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基于深度学习的InSAR影像局部与非局部联合相位滤波

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武汉大学学报(信息科学版) 2024年

作者：王杰柳稼航凌信鹏段则先南京航空航天大学航天学院空间光电探测与感知工业和信息化部重点实验室

相位滤波是干涉合成孔径雷达（interferometric synthetic aperture radar， InSAR）数据处理的关键技术之一，干涉图质量显著影响后续处理的精度。传统方法滤波效果差且效率低下，深度学习方法潜力大但目前精度受限。为有效提升滤波效... 详细信息

相位滤波是干涉合成孔径雷达（interferometric synthetic aperture radar， InSAR）数据处理的关键技术之一，干涉图质量显著影响后续处理的精度。传统方法滤波效果差且效率低下，深度学习方法潜力大但目前精度受限。为有效提升滤波效果，本文结合卷积神经网络（convolutional neural network， CNN）与Transformer网络的优势，提出了一种局部与非局部联合的InSAR影像相位滤波方法。首先，基于Transformer全局特征提取能力强的特点，提出了面向相位滤波的PFCT网络结构。该网络可以同时进行局部滤波与非局部滤波，避免了现有方法因忽视干涉条纹非局部特征而导致的精度受限问题。其次，提出了一种新的复合损失函数用于同时训练网络的去噪能力和条纹结构保持能力。在仿真实验中，本文方法的均方误差（mean square error， MSE）比次优算法降低了15.5%，结构相似性（structural similarity， SSIM）指标提高了5.3%。在实测实验中，本文方法的残点去除性能比次优方法提高了1.8%。结果表明，本文方法的滤波性能优于目前的主要算法，能获得更好的效果。

关键词： InSAR 相位滤波深度学习 CNN Transformer 损失函数

基于神经网络的GB-InSAR相位滤波及永久散射体选取方法研究

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基于神经网络的GB-InSAR相位滤波及永久散射体选取方法研究

作者：陈姣重庆三峡学院

学位级别：硕士

地基干涉合成孔径雷达(GB-In SAR,Ground-based Interferometric Synthetic Aperture Radar)是近几十年来新兴的一种微波传感器,具备全天时、全天候的工作能力,同时展现出高精度以及安放位置灵活等诸多优势。GB-In SAR通过干涉测量技术... 详细信息

地基干涉合成孔径雷达(GB-In SAR,Ground-based Interferometric Synthetic Aperture Radar)是近几十年来新兴的一种微波传感器,具备全天时、全天候的工作能力,同时展现出高精度以及安放位置灵活等诸多优势。GB-In SAR通过干涉测量技术来实现DEM(Digital Elevation Model,数字高程模型)的生成以及形变的测量。干涉测量主要是通过对GB-In SAR生成的两幅雷达图像进行干涉处理得到干涉相位,进而进行后续DEM和形变的解算。干涉测量技术的主要步骤通常包含干涉处理、相位滤波、永久散射体选取(Permanent Scatterer,PS)、相位解缠、大气相位补偿,DEM或形变量解算等。随着GB-In SAR应用的推广,其测量的精度要求也越来越高,对于干涉测量技术的要求也越来越高。常规干涉相位滤波方法需要凭借人为经验进行窗口以及参数的设置,容易导致干涉相位图出现过、欠滤波现象,相位滤波精度不够,难以满足后续处理的需要。另一方面,对于PS选取,主流方法在低相干场景下,存在选取数量较少、质量不高的问题,影响后续形变分析。因此,为了提高干涉相位的精度以及实现PS的精准选取,本文主要开展了基于神经网络的相位滤波和永久散射体选取方法的研究,主要内容如下:(1)提出了一种基于CNN-Swin Transformer(Convolutional Neural Networks,卷积神经网络;Shifted Windows Transformer,移位窗口Transformer)的相位滤波方法。传统的干涉相位滤波方法在滤波精度和边缘细节的保持方面无法兼顾,滤波效果不佳。本文提出了一种基于CNN-Swin Transformer的相位滤波方法。该方法通过相位滤波网络对干涉相位实部和虚部中的噪声进行建模学习实现干涉相位滤波。该网络主要包括三个部分,浅层特征提取,深层次特征提取,噪声重构。首先利用卷积层提取干涉相位实部和虚部图的浅层特征,深度特征提取时首先采用多尺度大卷积核CNN提取丰富的局部信息,再利用Swin Transformer对全局依赖特征进行深度提取,并设计了局部和全局特征融合层分别对网络提取的局部和全局信息进行融合,最后由CNN预测实部和虚部中的噪声实现相位噪声重构,最后实现滤波。对于在仿真数据集上的测试,本文方法比基于深度学习的方法有更低损失,以及更高的PSNR(Peak Signal-to-Noise Ratio,峰值信噪比)。另外,对重庆市万州区一处山体实测数据进行了处理,本文方法相较于多种方法能够在保持较高边缘保持指数的条件下具有更少的残差点,即本文方法能在保持干涉条纹边缘重要信息的前提下,更好地滤除噪声的影响。(2)提出了一种基于BiLSTM(Bi-directional Long Short-Term Memory,双向长短期记忆网络))-CNN的永久散射体选取方法。由于噪声、时间去相关等多因素的影响,干涉相位图中通常包含有许多的低质量的像素点,影响后续处理。考虑到地基SAR数据具有时间序列的特征和神经网络对于序列数据建模学习的优势,提出了一种基于BiLSTM-CNN的永久散射体选取方法。该方法首先利用幅度门限去掉一些噪点,然后利用合理的幅度离差和幅度阈值门限进行正负样本集的划分,再利用正负样本集中像素点的干涉相位、幅度差分、相关系数三个变量作为网络的输入特征,最后通过BiLSTM学习PS的全局时序特征,以及多尺度CNN学习PS的局部时序特征,并对全局时序特征和局部时序特征进行加权融合,将融合特征进行特征映射分类,实现PS的选取。利用重庆万州区九道拐的GBIn SAR监测图像进行实验验证,结果表明本文提出的方法相较于其他的基础网络模型在验证集上提高了准确度、F1分数、召回率、精确度等指标。在新的测试数据上,该方法相比于其他方法,也能在保证相位质量的前提下,提高PS选取的数量。

