基于DEM辅助后向投影模型的InSAR高程反演方法

胡晓宁; 汪丙南; 向茂生; 王钟斌

doi:10.12000/JR20144

基于DEM辅助后向投影模型的InSAR高程反演方法

doi: 10.12000/JR20144

胡晓宁^{1, 2, 3},
汪丙南^{1, 2, 3, ,},
向茂生^{1, 2, 3},
王钟斌^{1, 2, 3}

1.
中国科学院空天信息创新研究院北京 100190
2.
中国科学院微波成像技术国家级重点实验室北京 100190
3.
中国科学院大学北京 100049

基金项目: 国家自然科学基金(62073306)，中国科学院青年创新促进会项目资助，国家重点研发计划资助(2017YFC0822400)

详细信息

作者简介:
胡晓宁(1994–)，女，山东人，2016年获得北京理工大学学士学位，现于中国科学院空天信息创新研究院攻读博士学位。研究方向为InSAR信号处理算法

汪丙南(1984–)，男，安徽人。2011年在中国科学院电子学研究所获博士学位，现为中国科学院空天信息创新研究院副研究员，硕士生导师。主要研究方向为干涉合成孔径雷达信号仿真和处理方法

向茂生(1964–)，男，湖南人。1999年在中国科学院遥感应用研究所获博士学位，现为中国科学院空天信息创新研究院研究员，博士生导师。主要研究方向为双天线干涉、多基线干涉、极化干涉、阵列天线干涉等理论与方法，以及干涉 SAR 面向高精度测绘、复杂地物定位与识别、组合导航等的应用技术

王钟斌(1994–)，男，甘肃人，2017年获得重庆大学学士学位，现于中国科学院空天信息创新研究院攻读博士学位。研究方向为干涉合成孔径雷达技术

通讯作者:
汪丙南 wbn@mail.ie.ac.cn

责任主编：靳国旺 Corresponding Editor: JIN Guowang
中图分类号: TN958
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出版历程
- 收稿日期: 2020-11-28
- 修回日期: 2021-03-29
- 网络出版日期: 2021-04-28
- 刊出日期: 2021-06-28

InSAR Elevation Inversion Method Based on Backprojection Model with External DEM

HU Xiaoning^{1, 2, 3},
WANG Bingnan^{1, 2, 3
, ,},
XIANG Maosheng^{1, 2, 3},
WANG Zhongbin^{1, 2, 3}

1.
Aerospace Information Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
2.
National Key Laboratory of Microwave Imaging Technology, Beijing 100190, China
3.
University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Funds: The National Natural Science Foundation of China (62073306), Youth Innovation Promotion Association CAS, National Key R&D Program of China (2017YFC0822400)

More Information

Corresponding author: WANG Bingnan, wbn@mail.ie.ac.cn

摘要

摘要: 利用干涉合成孔径雷达(InSAR)技术获取数字高程模型(DEM)时，在地形起伏剧烈区域，干涉条纹十分密集，增加了相位解缠的难度，影响相位展开和高程反演的精度。为了解决该问题，该文提出了一种基于DEM辅助后向投影模型的InSAR高程反演方法。该方法可以在统一的后向投影成像空间中实现成像和InSAR高程反演，并且引入外源DEM作为辅助信息，去除大部分地形相位，有效地降低了干涉条纹的密度，减少了干涉相位的缠绕。此外，该方法在多数情况下可以避免图像配准和相位解缠过程，简化了传统InSAR的处理流程，并且可以实现高精度的高程反演。通过仿真实验和X波段机载双天线InSAR数据的处理验证了该方法的有效性。
- 高程反演 /
- 干涉合成孔径雷达 /
- 辅助数字高程模型 /
- BP算法 /
- 合成孔径雷达
Abstract: When Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) is used to obtain the Digital Elevation Model (DEM), highly sloped terrains will make interferometric fringes dense and increase the difficulty of phase unwrapping, which will affect the accuracy of phase unwrapping and elevation inversion. To solve this problem, an InSAR elevation inversion method based on BackProjection (BP) model with an external DEM is proposed. This model achieves imaging and InSAR DEM inversion in a uniform BP geographic space and introduces an external DEM as auxiliary information. These processes, in turn, can remove most phases of the terrain and reduce the density of interferometric fringes and phase wrapping. Additionally, the proposed method can avoid the procedures of image registration and phase unwrapping in most cases, which simplifies traditional InSAR processing and achieves high processing accuracy. A simulation experiment and X-band InSAR data processing were performed to verify the effectiveness of the proposed method.
- Elevation inversion /
- InSAR /
- External DEM /
- BackProjection (BP) algorithm /
- SAR

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图 1 基于BP成像算法的干涉模型

Figure 1. The interferometric model based on BP imaging algorithm

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图 2 高程模糊度几何示意图

Figure 2. Geometric description of the height of ambiguity

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图 3 InSAR处理流程

Figure 3. InSAR processing chain

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图 4 仿真实验结果图

Figure 4. Simulation results

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图 5 两种方法的高程反演误差

Figure 5. The elevation inversion errors of two methods

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图 6 强散射目标点成像结果

Figure 6. The focused images of intense scatterer

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图 7 机载InSAR数据处理结果图

Figure 7. Airborne InSAR data processing results

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图 8 机载InSAR山区数据处理结果图

Figure 8. Airborne InSAR data processing results of mountainous area

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表 1 仿真参数

Table 1. Simulation parameters

成像仿真参数	数值
载频(GHz)	9.6
距离向带宽(MHz)	100
距离向采样率(MHz)	120
脉冲宽度(μs)	3.7
脉冲重复频率(Hz)	300
平台平均速度(m/s)	113.5
平台平均高度(m)	3286.5
中心下视角(rad)	0.8727
基线长度(m)	2.189
基线倾角(rad)	0

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表 2 X波段机载InSAR系统参数

Table 2. X-band airborne InSAR system parameters

机载InSAR参数	数值
载频(GHz)	9.6
距离向带宽(MHz)	300
距离向采样率(MHz)	500
脉冲宽度(μs)	15
脉冲重复频率(Hz)	1000
平台平均速度(m/s)	108
平台平均高度(m)	4874
中心下视角(rad)	0.7854
基线长度(m)	1.05
基线倾角(rad)	–0.2358

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表 3 地面检查点处高程反演误差

Table 3. The elevation inversion errors of ground detection points

地面检查点	本文方法(m)	传统InSAR方法(m)
1	–0.5765	–0.8017
2	–0.1310	–0.0824
3	0.7075	0.8840
标准差	0.6519	0.8459

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