基于区域划分的多策略InSAR相位解缠绕方法
【专利摘要】本发明公开了基于区域划分的多策略InSAR相位解缠绕方法，属于雷达图像处理的【技术领域】。所述相位解缠绕方法，根据缠绕相位图计算得到残差点分布图和相位质量图；在相位质量图中，将残差点密集的区域记为低质量相位区域，将剩余区域作为高质量相位区域；根据残差点原理设置高质量相位区域内的最短枝切线，再由枝切线确定的积分路径获得高质量区域的解缠绕相位图；对低质量相位区域进行相位解缠绕。本发明对相位质量图分区域进行相位解缠绕，阻止了积分路径穿过残差点密集的低质量相位区域；高质量相位区域内按照优先次序分别选择与极性相反剩余残差点、未平衡低质量相位区域连接、图像边界点连接，生成最短枝切线，算法稳定性越好，系统鲁棒性更好。
【专利说明】基于区域划分的多策略InSAR相位解缠绕方法
【技术领域】
[0001] 本发明公开了基于区域划分的多策略InSAR(Interferometricsynthetic apertureradar,干涉合成孔径雷达）相位解缠绕方法，属于雷达图像处理的【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 由于相位的周期性，根据复图像对而获得的干涉相位值Wk/)被限制于（_π，π] 的相位主值区间内，该现象被称为相位缠绕。因此，对缠绕相位?φν/)进行相位解缠绕，以获 得正确的绝对干涉相位Φ(i,j)，是InSAR三维成像处理中的关键步骤之一。在理想情况 下，当图像的采样率满足Nyquist采样定理时，绝对干涉相位图中相邻像素单元之间相位 差的绝对值，即绝对干涉相位梯度值的绝对值在半个周期η内，此时可以根据方位向和距 离向的相位偏导数进行简单积分即可实现准确的相位解缠绕。然而，由于实际干涉相位中 存在的欠采样，噪声，雷达阴影等干扰因素均会导致相位解缠绕的不正确，所以学者研究并 提出了很多有效方法以提高相位解缠绕的鲁棒性。
[0003] 枝切截断法（Branch-Cut)通过识别残差点，并根据残差原理设置正确的枝切 线，从而选择合适的积分路径，实现相位解缠绕。该算法实现简单，计算复杂度低，被广 泛应用于InSAR相位解缠绕。此技术如文献l:GoldsteinRM，ZebkerHA，WernerC L.Satelliteradarinterferometry:two-dimensionalphaseunwrapping1988. 2：Xiao Feng,WuJicang,ZhangLei.Anewmethodaboutplacementofthebranchcutin two-dimensionalphaseunwrapping2007.中公开的技术。但是，残差原理只是不连续相 位存在的充分非必要条件，并且枝切线的放置具有不唯一性，特别在残差点密集的低质量 相位区域，错误的放置枝切线会导致展开相位存在2π整数倍的跳跃。
[0004] 区域生长法则是在质量图的引导下，从高质量相位区域开始积分，逐步扩展至低 质量相位区域，最后完成整幅图像的相位解缠绕。该方法可以有效阻止相位解缠绕误差 从低质量相位区域往高质量相位区域的传递，并且利用多像素单元共同估计绝对干涉相 位值的办法，突破了简单路径积分算法对绝对干涉相位梯度值的限制。此技术如文献1 : XuWei,IanC.AregiongrowingalgorithmforInSARphaseunwrapping1999. 2：Guo Chunsheng.OptimizedRegion-growingAlgorithmforInSARPhaseUnwrapping2006. 中公开的技术。但是，该算法没有考虑残差点对相位解缠绕的影响，并且对各像素单元均采 用多像素单元共同估计的积分办法，运算量较大，不利于算法的实时处理，所以在实际中并 不被广泛应用。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是针对上述【背景技术】的不足，提供了基于区域划分的 多策略InSAR相位解缠绕方法，利用质量图与残差点分布之间的关系，快速识别残差点密 集的低质量相位区域，并基于残差原理设置枝切线，针对不同质量相位区域特点采取不同 的相位解缠绕策略，以保证最终获得良好的相位解缠绕结果。
[0006] 本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
[0007] 基于区域划分的多策略InSAR相位解缠绕方法，
[0008] 根据缠绕相位图计算得到残差点分布图和相位质量图；
