RU2612322C1

RU2612322C1 - Method for deploying phase at interferometric processing of information from space systems of radar observation of earth

Info

Publication number: RU2612322C1
Application number: RU2016113159A
Authority: RU
Inventors: Николай Анатольевич Егошкин; Виктор Владимирович Еремеев; Алексей Эдуардович Москвитин; Виктор Андреевич Ушенкин
Priority date: 2016-04-07
Filing date: 2016-04-07
Publication date: 2017-03-07

Abstract

FIELD: space.

SUBSTANCE: invention relates to space radar probing of the Earth, in particular, to a method for two-dimensional deployment phase in production of digital elevation models of the Earth's surface at interferometric pairs of radar images. Said result is achieved due to that, the method of deploying phase consists in reduction of gradient phase on the basis of minimizing the cost of flows in transport network, associated with interference pattern, only along short break lines phase, corresponding to tracks of flows of low cost; extraction sections on interference pattern, containing long lines of phase break, carried out in two stages: first, based on analysis of plot by detecting the most abrupt changes of value and direction of inclination of phase surface, then by parasite gradient, which occurs at recovery of phase surface using weight criterion of smaller squares; failure to follow gradient phase at the allocated areas at recovery of surface of developed phase; attracting low-detailed reference information on relief for recovery of medium level of phase in large areas insulated sections with ignored gradient.

EFFECT: technical result is increased accuracy of digital elevation models, formed as a result of interferometric processing, due to prevent propagation of errors deployment phase at a considerable part of the interference pattern.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области космического радиолокационного зондирования Земли, в частности к способу двумерного развертывания фазы при получении цифровых моделей рельефа земной поверхности по интерферометрическим парам радиолокационных изображений.The invention relates to the field of space radar sensing of the Earth, in particular to a method for two-dimensional phase deployment when obtaining digital models of the relief of the earth's surface from interferometric pairs of radar images.

Интерферометрическая съемка основана на формировании двух радиолокационных изображений одной и той же местности, снятых с близких точек, расположенных на линии, перпендикулярной к направлению движения космического аппарата. Каждое из двух радиолокационных изображений представляет собой матрицу комплексных отсчетов, т.е. по существу состоит из амплитудного и фазового изображений. На основе вычитания двух пространственно совмещенных фазовых изображений формируется матрица, содержащая отсчеты разности фаз, которую принято называть интерферограммой. Процесс формирования значений высоты рельефа земной поверхности по отсчетам интерферограммы составляет содержание интерферометрической обработки.Interferometric imaging is based on the formation of two radar images of the same area, taken from close points located on a line perpendicular to the direction of motion of the spacecraft. Each of the two radar images is a matrix of complex samples, i.e. essentially consists of amplitude and phase images. Based on the subtraction of two spatially combined phase images, a matrix is formed containing samples of the phase difference, which is usually called an interferogram. The process of forming the elevation of the earth's surface relief from the interferogram samples is the content of the interferometric processing.

Отсчеты интерферограммы (которые далее будем называть интерферометрической фазой или просто фазой), как правило, содержат шумы. Степень зашумленности сигнала на интерферограмме описывается матрицей значений когерентности. Единичная когерентность означает полное отсутствие шумов, а нулевая - максимальную зашумленность сигнала на интерферограмме.Interferogram readings (which we will hereinafter call the interferometric phase or simply phase), as a rule, contain noise. The noise level of the signal on the interferogram is described by a matrix of coherence values. Single coherence means the complete absence of noise, and zero coherence means the maximum noise level of the signal on the interferogram.

Диапазон истинных значений интерферометрической фазы определяется диапазоном высот рельефа и может выходить за пределы периода волны излучения, т.е. может составлять более чем 2π радиан. В то же время на интерферограмме представлены лишь свернутые значения фазы, лежащие в пределах от -π до π радиан. Для получения матрицы истинной фазы к каждому свернутому значению фазы на интерферограмме необходимо прибавить некоторое целое количество периодов. Этот процесс определен в литературе как двумерное развертывание фазы. Развернутая фаза путем простого преобразования может быть впоследствии пересчитана в высоту точек земной поверхности.The range of true values of the interferometric phase is determined by the range of elevations of the relief and may go beyond the period of the radiation wave, i.e. may be more than 2π radians. At the same time, the interferogram shows only convoluted phase values lying in the range from -π to π radians. To obtain the matrix of the true phase, a certain integer number of periods must be added to each convolved phase value on the interferogram. This process is defined in the literature as two-dimensional phase deployment. The expanded phase, by simple transformation, can subsequently be recounted to the height of the points on the earth's surface.

