导致前后SLC中的像素不是完全对应，即同一目标在前后SLC中的位置存在若干个方位向像素偏移，对SLC进行精确配准是获取有效顺轨干涉相位的必要前提，通常要求配准精度需达到亚像素级[6]，否则干涉相位将出现失配，严重影响流场速度的反演精度。目前，国际上进行ATI- SAR海面SLC配准时，通常选取图像中陆地目标作为配准参考点，再利用相关系数法[5]对其进行配 准[6,7]。然而，人们关注的大量流场区域往往不包含陆地，尤其是对于机载ATI-SAR，由于其幅宽较窄，多数情况下不能覆盖陆地，进而导致无参考点可用于配准。针对无参考点的ATI-SAR海面SLC的配准问题，国内外鲜有相关文献报道。

对于无参考点的海面SLC，仅能对图像中的海浪纹理进行基于相关系数最大准则的配准。ATI- SAR成像间隔即使是毫秒量级，前后天线SLC之间的相关性也会急剧下降[8]，这主要是由两方面原因造成：一是海面随机运动导致后天线SLC记录的海浪纹理相比于前天线已经产生了一定的变化，即产生去相关效应；二是海面后向散射系数远低于陆地，且振动周期短的小尺度波在合成孔径时间内变化剧烈，已不能聚焦而间接转化为噪声[9,10]，进一步降低了回波信噪比，并加剧了去相关效应。因此，利用相关系数法对低相关的海浪纹理进行配准时，在噪声影响下，由最大相关系数点对应的像素偏移配准后获得的干涉相位图质量往往不是最优，会产生像素级配准误差，严重时甚至出现配准错误。

为此，本文提出了一种面向无参考点的ATI- SAR海面SLC配准方法。基于海浪频散关系，大尺度海浪振动周期长[9]，在干涉时间间隔内变化很小，因此截取大尺度海浪对应的SLC方位谱低频分量可以提升数据信噪比和相关性。首先对滤波后的前后SLC进行迭代配准搜索，得到配准所需的像素偏移，再对未滤波的原始SLC进行配准，最终获得干涉相位图。考虑到仅保留SLC的方位谱低频分量会降低图像分辨率，并导致配准精度下降这一问题，本文选用海面方位向实际分辨率作为海浪方位谱选取的约束条件。通过机载ATI-SAR实验数据证明，本文方法可有效提高海面SLC的配准精度。

2 面向无参考点的ATI-SAR海面SLC配准方法

针对无参考点ATI-SAR海面SLC的配准问题，本文提出以大尺度海浪纹理为配准对象的迭代配准算法。以下以机载ATI-SAR海面SLC配准为例进行说明，本文方法同样适用于星载ATI-SAR。

图1 无参考点ATI-SAR海面SLC配准方法流程图

本文方法主要包括4个步骤：数据预处理、配准搜索、大尺度海浪对应的方位谱分量选取、干涉相位生成，下面对这些步骤进行介绍。

2.1 数据预处理

图2 数据预处理示意图

2.2 配准搜索

2.3 大尺度海浪对应的方位谱分量截取

若配准出现像素级误差，则选取匹配窗和搜索窗中SLC方位谱的大尺度海浪分量以提高ATI- SAR海面SLC的配准精度，本文方法与相关系数法的本质区别在于是否进行该步骤。

根据海浪频散关系，波长越长，变化周期越大。在随机多尺度海面模型中，将波长大于雷达分辨率的波浪定义为大尺度海浪[13]。大尺度海浪在毫秒级干涉时间间隔内，基本可视作静止。去除SLC方位谱中小尺度海浪对应的高频成分既提高了大尺度海浪在配准中所占的权重，也提升了数据信噪比，同时提高了数据的相关性。但是，SLC仅保留大尺度海浪对应的方位谱分量会降低图像实际分辨率，分辨率越低，配准误差越大，所以实际处理时，需要兼顾信噪比提升和图像分辨率下降两个因素。提高ATI-SAR海面SLC配准精度转化为方位谱截取范围的选择问题。

