一种无地面控制的InSAR绝对相位确定方法及系统与流程

本发明涉及信号与信息处理技术领域，具体地，涉及一种无地面控制的insar绝对相位确定新方法及系统。

背景技术：

星载insar技术具有全天候、全天时数据获取、高度自动化数据处理的优点，目前已成为世界各国广泛研究和重点发展的遥感探测手段之一。目前，天基平台insar系统包括美国在航天飞机上构建的双天线insar系统(srtm)以及德国的tandem-x系统。尽管星载insar技术已经得到了成功应用，但是星载insar数据处理依然存在一些亟待解决的难题，其中之一就是无地面控制条件下的绝对相位确定技术。

常规的相位解缠技术是相对图幅内某一点进行相位解缠绕，解缠后的相位仅仅是相对相位差，与真实的相位差还少一个由绝对模糊数隐含的相位差，也就是绝对相位。作为全球测绘的遥感手段，星载insar数据处理无法完全依靠地面控制数据，一是因为大范围高精度控制点很难获取，二是整个处理流程需要自主可控。因此，无地面控制条件下解算绝对相位是星载insar地面数据处理关键技术之一。

目前，针对多基线insar采用中国余数定理确定绝对相位(phaseunwrappingofsarinterferogramwithmulti-frequencyormulti-baseline,geoscienceandremotesensingsymposium1994(igarss'94),vol.2,730-732)，这种方法要求高程模糊度互质，对基线长度的设计及基线测量精度提出了较高要求；其它绝对相位确定方法还有最大似然高程估计(amaximum-likelihoodestimatortosimultaneouslyunwrap,geocode,andfusesarinterferogramsfromdifferentviewinggeometriesintoonedigitalelevationmodel,ieeetransactionsongeoscienceandremotesensing,43(1)，24-36)、最大后验概率(星载合成孔径雷达干涉测量[m].北京：科学出版社，2002)、粗dem比较法等方法，这些方法一般需要粗dem作为参考。《一种双频干涉合成孔径雷达的高程重建方法和装置》cn108594222a通过构建双频sar系统进行绝对相位确定，但会极大提高星载sar系统设计的复杂性。《雷达高程信息的获取方法及装置、计算机刻度存储介质》cn109239710b通过雷达立体测量法进行绝对相位确定，但它需要主辅星雷达相对斜距精度达到毫米级。

对于常规的、不加特殊设计的星载insar系统，目前还没有一种行之有效的、完全无地面控制的绝对相位确定方法。

利用升降轨数据解算绝对相位，常规的思路是利用立体sar技术获取地面控制点，然后利用该控制点的高程解算绝对相位，但是这种方法存在较大的不确定性，一是立体sar获取的地面控制点精度无法精确估算，特别是缺乏强散射点的山地地形，像点量测误差对高程精度影响较大，二是地面控制点高程精度需达到了1/3甚至1/4模糊高度的要求，而干涉基线越长导致要求越苛刻，因此利用立体sar获取的地面控制点解算绝对相位的方法，是无法保证结果的可靠性。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种无地面控制的insar绝对相位确定方法及系统。

根据本发明提供的一种无地面控制的insar绝对相位确定方法，包括：

参考绝对模糊数计算步骤：利用平均高程分别计算升降轨数据的参考绝对模糊数；

距离计算步骤：根据参考绝对模糊数计算升降轨所有同名点平面坐标的距离；

距离统计步骤：给定高程增量统计升降轨所有同名点平面坐标的距离；

绝对模糊数计算步骤：根据距离统计结果，以最短距离为约束条件计算最终的绝对模糊数；

绝对相位计算步骤：根据绝对模糊数计算出升降轨各自的绝对相位。

优选地，所述参考绝对模糊数计算步骤包括：利用参数文件中提供的平均高程和1个同名点的像坐标，分别计算升轨数据的绝对模糊数n1和降轨数据的绝对模糊数n2；若参数文件未提供平均高程，则假设一参考高程进行计算，具体实现如下：

