2019, Vol. 44文章信息
- 吴文豪, 李陶, 龙四春, 周志伟
- WU Wenhao, LI Tao, LONG Sichun, ZHOU Zhiwei
- 实时轨道条件下Sentinel-1卫星影像干涉配准
- Coregistration of Sentinel-1 TOPS Data for Interferometric Processing Using Real-Time Orbit
- 武汉大学学报·信息科学版, 2019, 44(5): 745-750
- Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(5): 745-750
- http://dx.doi.org/10.13203/j.whugis20170098
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文章历史
收稿日期: 2018-03-13
2. 武汉大学卫星导航定位技术研究中心, 湖北 武汉, 430079;
3. 中国科学院测量与地球物理研究所, 湖北 武汉, 430077
2. GNSS Research Center, Wuhan University, Wuhan 430079, China;
3. Institute of Geodesy and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430077, China
哨兵1号(Sentinel-1)卫星在成像过程中采用步进扫描模式(terrain observation by progressive scans，TOPS)，影像多谱勒中心在方位向的变化要求影像干涉配准精度达到0.001个像素量级[1-2]。为了满足高精度配准的要求，文献[3-4]论证了在几何配准基础上利用增强谱分集进行TOPS模式影像优化配准的可行性，并基于TerraSAR-X卫星TOPS模式影像进行干涉处理实验。文献[5-6]进一步论证了Sentinel-1卫星在精密轨道条件下通过几何配准和增强谱分集进行TOPS模式影像干涉处理的可行性。几何配准与卫星轨道精度直接相关，Sentinel-1卫星提供多个类型的轨道，其中精密轨道晚于卫星影像近20 d发布，精度为3~5 cm，方位向几何配准精度可达到0.01个像素量级，满足增强谱分集对初配准的精度要求；而实时轨道精度较低，即使是快速精密轨道，几何配准后增强谱分集配准相位也可能缠绕。为满足实时处理的需要，本文提出了点目标联合影像相关性配准的方法，校正实时轨道条件下几何配准后的大尺度残余偏移量，并利用连续回波序列（Burst）模式的重叠区域进行增强谱分集配准，消除方位向系统性配准误差，实现了Sentinel-1卫星影像干涉的近实时处理。
1 TOPS模式配准框架星载合成孔径雷达(synthetic aperture radar，SAR)卫星TOPS模式影像干涉处理均以几何配准和增强谱分集作为基本配准策略，目前针对Sentinel-1卫星TOPS模式干涉处理软件的配准方法均是依据该配准策略进行设计[7]。SAR影像所采用的几何配准类似于光学摄影测量中的物方配准技术，根据影像几何关系计算主辅影像间的偏移量，理论模型较为严格，且不受影像相干性影响[8-10]。几何配准结果呈现系统误差特性，TOPS模式影像通常采用增强谱分集估计残余偏移量并修正几何配准误差[11]。
TOPS模式所采用的增强谱分集配准(enhanced spectral diversity, ESD)是通过上下频带干涉图相位差估计影像偏移量，其中配准精度σESD的Cramer-Rao下限为[12]：
| ${\sigma _{{\rm{ESD}}}} = \frac{1}{{2{\rm{ \mathit{ π} }} \cdot {\rm{\Delta }}{f_{{\rm{ESD}}}}}}\frac{1}{{\sqrt N }}\frac{{\sqrt {1 - {\gamma ^2}} }}{\gamma }{B_{{\rm{az}}}} $ | (1) |
式中，ΔfESD表示多谱勒中心基线；Baz为影像方位向处理带宽；γ表示影像相干性；N为影像重叠区域分辨率数量。由式(1)可知，N和ΔfESD这两个参数值越大，增强谱分集配准精度越高。Sentinel-1卫星方位向相邻Burst重叠区域上下频带多谱勒中心基线ΔfESD要远大于影像方位向带宽Baz，约为4 800 Hz，而且方位向相邻Burst存在2 km的重叠，为残余偏移量估计提供了足够的观测样本。该卫星系统参数的设计可确保增强谱分集配准的精度和可靠性，满足干涉处理的需要[13-15]。
增强谱分集配准要求初始配准精度足够高，否则增强谱分集相位值将超出[－π, π]范围，存在相位缠绕问题[16]。理论上最大配准误差Δpmax与增强谱分集多谱勒中心基线ΔfESD的关系为：
| ${\rm{\Delta }}{p_{{\rm{max}}}} = \pm \frac{1}{{2{\rm{\Delta }}{f_{{\rm{ESD}}}}}}{F_a} $ | (2) |
式中，Fa表示方位向采样频率。由式(2)可知，Sentinel-1卫星要求几何配准精度优于0.05个像素。然而几何配准主要依赖于卫星轨道精度，Sentinel-1卫星影像进行准实时处理时，由于实时轨道精度较低，几何配准难以满足0.05个像元的配准精度要求，增强谱分集相位可能出现相位缠绕[17-18]。针对此问题，本文拟通过相关配准进一步优化几何配准精度。