图3 配准搜索示意图

下面选用海面实际方位分辨率作为大尺度海浪方位谱选取范围的约束条件，ATI-SAR方位向分辨率一般可表示为[14]

海浪沿着雷达视向传播时，海面相关时间可以近似为[16]

以上为大尺度海浪对应的方位谱分量选取的主要流程，实际数据处理时，还需考虑以下几个问题。

在截取大尺度海浪的方位谱分量之前，需要先估计实际流场径向速度导致的多普勒中心偏移。当流场速度均匀时，由海面SLC获取的方位谱多普勒中心出现一致性偏移[17]，此时的SLC已非“基带”信号，多普勒中心偏移可表示为

2.4 干涉相位生成

3 实验结果与分析

3.1 机载ATI-SAR海面SLC配准实验

本节使用中国科学院电子学研究所Ku波段机载ATI-SAR于2015年12月9日获取的中国渤海海面SLC数据进行配准验证，雷达系统参数如表1所示，天线为双发双收模式，实验当日海面风速2~6 m/s。

在方位向对条带数据进行分块，每块数据大小为1024×4096(方位向×距离向)像素。图4为前后天线SLC相应的幅度图(图像方位向尺寸过大，这里仅截取一部分进行示例)，幅度图中海浪具有明显的纹理特征，分辨单元大小为0.03 m×0.12 m(方位向×距离向)。实验数据的分辨率较高，主要是考虑到后续进行流场提取时，能够进行足够的空间多视以降低干涉相位噪声，提升数据信噪比，进而提高流速的反演精度。虚线框中为配准误差较大的问题数据块，由相关系数法得到其方位向和距离向的配准像素偏移为(-5.5, 1.6)，这个结果同其他正常数据块配准结果(-5~-7, 0.5~0.7)相比，距离向存在像素级误差，需用本文方法对该数据块重新进行配准(方位向配准结果波动较大，是由于飞机实际飞行过程中速度非恒定，且SLC方位向分辨率同距离向分辨率不相等)。

图4 前后天线SLC幅度图

表1 机载ATI-SAR系统参数

具体操作如图6所示，首先对小块数据在方位向进行平均，拟合获得平地相位变化曲线，进而得到整块数据对应的2维平地相位，然后去除该小块数据的平地相位，并统计剩余相位的RMSE。结果表明，本文方法对应的干涉相位RMSE为1.191 rad，明显优于相关系数法的1.396 rad。

图5 两种方法获得的干涉相位图对比

图6 干涉相位图质量评价标准建立示意图

3.2 本文方法性能分析

3.2.1本文方法最优性分析 本文方法本质上是通过低通滤波以提高匹配窗和搜索窗内SLC的相关性，进而获得精度提升的配准像素偏移。滤波必然会对海面SLC图像结构带来一定的变化，所以用该配准像素偏移对原始SLC进行配准，虽然得到的干涉相位图质量优于相关系数法，却不能证明干涉相位图达到了原始SLC可以达到的最优配准结果。

(1)方位向像素偏移固定-5.5个像素，改变距离向像素偏移分别为-2, -1, 0, 1, 2个像素，得到的干涉相位对比结果如图7(a)-图7(e)所示。

图7(a)-图7(e)中干涉相位对应的RMSE分别为1.757, 1.487, 1.207, 1.264, 1.536 (rad)。所以，距离向偏移在0~1个像素之间时，干涉相位图质量最优。

(2)距离向像素偏移固定1.6个像素，改变方位向像素偏移分别为-3, -4, -5, -6, -7个像素，得到的干涉相位对比结果如图8(a)-图8(e)所示。

图8(a)-图8(e)中干涉相位对应的RMSE分别为1.651, 1.455, 1.376, 1.354, 1.416 (rad)。所以，方位向偏移在-5~-7个像素之间时，干涉相位图质量最优。