h＝h-r1cosθ

式中：θ为侧视角，α为基线倾角，r1为主星斜距，b为基线长度，δr为主辅星的斜距差，h为主星雷达高度，h为地面点的高程；

一发双收模式下，δr与主辅星干涉相位的关系式如下：

主辅星干涉相位又表示为：

式中：为缠绕相位，n为绝对模糊数；

优选地，所述距离计算步骤包括：利用计算的升降轨参考绝对模糊数，通过分别计算所有地面点的平面坐标，统计升降轨所有同名点平面坐标的距离，具体实现如下：

在wgs-84坐标系下，对图像中某一同名点，坐标为pt＝(px,py,pz)，sk(·)和vk(·)分别表示雷达的轨迹和速度矢量，下标k＝1,2表示主星雷达和辅星雷达，则insar定位方程为：

|pt-s1(t1)|＝r1

其中，λ为雷达波长，r1和f1为主星雷达斜距和多普勒中心频率，t1和t2分别为主辅星干涉时刻，b(t2)为主辅雷达瞬时基线矢量，s2(t2)＝s1(t2)+b(t2)；

优选地，所述距离统计步骤包括：

给定一个高程增量，重新分别计算升降轨数据的绝对模糊数，当模糊数发生变化时，再次计算得到所有地面点新的平面坐标，统计升降轨所有同名点平面坐标的距离。

优选地，所述绝对模糊数计算步骤包括：将两次距离进行比较，如果距离增大，则改变高程增量符号，继续重复所述距离统计步骤；

如果距离在变小，则说明搜索方向正确，继续重复所述距离统计步骤；

当改变了2次搜索方向后，则停止搜索，取最小距离所对应的绝对模糊数为升降轨最终的绝对模糊数。

根据本发明提供的一种无地面控制的insar绝对相位确定系统，包括：

参考绝对模糊数计算模块：利用平均高程分别计算升降轨数据的参考绝对模糊数；

距离计算模块：根据参考绝对模糊数计算升降轨所有同名点平面坐标的距离；

距离统计模块：给定高程增量统计升降轨所有同名点平面坐标的距离；

绝对模糊数计算模块：根据距离统计结果，以最短距离为约束条件计算最终的绝对模糊数；

绝对相位计算模块：根据绝对模糊数计算出升降轨各自的绝对相位。

优选地，所述参考绝对模糊数计算模块包括利用参数文件中提供的平均高程和1个同名点的像坐标，分别计算升轨数据的绝对模糊数n1和降轨数据的绝对模糊数n2；若参数文件未提供平均高程，则假设一参考高程进行计算。

优选地，所述距离计算模块包括：利用升降轨绝对模糊数，通过分别计算所有地面点的平面坐标，统计升降轨所有同名点平面坐标的距离。

优选地，所述距离统计模块包括：

给定一个高程增量，重新分别计算升降轨数据的绝对模糊数，当模糊数发生变化时，再次计算得到所有地面点新的平面坐标，统计升降轨所有同名点平面坐标的距离。

优选地，所述绝对模糊数计算模块包括：将两次距离进行比较，如果距离增大，则改变高程增量符号，继续重复距离统计；

如果距离在变小，则说明搜索方向正确，继续重复距离统计；

当改变了2次搜索方向后，则停止搜索，取最小距离所对应的绝对模糊数为升降轨最终的绝对模糊数。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明根据升降轨星下点轨迹交叉的几何特征，提出了以最短距离为约束条件的绝对相位确定方法。本发明提出的方法对像点量测精度要求低，对星载sar系统设计无额外设计要求，无需地面控制点即可实现insar绝对相位的确定，并且不依赖于基线长度设计和高程解算精度，具有较强的鲁棒性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为相同侧视方向下升降轨同一区域成像示意图；

图2为升降轨数据中地面点随绝对相位模糊数变化的轨迹示意图；

图3为insar原理示意图

图4为无地面控制的insar绝对相位确定新方法的处理步骤图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

星载insar系统通常运行于太阳同步轨道，对地面同一区域成像的升降轨星下点轨迹存在一定夹角，如附图1所示。在升降轨雷达成像几何的约束下，对于星载insar升降轨2景影像中的同一地面点，其理论上应该处在升轨主星多普勒面与降轨主星多普勒面的交线上。

