Sentinel-1A卫星TOPS模式数据干涉处理

吴文豪，李　陶，陈志国，郝洪美

(1. 武汉大学卫星导航定位技术研究中心，湖北 武汉 430079； 2. 吉林省基础测绘院， 吉林 四平 136001)



Sentinel-1A卫星TOPS模式数据干涉处理

吴文豪1，李陶1，陈志国1，郝洪美2

(1. 武汉大学卫星导航定位技术研究中心，湖北 武汉 430079； 2. 吉林省基础测绘院， 吉林 四平 136001)

Interferometric Processing of TOPS Mode for Sentinel-1A

WU Wenhao,LI Tao,CHEN Zhiguo，HAO Hongmei

摘要：TOPS成像模式通过在方位向和距离向联合调整波束姿态来实现宽幅成像。与条带模式不同，该模式在成像过程中每组Burst多普勒中心频率在方位向发生变化，干涉处理重采样时精确获取每个采样单元的多普勒中心频率是本文研究的重点。因此本文采用意大利那波里地区Sentinel-1A卫星数据进行了试验，首先采用联合估计方法有效计算出了多普勒中心频率，再调制插值核，进而获得了干涉处理结果，最后参考零多普勒时间进行Burst干涉图间的拼接，获得了更大范围的干涉图。

关键词：干涉处理; 多普勒中心频率; 多普勒历程; TOPS成像

Sentinel-1A(哨兵)是继ERS和ENVISAT之后对推动差分干涉测量技术发展具有划时代意义的C波段合成孔径雷达(SAR)卫星，其默认的成像模式TOPS(terrain observation by progressive scans)不但宽幅成像，更支持干涉处理[1]。与传统的条带模式相比，TOPS模式方位向多普勒中心频率是变化的，因此干涉处理时TOPS不但要考虑多普勒中心频率在距离向的变化，还要顾及在方位向的变化。

由于TOPS数据刚刚发布，目前还没有开源软件可以处理TOPS干涉，因此本文针对Sentinel-1A卫星的TOPS模式影像，以开源软件DORIS作为基础试验平台，提出新的多普勒中心频率估计联合方法对内插核进行调制，获得各组Burst干涉图，又以零多普勒时间作为参考，对干涉图进行拼接，获得大范围的干涉成果。

一、TOPS多普勒历程分析

TOPS是Rocca等为改善ScanSAR影像质量而提出的新型宽幅成像模式[2]。与传统的条带模式相比，宽幅合成孔径雷达在相对较短的时间内确保影像具有较大的覆盖面积，SRTM即是通过该技术在短时间内获取的全球数字高程模型[3]。

TOPS模式在成像过程中，天线波束沿方位向从后向前摆动，下一个波束指向另一个子带时，波束沿方位向重新由后指向前，经过一个扫描周期后，天线波束重新照射第一个子带，从而获得一个更大范围的成像区域[4]。TOPS每个子测绘带由多组脉冲序列(Burst)组成，其点目标多普勒历程如图1所示，其中横轴为方位向时间，纵轴为多普勒频率值。图中P1—P4分别代表方位向上4个点目标TOPS模式中的零多普勒时间，其多普勒历程如倾斜虚线所示(不同虚线代表不同的目标)，斜率即多普勒调频率。方格条纹区域表示雷达接收的有效回波，竖直条纹区域为无效回波。从图1中可以看出，方位向上点目标的多普勒中心频率随着方位向时间的变化而变化。传统的干涉处理方法主要是针对条带模式，认为方位向多普勒中心频率是一致的，因此TOPS模式干涉处理时需要考虑到方位向多普勒中心频率变化对重采样的影响[5]。TOPS模式每组Burst在距离向和方位向均存在一定程度的重叠，如目标P4将被两组Burst观测到，但其零多普勒时间依然是一致的，这为影像拼接提供了可能。因此本文基于上述分析，在传统的干涉处理方法基础上进行多普勒中心频率计算和内插核调制，实现Sentinel-1A卫星TOPS数据的干涉处理，并进行方位向和距离向的干涉图拼接，实现其宽幅成像的意义。