В основе известных подходов к развертыванию фазы лежит предположение о гладком характере фазовой поверхности, т.е. считается, что истинные значения фазы в двух соседних пикселях интерферограммы близки друг к другу. Чаще всего при развертывании фазы переходят к построению дискретного поля ее градиента и восстановлению поверхности истинной фазы путем интегрирования этого градиента. Дискретное поле градиента представляет собой матрицы отсчетов разностей значений фазы в соседних пикселях интерферограммы, вычисленных вдоль строк и вдоль столбцов. Исходя из предположения о гладкости фазовой поверхности каждую разность приводят к диапазону от -π до π радиан путем прибавления или вычитания некоторого целого количества периодов, тем самым получая свернутый градиент фазы.The well-known approaches to phase unfolding are based on the assumption that the phase surface is smooth, i.e. it is believed that the true phase values in two adjacent pixels of the interferogram are close to each other. Most often, when the phase unfolds, they go on to construct a discrete field of its gradient and restore the surface of the true phase by integrating this gradient. The discrete gradient field is a matrix of samples of the differences of the phase values in adjacent pixels of the interferogram calculated along the rows and along the columns. Based on the assumption that the phase surface is smooth, each difference leads to a range from -π to π radians by adding or subtracting an integer number of periods, thereby obtaining a convoluted phase gradient.

Из-за наличия сильных импульсных фазовых шумов, либо в случае крутых склонов на земной поверхности (обрывов, каньонов и т.п.), истинное значение градиента фазы в отдельных пикселях может превышать по модулю π радиан, т.е. нарушается условие теоремы Котельникова. В этом случае возникают так называемые сингулярные точки. Они легко выявляются за счет того, что ротор свернутого градиента фазы в них отличен от нуля. В то же время про пиксели, в которых нарушается условие теоремы Котельникова, известно только то, что они лежат на некоторых линиях, концы которых соответствуют сингулярным точкам. Такие линии в дальнейшем будем называть линиями разрыва фазы. Ключевой проблемой при двумерном развертывании фазы является выявление и учет линий разрыва фазы. Имеющиеся подходы по-разному выявляют и обрабатывают их.Due to the presence of strong pulsed phase noise, or in the case of steep slopes on the earth's surface (cliffs, canyons, etc.), the true value of the phase gradient in individual pixels can exceed modulo π radians, i.e. the condition of the Kotelnikov theorem is violated. In this case, the so-called singular points arise. They are easily detected due to the fact that the rotor of the folded phase gradient in them is nonzero. At the same time, about the pixels in which the condition of the Kotelnikov theorem is violated, it is only known that they lie on some lines whose ends correspond to singular points. Such lines will hereinafter be called phase discontinuity lines. A key problem in two-dimensional phase unfolding is the identification and consideration of phase discontinuity lines. Existing approaches differently identify and process them.

Известен способ двумерного развертывания фазы (см. патент US 5424743 А), основанный на построении поверхности, градиент которой наиболее похож на свернутый градиент фазы по весовому критерию наименьших квадратов. В качестве весов выступает когерентность сигнала на интерферограмме. Недостатком способа является появление паразитного градиента на результирующей фазовой поверхности. Под паразитным градиентом понимается отличие градиента полученной фазовой поверхности от свернутого градиента фазы, возникающее не только на линиях разрыва фазы, но и распространяющееся в некоторой их окрестности, постепенно убывая с расстоянием. В случае одиночной короткой линии разрыва фазы паразитный градиент наблюдается только в небольшой ее окрестности. При большом количестве близко расположенных длинных линий разрыва фазы паразитный градиент от них суммируется и распространяется на значительную часть интерферограммы, что приводит к глобальным ошибкам развертывания фазы.A known method of two-dimensional phase deployment (see patent US 5424743 A), based on the construction of a surface whose gradient is most similar to a convoluted phase gradient according to the weighted least squares criterion. The coherence of the signal on the interferogram acts as a weight. The disadvantage of this method is the appearance of a spurious gradient on the resulting phase surface. The parasitic gradient is understood as the difference between the gradient of the obtained phase surface and the folded phase gradient, which arises not only on the lines of phase discontinuity, but also propagates in a certain neighborhood of them, gradually decreasing with distance. In the case of a single short line of phase discontinuity, a parasitic gradient is observed only in its small vicinity. With a large number of closely spaced long lines of phase discontinuity, the parasitic gradient from them is summed up and spreads to a significant part of the interferogram, which leads to global phase unfolding errors.