图7 不同距离向像素偏移的干涉相位图对比

图8 不同方位向像素偏移的干涉相位图对比

根据上述实验结果综合可知，由本文方法得到的配准像素偏移(-6.1, 0.6)在上述实验过程得到的最佳像素偏移范围内，证明本文方法得到的配准像素偏移使原始SLC配准后的干涉相位图质量达到最优。

3.2.2本文方法稳健性分析 为了验证本文方法的稳健性，对整个条带的32个数据块分别用相关系数法和本文方法进行处理，记录各自的配准像素偏移，如图9所示。由统计结果可知，距离向像素偏移稳定在0.5~0.7个像素之间，证明本文方法可使海面SLC距离向的配准精度达到亚像素级，方位向像素虽然变化相对较大，但是考虑到方位向像素本身比距离向像素小4倍，所以本文方法并未对方位向像素配准精度造成明显的降低。

图10为两种方法对前述问题数据块进行配准搜索时得到的相关系数分布图，本文方法相比于相关系数法，相关系数得到明显的提升，但“相关峰值区域”在方位向上存在一定的延展，这是由于仅保留大尺度海浪方位谱分量导致SLC方位向实际分辨率有所下降。但对比图5可知，距离向配准精度提升带来的干涉相位图质量提升，大于方位向配准精度下降导致的损失。

4 总结

顺轨干涉SAR海面复图像精确配准是获取有效流场干涉相位的必要前提。图像中无静止陆地作为参考点时，依据海面纹理信息进行相关配准会存在像素级误差。本文利用大尺度海浪变化周期较长且纹理特征明显等优点，保留原始SLC方位谱中大尺度海浪对应的低频分量，有效提高了ATI-SAR海面SLC配准精度，保障了海面流场速度的精确反演。本文方法一定程度上解决了ATI-SAR海面SLC配准对陆地参考点的依赖问题，使ATI-SAR进行海洋遥感应用研究的实验地点和研究对象都有了更大范围的拓展。

图9 两种方法配准结果统计对比

图10 两种方法的相关系数分布图对比

[2] MARTIN A C H, GOMMENGINGER C, MARQUEZ J,. Wind-wave induced velocity in ATI SAR ocean surface currents: First experimental evidence from an airborne campaign[J]., 2016, 121(6): 5314-5328. doi: 10.1002/2015JC011459.

[3] DENG H, FARQUHARSON G, THOMSON J,. An analysis of error in surface current mapping by an along-track interferometric FMCW SAR[C]. Proceedings of the IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Beijing, China, 2016: 3215-3218. doi: 10.1109/IGARSS.2016. 7729832.

[4] CHEN Z, ZHANG L, and ZHANG G. An improved InSAR image coregistration method for pairs with relatively big distortions or large incoherent areas[J]., 2016, 16(9): 1213-1226. doi: 10.3390/s16091519.

[5] DVORNYCHENKO V N. Bounds on (deterministic) correlation functions with application to registration[J]., 1983, PAMI-5(2): 206-213. doi: 10.1109/TPAMI. 1983.4767373.

[6] ROMEISER R. Quality assessment of surface current fields from TerraSAR-X and TanDEM-X along-track interferometry and Doppler centroid analysis[J].&, 2014, 52(5): 2759-2772. doi: 10.1109/TGRS.2013.2265659.

[7] SUCHANDT S and RUNGE H. Ocean surface observations using the TanDEM-X satellite formation[J].&, 2015, 8(11): 5096-5105. doi: 10.1109/JSTARS.2015. 2446893.

[8] PLANT W J, TERRAY E A, PETITT R A,. The dependence of microwave backscatter from the sea on illuminated area-correlation times and lengths[J]., 1994, 99(C5): 9705-9723. doi: 10.1029/93JC00862.

[9] JACKSON C. Synthetic Aperture Radar Marine User,s Manual[M]. Washington, DC: Published Online, 2004: 36-40.

[10] 吴琴霞, 梁兴东, 李焱磊, 等. 残余运动误差对机载多波段SAR 图像配准的影响分析[J]. 雷达学报, 2015, 4(2): 209-216. doi: 10.12000/JR14065.

