專利名稱：基于相關(guān)加權(quán)的干涉合成孔徑雷達干涉相位估計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雷達探測技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是一種基于相關(guān)加權(quán)聯(lián)合單像素模 型的干涉合成孔徑雷達干涉相位估計方法，可以在合成孔徑雷達SAR圖像配準 精度很差的條件下準確地估計相應(yīng)像素間的干涉相位。
背景技術(shù)：
干涉合成孔徑雷達InSAR是獲取地面數(shù)字高程圖的重要遙感技術(shù)。InSAR 技術(shù)中的三大關(guān)鍵處理步驟是SAR圖像配準、干涉相位估計即干涉相位噪聲濾 波和相位展開。若圖像配準的精度較差時，將使后面的相位展開難以獲得令人滿 意的結(jié)果。因為傳統(tǒng)的相位展開方法，例如枝切法、區(qū)域增長法和最小二乘LS 算法的性能受圖像配準精度的影響很大，都要求圖像配準的精度達到1/10 1/100個分辨單元，否則將會嚴重影響相位展開的性能。然而，對于相干性較低和 不同幾何形變的兩幅圖像，精確配準會存在困難。因此，研究對圖像配準誤差具 有強穩(wěn)健的干涉相位估計方法，具有重要的實用價值。目前，對圖像配準誤差穩(wěn)健的干涉相位估計方法主要有以下幾種1. 李真芳等人在2006年的IEEE Trans. On GRS上發(fā)表的文章《Image Auto-Coregistration and InSAR Interferogram Estimation Using Joint Subspace Projection》中，由于利用了相鄰像素的相干信息和空間投影技術(shù)，雖然可以在 存在配準誤差時獲得滿意的干涉相位估計結(jié)果，但是在估計干涉相位時首先要確 定噪聲子空間維數(shù)，若噪聲子空間維數(shù)估計不準，必定影響干涉相位的估計結(jié)果。2. 李海等人在2007年電子學(xué)報第三期上發(fā)表的文章《InSAR自適應(yīng)圖像配準的干涉相位估計方法》中，提出基于加權(quán)聯(lián)合單像素模型的干涉相位估計方法，雖然在估計干涉相位時不需要確定噪聲子空間維數(shù)，但是在估計干涉相位時需要首先確定配準誤差方向，并且確定最優(yōu)權(quán)值時需要搜索，因此計算量較大。 發(fā)明的內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提供一種計算量小的基于相關(guān) 加權(quán)的干涉合成孔徑雷達干涉相位估計方法，以解決在SAR圖像配準精度很差
條件下可準確估計相應(yīng)像素間的干涉相位問題。 實現(xiàn)本發(fā)明目的方法如下A.用傳統(tǒng)的相關(guān)法以主圖像1為參考對副圖像2進行粗配準，得到粗配準圖像3;.B.利用主圖像1和粗配準圖像3，構(gòu)造相關(guān)加權(quán)觀測矢量si(/,w(0)， si(/,w(/)) = [A(0,A『(/,w(/))f = [A①，w^/)S3v(0f<formula>formula see original document page 5</formula> 其中s,和A分別為主圖像1和粗配準圖像3所對應(yīng)的復(fù)圖像數(shù)據(jù)， /表示當前要計算的主圖像1和粗配準圖像3的像素標號， 2K + 1為從相鄰像素中獲得的獨立同分布樣本數(shù)， 上標r表示轉(zhuǎn)置操作，上標*表示共軛操作；C. 根據(jù)相關(guān)加權(quán)觀測矢量估計協(xié)方差矩陣為<formula>formula see original document page 5</formula>式中￡表示統(tǒng)計平均，上標/Z表示共軛轉(zhuǎn)置操作；D. 由協(xié)方差矩陣得到代價函數(shù)式中 <formula>formula see original document page 5</formula>稱為導(dǎo)向矢量，《的取值范圍是[—冗,;r];E.通過代價函數(shù)估計干涉相位，即用導(dǎo)向矢量和協(xié)方差矩陣進行波束掃描，并將波束形成的輸出功率最大值所對應(yīng)的干涉相位纟作為干涉相位估計結(jié)果。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(1) 采用相關(guān)加權(quán)聯(lián)合單像素模型，能夠同時利用空域和復(fù)圖像域的信 息，比直接利用空域信息的處理結(jié)果更精確；(2) 直接用相關(guān)系數(shù)對觀測矢量進行加權(quán)，不需要搜索，大大降低運算量；(3) 可以在SAR圖像配準精度很差的條件下準確地估計相應(yīng)像素間的干 涉相位對本發(fā)明的目的、特征、優(yōu)點可通過如下附圖和實例詳細描述。