Авторами указанного выше способа (патент US 5424743 А) предложена его модификация, где минимизируется не квадратичная (критерий наименьших квадратов), а любая p-норма отклонения градиента результирующей поверхности от свернутого градиента фазы (см. Ghiglia D.C., Romero L.A. Minimum L^p-norm two-dimensional phase unwrapping // Journal of the Optical Society of America A. 1996. Vol. 13. Issue 10. P. 1999-2013). Минимизация p-нормы сводится к многократному развертыванию фазы по критерию наименьших квадратов с изменяющимися весами. Правило изменения весов определяется величиной р. При р<2 паразитный градиент распространяется по меньшей части интерферограммы, и точность развертывания фазы повышается. Тем не менее, недостатки, отмеченные для способа по патенту US 5424743 А, сохраняются и в данном способе, только проявляются в меньшей степени. В предельном случае, когда р=0, области распространения паразитного градиента вырождаются в линии, однако их положение может не совпадать с истинным положением линий разрыва фазы, которое определяется не минимальной длиной линий, а конкретным сюжетом. По этой причине фаза на значительной части интерферограммы может оказаться неправильно развернутой.The authors of the above method (patent US 5424743 A) proposed its modification, where it is minimized not quadratic (least squares criterion), but any p-norm of the deviation of the gradient of the resulting surface from the minimized phase gradient (see Ghiglia DC, Romero LA Minimum L ^p -norm two-dimensional phase unwrapping // Journal of the Optical Society of America A. 1996. Vol. 13. Issue 10. P. 1999-2013). Minimization of the p-norm reduces to multiple phase unfolding according to the least squares criterion with varying weights. The rule for changing weights is determined by the value of p. At p <2, a parasitic gradient propagates over at least a part of the interferogram, and the phase unfolding accuracy is increased. However, the disadvantages noted for the method according to the patent US 5424743 A, persist in this method, only appear to a lesser extent. In the limiting case, when p = 0, the regions of propagation of the parasitic gradient degenerate into lines, however, their position may not coincide with the true position of the lines of phase discontinuity, which is determined not by the minimum line length, but by a specific plot. For this reason, the phase in a significant part of the interferogram may be incorrectly deployed.

Другим подходом к двумерному развертыванию фазы является способ Голдштейна-Зебкера-Вернера (см. Goldstein R.M., Zebker Н.А., Werner C.L. Satellite radar interferometry: Two-dimensional phase unwrapping // Radio Science. 1988. Vol. 23. No. 4. P. 713-720). Он основан на соединении сингулярных точек так называемыми линиями отсечения. Считается, что проведенные линии отсечения и есть линии разрыва фазы. Свернутый градиент фазы в пикселях, лежащих на этих линиях, игнорируется при интегрировании поля градиента. Соединение сингулярных точек линиями отсечения выполняется путем квазиминимизации суммарной длины линий. Эта операция выполняется правильно лишь тогда, когда линии разрыва фазы коротки и расположены далеко друг от друга, что характерно для гладкого рельефа земной поверхности и редких импульсных шумов на интерферограмме. Основным недостатком способа является то, что в случае сложного рельефа и сильного фазового шума, когда линии разрыва фазы имеют большую протяженность и расположены близко друг к другу, возникают ошибки развертывания фазы, распространяющиеся на значительную часть интерферограммы. Еще одним недостатком является то, что в наиболее сложных случаях проведенные линии отсечения могут изолировать друг от друга целые области на интерферограмме, а способ Голдштейна-Зебкера-Вернера не предлагает никаких решений, позволяющих получить единую фазовую поверхность по всей интерферограмме, а не отдельно по каждой изолированной области.Another approach to two-dimensional phase deployment is the Goldstein-Zebker-Werner method (see Goldstein RM, Zebker N.A., Werner CL Satellite radar interferometry: Two-dimensional phase unwrapping // Radio Science. 1988. Vol. 23. No. 4 P. 713-720). It is based on the connection of singular points by the so-called clipping lines. It is believed that the drawn clipping lines are the lines of phase discontinuity. The collapsed phase gradient in pixels lying on these lines is ignored when integrating the gradient field. The connection of singular points by cut-off lines is carried out by quasiminimizing the total length of the lines. This operation is performed correctly only when the lines of phase discontinuity are short and are located far from each other, which is typical for a smooth relief of the earth's surface and rare impulse noise on the interferogram. The main disadvantage of this method is that in the case of a complex topography and strong phase noise, when the phase discontinuity lines are long and close to each other, phase unfolding errors occur that extend to a significant part of the interferogram. Another drawback is that in the most difficult cases, the drawn cut-off lines can isolate whole regions from the interferogram from each other, and the Goldstein-Zebker-Werner method does not offer any solutions that allow to obtain a single phase surface over the entire interferogram, and not separately for each isolated area.