WU Qinxia, LIANG Xingdong, LI Yanlei,. Analysis of the residual motion error impact on airborne multiband SAR image registration[J]., 2015, 4(2): 209-216. doi: 10.12000/JR14065.

[11] ZHANG H, HONG J, QIU XL,. Effects of residual motion compensation errors on the performance of airborne along-track interferometric SAR[J].&, 2016, 17(10): 1095-1106. doi: 10.1631/FITEE.1500311.

[12] 丁昊, 董云龙, 刘宁波, 等. 海杂波特性认知研究进展与展望[J]. 雷达学报, 2016, 5(5): 499-516. doi: 10.12000/JR16069.

DING Hao, DONG Yunlong, LIU Ningbo,. Overview and prospects of research on sea clutter property cognition[J]., 2016, 5(5): 499-516. doi: 10.12000/ JR16069.

[13] PLANT W J. A stochastic, multiscale model of microwave backscatter from the ocean[J]., 2002, 107(C9): 3-1-3-21. doi: 10.1029/2001 JC000909.

[14] CUMMING I G and WONG F H. Digital Signal Processing of Synthetic Aperture Radar Data: Algorithms and Implementation[M]. Washington, DC, Artech House, 2004: 98-101.

[15] MINGQUAN B and BRUNING C. Simulation of ocean waves imaging by an along-track interferometric synthetic aperture radar[J]., 1997, 35(3): 618-631. doi: 10.1109/36.581977.

[16] FRASIER S J and CAMPS A J. Dual-beam interferometry for ocean surface current vector mapping[J]., 2001, 39(2): 401-414. doi: 10.1109/36.905248.

[17] CHAPRON B and COLLARD F. Direct measurements of ocean surface velocity from space: Interpretation and validation[J]., 2005, 110(C7): 691-706. doi: 10.1029/2004JC002809.

[18] HIRSCH O. Calibration of an airborne along-track interferometric SAR system for accurate measurement of velocities[C]. Geoscience and Remote Sensing Symposium, Sydney, 2001: 558-560. doi: 10.1109/IGARSS.2001.976221.

[19] ENJOLRAS V, VINCENT P, SOUYRIS J,Performances study of interferometric radar altimeters: From the instrument to the global mission definition[J]., 2006, 6(3): 164-192.doi: 10.3390/s6030164.

孔维亚： 男，1990年生，博士生，研究方向为干涉SAR海洋遥感探测与应用.

种劲松： 女，1969年生，研究员，博士生导师，研究方向为海洋微波遥感.

A Coregistration Method for Ocean Surface Complex Images of Along-track Interferometric SAR without Control Point

KONG Weiya①②③CHONG Jinsong①②

①(,,100190,)②(,100190,)③(,100190,)

In order to get high-precision interferogram of ocean surface current, static control points from land area are normally used to coregistrate ocean surface complex images of along-track interferometric SAR. When there is no control point in the image, ocean wave texture can only be used instead. Under the influence of stochastic movement and low signal-to-noise ratio of the ocean, the coregistration error tends to exceed one pixel, hence damages the quality of interferogram severely. Since the period of large-scale wave is much longer than the interferometric interval, large-scale wave can be treated as static during the interval. Based on this matter of fact, this paper proposes a coregistration method by reserving the spectrum of large-scale wave to improve the signal-to-noise ratio and correlation coefficient, further improving the coregistration precision. Ocean azimuth resolution is used as the criterion to decide which part of the spectrum should be reserved. Airborne along-track interferometric SAR data is demonstrated here, proving the proposed method can improve the coregistration precision of ocean surface complex images without control point.

Along-Track Interferometric SAR (ATI-SAR);Ocean surface complex image; Coregistration without control point

TN957.52

A

1009-5896(2017)12-2819-08

10.11999/JEIT170223

2017-03-17；

2017-08-08；

2017-09-14

通信作者：种劲松 iecas_chong@163.com

微波成像技术国家重点实验室基金(CXJJ_15S119)

The Foundation of National Key Laboratory of Science and Technology on Microwave Imaging (CXJJ_15S119)