干涉SAR图像的降噪方法及水平地形效应消除-北京航空航天大学学报

1999年8月第25卷第4期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsAugust 1999Vol.25 No.4

收稿日期: 1998-03-04第一作者 男 27岁 博士生 100083 北京干涉SAR图像的降噪方法及

水平地形效应消除

胡庆东 毛士艺

(北京航空航天大学电子工程系)

摘 要 考察不同滤波器抑制干涉SAR(SyntheticApertureRadar)图像噪声

的效果.为有效地使用低通滤波处理,首先对原始干涉图像进行水平地形效应消除,

保证图像信号频率的中心在零频处,降低由干涉SAR系统几何结构引起的信号频率

偏移对滤波效果的影响.同时水平地形效应消除后的干涉SAR相位图可直观地反映

地形的拓扑结构.实际数据处理结果证明本文提出的水平地形效应消除算法及滤波

算法的可行性及有效性.

关键词 合成孔径雷达;干涉测量法;滤波器;水平地形效应消除

分类号 TN957.52

干涉SAR可全天候地由二维复数SAR图像

获得大测绘带宽、高精度的地形高度信息.干涉SAR的处理,相位信息的保持是获得高精度地形

拓扑图的关键因素之一.热噪声与SAR图像的相

干斑噪声是影响准确获得相位信息的主要因素,

也严重地影响着二维相位展开算法的效率和精

度,降低了数字高度图的精度.目前只有少数文章

讨论抑制干涉SAR噪声.如Goldstein利用多视

处理消除干涉相位图中的相干斑噪声提高二维相

位展开算法的精度.

干涉SAR图像中存在系统几何结构引起的

频率偏移使其中心频率不在零频处,直接利用具

有对称特性的低通滤波器处理干涉SAR图像引

起信号相位特性的改变[1].干涉SAR要求相位信

息在处理过程中应当线性特性,为此本文首先对

干涉SAR图像做水平地形效应消除处理,消除由

系统几何结构引起的相位特性变化.由于窗函数

滤波器可以通过窗长的改变决定滤波器的带宽,

而且易于在图像域实现,主要利用窗函数来降低

干涉SAR图像的噪声.

1 干涉相位图的噪声来源及性质Goldstein提出干涉相位图中相位噪声主要

有三个来源:①雷达系统本身引起的热噪声;②SAR图像的相干斑噪声;③天线引起的噪声,在干涉SAR中被称为“去相关”效应.其中天线引起的噪声可以利用在距离向及方

位向的频谱移动滤波来降低,本文主要讨论利用

滤波器降低热噪声及相干斑噪声的影响.

一般地,低通滤波处理可以有效地降低信号

中存在的随机噪声,提高信噪比,其代价是信号分

辨率的降低.如何选择合适的滤波器以在信噪比

与分辨率之间取得折衷是滤波器设计与确定参数

时必须考虑的问题.对于干涉SAR来说,由于系

统的几何结构及地形的影响,每一区域都存在非

零的空间频率[1],所以不能直接利用低通滤波器

Goldstein等利用相位图边缘法向的相位变化率

作为三角形函数的斜率形成二维滤波器对实际数

据进行了处理,效果是明显的.

本文则将干涉SAR系统几何结构对干涉相

位信号频率成分的影响归结为平坦地形效应.在

消除该效应后,对干涉相位图像直接使用低通滤

波器与中值滤波器.实际数据处理的结果表明噪

声降低的效果是明显的.首先介绍水平地形效应

的消除技术.

2 水平地形效应的消除

位置不同而高度相同的象素点,由于下视角

的不同使得干涉SAR相位图像在方位向和距离

向的与高度有关的相位差存在着差别,此现象即

干涉SAR的水平地形效应.该效应使得干涉相位

图像存在非零的主要边缘频率,即代表地形主要

变化特征的频率,干涉相位图不能直观地反映出

实际地形的拓扑变化,所以在对干涉相位图像进行滤波及相位展开处理前应当消除干涉相位图像

的水平地形效应.

