2017, Vol. 37
Sentinel-1(S-1)是欧空局(ESA)合成孔径雷达(SAR)数据服务专用星座，用于中等分辨率大面积重复轨道干涉测量，重访周期6 d，其中宽幅模式(IW)和超宽幅模式(EW)可进行干涉测量。S-1采用TOPS成像技术，其优点是影像一致性好、噪声小，但在方位向存在多普勒频率变化，使得干涉数据处理特别是配准要求更高。
TOPS成像最早在TerraSAR-X上[1-3]测试，在Radarsat-2上进行成像实验[4-5]。基于这两个平台获取的TOPS SAR数据，Zan等[6-8]对TOPS成像模式及干涉条件进行分析，研究TOPS影像burst的配准、拼接。Holzner等[9]阐述了burst的干涉处理方法。Prats-Iraola等[10-11]证明了TOPS SAR用于重轨干涉的可行性，并对谱分解法(SD)和增强谱分解法(ESD)的配准精度进行评估。Prats-Iraola等[12]对卫星轨道及其对干涉的影响进行分析，指出顺轨向轨道误差能导致burst同步误差，必须予以校正。Yague-Martinez等[13]分析IW模式TOPS SAR影像方位向多普勒频移差异，获取玻利维亚Salar de Uyuni地区干涉图。González等[14]通过burst干涉处理，最早将S-l TOPS影像用于Fogo火山监测。Crosetto等[15]通过2014-10~2015-01的S-1影像进行PS法时间序列分析，获取Mexico DF主城区变形时间序列及变形累积图，指出配准误差会在方位向引起线性干涉条纹，并就burst级别干涉处理、PS选点以及相位解缠等进行讨论。Wen等[16]利用GAMMA软件处理升降轨S-1A TOPS数据，获取2015年中国Pishan地震同震形变场，展示了其地震变形探测和断层识别的能力。本文将S-1 SAR影像干涉处理应用于门源地震同震变形监测。
1 S-1A影像干涉处理 1.1 影像配准S-1A TOPS SAR干涉处理过程与其他SAR系统相同，但TOPS成像造成雷达波束存在视角差异，SAR影像多普勒频移差异较大，配准误差会导致线性相位梯度，这种线性相位在方位向尤为明显。设在方位向主从burst影像的配准误差为Δt，则burst方位向相位差异为：
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式中，ΔfDC为burst方位向多普勒中心频率变化值，Δβ为对应的方位向视角变化值。对S-1A，ΔfDC最大为5.2 kHz，Δβ为±0.6°，为使得相位坡度小于1/100(3.6°)，方位向的配准精度需优于0.000 9像元，约合1.9 μs或1.3 cm。
针对上述要求，本文采用基于SRTM DEM和S-1A精密轨道的成像几何配准法[17]，如图 1所示。在地心直角坐标系下，主从影像的卫星位置向量为S (t)和S s(ts)，速度向量为
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图 1 S-1A成像几何图 Fig. 1 Geometric of S-1A imaging |
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式(2)构建了地面像元与其成像时间的相互关系。像元位置与脉冲重复频率PRF及距离向采样率RSR的关系可表示为：
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式中，l为方位向总行数，dta为总成像时间，Np为距离向像元数，dtr为往返零多普勒时间。
1.2 bursts拼接为获取整景S-1A影像的干涉图，需克服burst拼接时因配准误差导致的干涉相位差。目前有两种方法：一种是先进行burst级别的干涉处理，然后计算burst重叠区域的干涉图之差，并将差分相位分配到burst上，消除相位跳变，完成有效行/列的拼接；另一种方法是将重叠区域的差分相位转化成配准偏移量，实现整景影像的配准和拼接，最后获取影像级别的干涉图。如图 2所示，图中用不同框线表示对重叠区域干涉图之差的两种不同处理方法。
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图 2 S-1A TOPS SAR干涉处理流程 Fig. 2 Flow chart of S-1A TOPS SAR interferometry |
2016-01-21青海门源发生6.4级地震，震源深度10 km，地震中心(37.68°N，101.62°E)位于平均海拔4 000 m以上的祁连山。S-1A获取了地震前后的4幅TOPS影像，组成升降轨干涉对(表 1)，降轨的第3个burst完全覆盖地震变形区域，而升轨则需要第3、4个burst拼接，如图 3所示。在读取主从影像后，利用SRTM DEM(90 m分辨率)根据主影像参数模拟SAR影像，并利用移动窗口技术获取其与从影像的粗略偏差，然后利用成像几何法进行精密配准。为减小计算量，在方位向每10个像元、距离向每100个像元选取1个控制点，计算主从影像控制点偏差，剔除粗差[18]并利用最小二乘法计算方位向和距离向整体偏差，见表 2。
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表 1 S-1A干涉对影像参数 Tab. 1 Parameters of S-1A interferometric pairs |
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图 3 门源地震升降轨干涉对及覆盖区域 Fig. 3 Coverage of descending and ascending interferometric pairs at Menyuan earthquake |
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表 2 门源地震TOPS影像配准 Tab. 2 Coregistration of TOPS images covering Menyuan earthquake |
图 4展示了升降轨道获取的地震区干涉图(多视数1×5，像元大小约20 m×20 m)，其中图 4(a)由升轨burst04和burst05拼接而成，拼接时并未作滤波或羽化处理。可以看出：1)虽然变形区域位于冰雪覆盖、高差变化大的山区，但由于干涉基线短，干涉条纹清晰；2)干涉图在方位向没有出现明显的线性条纹，达到了TOPS影像对配准精度要求；3)升轨burst04和burst05拼接处无明显相位跳跃，拼接效果良好；4)升降轨获取的同震干涉条纹数相同。图 5为经过相位解缠后的变形图和地震中心距离向和方位向剖面图，负值表示沿雷达视线向的抬升量(1 rad=4.4 mm)。可以看出，地震变形区域为椭圆形，方位向(近南北向)约22 km，距离向约20 km(近东西向)，雷达视线向最大抬升约70 mm。值得一提的是，干涉条纹图中出现了多处因冰川滑动和山体滑坡引起的干涉条纹，图 6展示了红色矩形区域Google Earth影像及差分干涉图叠加到DEM上的效果。
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图 4 门源地震TOPS干涉图 Fig. 4 Interferograms of TOPS images at Menyuan earthquake area |
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图 5 门源地震相位解缠图与剖面图(多视数1×5) Fig. 5 Unwrapped phase and deformation profile of the Menyuan earthquake |
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图 6 地震引起的冰川移动 Fig. 6 Glaciers movement caused by the earthquake |
论文研究了TOPS影像的特点及干涉处理方法，获取了门源地震变形图。
1) TOPS成像方式造成影像方位向较大的多普勒频率差异，为使得干涉图方位向线性相位小于3.6°，方位向配准精度要控制在0.000 9像元内；
2) 基于DEM和卫星精密轨道的配准方法不会因影像失相干而无法确定控制点，且配准精度高，满足TOPS影像的配准要求；
3) 实现了谱分解法(ESD)TOPS影像burst之间的拼接，干涉相位无明显相位跳跃，拼接效果良好；
4) 利用升降轨数据获取青海门源地震一致的同震变形场，雷达视线向最大抬升约70 mm。
S-1A开放、免费、连续固定的数据服务政策，可为地震过程、火山活动、滑坡和地表沉降监测提供连续的SAR数据源。下一步将重点研究利用TOPS影像进行时序干涉变形监测。
致谢: S-1A TOPS影像数据由欧空局提供，感谢CTTC遥感部Monserrat等对数据处理方法的讨论与支持，感谢武汉大学李陶对论文写作的建议。
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