[0009] 在相位质量图中，将残差点密集的区域记为低质量相位区域，将剩余区域作为高 质量相位区域；
[0010] 根据残差点原理设置高质量相位区域内的最短枝切线，再由枝切线确定的积分路 径获得高质量区域的解缠绕相位图；
[0011] 对低质量相位区域进行相位解缠绕。
[0012] 作为所述基于区域划分的多策略InSAR相位解缠绕方法的进一步优化方案，所述 根据残差点原理设置高质量相位区域内的最短枝切线的方法为：以低质量区域内各残差点 极性之和作为该区域极性，依据残差点极性相消的原理，按照高质量相位区域内未平衡残 差点、未平衡低质量区域、边界点的顺序选择高质量相位区域内各残差点的连接对象。
[0013] 进一步的，所述基于区域划分的多策略InSAR相位解缠绕方法中，按照高质量相 位区域内未平衡剩余残差点、未平衡低质量区域、边界点的顺序选择高质量相位区域内各 剩余残差点的连接对象的方法为：
[0014] 步骤a，初始化搜索距离，
[0015] 步骤b，在搜索距离范围内，寻找高质量相位区域内未平衡的剩余残差点对，连接 剩余残差点对，
[0016] 步骤c，在搜索距离范围内，在未平衡低质量相位区域中寻找与高质量相位区域内 未平衡剩余残差点相平衡的区域，连接相平衡的剩余残差点与低质量相位区域，更新该低 质量相位区域极性，返回步骤a，
[0017] 步骤d，在未寻找到与高质量相位区域内未平衡剩余残差点相平衡的低质量相位 区域时，在搜索距离范围内寻找与高质量相位区域内未平衡剩余残差点相平衡的边界点， 连接相平衡的剩余残差点以及边界点，返回步骤a，
[0018] 步骤e，在未寻找到与高质量相位区域内未平衡剩余残差点相平衡的边界点时，增 大搜索距离，返回步骤b，
[0019] 步骤f，在高质量相位区域内不存在未平衡的剩余残差点而仍然有低质量相位区 域未平衡时，连接未平衡低质量相位区域以及边界点。
[0020] 进一步的，所述基于区域划分的多策略InSAR相位解缠绕方法中，利用区域生长 法对低质量相位区域进行相位解缠绕。
[0021] 进一步的，所述基于区域划分的多策略InSAR相位解缠绕方法中，利用区域生长 法对低质量相位区域进行相位解缠绕具体为：利用多像素单元基于干涉相位的变化趋势共 同估计相位缠绕的倍数k，*="?[生，&=ι'Ιχα]/(ix]，φ，P为当前待相位展开 像素单元P的解缠绕相位估计值，ft当前待相位展开像素单元P的绝对干涉相位，N为当前 待相位展开像素单元P解缠绕方向的个数，..为当前待相位展开像素单元P在第η方向上 解缠绕相位估计值的加权值，^为当前待相位展开像素单元P在第η方向上解缠绕相位估 计值。
[0022] 本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
[0023] 对相位质量图分区域进行相位解缠绕，阻止了积分路径穿过残差点密集的低质量 相位区域；高质量相位区域内按照优先次序分别选择与极性相反剩余残差点连接，与未平 衡低质量相位区域连接，与图像边界点连接，生成最短枝切线，因此在复杂场景中出现较长 枝切线的可能性越低，算法稳定性越好，系统的鲁棒性更好；采用区域生长法对低质量相位 区域进行相位解缠绕，突破了路径积分算法对于绝对干涉相位梯度值的限制，即使在地形 高度变化快和噪声干扰较大的相位区域，也可以获得正确的相位解缠绕结果。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 图1为干涉相位区域中最小闭合路径。
[0025] 图2(a)、图2(b)、图2(c)分别为用剩余残差点和低质量相位区域示意图、优先将 剩余残差点与边界点连接枝切线示意图、优先将剩余残差点与低质量相位区域连接枝切线 示意图。
[0026] 图3为高质量相位区域相位解缠绕方法的流程图。
[0027] 图4为低质量相位区域相位解缠绕方法的示意图。
[0028] 图5为基于区域划分的多策略InSAR相位解缠绕方法流程图。
[0029] 图 6 (a)、图 6 (b)、图 6 (c)、图 6 (d)、图 6 (e)、图 6 (f)、图 6 (g)、图 6 (h)、图 6 (i)分 别为第一组实际数据处理过程中的自聚焦后条带模式SAR图像、解缠绕前干涉相位图、残 差点分布图、相位质量图、低质量相位区域分布图、剩余残差点及低质量相位区域分布图、 枝切线图、高质量相位区域解缠绕结果图、本发明解缠绕结果图。
[0030] 图7 (a)、图7 (b)、图7 (c)分别为用最小二乘相位解缠绕方法、枝切截断相位解缠 绕方法、本发明方法处理第一组实际数据结果的比较图。