水平地形效应主要受到SAR系统的几何参

数如平台高度,天线下视角,基线长度等及地球曲

率等许多非线性因素的影响.

2.1 水平地形效应的形成原理

根据干涉合成孔径雷达的几何关系(如图1

所示),当地形水平时,干涉相位差与地形改变之

间的关系为[2]

Δϕ=4πB⊥Δrsλr0tanθ(1)

其中,λ———系统波长;B⊥———基线B在与斜距垂

直方向的投影;Δrs———斜距方向(slantrange)的

距离分辨率;θ———天线的下视角;r0———斜距长

度.

图1 水平地形效应的消除几何关系图

由上式可以看出,对于具有相同的高度的两

点P1、P2,由于在斜距的投影存在Δrs的差别,它

们的相位差值并不相同.这就是水平地形效应现

象.

水平地形效应现象可以通过补偿水平地形效

应引起的相位差完成.方法是对干涉图像在斜距

方向上乘以复指数:

β=exp-4πB⊥rsλr0tanæèçöø÷θ(2)

从而使干涉相位差变为

Δϕ=4πB⊥Δz

λr0sinθ(3)

在系统的结构保持不变的情况下,相位差Δϕ

主要决定于地形高度差Δz,从而干涉相位图可直

接反映地形高度的拓扑结构.

以上的结论是在获得干涉图像的两次飞行

轨道平行的前提下得到的.理论上,当两次飞行轨

道完全平行时,只在距离向上需要线性相位补偿.

若两次飞行轨道存在夹角α时(如图2所示),由

干涉SAR的几何关系引起的方位向上的条纹频率为[3]

∂(Δϕ)∂x=tanα1-z2r20(4)

除交叉点x0处,方位向的条纹的频率不为零.其

中,x代表方位向;z为飞行轨道的高度.

图2 飞行轨迹交叉时的几何关系图

干涉SAR图像相位差在距离向和方位向的

特点可以利用水平地形效应来描述.由于许多参

数如基线在斜距垂直方向的投影,天线的姿态,飞

行轨道的夹角等在飞行过程中是变化的,并不能

从SAR数据文件的头文件中得到.因而必须寻找

一种可以从实际数据中提取参数以消除水平地形

效应的方法.根据(2)式与(4)式,对水平地形效应

可以由干涉SAR图像方位向及距离向的主要条

纹频率来估计,利用线性关系对干涉相位进行补

偿.

2.2 实际数据的处理

利用主要频率估计水平地形效应,经相位补

偿后的处理结果如图3所示.

该图像为意大利的Etna山脉的火山口地区.

对比处理前后的干涉相位图3a及图3b、3c,其中

3b是未经方位向相位补偿的结果,可以看出,与3c之间存在着差别.与实际地形回波强度的二维SAR图像(图3d)对比,可以看出,经水平地形效

应消除后的干涉相位图可以反映出地形的真实变

化情况,其中在距离向与方位向都处理的结果与

图3d的相似性更强.校正处理后的干涉相位图与

地形的高度可以建立直观的关系,特别是火山口

的形状在水平地形效应消除处理后的干涉相位图

中有明显的指示.图3 相位补偿后处理结果

3 干涉SAR图像的降噪技术噪声严重影响着干涉SAR的图像质量使得

目标高度精度严重降低.为获得高质量的干涉SAR图像,必须对噪声进行有效的抑制,同时应304第4期 胡庆东等:干涉SAR图像的降噪方法及水平地形效应消除

a原始干涉相位图

c水平地形效应消除后的干涉相位图

b仅距离向做水平效应处理的干涉相位图该保持干涉SAR图像的分辨率.针对干涉SAR

图像中随机噪声的特性,抑制噪声的方法大体可

以分为两类:频域的多视处理与图像域滤波.图像

域的滤波,如低通滤波器,中值滤波器等是以牺牲

空间分辨率为代价的.选择合适的窗长以在噪声

的抑制和图像分辨率的保持之间折衷是在设计滤

波器及参数选择时应考虑的因素之一.