图1　TOPS 模式点目标多普勒历程

二、TOPS多普勒中心频率计算

如上文所述，TOPS成像模式多普勒中心频率在方位向是变化的。在成像过程中，聚焦影像频谱直接受到点目标多普勒历程的影响，即非零多普勒中心频率导致聚焦影像脉冲响应函数存在严重的相位斜坡效应，方位线转为非基带信号，无法对非基带信号计算进行插值处理。因此需要根据单视复影像的多普勒中心频率分布对其内插核进行调制，使其内插核频谱中心与影像多普勒中心频率保持一致，实现方位线的重采样[6]。

准确获取TOPS聚焦影像的每个采样单元的多普勒中心频率是正确重采样的前提。卫星姿态是缓变的，且天线方向图为距离的光滑函数，多普勒中心频率不会出现跳变，因此计算多普勒中心频率时为了处理方便，分别在距离向和方位向拟合出多普勒中心频率分布函数[7]。TOPS模式每组Burst成像时波束姿态在距离向不变化，处理方法与条带模式相同。而波束姿态在方位向是变化的，多普勒中心频率需要根据TOPS多普勒历程与零多普勒影像聚焦原理求出。多普勒中心频率fDC(tr,ta)在方位向的变化表示为

(1)

(2)

式中，KR(tr)为多普勒调频率；kψ为波束旋转角速度。在聚焦成像过程中，点目标被校正到零多普勒位置，雷达回波的多普勒中心频率变化率Ks与影像聚焦后的零多普勒影像所对应的多普勒中心频率KAZ变化并不相同，零多普勒投影聚焦影像的持续时间相当于原始回波信号作了延展处理(如图2所示)，其延展系数α为

(3)

可进一步得到

(4)

图2　TOPS模式原始回波与聚焦影像多普勒频谱

TOPS卫星参数文件中每组Burst仅提供两个参考时间点的多普勒调频率和多普勒中心频率，而成像过程中上述参数时刻都在变化，仅靠两个参考时间点的参数根据式(1)获取的多普勒中心频率是不够精确的。因此本文采用联合估计法计算多普勒中心频率，即在此基础上根据多普勒中心频率分布对影像方位线进行去斜处理，再采用相位增量法对残余的方位线多普勒中心频率进行估计[8-9]，最后将两种方法估计值求和获得准确的多普勒中心频率。

TOPS影像重采样时需要根据影像每个采样单元的多普勒中心频率对内插核进行调制，如式(5)所示

Wshift=Wkerexp(j·2π·fDC(tr,ta)·tα)

(5)

式中，Wker和Wshift分别为调制前和调制后的插值核。采用调制后的插值核便可以实现对TOPS影像进行重采样，确保相位信息的完整。

三、TOPS影像拼接

TOPS模式影像由多组Burst组成，且每组Burst独立聚焦成像，干涉处理后差分干涉图需要进行拼接处理。本文采用DORIS软件，结合本文所述的多普勒中心频率估计方法分别完成Sentinel-1A卫星TOPS影像的每组Burst进行干涉处理[10]。

TOPS模式影像每组Burst均参考了同一卫星轨道，其几何关系较为稳定，相对定位精度较高，重叠区域采样单元的零多普勒时间存在交集，可以根据零多普勒时间计算干涉图的重叠采样单元[11]。

进行拼接时，相邻的Burst差分干涉图往往出现相位跳变。另外干涉图还受到电离层、大气、SAR传感器本身的噪声影响，Burst干涉图重叠区域存在一定的噪声。点目标在SAR影像中相位较为稳定，首先根据影像信号杂波比(SCR)值提取出重叠区域的点目标，然后基于这些点目标干涉相位信息计算相位跳变值。最后根据跳变值弥补两相邻Burst干涉图相位差异，实现对干涉图的无缝拼接。