Еще одним подходом к развертыванию фазы является способ Constantini М. A novel phase unwrapping method based on network programming // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1998. Vol. 36. No. 3. P. 813-821 (далее способ Константини). В нем также выявляются линии разрыва фазы, но градиент фазы в пикселях, лежащих на этих линиях, не игнорируется, а корректируется таким образом, чтобы сингулярные точки на концах линий взаимно устранились. Коррекция градиента осуществляется путем прибавления или вычитания к нему некоторого целого неотрицательного количества периодов. При этом линии проводятся так, чтобы взвешенная сумма числа периодов, прибавляемых или вычитаемых из градиента фазы во всех пикселях, была минимальна. Для этого строится граф, представляющий собой транспортную сеть, узлы которой располагаются в решетке, смещенной на половину пикселя по строке и столбцу относительно решетки пикселей интерферограммы. Соседние узлы сети попарно соединяются вертикальными и горизонтальными дугами. Узлы, совпадающие по положению с сингулярными точками, объявляются источниками или стоками в зависимости от знака ротора свернутого градиента фазы в сингулярной точке. Каждому источнику сопоставляется сток, в который от источника по дугам сети проводится единица потока. Стоимость потока определяется суммарной длиной дуг сети, по которым он проводится. Источники и стоки разбиваются на пары таким образом, чтобы суммарная стоимость всех потоков была минимальной. Пути проведения потоков определяют линии разрыва фазы, а величина потока в дугах транспортной сети определяет, на сколько периодов нужно корректировать градиент в соответствующих пикселях интерферограммы. В результате восстанавливается поле градиента развернутой фазы, обладающее свойством потенциальности, из которого может быть получена фазовая поверхность путем простого интегрирования. При этом появляется возможность выявления линий разрыва фазы с учетом дополнительной информации (например, о направлении и величине наклона фазовой поверхности, когерентности и т.д.) путем управления длиной дуг транспортной сети, за счет чего результаты способа Константини оказываются в среднем точнее результатов способа Голдштейна-Зебкера-Вернера. Кроме того, в отличие от способа Голдштейна-Зебкера-Вернера, способ Константини гарантирует получение единой фазовой поверхности даже в тех случаях, когда пути проведения потоков изолируют друг от друга отдельные области на интерферограмме, поскольку градиент фазы вдоль этих путей восстанавливается, а не игнорируется. Тем не менее, недостатком способа Константини является то, что строгая минимизация суммарной стоимости всех потоков не гарантирует правильного выявления линий разрыва фазы, особенно в тех случаях, когда длина этих линий велика, что характерно для широких крутых склонов на земной поверхности (чем шире крутой склон, тем длиннее линия разрыва фазы). Поэтому, если на снятом участке земной поверхности имеется много широких крутых склонов, пути проведения потоков не соответствуют истинному положению линий разрыва фазы и возникают ошибки развертывания, занимающие значительную часть интерферограммы.Another approach to phase deployment is the Constantini M. A novel phase unwrapping method based on network programming // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1998. Vol. 36. No. 3. P. 813-821 (hereinafter referred to as the Constantini method). It also reveals the lines of phase discontinuity, but the phase gradient in the pixels lying on these lines is not ignored, but is adjusted so that the singular points at the ends of the lines are mutually eliminated. The gradient is corrected by adding or subtracting to it some integer non-negative number of periods. The lines are drawn so that the weighted sum of the number of periods added or subtracted from the phase gradient in all pixels is minimal. For this, a graph is constructed that represents a transport network, the nodes of which are located in a lattice offset by half a pixel along a row and column relative to the lattice of pixels of the interferogram. Neighboring network nodes are connected in pairs by vertical and horizontal arcs. The nodes that coincide in position with the singular points are declared sources or sinks depending on the sign of the rotor of the folded phase gradient at the singular point. Each source is associated with a sink, into which a unit of flow is drawn from the source along the arcs of the network. The cost of the flow is determined by the total length of the network arcs along which it is conducted. Sources and drains are divided into pairs so that the total cost of all flows is minimal. The flow paths determine the lines of phase discontinuity, and the magnitude of the flow in the arcs of the transport network determines how many periods the gradient needs to be adjusted in the corresponding pixels of the interferogram. As a result, the gradient field of the unfolded phase is restored, which has the property of potentiality, from which the phase surface can be obtained by simple integration. At the same time, it becomes possible to identify lines of phase discontinuity taking into account additional information (for example, on the direction and magnitude of the slope of the phase surface, coherence, etc.) by controlling the length of the arcs of the transport network, due to which the results of the Constantini method are on average more accurate than the results of the Goldstein method -Zebker-Werner. In addition, unlike the Goldstein-Zebker-Werner method, the Constantini method guarantees a single phase surface even in cases where the flow paths isolate separate regions from each other on the interferogram, since the phase gradient along these paths is restored rather than ignored. However, the drawback of the Constantini method is that strict minimization of the total cost of all flows does not guarantee the correct detection of phase discontinuity lines, especially in those cases when the length of these lines is long, which is typical for wide steep slopes on the earth's surface (the wider the steep slope , the longer the line of phase discontinuity). Therefore, if there are many wide steep slopes on the captured area of the earth’s surface, the flow paths do not correspond to the true position of the phase discontinuity lines and deployment errors occur that occupy a significant part of the interferogram.

