一种InSAR水体区域干涉相位解缠方法与流程

本发明涉及干涉合成孔径雷达信号处理技术领域，更具体地涉及一种InSAR水体区域干涉相位解缠方法。

背景技术：

干涉合成孔径雷达(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)是利用合成孔径雷达(SAR)两个通道的干涉相位信息提取地表的高程信息或变化信息，将SAR的测量拓展到三维空间，具有全天时、全天候、高精度的特点，因此在地形测绘、冰川研究、海洋测绘以及地面沉降监测等多个领域都有广泛的应用。

然而，由于三角函数的周期性，使得干涉相位被缠绕在(-π，π]之间，并不能反映真实的地面高程。将缠绕相位恢复为与地形高程相对应的真实相位的过程称为相位解缠。理想情况下，通过提取方位向和距离向的相位梯度，然后沿方位向和距离向对梯度积分，即可以达到相位解缠的目的。而实际数据由于地形坡度欠采样、叠掩、阴影、低信噪比等因素的影响，会造成干涉相位数据的不连续，从而引起相位解缠的误差。干涉相位的复杂性使得相位解缠一直是研究的难点和热点。

水体区域被雷达波束照射时，由于其表面相对光滑而产生类似镜面的反射，因此造成目标后向散射系数低，回波信号弱，使干涉图像对之间的相干性差，干涉相位噪声严重，残差点密集，尤其在水体面积较大时极易引起解缠误差的传播。通常的做法是在相位解缠前对低相干区域进行检测并将其掩膜，在解缠时避开这些区域不做处理，从而防止积分路径穿过引起误差传播。然而，直接对低相干区域做掩膜处理后，很容易在干涉相位图中形成不连通的区域，而不连通区域之间的相位相对值无法获得，导致相位的不连续。因此，为满足InSAR应用对干涉相位解缠精度的要求，本领域亟需一种能有效避免误差传播的水体区域干涉相位解缠方法。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术问题，本发明提供了一种InSAR水体区域干涉相位解缠方法。

(二)技术方案

本发明提供了一种InSAR水体区域干涉相位解缠方法，包括：步骤A：检测InSAR幅度图像中的水体区域；步骤B：对所述水体区域掩膜，判读水体流向；步骤C：根据所述水体流向，在所述水体区域的两侧选取相位拟合的起始点和结束点；步骤D：基于所述相位拟合的起始点和结束点，补偿所述水体区域的干涉相位；以及步骤E：所述水体区域的干涉相位被补偿后，对干涉相位图进行相位解缠，得到解缠相位。

优选地，所述步骤A包括：设定灰度阈值K_a，将InSAR幅度图像中灰度值低于所述灰度阈值K_a的像素判定为水体区域。

优选地，所述步骤A进一步包括：设定第一相干系数阈值K_b，将InSAR幅度图像中相干系数低于所述第一相干系数阈值K_b的像素判定为水体区域。

优选地，所述步骤C包括：对于水体流向是沿距离向的水体区域，在每一距离门水体区域的两侧沿方位向选取相位拟合的起始点和结束点。

优选地，所述步骤C包括：对于水体流向是沿方位向的水体区域，在每一方位门水体区域的两侧沿距离向选取相位拟合的起始点和结束点。

优选地，将距离水体区域边界最近且相干系数大于第二相干系数阈值K_c的像素作为相位拟合的起始点和结束点。

优选地，所述步骤D包括：对所述水体区域沿方位向进行相位补偿，每一距离门的水体区域像素的干涉相位补偿值φ_water为：

${\mathrm{\φ}}_{water}={\mathrm{\φ}}_{a_2}+\frac{{\mathrm{\φ}}_{a_2}-{\mathrm{\φ}}_{a_1}}{N_a}{d}_a$

其中，和分别为每一距离门的水体区域两侧沿方位向选取的相位拟合起始点和结束点的干涉相位；N_a为水体区域沿方位向的宽度；d_a为待补偿位置的像素距离起始点的像素个数。

优选地，所述步骤D包括：计算水体区域斜距变化引起的干涉相位模糊数；对所述水体区域沿距离向进行相位补偿。

优选地，所述水体区域斜距变化引起的干涉相位模糊数k为：

其中，ΔR为斜距变化，Δφ为斜距变化为ΔR时引起的干涉相位变化，B_⊥为垂直基线，λ为雷达波长，R为斜距，θ为视角，Q为InSAR工作模式，当InSAR为一发双收模式时，Q＝1，当InSAR为乒乓模式时，Q＝2，表示向下取整。