当绝对模糊数出现误差时，在引起高程模型整体抬高或降低的同时，其平面坐标在升降轨insar数据各自的多普勒面内移动。移动轨迹在2景升降轨数据中形成的2条直线必然相交，如附图2所示，绿点代表1个像点的平面坐标随绝对模糊数的变化在升轨数据中的移动轨迹，蓝点代表该同名点的平面坐标随绝对模糊数的变化在降轨数据中的移动轨迹。升降轨影像中的同名点应该只有一个平面坐标，而只有交点处的平面坐标才是唯一的，因此交点处的升降轨绝对模糊数即是绝对模糊数，根据绝对模糊数就能计算出升降轨各自的绝对相位。

本发明提供一种基于升降轨数据的无地面控制的insar绝对相位确定的新方法，包括以下步骤：步骤一，利用平均高程分别计算升降轨数据的参考绝对模糊数；步骤二，计算升降轨所有同名点平面坐标的距离；步骤三，给定高程增量统计升降轨所有同名点平面坐标的距离；步骤四，以最短距离为约束条件计算最终的绝对模糊数；步骤五，计算绝对相位。

本发明的具体实现步骤如附图4所示，具体包括：

步骤一，利用平均高程分别计算升降轨数据的参考绝对模糊数：利用参数文件中提供的平均高程和1个同名点的像坐标，分别计算升轨数据的绝对模糊数n1和降轨数据的绝对模糊数n2；若参数文件未提供平均高程，则假设一参考高程进行计算，具体实现如下：

星载insar测量原理如附图3所示：

h＝h-r1cosθ(2)

式中：θ为侧视角，α为基线倾角，r1为主星斜距，b为基线长度，δr为主辅星的斜距差，h为主星雷达高度，h为地面点的高程。

一发双收模式下，δr与主辅星干涉相位的关系式如下：

主辅星干涉相位又可表示为：

式中：为缠绕相位，n为绝对模糊数。

步骤二，计算升降轨所有同名点平面坐标的距离：

在wgs-84坐标系下，对图像中某一同名点，其坐标为pt＝(px,py,pz)，sk(·)和vk(·)分别表示雷达的轨迹和速度矢量，下标k＝1,2表示主星雷达和辅星雷达，则insar定位方程为：

|pt-s1(t1)|＝r1(5)

其中，λ为雷达波长，r1和f1为主星雷达斜距和多普勒中心频率，t1和t2分别为主辅星干涉时刻，b(t2)为主辅雷达瞬时基线矢量，s2(t2)＝s1(t2)+b(t2)。

利用升降轨绝对模糊数，通过式(5)～式(7)可分别计算所有地面点的平面坐标，统计升降轨所有同名点平面坐标的距离。

步骤三，给定高程增量统计升降轨所有同名点平面坐标的距离

给定一个高程增量，重新分别计算升降轨数据的绝对模糊数，当模糊数发生变化时，再次计算得到所有地面点新的平面坐标，统计升降轨所有同名点平面坐标的距离；

步骤四，以最短距离为约束条件计算最终的绝对模糊数：

两次距离进行比较，如果距离增大，则改变高程增量符号，继续重复第3步；

如果距离在变小，则说明搜索方向正确，继续重复第3步；

当改变了2次搜索方向后，则停止搜索，取最小距离所对应的绝对模糊数为升降轨最终的绝对模糊数。

步骤五，计算绝对相位：

将绝对模糊数代入利用公式(4)计算绝对相位。

这里利用tandem-x升降轨数据验证本发明提出的基于升降轨数据的无地面控制的insar绝对相位确定的新方法的有效性，该数据位于四川省甘孜藏族自治州理塘县，是典型的山地地形，sar影像中没有明显的强散射点。

表1tandem-x升降轨数据基本信息

首先利用tandem-x升降轨数据的强度影像，人工挑选了11个特征明显的同名点，然后利用基于升降轨数据最短距离约束的绝对相位确定方法，计算出升降轨数据的绝对模糊数分别为814和3474。通过与11个点地面量测坐标点获取的绝对模糊数比对，结果是正确的。

表2给出了升降轨insar分别获取的地面点高斯坐标，从表中可以看出，升降轨insar处理的结果与地面控制点量测坐标误差均在15米以内，符合tandem-x系统的设计指标，说明绝对模糊数解算结果是正确的。试验生成的高程精度比tandem-x系统目前公开的精度要低，主要是tandem-x系统后期利用地面控制点进行了全球dem平差，精度整体得到提升，本文仅是单景处理结果，还包含一定系统性误差。

表2地面控制点坐标及升降轨insar获取的地面点高斯坐标对比

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。