圖l是本發(fā)明的方法流程圖；圖2是本發(fā)明構(gòu)造相關(guān)加權(quán)觀測矢量的主圖像1和粗配準圖像3示意圖； 圖3 (a)是精確配準時采用現(xiàn)有中值濾波方法對干涉相位圖的處理結(jié)果； 圖3 (b)是配準誤差為0.5像素時采用現(xiàn)有中值濾波方法對干涉相位圖的 處理結(jié)果；圖3 (c)是配準誤差為l個像素時采用現(xiàn)有中值濾波方法對干涉相位圖的 處理結(jié)果；圖4 (a)是精確配準時采用現(xiàn)有均值濾波方法對干涉相位圖的處理結(jié)果； 圖4 (b)是配準誤差為0.5像素時采用現(xiàn)有均值濾波方法對干涉相位圖的 處理結(jié)果；圖4 (c)是配準誤差為1個像素時采用現(xiàn)有均值濾波方法對干涉相位圖的 處理結(jié)果；圖5 (a)是精確配準時采用本發(fā)明方法得到的干涉相位圖； 圖5 (b)是配準誤差為0.5像素時采用本發(fā)明方法得到的干涉相位圖； 圖5 (c)是配準誤差為1個像素時采用本發(fā)明方法得到的干涉相位圖； 圖6 (a)是對兩幅實測SAR圖像經(jīng)過粗配準后生成的干涉相位圖； 圖6 (b)是采用本發(fā)明方法對兩幅實測SAR圖像進行處理得到的干涉相 位圖。
具體實施方式
參照圖l，實現(xiàn)本發(fā)明的過程如下 1.圖像粗配準
在得到的主、副兩幅SAR圖像中，以主圖像1為參考利用傳統(tǒng)的相關(guān)法對 副圖像2進行圖像粗配準處理，得到粗配準圖像3，在該圖像粗配準處理中,不要 求像傳統(tǒng)的干涉相位估計方法那樣要求圖像配準的精度必須達到亞像素級即配 準精度要達到1/10到1/100像素，只要求圖像配準精度達到像素級，即配準精度 允許達到一個分辨單元就夠了，因此大大減輕了圖像配準的難度。2.構(gòu)造相關(guān)加權(quán)觀測矢量利用主圖像1和粗配準圖像3，構(gòu)造相關(guān)加權(quán)觀測矢量si(/,w(z'))，主圖像l 和粗配準圖像3如圖2所示，具體構(gòu)造過程如下a.分別計算主圖像1中像素Z與粗配準圖像3中像素m的相關(guān)系數(shù)為2 1y3(ff7 + Ar)1s1*(/ + Ar)S |s3(w+W|2 Z h(/ + A:)|2CD附=/ — 4， / 一 3， f 一 2， / — 1, /, / + 1, / + 2， / + 3, / + 4其中^和^分別為主圖像1和粗配準圖像3所對應(yīng)的復(fù)圖像數(shù)據(jù)，/表示當前要計算的主圖像1和粗配準圖像3的像素標號，上標*表 示共軛操作；2《+ 1為從相鄰像素中獲得的獨立同分布樣本數(shù)；b.用所得到的相關(guān)系數(shù)&(附,/)分別對粗配準圖像3中的像素附進行加權(quán)，得到元素^^(/,w①)，公式如下sw(/，W(/)) = Wr(/)s3v(/) (2)式中s3v (0 = [A (z, - 4), & (卜3)， W - 2), & (卜1), 。) W + l),s3(/ + 2),&(/ + + 4)]rw(/) = [r31 (z' - 4, /), r31 (/ — 3, /), r31 (/ — 2, /)， (/ -1, /),r (4)r31 r31 (r' +1, z'), r31 + 2, i), r31 (i + 3, z.)， r3I + 4,0]其中上標r表示轉(zhuǎn)置操作；C.用主圖像1中的像素/和得到的元素A『(/,W(/))構(gòu)造相關(guān)加權(quán)觀測矢量為si(/，w(/)) = w(/))]r = ,,Wr(0s3v(/)r (5)3. 估計協(xié)方差矩陣 用相關(guān)加權(quán)觀測矢量si(z',w(/))估計相應(yīng)的協(xié)方差矩陣C^,w(0),公式如下<formula>formula see original document page 8</formula>(6)式中￡表示統(tǒng)計平均，上標Z/表示共軛轉(zhuǎn)置操作；4. 估計干涉相位a.