优选地，每一方位门的水体区域像素的干涉相位补偿值φ_ｗater为：

${\mathrm{\φ}}_{water}={\mathrm{\φ}}_{r_2}+\frac{{\mathrm{\φ}}_{r_2}-{\mathrm{\φ}}_{r_1}+2k\mathrm{\π}}{N_r}{d}_r$

其中，和分别为每一方位门的水体区域两侧沿距离向选取的相位拟合起始点和结束点的干涉相位，N_r为水体区域沿距离向的宽度，d_r为待补偿位置的像素距离起始点的像素个数。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的InSAR水体区域干涉相位解缠方法具有以下有益效果：

(1)利用水体区域两岸的高程较为接近的特点，分别根据水体区域两岸平坦地形的干涉相位近似补偿水体区域的干涉相位；

(2)区分水体流向沿距离向和方位向的两种情况，对水体流向沿距离向和方位向的水体区域均可以进行相位补偿，适应性好，从而避免水体区域的相位噪声在解缠时引起的相位误差传播；

(3)在水体区域将干涉相位图分割形成不连通区域时，克服了传统方法无法确定不连通区域之间相对相位的缺点；

(4)实际应用中无需对水体区域的所有像素进行干涉相位补偿，只需要对能把不连通区域连通的像素进行相位补偿即可，数据处理量小，降低了计算复杂度，提高了相位解缠的计算效率。

附图说明

图1为本发明实施例的InSAR水体区域干涉相位解缠方法的流程图；

图2为包含水体区域的InSAR幅度图像；

图3为相干系数图；

图4为水体区域的掩膜图；

图5为干涉相位图；

图6为对图5的干涉相位进行相位解缠后的结果图；

图7为相位补偿后的干涉相位图；

图8为对图7进行相位解缠后的结果图；

图9为根据图6和图8的解缠相位解算得出的DEM在图5中黑色直线所示方位向的对比图。

具体实施方式

本发明提供了一种InSAR水体区域的干涉相位解缠方法，以克服现有的干涉相位解缠方法容易引起相位误差传播的缺点，从而提高干涉相位解缠的精度。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

参照图1，本发明实施例的提供了一种InSAR水体区域干涉相位解缠方法，该方法包括：

步骤A：检测InSAR幅度图像中的水体区域。

水体区域在InSAR幅度图像上表现为明显的暗区，根据这一特点，在步骤A中采用灰度阈值法检测水体区域，即，设定一个灰度阈值K_a，将InSAR幅度图像中灰度值低于K_a的像素判定为水体区域，优选地，对像素灰度值为0～255的InSAR幅度图像，可取10≤K_a≤20。

进一步地，为了更准确地检测水体区域，还可以对上述灰度阈值法的判断结果进行修正，即根据水体区域相干系数较低的特点，进一步采用相干系数阈值法对由灰度阈值法判定的水体区域进行二次检测，即，设定第一相干系数阈值K_b且0.5≤K_b≤0.7，将经过灰度阈值法判定的水体区域中相干系数低于第一相干系数阈值的像素判定为水体区域。

优选地，在利用灰度阈值法和相干系数阈值法检测出水体区域后，还可以利用形态学闭运算对InSAR幅度图像进行处理，将检测出的水体区域的边缘规整化。

其中，相关系数的获取方法以及形态学闭运算均为本领域的公知常识，此处不再赘述。

步骤B：对水体区域掩膜，判读水体流向。

在步骤B中，通过观察水体区域的水流走向，判断水体流向。其中，若水体走向贯穿整幅InSAR幅度图像的距离向，则水体流向为沿距离向；若水体走向贯穿整幅InSAR幅度图像的方位向，则水体流向为沿方位向。

步骤C：根据水体流向，在水体区域的两侧选取相位拟合的起始点和结束点。

在步骤C中，如果水体流向是沿距离向的，则在每一距离门水体区域的两侧沿方位向选取相位拟合的起始点和结束点；如果水体流向是沿方位向的，则在每一方位门水体区域的两侧沿距离向选取相位拟合的起始点和结束点。

具体地，选取相位拟合的起始点和结束点时，选择距离水体区域边界最近、且相干系数大于第二相干系数阈值K_c的像素作为起始点和结束点，以保证所选起始点和结束点相位的可靠性，其中第二相干系数阈值K_c＞0.9。

步骤D：基于相位拟合的起始点和结束点，补偿水体区域的干涉相位。

步骤D包括：若水体流向为沿距离向，需沿方位向进行相位补偿。干涉相位同时与目标的斜距和高度信息有关，此时对于同一距离门而言，干涉相位仅随目标高度变化。对于水体流向为沿距离向的水体区域而言，其沿方位向的高程变化通常较小，因此水体区域沿方位向的干涉相位变化在一个相位周期内，因而可以通过线性拟合法来补偿水体区域的干涉相位，则每一距离门的水体区域像素的干涉相位补偿值φ_water为：