3.1 窗函数滤波器

窗函数滤波器是可在图像域中直接抑制随机dEtna火山口地区反射强度图像

噪声的线性滤波器.实质上,窗函数滤波器等价于

低通滤波器.窗长决定滤波器的带宽,决定高频噪

声的降低水平.窗长越长,低通滤波器的带宽越

窄.窗长的选择可实现在噪声的抑制与干涉图像

分辨率保持之间的折衷.利用不同窗长的箱形滤

波器对实际X-SAR的处理结果如图4所示.

a未滤波(虚线)与窗长为7×7滤波器处理的结果

b窗长为3×3(虚线)与窗长为7×7滤波器处理的结果

c窗长为11×11(虚线)与窗长为7×7滤波器处理的结果

图4 不同窗长箱形滤波器处理的干涉相位剖面图404北京航空航天大学学报 1999年3.2 中值滤波器

中值滤波器是非线性滤波器,具有较强的边

缘保持特性,特别是对于不连续变化的相位干涉

图像有较强的针对性.对实际干涉图像的处理结

果表明同样选择滤波器窗长可以在噪声抑制和分

辨率保持之间折衷.

3.3 实际数据处理结果

本文所采用的数据是意大利Etna火山地区

的SIR-C/X-SAR的X-SAR数据.该干涉相位图

像已经过水平地形效应消除,其主要空间频率已

移至零频.

各种不同的滤波器及窗长的处理结果表明窗

长为11×7的箱形滤波器可以几乎完全消除相位

噪声.与原始的相位图像比较,窗长为7×7的箱

形滤波器已可以明显地降低相位噪声,同时仍存

在一些噪声.但是随着窗长的增加,相位的边界变

得更加模糊,此时干涉条纹已经被破坏.相同窗长

的中值滤波器的效果不如箱形滤波器的效果,而

其计算量却大的多.适当增加方位向上的滤波器

窗长,有利于消除干涉相位图像的噪声.4 结束语噪声的存在严重地影响着干涉SAR相位图

像的质量,抑制噪声的干扰是干涉SAR处理过程

中的必要步骤.为合理地应用低通滤波器处理干

涉SAR图像,首先应消除水平地形效应对干涉SAR图像频率的影响.同时经过水平地形效应消

除后的干涉SAR相位图像可直观地反映出地形

的拓扑结构.不同窗长的低通滤波器对实际SAR

图像数据处理的结果表明,低通滤波器可以有效

地抑制干涉SAR图像中的随机噪声,适当增加方

位向的滤波器窗长可以获得较满意的结果.

参 考 文 献1 GoldsteinRM,ZebkerHA.Satelliteradarinterferometry:

two-dimensionalphaseunwrapping.RadioScience,1988,23(4):713~720

2 PartiC,RoccaF.Limitstotheresolutionofelevationmaps

fromstereoSARimages.IntJRemoteSensing,1990,11(12):2215~2235

3 GarielAK,GoldsteinRM,ZebkerHA.Crossedorbitin-terferometry:theoryandexperimentalresultsfromSIR-B.

IntJRemoteSensing,1988,9(5):857~872

FlatEarthRemovalandDenoisinginInSARImages

HuQingdong MaoShiyi

(BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Dept.ofElectronicEngineering)

Abstract Thermaland“Speckle”noiseisanobstacletogeneratedigitalelevationmodel(DEM)

fromtheinterferogramby2-DunwrappingofInterferometricSAR.Theboxingandmedianfilters

effectsonreducingthenoiseareinvestigatedindetailinthispaper.Especiallyforthesinglecomplex

images,itismoreconveniencetoprocesstheimagesbylow-passfiltersinimagedomainthaninthe