由協(xié)方差矩陣得到代價函數(shù)<formula>formula see original document page 8</formula>) (7)式中<formula>formula see original document page 8</formula>稱為導(dǎo)向矢量，《的取值范圍是Hr,;r]; b.通過代價函數(shù)估計干涉相位，即用導(dǎo)向矢量和協(xié)方差矩陣進行波束掃描， 并將波束形成的輸出功率最大值所對應(yīng)的干涉相位《作為干涉相位估計結(jié)果， 過程如下ba. 以O(shè).Ol弧度為步長，將^在[-;r,;r]范圍內(nèi)的每一個取值代入代價函數(shù)AF 中，分別計算其結(jié)果；bb. 對所計算的結(jié)果進行排列，找出其中的最大值，即波束形成輸出功率的 最大值；bc. 將找到的最大值所對應(yīng)的相位《，作為干涉合成孔徑雷達的干涉相位估 計結(jié)果；對主圖像1和粗配準圖像3中的每一像素分別執(zhí)行上述四步操作，就可以得 到整個地形的干涉相位圖；5. 用所估計的干涉相位結(jié)果進行后續(xù)的相位展開，得到圖像的數(shù)字高程圖。 本發(fā)明的效果可以通過以下仿真結(jié)果進一步說明。仿真數(shù)據(jù)描述在兩顆衛(wèi)星對應(yīng)的有效垂直基線為281.46米，衛(wèi)星高度750 公里，下視角45。的條件下，利用一幅圖像分辨率為3米X3米的實測SAR圖像 作為地面場景背景來產(chǎn)生每一個SAR像素的回波功率，并利用兩維漢明窗來模 擬高程地形，生成一對InSAR圖像。SAR圖像中的信噪比SNR為23dB，其相 干系數(shù)由垂直基線長度、局部地形坡度和SNR決定。圖3為在不同配準誤差的情況下采用現(xiàn)有中值濾波方法對干涉相位圖的處 理結(jié)果
其中圖3 (a)是精確配準時采用現(xiàn)有中值濾波方法對干涉相位圖的處理結(jié)果，由圖中可見，所得到的干涉相位圖的條紋邊緣很清晰，易知其估計的干涉相 位結(jié)果很好。其中圖3 (b)是配準誤差為0.5像素時采用現(xiàn)有中值濾波方法對干涉相位圖 的處理結(jié)果，由圖中可見，所得到的干涉相位圖的條紋邊緣很不清晰，易知其估 計的干涉相位結(jié)果很差。其中圖3 (c)是配準誤差為1個像素時采用現(xiàn)有中值濾波方法對干涉相位 圖的處理結(jié)果，由圖中可見，當配準誤差達到1個像素時，已經(jīng)無法得到干涉條 紋，也就得不到所需要的干涉相位。圖4為在不同配準誤差的情況下采用現(xiàn)有均值濾波方法對干涉相位圖的處 理結(jié)果其中圖4 (a)是精確配準時采用現(xiàn)有均值濾波方法對干涉相位圖的處理結(jié) 果，由圖中可見，所得到的干涉相位圖的條紋邊緣很清晰，易知其估計的干涉相 位結(jié)果很好。其中圖4 (b)是配準誤差為0.5像素時采用現(xiàn)有均值濾波方法對干涉相位圖 的處理結(jié)果，由圖中可見，所得到的干涉相位圖的條紋邊緣很不清晰，易知其估 計的干涉相位結(jié)果很差。其中圖4 (c)是配準誤差為1個像素時采用現(xiàn)有均值濾波方法對干涉相位 圖的處理結(jié)果，由圖中可見，當配準誤差達到1個像素時，已經(jīng)無法得到干涉條 紋，也就得不到所需要的干涉相位。圖3和圖4表明，現(xiàn)有的中值濾波方法和均值濾波方法受圖像配準誤差的影 響很大，當配準誤差達到1個像素時，已經(jīng)無法得到干涉條紋。圖5為在不同配準誤差的情況下采用本發(fā)明方法得到的干涉相位圖其中圖5 (a)是精確配準時采用本發(fā)明方法得到的干涉相位圖，由圖中可 見，所得到的干涉相位圖的條紋邊緣很清晰，易知其估計的干涉相位結(jié)果很好。其中圖5 (b)是配準誤差為0.5像素時采用本發(fā)明方法得到的干涉相位圖， 由圖中可見，所得到的干涉相位圖的條紋邊緣很清晰，易知其估計的干涉相位結(jié) 果很好。其中圖5 (c)是配準誤差為1個像素時采用本發(fā)明方法得到的干涉相位圖， 由圖中可見，所得到的干涉相位圖的條紋邊緣很清晰，易知其估計的干涉相位結(jié)
