多基线层析SAR技术的研究现状分析

作者：张馨予

合成孔径雷达(synthetic aperture radar，SAR)技术的不断进步，使人们从SAR影像中获取更多地表信息成为可能。20世纪60年代末InSAR技术出现，其能够获取地表的高程信息，但并不具有高程向的分辨能力。1998年Reigber等[]开展了层析SAR成像技术的研究，利用多基线L波段的机载SAR数据获取了植被及建筑的三维结构，验证了层析SAR技术的可行性。2003年Fornaro等[]利用ERS星载SAR数据进行了数据处理试验，证明了利用星载SAR数据进行层析SAR三维成像的可行性，为后续的研究和实际应用奠定了基础。

目前，在层析SAR成像算法方面主要有傅里叶变换算法、谱估计算法、压缩感知算法、后向投影等算法。其中后向投影法适用于机载数据，对星载SAR数据并不适用。傅里叶变换算法是最早最直接有效的层析成像算法，但是无法实现超分辨率。基于谱估计的算法和基于压缩感知的算法可实现超分辨率，但是受到星载SAR数据基线数目不足和基线分布不均匀的影响。随着SAR系统的不断成熟，层析SAR成像理论也逐步得到了完善。在研究机构方面，国外主要有德国宇航局中心、意大利那不勒斯帕斯诺普大学、意大利比萨大学等；国内主要有武汉大学、香港中文大学、中科院对地观测与数字地球科学中心、中科院电子所、国防科技大学等机构。同时，层析SAR成像技术已被应用或将应用到城市三维/四维信息提取、森林垂直结构及生物量估计、冰川厚度、隐匿物体检测、考古学、其他民用军用等诸多领域。综合上述研究机构研究现状可知，层析SAR技术在国外研究较早较成熟，而国内层析SAR技术还需进一步深入研究。

1 层析SAR成像原理

SAR影像的坐标系为方位-斜距向，与该平面垂直的方向是高程向。所示为SAR三维坐标系分布，x为方位向，r为斜距向，s为高程向。SAR是斜距成像，与传感器相同距离的不同散射体会成像在同一像素内，因此，同一像素可能会包含多个散射目标，这种现象称为叠掩现象。方位-斜距向的分辨率可以利用二维SAR影像处理方式获得。而为了分离叠掩目标实现三维成像，可以沿高程向合成孔径。

多基线层析SAR技术的研究现状分析

图 1 层析SAR成像的原理

假设对同一地物从不同高度位置观测了N次，并进行方位向-距离向的二维压缩得到N幅单视复数(single look complex，SLC)影像。N幅SLC影像上相同位置的像素值就可以构成一个长度为N的序列gn={g1, g2, …, gN}，经影像校正后，每个像素值可以表示为沿高程向上散射率分布的积分，可表示为[]

(1)

式中，Δs为反射信号沿高程向的分布范围；γ(s)为目标沿高程向的散射函数；ξn为空间采样间隔，可由ξn=-2b⊥b/(λr)计算得到；b⊥n为垂直基线距离；λ为入射波长；r为中心斜距。

综上可知，层析反演的过程就是根据某一像素的数据集gn逆运算求γ(s)的过程，进而确定每个主导散射体的反射率、位置，实现无模糊的三维SAR成像。

2 层析SAR成像处理流程

层析SAR成像处理流程如所示。

多基线层析SAR技术的研究现状分析

图 2 层析SAR成像处理流程

2.1 复图像配准

由于N幅影像是从不同视角、不同天线高度分别获得的，因此导致地面与天线斜平面的夹角不同，不同影像中对应于相同地面点的像素很难重合到一起，图像配准就显得尤其重要。目前广泛应用的配准方法有相关系数法[]、平均波动函数法[]和最大谱配准法[]。

2.2 去斜

去除单视复数图像序列中由参考斜距引起的相位项，被称为去斜(deramping)。参考斜距可以利用雷达记录的电磁波传输中心延迟与光速计算，也可以基于参考地形和雷达位置计算。较为常用的是后者，即参考地形去斜[]，这种方法只需知道雷达位置和地形即可计算得到参考斜距长度。

2.3 相位误差补偿

相位误差的随机性严重影响了层析SAR成像精度。因此，多时相差分干涉常被用作相位补偿，但其处理过程烦琐。后来Zhu Xiaoxiang等提出了基于PS-InSAR的相位误差补偿方法[]，孙希龙在分析前人研究的基础上，提出了基于PS-InSAR中间输出量的层析SAR相位误差补偿方法和基于PGA算法的层析SAR相位误差补偿方法[]。