[0031] 图 8 (a)、图 8 (b)、图 8 (c)、图 8 (d)、图 8 (e)、图 8 (f)、图 8 (g)、图 8 (h)、图 8 ⑴分 别为第二组实际数据处理过程中的自聚焦后条带模式SAR图像、解缠绕前干涉相位图、残 差点分布图、相位质量图、低质量相位区域分布图、剩余残差点及低质量相位区域分布图、 枝切线图、高质量相位区域解缠绕结果图、本发明解缠绕结果图。
[0032] 图9 (a)、图9 (b)、图9 (c)分别为用最小二乘相位解缠绕方法、枝切截断相位解缠 绕方法、本发明方法处理第二组实际数据结果的比较图。
【具体实施方式】
[0033] 下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
[0034] 在理想情况下，干涉相位梯度值的绝对值小于π，通过简单的对缠绕相位的梯度 值进行连续积分，可以完成相位解缠绕：
[0035] I 9{r)· dr +(p(r") (I)
[0036] 这里C为干涉相位区域内任意一条连接Γ(ι和r的积分路径。V蚵r)为缠绕相位梯 度值，可以作为绝对相位梯度值V#(r)的估计值；理想情况下，我们认为绝对干涉相位梯度 值满足：
[0037] |V#(r)|e[0.,T] (2)
[0038] 然而在实际中，由于各种干扰因素的存在会出现大于π的不连续情况,导 致路径积分结果的不正确。因此，为了有效分辨相位不连续的像素单元，我们对残差点进行 了定义。图1是干涉相位区域中一条最小的闭合路径，其中^b./)为被限制于η]相 位主值区间内的缠绕相位。
[0039] 按照图1中所示箭头方向方向分别计算干涉相位梯度值，并对其进行求和：
[0040]
【权利要求】
1. 基于区域划分的多策略InSAR相位解缠绕方法，其特征在于， 根据缠绕相位图计算得到残差点分布图和相位质量图； 在相位质量图中，将残差点密集的区域记为低质量相位区域，将剩余区域作为高质量 相位区域； 根据残差点原理设置高质量相位区域内的最短枝切线，再由枝切线确定的积分路径获 得高质量区域的解缠绕相位图； 对低质量相位区域进行相位解缠绕。
2. 根据权利要求1所述的基于区域划分的多策略InSAR相位解缠绕方法，其特征在于， 所述根据残差点原理设置高质量相位区域内的最短枝切线的方法为：以低质量区域内各残 差点极性之和作为该区域极性，依据残差点极性相消的原理，按照高质量相位区域内未平 衡残差点、未平衡低质量区域、边界点的顺序选择高质量相位区域内各残差点的连接对象。
3. 根据权利要求2所述的基于区域划分的多策略InSAR相位解缠绕方法，其特征在于， 所述按照高质量相位区域内未平衡剩余残差点、未平衡低质量区域、边界点的顺序选择高 质量相位区域内各剩余残差点的连接对象的方法为： 步骤a，初始化搜索距离， 步骤b，在搜索距离范围内，寻找高质量相位区域内未平衡的剩余残差点对，连接剩余 残差点对， 步骤c，在搜索距离范围内，在未平衡低质量相位区域中寻找与高质量相位区域内未平 衡剩余残差点相平衡的区域，连接相平衡的剩余残差点与低质量相位区域，更新该低质量 相位区域极性，返回步骤a， 步骤d，在未寻找到与高质量相位区域内未平衡剩余残差点相平衡的低质量相位区域 时，在搜索距离范围内寻找与高质量相位区域内未平衡剩余残差点相平衡的边界点，连接 相平衡的剩余残差点以及边界点，返回步骤a， 步骤e，在未寻找到与高质量相位区域内未平衡剩余残差点相平衡的边界点时，增大搜 索距离，返回步骤b， 步骤f，在高质量相位区域内不存在未平衡的剩余残差点而仍然有低质量相位区域未 平衡时，连接未平衡低质量相位区域以及边界点。
4. 根据权利要求1或2或3所述的基于区域划分的多策略InSAR相位解缠绕方法，其 特征在于，利用区域生长法对低质量相位区域进行相位解缠绕。
5. 根据权利要求4所述的基于区域划分的多策略InSAR相位解缠绕方法，其特征在于， 所述利用区域生长法对低质量相位区域进行相位解缠绕具体为：利用多像素单元基于干涉 相位的变化趋势共同估计相位缠绕的倍数φ，p 为当前待相位展开像素单元P的解缠绕相位估计值，Λ当前待相位展开像素单元P的绝对 干涉相位，N为当前待相位展开像素单元P解缠绕方向的个数，》k为当前待相位展开像素单 元P在第η方向上解缠绕相位估计值的加权值，< 为当前待相位展开像素单元P在第η方 向上解缠绕相位估计值。
【文档编号】G01S13/90GK104316922SQ201410536873
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月11日 优先权日:2014年10月11日
【发明者】蒋锐, 朱剑, 龚清勇 申请人:南京邮电大学