果很好。由圖5可見，本發(fā)明方法對干涉相位的估計結(jié)果幾乎不受圖像配準誤差的影響，即使配準誤差達到1個像素，仍能獲得幾乎和精確配準一樣的處理結(jié)果。 下面利用實測數(shù)據(jù)來驗證本發(fā)明的處理性能。所用的實測數(shù)據(jù)為歐洲空間局ESA的地球資源衛(wèi)星ERS-1和ERS-2錄取的河北張義地區(qū)的數(shù)據(jù)。圖6為實測數(shù)據(jù)ERS-l/2的處理結(jié)果圖6 (a)是對兩幅實測SAR圖像經(jīng)過粗配準后生成的干涉相位圖，圖6 (b)是采用本發(fā)明方法對兩幅實測SAR圖像進行處理得到的干涉相位圖。由實測數(shù)據(jù)的處理結(jié)果可以看出，SAR圖像對在沒有經(jīng)過精確配準處理時，本發(fā)明方法能夠獲得滿意的干涉相位估計結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種基于相關(guān)加權(quán)的干涉合成孔徑雷達干涉相位估計方法，包括如下過程A.用傳統(tǒng)的相關(guān)法以主圖像(1)為參考對副圖像(2)進行粗配準，得到粗配準圖像(3)；B.利用主圖像(1)和粗配準圖像(3)，構(gòu)造相關(guān)加權(quán)觀測矢量si(i，w(i))，si(i，w(i))＝[s1(i)，s3W(i，w(i))]T＝[s1(i)，wT(i)s3v(i)]T式中s3W(i，w(i))＝wT(i)s3v(i)w(i)＝[r31(i-4，i)，r31(i-3，i)，r31(i-2，i)，r31(i-1，i)，r31(i，i)，r31(i+1，i)，r31(i+2，i)，r31(i+3，i)，r31(i+4，i)]Ts3v(i)＝[s3(i-4)，s3(i-3)，s3(i-2)，s3(i-1)，s3v(i)，s3(i+1)，s3(i+2)，s3(i+3)，s3(i+4)]T
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的干涉相位估計方法，其特征在于B步驟中所述的構(gòu)造相關(guān)加權(quán)觀測矢量si(Z',W(;))，包括如下過程Ba.分別計算主圖像(1)中像素/與粗配準圖像(3)中像素w的相關(guān)系數(shù)為<formula>formula see original document page 3</formula>其中2《+ 1為從相鄰像素中獲得的獨立同分布樣本數(shù)； Bb.用所得到的相關(guān)系數(shù)&(w,/)分別對粗配準圖像(3)中的像素w進行加權(quán)，得到元素^『(/,w(0)，公式如下<formula>formula see original document page 3</formula>式中<formula>formula see original document page 3</formula>其中上標r表示轉(zhuǎn)置操作；Be.用主圖像(1)中的像素/和得到的元素^(/，W(/))構(gòu)造相關(guān)加權(quán)觀測矢量為si(z., w(O) = [a (0, s， (' ， wO〕)]r = [a (/), wr (/)s3v (z')f 。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的干涉相位估計方法，其特征在于E步驟中所述的用導(dǎo)向矢量和協(xié)方差矩陣進行波束掃描的過程如下Ea.以0.01弧度為步長，將《在[-7t，;r]范圍內(nèi)的每一個取值代入代價函數(shù)J^中， 分別計算其結(jié)果；Eb.對所計算的結(jié)果進行排列，找出其中的最大值，即波束形成輸出功率的最大值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于相關(guān)加權(quán)的干涉合成孔徑雷達干涉相位估計方法。該方法的實現(xiàn)過程為用傳統(tǒng)的相關(guān)法以主圖像1為參考對副圖像2進行粗配準，得到粗配準圖像3；利用主圖像1和粗配準圖像3，構(gòu)造相關(guān)加權(quán)觀測矢量si(i，w(i))；根據(jù)相關(guān)加權(quán)觀測矢量估計協(xié)方差矩陣C_si(i，w(i))；由協(xié)方差矩陣得到代價函數(shù)J_BF；通過代價函數(shù)估計干涉相位，即用導(dǎo)向矢量和協(xié)方差矩陣進行波束掃描，并將波束形成的輸出功率最大值所對應(yīng)的干涉相位作為干涉相位估計結(jié)果。本發(fā)明具有運算量小和估計干涉相位準確之優(yōu)點，可用于在合成孔徑雷達SAR圖像配準精度很差的條件下對其相應(yīng)像素間的干涉相位進行準確地估計。
文檔編號G01S7/02GK101126809SQ200710018709
公開日2008年2月20日 申請日期2007年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月20日
發(fā)明者廖桂生, 青 徐, 操 曾, 軍 李, 海 李, 陶海紅 申請人:西安電子科技大學(xué)