关键词： GB-InSAR 相位滤波永久散射体神经网络

时频域相位滤波在远震接收函数噪声压制中的应用

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地球物理学报 2017年第4期60卷 1389-1397页

作者：曲中党贺日政张训华吴蔚中国海洋大学海洋地球科学学院青岛266100 中国地质科学院地质研究所国土资源部深部探测与地球动力学重点实验室北京100037 青岛海洋科学与技术国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室青岛266000

宽频带地震观测数据中有效信号和干扰噪声经常发生混频效应,常规的频率域滤波方法很难将二者分离.地震波信号属于时变非平稳信号,时频分析方法能够同时得到地震波信号随着时间和频率变化的振幅和相位特征,S变换是其中较为高效的时频分... 详细信息

宽频带地震观测数据中有效信号和干扰噪声经常发生混频效应,常规的频率域滤波方法很难将二者分离.地震波信号属于时变非平稳信号,时频分析方法能够同时得到地震波信号随着时间和频率变化的振幅和相位特征,S变换是其中较为高效的时频分析工具之一.本文以S变换为例,提出了基于相位叠加的时频域相位滤波方法.与传统叠加方法相比,相位叠加方法对强振幅不敏感,对波形一致性相当敏感,更加利于有效弱信号信息的检测.时频域相位滤波方法滤除与有效信号不相干的背景噪声,保留了相位一致的有效信号成分,显著提高了信噪比.运用理论合成的远震接收函数数据和实际的宽频带地震观测数据检验结果显示该方法较传统的带通滤波方法相比,即使在信噪较低且混频严重条件下,时频域相位滤波方法的滤波效果依然很明显,有助于识别能量较弱的有效信号.

关键词：时频域 S变换相位叠加相位滤波远震接收函数

结合局部频率估计的小波域InSAR相位滤波新方法

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系统工程与电子技术 2015年第12期37卷 2719-2724页

作者：李芳芳林雪胡东辉丁赤飚中国科学院电子学研究所北京100190 中国科学院空间信息处理与应用系统技术重点实验室北京100190

干涉相位噪声的存在直接影响相位解缠的效果及最终干涉测量的精度。针对这一问题,本文提出了一种结合局部频率估计的小波域干涉合成孔径雷达(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)相位滤波方法。根据局部频率估计可以判断... 详细信息

干涉相位噪声的存在直接影响相位解缠的效果及最终干涉测量的精度。针对这一问题,本文提出了一种结合局部频率估计的小波域干涉合成孔径雷达(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)相位滤波方法。根据局部频率估计可以判断出干涉相位小波系数中包含有用信息的子带。结合VisuShrink和NeighShrink两种小波阈值收缩方法分别具有去噪效果好和细节保持能力强的特点,对有用信息所在子带的小波系数利用NeighShrink方法进行阈值收缩,而对其他子带的小波系数则利用VisuShrink方法进行阈值收缩,从而尽可能地滤除噪声,同时保持干涉条纹的细节信息不被破坏。仿真和实测数据实验验证了本文提出的滤波方法的有效性。

关键词：干涉合成孔径雷达相位滤波小波变换局部频率估计阈值收缩

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GS算法设计连续相位板时相位滤波器的选择

强激光与粒子束 2010年第11期22卷 2634-2638页

作者：林中校张蓉竹杨春林许乔四川大学电子信息学院成都610064 成都精密光学工程研究中心成都610041

针对GS算法在设计连续相位板(CPP)时,迭代过程在解包相位中引入的高频调制,研究了初始相位与解包相位的频谱分布特性,并对两者的差别进行了比较。根据初始相位的频谱特性,提出了以初始相位的频域截止频率为相位滤波器的截止频率的滤波... 详细信息