2 实时轨道条件下配准处理Sentinel-1卫星实时轨道精度较差，几何配准后直接进行增强谱分集处理，其相位将呈现缠绕状态。为克服该问题，本文充分利用相关配准和几何配准的优势，将两种配准方法进行结合，实现卫星影像实时轨道条件下的初步配准，并基于增强谱分集方法估计残余偏移量实现配准误差的校正，完成Sentinel-1卫星TOPS模式影像的干涉处理。
目前，利用雷达影像信息的配准方法主要包括影像相关性配准、谱分集配准以及点目标配准。这些配准方法的适用条件和精度各有不同[19-20]。假设同时采用子测绘带中9个Burst进行残余偏移量校正，不同方法的配准精度与影像相干性关系如图 1所示，其中谱分集是按照多谱勒带宽3等分计算的[21]。图 1中横轴为影像相干系数，纵轴为配准误差（为了方便显示，纵轴是以10为基数的对数，坐标刻度非等间距），黑色横线是影像所需最低配准精度（0.05个像素）。从图 1中可以看出，尽管谱分集和复相关理论的配准精度最高，在相干性很低的条件下也可满足0.05个配准像素的要求，但由于复相关可靠性较差，谱分集易受到电离层闪烁、地表方位向形变信号的干扰[22-24]，本文选用实数影像相关进行几何配准后的偏移量校正，弥补几何配准由于轨道精度不足而产生的配准误差，避免增强谱分集出现相位缠绕问题。
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| 图 1 不同配准方法的配准精度 Fig. 1 Coregistration Error for Differeent Coregistration Methods |
影像相关配准需要在影像中选取均匀分布的上百个窗口进行相关运算，但受到影像相干、配准窗口数量以及空间分布的影响，根据每个Burst相关性配准结果分别拟合对应的残余偏移量多项式，其可靠性不足，易导致子测绘带中每组Burst残余偏移量出现较大的跳变。图 2为方位向相邻126个Burst单独采用相关配准估计几何配准后的方位向残余偏移量结果，横轴为Burst编号，纵轴为方位向残余偏移量估计值。实验选用覆盖中国东部区域的相对轨道142，拍摄时间分别为2016-03-02和2016-03-26的Sentinel-1卫星影像。从实验中可以看出，尽管理论上几何配准后的残余偏移量是连续的，但如果每个Burst的残余偏移量单独进行估计，其结果将出现较大跳变。因此，本文将所有组Burst配准偏移量坐标进行拼接处理，增加多项式拟合的观测量，同时选取点目标作为配准窗口中心，使得目标的特征信息也参与配准处理，提高配准的可靠性和精度。
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| 图 2 相关配准估计方位向残余偏移量结果 Fig. 2 Estimated Residual Offset in Azimuth Direction Between Consecutive Bursts by Incoherent Cross Correlation |
SAR影像中的点目标配准本质上与光学影像中基于影像特征点的配准方法是一致的，通常用于配准精度要求较高的干涉处理[25]。文献[26]指出，点目标联合相关配准算法可以有效提高偏移量的精度和可靠性。本文引用该方法选取在影像中均匀分布且信号杂波比较高的像元作为配准窗口中心，如图 3所示，红色星号为选取的像元，可视为点目标。
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| 图 3 配准窗口点目标分布 Fig. 3 Spatial Distribution of Point Scatter Selected in Correlation Window |
Sentinel-1卫星TOPS影像中所有Burst成像时均参考同一组卫星轨道，可直接根据影像零多谱勒时间拼成一组较大的虚拟条带模式影像。尽管每个子测绘带的脉冲重复频率并不一致，但影像聚焦后在方位向进行了降采样处理，将不同子测绘带重采样到统一格网中，且每个Burst聚焦影像均按照零多谱勒时间严格排列。因此，每个Burst相关配准结果可按照主影像配准窗口的零多谱勒时间进行拼接处理，将偏移量转换到子测绘带坐标系中。这样可以充分利用其他Burst配准信息，得到一个类似于条带模式影像的偏移量结果，确保互相关配准结果可靠，残余偏移量改正值连续，为增强谱分集进一步估计配准误差并进行二次偏移量校正提供条件。
3 干涉配准实验本文基于开源软件Doris，按照上述方法实现实时轨道条件下Sentinel-1雷达干涉处理。Sentinel-1卫星影像通常由3个子测绘带组成，部分卫星影像几何配准后方位向残余偏移量存在差异，如图 4所示。实验所选数据与图 2相同，尽管图 4中3组子测绘带卫星轨道数据相同，但估计的残余偏移量并不完全一致，因此每个子测绘带需依据图 5所示流程单独处理。本文首先分别利用相关配准和几何配准计算每个Burst间的偏移量；然后将相关配准获取的偏移量减去几何配准偏移量，获得每个Burst相应的残余偏移量；继而依据配准窗口的零多谱勒时间对其进行拼接和多项式拟合处理，修正几何配准方位向偏移量结果；最后采用增强谱分集再次估计残余偏移量，获得最终的影像干涉图。
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| 图 4 不同子测绘带几何配准后方位向残余偏移量 Fig. 4 Estimated Residual Offset in Azimuth Direction Between Consecutive Bursts in Different Swath |