Тем не менее, авторы заявки на изобретение считают способ Константини наиболее близким к их предложениям.However, the authors of the application for the invention consider the method of Constantini closest to their proposals.

Предлагаемый авторами способ позволяет избежать распространения ошибок развертывания фазы на значительную часть интерферограммы и тем самым повысить точность цифровых моделей рельефа, формируемых в результате интерферометрической обработки радиолокационных изображений. Предлагаемое решение базируется на том, что восстановление градиента фазы, основанное на минимизации стоимости потоков в транспортной сети, ассоциированной с интерферограммой, выполняется только вдоль коротких линий разрыва фазы, а длинные линии выделяются более надежно в результате последовательного выполнения двух этапов: анализа сюжета интерферограммы и анализа паразитного градиента, возникающего при восстановлении фазовой поверхности по весовому критерию наименьших квадратов.The method proposed by the authors avoids the spread of phase deployment errors to a significant part of the interferogram and thereby increase the accuracy of digital terrain models generated as a result of interferometric processing of radar images. The proposed solution is based on the fact that the restoration of the phase gradient, based on minimizing the cost of flows in the transport network associated with the interferogram, is performed only along the short lines of phase discontinuity, and the long lines are distinguished more reliably as a result of the sequential implementation of two stages: analysis of the plot of the interferogram and analysis spurious gradient that occurs when restoring the phase surface according to the weighted least squares criterion.

Восстановление градиента фазы вдоль коротких линий разрыва, соответствующих путям проведения потоков малой стоимости, с большой вероятностью выполняется правильно, а если и возникают ошибки, то они носят локальный характер и существенно не влияют на качество формируемых цифровых моделей рельефа.The restoration of the phase gradient along short discontinuity lines corresponding to the paths of conducting low-cost flows is most likely to be carried out correctly, and if errors occur, they are local in nature and do not significantly affect the quality of the generated digital elevation models.

Неправильное выявление длинных линий разрыва фазы приводит к распространению ошибок развертывания фазы на значительную часть интерферограммы, поэтому очень важно правильно выявить такие линии. Истинное положение длинных линий разрыва фазы зависит от конкретного сюжета и может не соответствовать минимуму того или иного критерия (например, суммарной длины линий или суммарной стоимости потоков в транспортной сети). Следовательно, в общем случае невозможно правильно выявить длинные линии разрыва фазы путем решения различных оптимизационных задач, на которых основаны указанные выше существующие способы (US 5424743 А, способ на основе минимизации p-нормы отклонения градиента, способы Голдштейна-Зебкера-Вернера и Константини). Поэтому, в отличие от способа Константини и других указанных выше способов, предлагается более надежно определять положение длинных линий разрыва фазы путем анализа сюжета интерферограммы. Это одно из наиболее принципиальных положений предлагаемого авторами способа. Под анализом сюжета авторы подразумевают выделение участков на интерферограмме, в которых наблюдаются наиболее резкие изменения величины и направления наклона фазовой поверхности. На выделенных участках как раз и располагаются длинные линии разрыва фазы.The incorrect identification of long lines of phase discontinuity leads to the spread of phase unfolding errors to a significant part of the interferogram; therefore, it is very important to correctly identify such lines. The true position of the long lines of phase discontinuity depends on the particular plot and may not correspond to the minimum of one criterion or another (for example, the total length of lines or the total cost of flows in a transport network). Therefore, in the general case, it is impossible to correctly identify long lines of phase discontinuity by solving various optimization problems on which the above existing methods are based (US 5424743 A, a method based on minimizing the p-norm of gradient deviation, Goldstein-Zebker-Werner and Constantini methods). Therefore, unlike the Konstantini method and the other methods mentioned above, it is proposed to more reliably determine the position of long lines of phase discontinuity by analyzing the plot of the interferogram. This is one of the most fundamental provisions of the proposed method. By plot analysis, the authors mean the allocation of areas on the interferogram, in which the sharpest changes in the magnitude and direction of the slope of the phase surface are observed. In the selected areas, long lines of phase discontinuity are located.

