TOPS模式哨兵-1雷达干涉图误差校正技术

徐 航，陈富龙，唐攀攀，张 达

(1.中国科学院空天信息创新研究院，北京 100094；2.中国科学院大学，北京 101408；3.中国地质大学，北京 100083)

合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)是一种高分辨率的成像雷达，其能够不受天气影响，全天候、全天时地工作，因此具有广阔的研究和应用前景[1]。哨兵-1号(Sentinel-1)卫星作为重要的开放式SAR卫星系统，在宽幅成像中默认采用TOPS(terrain observation with progressive scans)模式[2]，相对于条带和ScanSAR模式，该模式兼顾了测绘带宽和影像质量，降低了重访周期，提高了影像的干涉性能[3]，具有重要的应用价值[4]。

自2014年哨兵-1A卫星发射成功至今，已有大量基于其数据的研究[2,5-8]。文献[5]应用哨兵-1数据进行了希腊埃里索斯流域的地震同震形变研究。文献[6]进行了格林兰雅各布港的冰盖移动研究。文献[7]研究了塞罗普列托地热田由于构造和人为影响造成了地表形变。文献[8]进行了城市沉降分析。文献[2]分析了哨兵-1 TOPS模式数据的配准及大气层对数据聚焦成像的影响。以上应用在数据处理阶段主要考虑了哨兵-1 TOPS模式数据的配准问题，而对于大气效应的影响，大多只是作为误差源提及，未进行系统、定量化估计与误差去除。

利用哨兵-1 TOPS模式数据获得干涉质量高、误差小的结果并不容易：数据配准精度、大气中的电离层和对流层都会对其产生影响。目前对于综合性的 TOPS模式哨兵-1数据干涉误差校正研究少有涉及，本研究旨在针对哨兵-1 TOPS模式数据差分干涉处理中产生相位误差的关键因素进行分析，利用ESD(enhanced spectral diversity)[9]及外部数据源校正的方法，提出面向TOPS模式哨兵-1干涉图的误差校正技术和数据处理流程，以期为该开源数据的干涉应用提供更广阔前景。

1 哨兵-1 TOPS模式干涉图误差校正技术

本研究提出的TOPS模式哨兵-1数据干涉相位误差校正技术整体流程如图1所示，包括配准、电离层/对流层校正3大关键技术和序贯数据处理过程。首先对影像配准，考虑到TOPS模式成像特性，采用由粗到精的配准策略，可实现该模式数据1/1000像元配准精度，明显优于传统干涉对配准方法；随后，研究采用两步法电离层校正技术(分别为频谱分裂法和增强频谱差异法)，能够稳定有效去除干涉图中电离层相位屏及相位跳变，提升算法在小区域场景的适用性与稳健性；最后，采用基于GACOS(generic atmospheric correction online service for InSAR)建模的对流层相位校正技术，不仅可降低对监测区条件假设的限制，而且能有效去除对流层系统误差。简而言之，本研究提出的相位误差校正技术可为TOPS模式哨兵-1数据干涉处理提供坚实的技术基础。

1.1 TOPS数据配准

SAR影像对精配准是雷达干涉处理的基础，多年来研究的高精度配准方法主要包括相关系数法、最大频谱法和波动函数法[10]。这些配准方法能够满足条带模式和ScanSAR模式数据的配准应用，但难以达到1/1000像元配准精度要求。考虑到哨兵-1卫星高的轨道定位精度，本研究采用基于距离-多普勒模型的几何粗配准[11]和基于ESD技术[9]的精配准组合方法。粗配准理论可达4/1000像元配准精度[2]，精配准利用burst重叠区进行干涉相位二次差分，可提高算法对配准偏移量的敏感性，实现哨兵-1卫星TOPS模式数据配准精度要求。在ESD算法中，相位差φazerr(t)已知，多普勒中心频率变化ΔfDC可由雷达回波信号求得精确解，进而利用式(1)[9]实现相位偏差到配准偏移量的转换。

(1)

1.2 TOPS数据配准

在哨兵-1 TOPS模式数据中，由于电离层的影响，配准的重采样步骤会产生新的偏移量[12]，而传统的电离层校正算法不能解决该问题。文献[12]提出频谱分裂法和ESD算法结合的两步法来进行校正，可以处理电离层引起的burst间相位跳变，但是当影像覆盖范围较小时，该技术难以获取足够的采样点，影响了算法的稳定性与适用范围。考虑到上述问题，本研究提出改进两步法处理电离层效应，能突破算法对区域范围的限制，即首先利用带通滤波[13]技术分别提取高频分量图和低频分量图；然后将主、从影像的高、低频分量图分别进行两两干涉，生成两组高、低频率(fL，fH)SAR影像干涉对，并用精配准偏移量参数进行二次配准；接着，对处理得到的高、低频SAR影像干涉对进行常规InSAR处理(干涉成图、滤波和相位解缠)，得到ΔφL和ΔφH；最后，基于式(2)[14]计算获得电离层相位(Δφiono)和残余相位(Δφnon-disp)。考虑到分离处理，相位分量图像元值可呈现不连续、破碎状，需对Δφiono进行高斯滤波处理，得到电离层相位屏并用差分相减进行去除。

(2)