四、试验分析

本文采用2014年8月9日和2014年8月21日意大利拿波里地区Sentinel-1A卫星数据进行干涉处理与数据拼接试验。

在重采样环节，本文提出了联合估计方法计算多普勒中心频率，下面通过方位线频谱与多普勒中心频率匹配程度来验证该方法的有效性。根据影像参数获得的多普勒中心频率图如图3所示，联合估计获得多普勒中心频率图如图4所示。横坐标为聚焦影像所对应的方位向时间，纵坐标为各个频谱分量所对应的频率值，其灰度值表示功率谱大小，斜线为多普勒中心频率。因多普勒中心频率在方位向是变化的，导致方位向信号带宽大于采样频率，对方位向信号采样时其频谱出现多次混叠现象，功率谱峰值对应的频率也出现折叠现象，进而多普勒中心频率也存在折叠现象。与图3相比，图4多普勒中心频率与频谱匹配更好，这说明联合估计方法估计出的多普勒中心频率更准确、更有效。

图3　根据影像参数获得的多普勒中心频率参数

图4　联合估计获得的多普勒中心频率参数

利用联合估计方法获得每个采样单元的多普勒中心频率对内插核进行调制，进行一系列的干涉处理后获得干涉图如图5所示。理论上差分干涉图消除了平地效应和地形信息，一般不会导致干涉图出现过多条纹。图6为沿用条带模式处理方法获取的差分干涉图,因为没有考虑多普勒中心频率在方位向的变化，重采样时内插核频率中心与默认的多普勒中心频率相差很大，产生差值误差，出现波状条纹，由此可见本文方法可靠。试验证明TOPS模式多普勒中心在方位向的变化是不可以忽略的，否则会发生相位信息的泄露。插值误差也会影响干涉图的相干性。本文利用相干系数分布图来衡量干涉图相干性， 图7为未进行内插核调制后的相干系数分布图。图8为内插核调制的相干系数分布图。横轴为相干系数，纵轴为相干点数量。图8中高相干点数量较多，说明内插核调制后的干涉图的相干性更高。TOPS模式各组Burst干涉图进行拼接时，消除相位跳变是其关键。本文根据前文所述的方法进行干涉图拼接处理试验，图9为相邻两组Burst重叠区域点目标的相位差分直方图， 横轴为相位差分值，纵轴为点目标数量，其点目标数量最多处的相位差分值即为相位跳变值。拼接时，先在方位向上进行Burst间拼接，再进行距离向上的子测绘带间拼接。图10为27组Burst干涉拼接结果。拼接时并未做羽化处理，可以看出方位向拼接效果较好。

图5　内插核调制后生成的干涉相位图

图6　未考虑多普勒中心频率变化生成的干涉相位图

图7　未进行内插核调制的相干系数分布

图8　内插核调制后的相干系数分布

图9　点目标相位差分分布

图10　27组Burst干涉拼接结果

五、结束语

本文在TOPS成像机理的基础上，提出了采用影像参数与相位增量法联合估计多普勒中心频率参数的方法进行Sentinel-1A卫星TOPS模式的干涉处理，并利用影像零多普勒时间信息和重叠区域点目标相位信息进行Burst干涉图的拼接，体现了宽幅成像的优势，扩展了其应用空间。但是TOPS影像每个子测绘带的像素采样空间大小并不一致，导致SAR影像距离向拼接出现较大的痕迹，拼接效果不够理想，还需要进一步的研究。

参考文献：

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[11]汪鲁才，王耀南，毛建旭.基于相关匹配和最大谱图像配准相结合的InSAR复图像配准方法[J].测绘学报,2003,32(4):320-324.

中图分类号：P237

文献标识码：B

文章编号：0494-0911(2016)02-0042-04

作者简介：吴文豪 (1987—),男，博士生，研究方向为SAR成像与干涉。E-mail: wuwh@whu.edu.cn

基金项目：国家自然科学基金(41274048)

收稿日期：2014-11-24

引文格式： 吴文豪，李陶，陈志国,等. Sentinel-1A卫星TOPS模式数据干涉处理[J].测绘通报，2016(2)：42-45.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0045.