Как правило, на выделенных участках располагается большое количество сингулярных точек, поэтому практически невозможно правильно определить, между какими конкретно сингулярными точками проходят длинные линии разрыва фазы на выделенных участках. Следовательно, невозможно и восстановить истинный градиент фазы на выделенных участках. Поэтому предлагается игнорировать выделенные участки при восстановлении поверхности развернутой фазы по ее градиенту, а получение значений фазы на этих участках отложить до тех пор, пока не станут известны значения развернутой фазы на всей остальной интерферограмме. После того как на всей остальной интерферограмме фаза будет развернута, предлагается выполнить восстановление фазы на проигнорированных участках путем интерполяции по ближайшим известным значениям развернутой фазы.As a rule, a large number of singular points are located in the selected areas; therefore, it is practically impossible to correctly determine between which specific singular points the long lines of phase discontinuity in the selected areas pass. Therefore, it is impossible to restore the true phase gradient in the selected areas. Therefore, it is proposed to ignore the selected areas when restoring the surface of the unfolded phase according to its gradient, and defer obtaining the phase values in these areas until the values of the unfolded phase in the rest of the interferogram are known. After the phase has been unfolded throughout the rest of the interferogram, it is proposed to perform phase recovery in the ignored areas by interpolation from the nearest known values of the unfolded phase.

При выделении участков, содержащих длинные линии разрыва фазы, на основе анализа сюжета небольшие фрагменты некоторых из таких линий могут оказаться невыделенными. Поэтому предлагается дополнительное их выделение по точкам локального максимума паразитного градиента, возникающего при восстановлении фазовой поверхности по весовому критерию наименьших квадратов. Поскольку градиент фазы вдоль коротких линий разрыва уже восстановлен, а практически все длинные линии разрыва фазы выявлены на основе анализа сюжета, паразитный градиент возникает только в окрестности недовыделенных участков. А поскольку недовыделенных участков мало и они расположены далеко друг от друга, паразитные градиенты от разных недовыделенных участков локализуются в разных частях интерферограммы и не суммируются. За счет этого дополнительное выделение выполняется надежно. Указанный процесс дополнительного выделения участков, содержащих длинные линии разрыва фазы, является еще одним конструктивным элементом предлагаемого способа.When selecting sections containing long lines of phase discontinuity, based on the analysis of the plot, small fragments of some of these lines may be unselected. Therefore, they are proposed to additionally isolate them at the points of the local maximum of the parasitic gradient that occurs when the phase surface is restored by the weighted least squares criterion. Since the phase gradient along the short lines of discontinuity has already been restored, and almost all the long lines of the phase discontinuity have been identified based on the plot analysis, the stray gradient arises only in the vicinity of the undecided sections. And since there are few unallocated sections and they are located far from each other, parasitic gradients from different unallocated sections are localized in different parts of the interferogram and are not summed. Due to this, additional allocation is performed reliably. The specified process of additional allocation of areas containing long lines of phase discontinuity is another constructive element of the proposed method.

Если выделенные и проигнорированные участки не разделяют интерферограмму на несколько изолированных частей, то для получения единой поверхности развернутой фазы достаточно выполнить интерполяцию фазы на проигнорированных участках. Однако в наиболее сложных случаях интерферограмма может распасться на несколько областей, изолированных друг от друга проигнорированными участками. Фаза в каждой изолированной области оказывается развернутой с точностью до постоянной, и для получения единой фазовой поверхности требуется определить, как соотносятся между собой средние уровни фазы в изолированных областях. В крупных изолированных областях средний уровень развернутой фазы предлагается восстанавливать с привлечением существующих низкодетальных цифровых моделей рельефа (SRTM, ASTER GDEM и др.) в качестве опорной информации. Под крупными областями понимаются такие, на которые приходится несколько отсчетов низкодетальной опорной цифровой модели рельефа. Восстановление среднего уровня фазы в таких областях выполняется очень надежно и не приводит к появлению глобальных ошибок развертывания фазы. Таким образом, привлечение опорной низкодетальной информации о рельефе для восстановления среднего уровня фазы в крупных изолированных областях является еще одним конструктивным предложением.If the selected and ignored sections do not divide the interferogram into several isolated parts, then to obtain a single surface of the unfolded phase, it is sufficient to perform phase interpolation in the ignored sections. However, in the most complex cases, the interferogram can break up into several areas isolated from each other by ignored sections. The phase in each isolated region turns out to be accurate to a constant, and to obtain a single phase surface, it is necessary to determine how the average phase levels in the isolated regions relate to each other. In large isolated areas, the average level of the unfolded phase is proposed to be restored using existing low-detail digital terrain models (SRTM, ASTER GDEM, etc.) as reference information. Large areas are those that comprise several samples of a low-detail reference digital terrain model. The recovery of the average phase level in such areas is very reliable and does not lead to global phase deployment errors. Thus, the involvement of low-level reference relief information to restore the average phase level in large isolated areas is another constructive proposal.

