【最新成果】基于自适应高程约束的TomoSAR三维成像（视频）

原创任子帅, 张照雷达学报

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背景介绍

现代SAR层析成像技术是干涉SAR技术的延伸，通过对同一目标的多角度观测，可以反演其在高程向上不同高度的散射值，从而还原真实的SAR成像三维场景。近年来，随着机载、星载SAR系统的不断成熟，高质量多基线SAR影像被成功获取，使得TomoSAR技术对地物高度向结构的重建成为可能。TomoSAR成像可解决由叠掩效应引起的SAR图像解译模糊问题，并在许多方面都有成功应用，因其独特的高程向成像能力，在还原建筑三维结构方面具有显著优势。

然而TomoSAR往往存在严重的因相位缠绕导致的高程模糊问题。在高程反演过程中，若高程搜索范围超过最大不模糊高程，高程反演会出现周期性的峰值，产生伪影，影响成像结果。机载TomoSAR成像最大不模糊高程较小，高程模糊明显；多航过星载TomoSAR成像最大不模糊高程较大，但噪声水平更高，会存在其它伪影。目前专门针对TomoSAR高程解模糊的相关研究较少，但高程模糊是TomoSAR处理中不可忽略的问题之一，针对TomoSAR高程模糊和其它伪影问题还需进一步研究。

图1 高程向的伪目标示意图

团队工作

近年来，西北工业大学郭睿副教授团队对干涉及层析合成孔径雷达三维成像、极化雷达信息处理、激光探测等开展了深入研究。在层析SAR方面，在已发表的散射体预估计TomoSAR等研究基础上，针对TomoSAR中的高程模糊提出一种自适应调整高程搜索范围的方法，该方法通过自适应的高程采样中心和搜索半径设置，使得高程向的模糊峰值被隔离，从而改善高程模糊和伪影问题。在实验中提出平均邻域高度差和散射体完整度评价指标验证该方法的有效性和广泛适用性。

图2 西北工业大学郭睿副教授团队

该工作已发表在《雷达学报》2023年第5期的论文“基于自适应高程约束的TomoSAR三维成像”（任子帅，张照，高雨欣，郭睿）。

论文介绍

该文在TomoSAR成像原理简要介绍后，对TomoSAR高程模糊问题进行分析。由于高程模糊间隔和谱峰周期性的存在，在TomoSAR提取散射体高程信息时会遇到三种问题：

(1)多散射体高程距离差小于高程模糊间隔，并且小于瑞利分辨率时，采用CS算法代替谱估计方法以分离叠掩散射体；

(2)当多散射体的高程距离差大于等于一个高程模糊间隔时，不同散射体的高程散射峰值会相互影响，给估计散射体正确的高程位置带来困难。针对该问题，一般的解决方式是优化基线分布，或者采用互质基线设计，优化基线分布同时对于SAR传感器的控制和分布有一定的要求，而且对于机载和星载等常用的SAR成像平台，散射体高程差不小于高程模糊间隔的问题一般不会存在，在本文不考虑。

(3)多散射体高程距离差小于高程模糊间隔而且大于等于瑞利分辨率的情况下，但高程采样的搜索范围大于高程模糊间隔时，高程反演会重构出模糊峰值。在通过模型选择判断散射体数目之后，该问题可能会导致将模糊峰值位置错误地估计为散射体位置的情况，从而忽视了真实散射体的位置。针对该问题，需要对高程采样范围进行优化调整。

同时本文结合TomoSAR实际数据获取平台及参数设置，对两种情况下的高程模糊和其它伪影问题进行仿真说明，包括基线短、基线均匀、斜距小的情况和基线长、基线不均匀、斜距大的情况。

通过仿真验证，表明第一种情况下如果高程采样的搜索范围设置不合适，会导致反演的高程散射剖面出现多余的峰值，导致错误地将局部模糊峰值当作目标散射体峰值，从而造成散射体高程位置估计错误；第二种情况下虽然最大不模糊高程较大，不易产生非常明显的高程模糊。但是由于不均匀的基线分布和因长距离探测导致的较低的信噪比，会导致TomoSAR处理中一些不规则的伪影，而噪声较大会加剧这一伪影现象。

综上，提出图3所示方法流程，在TomoSAR处理过程中优化高程采样的搜索范围以减少伪影的影响。通过场景最大高度预估计、地面最低高度预估计、构建高程采样中心线性函数、计算搜索半径并设置各像素的高程搜索范围，最终实现高程上的反演。

图3 自适应高程搜索范围方法流程图图示

然后分别采用中科院空天院发布的峨眉机载阵列SAR数据集和高分辨率TerraSAR-X多航过巴塞罗那城区数据集进行试验。为了评估本文方法对高程模糊的改善，参考邻域均值这一概念，提出“平均邻域高度差”这一定义来衡量三维点云在高度向上的集中度和连续性。为了进一步分析高度预估计对本文方法和三维点云的影响，本文还定义了“散射体完整度”来反映三维点云的完整性。