文献[12]在估算出电离层相位屏后，利用Δφnon-disp分量估算电离层偏移量。但该分量在空间上不连续，呈破碎状，当研究区范围较小时，难以有效获取足够样本点。作为改进，本研究选用精配准后的SAR影像数据进行干涉成图及电离层相位校正，并基于此，继续利用ESD算法进一步消除因电离层影响导致的配准误差。上述序贯处理策略可保证干涉图相位值在空间上连续且相位信息可靠，有利于利用相干阈值选取高质量样本点，进而确保算法在小区域也可稳健运行。

1.3 TOPS数据对流层校正

目前，对于干涉图的对流层校正主要分为基于SAR数据自身的分析方法和基于外部数据(GPS等)的分析方法[15]。前者主要基于干涉数据的统计特性来进行对流层校正，通常需要较大的干涉数据量，且当试验区位移非线性变化或变形量较大时效果不佳；后者基于外部的现有参数或天气模型以进行大气校正，虽对干涉图数量要求不高，却受限于外部数据的时空分布。本研究综合了ECMWF气象数据高空间分辨率和GPS数据高时间分辨率的优势，采用GACOS建模数据[16]进行对流层校正，包括地形相关分量和水平湍流分量的校正，基于式(3)[16]的对流层相位的估算为

ZTDk=T(Xk)+S(hk)+εk

(3)

式中，ZTD为大气天顶方向延迟；k为站点编号；T(xk)为站点测得的垂直分层分量；S(hk)为对应的大气湍流分量；εk为误差项。

2 试验分析

2.1 试验区

研究数据选取某区域两景哨兵-1 TOPS重轨影像，数据参数见表1。该时间内目标地区数据存在显著的大气效应，便于进行大气校正效果的定性及定量分析。试验取影像第一个条带，覆盖区域如图2所示。下文将依次对其进行精配准、电离层相位校正以及对流层相位校正等处理。由于该区域临海，岛屿周围的水环境对SAR数据有较大的影响，试验中采用掩膜消除水体及植被覆盖度较高的低相干性区域。

表1 试验用哨兵-1数据信息

2.2 配准处理结果分析

经过R-D算法粗配准后，影像的干涉结果如图3(a)所示，以RMSE估计其配准精度为0.013 8，但未达到哨兵-1 TOPS模式数据的配准精度要求。接着，采用ESD法进行影像的精配准，基于克拉美罗界[17]估计其偏移量值为0.000 13，优于1/1000的像元精度。图3(b)为经过精配准后的差分干涉相位图，理论上经过ESD处理，配准精度足以消除干涉图中的burst相位跳变，但这对研究区的哨兵-1 TOPS模式数据干涉相位图并不适用(图3(b)，精配准前后干涉相位几乎没有变化)。该相位跳变由严重电离层影响导致[12]，因此需要对电离层相位进一步校正。

2.3 电离层处理结果分析

完成数据的精配准及去除地形相关相位后，研究区干涉结果还存在明显的条带状电离层相位，如同一个掩膜，遮盖、扭曲了研究区内的地表形变信息，严重影响了InSAR地表形变测量的精度。本研究基于改进两步法电离层校正技术，得到处理过程图及结果图，如图4所示。其中，图4(a)为电离层相位屏模拟结果；图4(b)为考虑了偏移量后的电离层校正结果，弯曲条带状的电离层相位被消除，同时burst间的相位跳变也被消除，由此完成了试验区数据的电离层相位校正。

2.4 对流层处理结果分析

电离层校正后，对干涉相位图采用最小费用流法进行解缠处理并转为形变值，此时研究区域的干涉结果图中仍存在明显的团块状对流层湍流相位，如图5所示。从干涉相位和地表高程值散点分布(图5(c))可发现相位值和地形高程存在线性相关关系，即存在高程依赖对流层相位分量。由于所选的两景重轨哨兵-1 TOPS模式数据时间间隔较短，且在该时间段内，试验区内无地震、山体滑坡、崩塌等地表移动的报道，研究可假设两景数据成像期间研究区无地表形变，可用于干涉图对流层大气相位校正结果的验证。经由对流层校正，原有的团块状对流层相位减弱(图5(b))；通过图5(c)、图5(d)对比，发现校正后散点图拟合曲线趋向于水平，拟合斜率由原来的0.006 9降低到0.001 2，表明对流层高层相关相位得到很好的抑制；另一方面，对流层校正前差分数据的标准差为0.724 1，校正后的数据标准差为0.570 6，即相位定量平滑提升了27%，揭示大气相位得到了正确的校正。

3 结 语

哨兵-1数据是完全开放的SAR数据，其默认的TOPS模式成像数据具有广阔的应用前景，但该模式数据干涉结果易受配准精度、电离层、对流层等影响因子的干扰，进而限制其在InSAR、DInSAR等高精度应用中的研究，甚至导致错误的地形/形变反演结果。本研究定量分析了以上诸因素的影响，在研究哨兵-1 TOPS模式影像高精度配准、电离层/对流层大模式气相位校正关键技术的基础上，提出一种面向TOPS模式哨兵-1干涉图误差校正的数据处理流程。选用2016年某地区两景哨兵-1 TOPS模式数据进行试验，配准结果能够满足数据1/1000像元精度要求；改进的两步法ESD能模拟并去除电离层相位；应用ECMWF模型数据能够提升对流层相位27%定量精度。该技术流程充分考虑了哨兵-1 TOPS模式的成像特点，能够有效减小干涉图相位误差，可以为TOPS模式哨兵-1数据的InSAR高精度地形及形变反演研究提供技术参考。