Средний уровень фазы в малых изолированных областях зависит от мелких деталей рельефа и не может быть восстановлен по опорной низкодетальной информации. Авторы предлагают восстанавливать этот уровень исходя из гладкости поверхности развернутой фазы. Для этого необходимо путем интерполяции соединить крупные изолированные области гладкой поверхностью и максимально приблизить средний уровень фазы в малых изолированных областях к среднему уровню этой поверхности. Иногда такое восстановление может быть не совсем качественным, но благодаря малой площади областей это приводит только к локальным ошибкам развертывания фазы и незначительно сказывается на точности получаемых цифровых моделей рельефа.The average level of the phase in small isolated areas depends on the small details of the relief and cannot be reconstructed from reference low-detail information. The authors propose restoring this level based on the smoothness of the surface of the expanded phase. For this, it is necessary by interpolation to connect large isolated areas with a smooth surface and bring the average phase level in small isolated areas as close as possible to the average level of this surface. Sometimes, such a restoration may not be of high quality, but due to the small area area, this leads only to local phase deployment errors and slightly affects the accuracy of the obtained digital elevation models.

Таким образом, конструктивность предлагаемого способа сводится к следующим положениям:Thus, the constructivity of the proposed method is reduced to the following provisions:

- предварительное выделение участков, содержащих длинные линии разрыва фазы, на основе анализа сюжета интерферограммы и игнорирование градиента фазы на этих участках;- preliminary selection of sections containing long lines of phase discontinuity, based on the analysis of the plot of the interferogram and ignoring the phase gradient in these sections;

- дополнительное выделение участков, содержащих длинные линии разрыва фазы, на основе паразитного градиента, возникающего при восстановлении фазовой поверхности по весовому критерию наименьших квадратов;- additional selection of areas containing long lines of phase discontinuity, based on the parasitic gradient that occurs when restoring the phase surface according to the weighted least squares criterion;

- привлечение низкодетальных цифровых моделей рельефа в качестве опорной информации для восстановления среднего уровня развернутой фазы в крупных областях, изолированных друг от друга участками с проигнорированным градиентом фазы.- the use of low-detail digital elevation models as reference information for reconstructing the average level of the unfolded phase in large areas isolated from each other by areas with ignored phase gradient.

Конкретно предлагаемый способ реализуется путем последовательного выполнения следующих действий:Specifically, the proposed method is implemented by sequentially performing the following actions:

1) вводят ограничение на максимальную стоимость потоков, проводимых в транспортной сети, ассоциированной с интерферограммой, и восстанавливают истинный градиент фазы на основе проведенных потоков только в окрестности коротких линий разрыва фазы;1) introduce a restriction on the maximum cost of flows conducted in the transport network associated with the interferogram, and restore the true phase gradient based on the flows conducted only in the vicinity of short phase discontinuity lines;

2) оценивают наклон фазовой поверхности по отфильтрованному свернутому градиенту фазы, выявляют пиксели на интерферограмме, в окрестности которых наиболее сильно изменяется модуль или направление наклона фазовой поверхности, и назначают данным пикселям нулевые веса; остальным пикселям веса назначают в соответствии с когерентностью;2) evaluate the slope of the phase surface by the filtered convoluted phase gradient, identify the pixels on the interferogram, in the vicinity of which the module or direction of the slope of the phase surface changes most, and assign zero weights to these pixels; the remaining pixels are weighted according to coherence;

3) выполняют восстановление поверхности развернутой фазы из частично восставленного ее градиента по критерию наименьших квадратов с учетом назначенных весов;3) perform reconstruction of the surface of the expanded phase from its partially restored gradient according to the least squares criterion taking into account the assigned weights;

4) формируют разностную интерферограмму путем попиксельного вычитания свернутой фазы из восстановленной поверхности развернутой фазы и приведения результата вычитания к диапазону от -π до π радиан;4) a difference interferogram is formed by pixel-by-pixel subtraction of the folded phase from the reconstructed surface of the expanded phase and reduction of the subtraction result to the range from -π to π radians;