针对GS算法在设计连续相位板(CPP)时,迭代过程在解包相位中引入的高频调制,研究了初始相位与解包相位的频谱分布特性,并对两者的差别进行了比较。根据初始相位的频谱特性,提出了以初始相位的频域截止频率为相位滤波器的截止频率的滤波器选择方法。利用该方法进行了CPP设计,设计结果对应的远场焦斑参数为:均方根误差0.267 2,能量利用率96.32%,顶部不均匀度0.101 2。

关键词：连续相位板 GS算法相位滤波频域截止频率

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用π相位滤波实现图象对比度反转条件的分析

光学学报 1984年第9期4卷 847-854页

作者：康辉李正明李宝伦孙跃进南开大学分校物理系南开大学分校物理系学生南开大学物理系

本文对用π相位滤波实现图象对比度反转的方法进行了理论分析和讨论.给出了通过在频谱面上对零频赋于e;相位因子,输出面可得到与物对比度相反的图象的条件,并用实验加以验证.从而为光学信息处理中使用π相位滤波提供了理论依据.

关键词：图象对比度相位滤波振幅分布

融合CZT频谱细化算法的InSAR相位滤波方法

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遥感信息 2022年第6期37卷 34-40页

作者：张继超李继虎赵鹏飞林泓全辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院辽宁阜新123000 辽宁工程技术大学软件学院辽宁葫芦岛125105

为了有效抑制噪声并更好保持干涉条纹细节信息,使得干涉相位滤波的结果有利于相位解缠和提高干涉测量精度,提出了一种融合频谱细化的InSAR自适应相位滤波方法。将干涉相位进行傅里叶变换到频率域,利用线性调频Z变换(CZT)频谱细化的方法... 详细信息

为了有效抑制噪声并更好保持干涉条纹细节信息,使得干涉相位滤波的结果有利于相位解缠和提高干涉测量精度,提出了一种融合频谱细化的InSAR自适应相位滤波方法。将干涉相位进行傅里叶变换到频率域,利用线性调频Z变换(CZT)频谱细化的方法,对干涉相位频域频谱进行估计、细化,提高对干涉相位噪声的分辨能力,并结合自适应滤波的方法以提高干涉相位的滤波效果和更好保持相位细节信息的特点。将该方法与Boxcar滤波、非局部均值滤波以及自适应Goldstein滤波方法做对比,在仿真实验与实测实验中使用该方法滤波后产生的相位残差点数量最少,分别相较于滤波前减少了99.4%与92.8%,在相位导数标准差及仿真实验误差上较其他3种方法均有不同程度的提升,证明了该方法的有效性。

关键词：微波遥感干涉合成孔径雷达(InSAR) 相位滤波线性调频Z变换(CZT) 自适应Goldstein滤波

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干涉合成孔径雷达相位滤波的一种新算法

电子与信息学报 2002年第5期24卷 711-715页

作者：全刚荆麟角中国科学院电子学研究所北京100080

该文着重就目前国际上研究的一个热点——干涉合成孔径雷达成像中的相位滤波问题进行了讨论。提出了一种新的相应滤波方法,可适应干涉条纹方向的变化,十分适用于对干涉条纹密集的区域进行滤波。通过对德国X-SAR数据的处理检验该方法的效... 详细信息

该文着重就目前国际上研究的一个热点——干涉合成孔径雷达成像中的相位滤波问题进行了讨论。提出了一种新的相应滤波方法,可适应干涉条纹方向的变化,十分适用于对干涉条纹密集的区域进行滤波。通过对德国X-SAR数据的处理检验该方法的效果,结果相当理想。此外,这种方法实现起来相当简单。

关键词：干涉合成孔径雷达干涉条纹相位滤波

质量图指导的改进的基于CMRF模型的自适应InSAR相位滤波

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科学技术与工程 2015年第25期35卷 55-60页

作者：李泓宇宋红军王辉邓云凯中国科学院电子学研究所北京100190

干涉相位图滤波是In SAR数据处理中的关键步骤,滤波效果的好坏直接影响后续相位解缠的准确程度和难易程度。一种基于复值马尔可夫随机场(complex-valued markov random field,CMRF)模型的干涉图滤波算法能够有效的保持边缘信息并降低残... 详细信息

干涉相位图滤波是In SAR数据处理中的关键步骤,滤波效果的好坏直接影响后续相位解缠的准确程度和难易程度。一种基于复值马尔可夫随机场(complex-valued markov random field,CMRF)模型的干涉图滤波算法能够有效的保持边缘信息并降低残差点的数目。该算法的滤波效果依赖于模型参数估计的准确程度,而且滤波后的相位图不够平滑,仍然存在很多噪点。针对上述两个问题提出了质量图指导的基于CMRF模型的自适应滤波算法。首先,在CMRF模型参数估计中利用不规则窗使得每个待更新像素都有一个符合自身局部统计特征的更准确的模型参数。其次,引入了质量图来指导干涉图各个部分的平滑程度。仿真和实测数据的结果验证了改进算法的有效性。

关键词： InSAR 相位滤波 CMRF模型质量图