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| 图 5 实时轨道条件下TOPS模式干涉处理流程 Fig. 5 TOPS Interferometric Processing ChainBased on Real-Time Orbits |
残余偏移量拼接的首要任务是进行配准窗口的影像坐标系转换。TOPS模式影像子测绘带坐标系与Burst坐标系之间的差异在于方位向零多谱勒时间的起始点不同。如图 6所示，Burst坐标(p，l)burst与子测绘带坐标(p，l)swath关系为：
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| 图 6 子测绘带中Burst零多谱勒时间相对分布 Fig. 6 Relative Distribution of Zero Doppler Timefor Every Burst in One Swath |
| ${\left( {p, l} \right)_{{\rm{swath}}}} = {\left( {p, l} \right)_{{\rm{Burst}}}} + {\left( {p, l} \right)_{{\rm{shift}}}} $ | (3) |
式中，(p，l)shift为子测绘带中其他组Burst相对于第1个Burst的坐标偏移量，一般根据每个Burst方位向零多谱勒起始时间计算获得。配准窗口的影像坐标系转换即是按照式(3)对每个Burst相关配准窗口进行坐标转换。
配准结果拼接除了需要进行相关配准偏移量的窗口坐标系转换外，还需要对其偏移量进行补偿。假设每个Burst方位向时间差为ΔBurstη，子测绘带方位向偏移量为Δswathl，可根据Burst间的偏移量ΔBurstl基于式(4)计算得到：
| $\Delta _{{\rm{swath}}}^l = \Delta _{{\rm{Burst}}}^\eta \cdot {F_a} + \Delta _{{\rm{Burst}}}^l $ | (4) |
图 7和图 8即为依据式(4)获得的方位向和距离向偏移量拼接结果，每个离散点代表对应的相关配准估计结果，颜色差异代表不同的Burst。配准偏移量拼接后分布依然是连续的，这也从侧面证明了Sentinel-1卫星影像的高质量。
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| 图 7 方位向偏移量分布 Fig. 7 Distribution of Estimated Offsets inAzimuth Direction |
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| 图 8 距离向偏移量分布 Fig. 8 Distribution of Estimated Offsets in Range Direction |
为了计算简便和结果可靠性，Doris软件对影像坐标需要进行归一化处理。对TOPS模式相关配准拼接结果进行归一化处理，均以第1组Burst作为参考，其方位向和距离向分别归算到[−2, +2]中，其他Burst以此类推。Sentinel-1卫星空间基线较小，可直接采用低阶多项式拟合归一化处理后的配准偏移量，并对窗口配准结果进行粗差探测并将其剔除。理论上参与配准的Burst越多，多项式拟合结果越稳定。子测绘带中残余偏移量多项式拟合完成后，需进一步根据整体拟合结果计算每个Burst的残余偏移量，以利于增强谱分集再次修正配准偏移量。
增强谱分集基于重叠区域的干涉图相位差异进行参数估计，不仅可估计残余偏移量，还可用于配准精度的检验，本文则依据该原理判断干涉图正确与否[27]。图 9为实时轨道条件下相关配准对干涉处理的影响，不同颜色表示干涉相位，范围为[-π，π]。如果直接在几何配准基础上进行增强谱分集校正，由于实时轨道精度较低，增强谱分集相位出现缠绕，方位向精配准出现错误，造成Burst间的相位出现跳变，如图 9左图所示。相关配准改正几何配准结果后，增强谱分集可以准确校正粗略轨道带来的残余偏移量，干涉图相位在Burst间并未发生跳变，如图 9右图所示。上述实验说明了粗略轨道条件下采用相关配准进行偏移量改正的必要性。
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| 图 9 实时轨道条件下相关配准对TOPS影像干涉处理的影响 Fig. 9 Effect of Cross Correlation on Interferometric Processing Based on Real-Time Orbits |
本文在开源软件Doris基础上实现了Sentinel-1卫星TOPS模式基于实时轨道的配准和干涉处理。实时卫星轨道精度较差，几何配准后其配准精度无法保证增强谱分集估计结果正确，因此本文根据多组Burst相关配准结果进行方位向偏移量一次改正，以避免精配准时增强谱分集相位出现缠绕现象。重复观测过程中影像的失相干导致相关配准精度和可靠性降低，为了提高相关性配准的可靠性，将点目标作为配准窗口中心，并在方位向拼接每个Burst配准结果，以修正方位向系统性配准误差。以上方法不仅适用于Sentinel-1卫星，还同样适用于RadarSat-2卫星等轨道精度较差的TOPS模式影像干涉配准。
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