${\mathrm{\φ}}_{water}={\mathrm{\φ}}_{a_2}+\frac{{\mathrm{\φ}}_{a_2}-{\mathrm{\φ}}_{a_1}}{N_a}{d}_a$

其中，和分别为每一距离门的水体区域两侧沿方位向选取的相位拟合起始点和结束点的干涉相位；N_a为水体区域沿方位向的宽度，即水体区域沿方位向的像素个数；d_a为待补偿位置的像素距离起始点的像素个数。

若水体流向为沿方位向，需沿距离向进行相位补偿。此时，对于同一方位向的干涉相位而言，将会同时随目标的斜距和高度变化。在水体两岸几乎无高程变化的假设下，近似平坦的地形仍会产生周期变化的干涉相位，这也就是所谓的平地效应。受平地效应的影响，水体两岸沿距离向的干涉相位变化可能会超过一个相位周期。在这种情况下，将不能直接利用线性拟合的方法沿距离向补偿水体区域的干涉相位，这样会导致错误的相位模糊数，在解缠时会进一步将误差传播到其它区域。因此，要通过相位补偿的方法避免水体区域相位误差的传播，需要首先估计出平地效应引起的相位模糊数，在此基础上才能按照与水体流向沿距离向时相同的方法进行线性拟合补偿相位。

首先计算出水体区域斜距变化引起的干涉相位模糊数k：

其中，ΔR为斜距变化，Δφ为斜距变化为ΔR时引起的干涉相位变化，B_⊥为垂直基线，λ为雷达波长，R为斜距，θ为视角，Q为InSAR工作模式，当InSAR为一发双收模式时，Q＝1，当InSAR为乒乓模式时，Q＝2，表示向下取整。

然后线性拟合水体区域的干涉相位，则每一方位门的水体区域像素的干涉相位补偿值φ_water为：

${\mathrm{\φ}}_{water}={\mathrm{\φ}}_{r_2}+\frac{{\mathrm{\φ}}_{r_2}-{\mathrm{\φ}}_{r_1}+2k\mathrm{\π}}{N_r}{d}_r$

其中，和分别为每一方位门的水体区域两侧沿距离向选取的相位拟合起始点和结束点的干涉相位，N_r为水体区域沿距离向的宽度，即水体区域沿距离向的像素个数，d_r为待补偿位置的像素距离起始点的像素个数。

相位补偿的目的是连通被水体区域分割形成的不连通区域，因此，在实际应用中并不需要对所有方位门和距离门的水体区域像素进行干涉相位补偿，只要对能把不连通区域连通的像素进行相位补偿即可，通常对水体区域的50个方位向或距离向的像素进行干涉相位补偿即可。

由此可见，本发明利用水体区域两岸的高程较为接近的特点，分别根据水体区域两岸平坦地形的干涉相位近似补偿水体区域的干涉相位；并且区分水体流向沿距离向和方位向的两种情况，对水体流向沿距离向和方位向的水体区域均可以进行相位补偿，适应性好，从而避免水体区域的相位噪声在解缠时引起的相位误差传播；并且在水体区域将干涉相位图分割形成不连通区域时，能够克服传统方法无法确定不连通区域之间相对相位的缺点；并且实际应用中无需对水体区域的所有像素进行干涉相位补偿，只需要对能把不连通区域连通的像素进行相位补偿即可，数据处理量小，降低了计算复杂度，提高了相位解缠的计算效率。

步骤E：水体区域的干涉相位被补偿后，对干涉相位图进行相位解缠，得到解缠相位。

干涉相位图的相位解缠的方法可以为Goldstein枝切法，或质量图指导的路径跟踪法，这些方法均为本领域的公知常识，此处不再赘述。

下面通过实测数据验证了本发明方法的有效性。图2为包含水体区域的InSAR幅度图像，图3为相干系数图，图4为水体区域的掩膜图，图5为干涉相位图，图6为对图5进行相位解缠的结果。由图4可以看出场景中水体区域将图像分割成左右两部分不连通的区域，因此需要沿距离向进行相位补偿。图7为相位补偿后的干涉相位图，图8为对图7进行相位解缠的结果。

图9给出了对图5中黑色直线所示方位向进行相位解缠得出的DEM的对比，可以看出不进行相位补偿时，DEM在水体区域两侧会有较大跳变，而相位补偿后的DEM基本上是连续的，与实际情况相符。

至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的一种InSAR水体区域干涉相位解缠方法有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；

(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。