5) выделяют пиксели, в которых наблюдается локальный максимум градиента фазы в строке или столбце разностной интерферограммы (который и является паразитным градиентом), и обнуляют веса в них, если локальный максимум превышает среднее значение паразитного градиента;5) select the pixels in which there is a local maximum of the phase gradient in the row or column of the difference interferogram (which is the spurious gradient), and zero the weights in them if the local maximum exceeds the average value of the spurious gradient;

6) повторяют действия 3-5 с уточненными весами, до тех пор пока паразитный градиент не станет пренебрежимо мал (обычно требуется от одной до десяти таких итераций в зависимости от сложности рельефа);6) repeat steps 3-5 with specified weights until the parasitic gradient becomes negligible (usually one to ten such iterations are required depending on the complexity of the relief);

7) для каждой крупной области, изолированной от остальной интерферограммы пикселями нулевого веса, приводят средний уровень развернутой фазы максимально близко к среднему уровню фазовой картины опорного рельефа с ограничением, что развернутая фаза отличается от свернутой на целое количество периодов;7) for each large area isolated from the rest of the interferogram by pixels of zero weight, the average level of the unfolded phase is brought as close as possible to the average level of the phase pattern of the reference relief with the restriction that the unfolded phase differs from the folded one by an integer number of periods;

8) выполняют интерполяцию фазы в малых изолированных областях по ближайшим большим изолированным областям и приводят средний уровень развернутой фазы в малых областях максимально близко к среднему уровню интерполирующей фазовой поверхности с ограничением, что развернутая фаза отличается от свернутой на целое количество периодов;8) carry out phase interpolation in small isolated areas over the nearest large isolated areas and bring the average level of the unfolded phase in small areas as close to the average level of the interpolating phase surface with the restriction that the unfolded phase differs from the convoluted by an integer number of periods;

9) выполняют интерполяцию фазы в пикселях нулевого веса по значениям развернутой фазы в ближайших пикселях ненулевого веса.9) perform phase interpolation in pixels of zero weight according to the values of the unfolded phase in the nearest pixels of non-zero weight.

Предложенный способ апробирован на натурной информации от космических радиолокаторов Radarsat-2 (Канада), COSMO-SkyMed (Италия), TerraSAR-X (Германия). На фиг. 1 и фиг. 2 в качестве примера приводятся пересчитанные в высоту результаты развертывания фазы на интерферограмме, полученной по паре изображений от радиолокатора на космическом аппарате Radarsat-2. Более высокие участки земной поверхности показаны более светлым оттенком. На фиг. 1 представлены результаты способа Константини, а на фиг. 2 - предлагаемого способа. Как видно, способ Константини привел к образованию крупных областей, в которых высота завышена или занижена на 27 м из-за неправильного развертывания фазы; эти области обведены белой линией на фиг. 1. В то же время предложенный способ развернул фазу без глобальных ошибок. Отсчеты высоты, полученные по способу Константини и по способу, предлагаемому авторами, сравнивались с цифровой моделью рельефа SRTM1 версии 3. В результате установлено, что среднеквадратическое отклонение оценок высот для способа Константини составило 9,1 м, а для предложенного способа - 4,7 м.The proposed method is tested on field information from space radars Radarsat-2 (Canada), COSMO-SkyMed (Italy), TerraSAR-X (Germany). In FIG. 1 and FIG. Figure 2 shows, as an example, the height-recalculated results of phase unfolding on an interferogram obtained from a pair of images from a radar on a Radarsat-2 spacecraft. Higher areas of the earth's surface are shown in a lighter shade. In FIG. 1 shows the results of the Constantini method, and FIG. 2 - the proposed method. As can be seen, the Constantini method led to the formation of large areas in which the height is overstated or underestimated by 27 m due to improper deployment of the phase; these areas are circled in white in FIG. 1. At the same time, the proposed method launched a phase without global errors. The height readings obtained by the Konstantini method and the method proposed by the authors were compared with the digital elevation model SRTM1 version 3. As a result, the standard deviation of the height estimates for the Konstantini method was 9.1 m, and for the proposed method - 4.7 m .

Claims

A phase deployment method for interferometric processing of radar information, including phase gradient recovery based on minimizing the cost of flows in the transport network associated with the interferogram, and characterized in that the phase gradient is restored only along short phase break lines, and sections on the interferogram containing long break lines phases are distinguished in two stages: first, based on the analysis of the plot by identifying the most abrupt changes in the magnitude and direction of the slope of the phase surface spine, and then the parasitic gradient that occurs when restoring the phase surface according to the weighted least squares criterion; the phase gradient in the selected areas is ignored, and if the ignored areas isolate large areas on the interferogram from each other, the average level of the expanded phase in such areas is restored using low-detailed reference information about the relief.