鐘何平

（海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢）

一 引言

干涉信號(hào)處理是在兩幅復(fù)圖像基礎(chǔ)上，通過(guò)比相測(cè)高原理來(lái)得到目標(biāo)區(qū)域的高程信息，其處理過(guò)程主要包含4個(gè)步驟，依次為復(fù)圖像配準(zhǔn)、干涉圖生成與相位濾波、相位解纏和數(shù)字高程模型重建[1-2]。在干涉信號(hào)處理的這四個(gè)步驟中，相位解纏是一個(gè)非常關(guān)鍵的步驟，相位差恢復(fù)的好壞直接關(guān)系到最終重建的三維地形精度[3-4]。相位解纏實(shí)驗(yàn)是“干涉合成孔徑成像技術(shù)”課程中的一個(gè)重要教學(xué)內(nèi)容，由于相位解纏問(wèn)題復(fù)雜，求解算法種類(lèi)多，不同相位解纏算法有不同優(yōu)缺點(diǎn)，適用不同條件，理解與應(yīng)用起來(lái)存在一定難度，不利于學(xué)生對(duì)相位解纏問(wèn)題本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。

微軟提供的MFC具有強(qiáng)大的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)可視化能力，在信號(hào)處理教學(xué)課程中得到了廣泛的應(yīng)用，改善了教學(xué)效果。本文基于MFC設(shè)計(jì)交互式干涉相位解纏軟件，并用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生可通過(guò)選擇不同的相位解纏算法，并將計(jì)算結(jié)果以多種方式進(jìn)行顯示，提升學(xué)生對(duì)干涉相位解纏前后關(guān)系的認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)對(duì)不同相位解纏算法優(yōu)缺點(diǎn)的理解，指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用中的相位解纏算法選取。

二 相位解纏的基本概念

直接根據(jù)復(fù)圖像提取的干涉相位，其值是模糊了整數(shù)倍周期的，相位解纏就是從直接提取的干涉相位中無(wú)模糊的重建真實(shí)相位差。真實(shí)相位φ與纏繞相位φ之間的關(guān)系可表示為：

式中k為整數(shù)。在大多數(shù)成像區(qū)域滿(mǎn)足Nyquist采樣定理的條件下，相位解纏問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為選擇滿(mǎn)足采樣定理路徑的問(wèn)題，一旦選擇錯(cuò)誤路徑，就會(huì)造成解纏相位的累積誤差傳播。原始干涉相位圖并

不直接給出哪些相位點(diǎn)之間滿(mǎn)足采樣定理，因此出現(xiàn)了基于不同原理的相位解纏策略與方法[5-8]。首先出現(xiàn)的是路徑跟蹤解纏算法，這類(lèi)算法通過(guò)產(chǎn)生枝切線，限制解纏路徑，有效隔絕噪聲區(qū)域，阻止相位誤差的全程傳遞。該類(lèi)算法具有代表性的為枝切法[9-11]和質(zhì)量引導(dǎo)算法[12-14]，其差別在于前者顯示生成枝切線，后者不顯示生成枝切線，而是基于質(zhì)量圖來(lái)引導(dǎo)解纏路徑。另一類(lèi)相位解纏算法為最小二乘法[15]，它將相位解纏問(wèn)題進(jìn)行轉(zhuǎn)化，通過(guò)優(yōu)化解纏相位梯度與纏繞相位梯度兩者之間的差異來(lái)獲得最終解纏結(jié)果。

三 相位解纏軟件設(shè)計(jì)

(一) 總體設(shè)計(jì)

相位解纏軟件總體設(shè)計(jì)如圖1所示，主要包括數(shù)據(jù)輸入、算法選擇、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出四個(gè)部分。數(shù)據(jù)輸入主要指讀取原始纏繞數(shù)據(jù)，同時(shí)兼顧軟件的可拓展性，原始數(shù)據(jù)采用float類(lèi)型的二進(jìn)制文件表示，與之對(duì)應(yīng)的配置文件采用ini格式，存儲(chǔ)纏繞文件名稱(chēng)、纏繞數(shù)據(jù)行列數(shù)。算法選擇主要包括質(zhì)量計(jì)算方法選擇、相位解纏方法選擇。數(shù)據(jù)顯示主要是給出數(shù)據(jù)相關(guān)信息，或者以二維可視化方式顯示二維圖像。數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出主要是將中間計(jì)算結(jié)果或最終計(jì)算結(jié)果進(jìn)行導(dǎo)出，或者從外部導(dǎo)入相位質(zhì)量圖，用于參與相位解纏計(jì)算。

圖1 相位解纏軟件總體設(shè)計(jì)

除以上功能外，還涉及數(shù)據(jù)顯示時(shí)的調(diào)色板設(shè)置、相位計(jì)算的質(zhì)量圖參數(shù)設(shè)置，纏繞數(shù)據(jù)顯示時(shí)的區(qū)間設(shè)置等功能。

(二) GUI界面設(shè)計(jì)

根據(jù)相位解纏軟件總體功能設(shè)計(jì)的軟件界面如圖2所示，軟件框架主要包括左右兩部分。左側(cè)主要為交互式功能區(qū)和列表狀態(tài)顯示區(qū)，右側(cè)為四個(gè)二維圖像展示區(qū)。參數(shù)設(shè)置區(qū)域主要為五類(lèi)，分別為調(diào)色板設(shè)置、質(zhì)量圖參數(shù)設(shè)置、相位解纏方法設(shè)置、纏繞數(shù)顯示區(qū)間設(shè)置和數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出參數(shù)設(shè)置。調(diào)色板設(shè)置包含調(diào)色板類(lèi)型選擇和作用的圖像選擇。質(zhì)量圖參數(shù)設(shè)置包括質(zhì)量圖類(lèi)型設(shè)置、局部計(jì)算窗口設(shè)置和量化質(zhì)量等級(jí)設(shè)置。相位解纏方法包括枝切法、原始質(zhì)量引導(dǎo)法、量化質(zhì)量引導(dǎo)法和最小二乘法。纏繞數(shù)顯示設(shè)置包括需要顯示的最小纏繞數(shù)和最大纏繞數(shù)。數(shù)據(jù)導(dǎo)入和導(dǎo)出參數(shù)設(shè)置主要指需要導(dǎo)入和導(dǎo)出的數(shù)據(jù)選擇。左側(cè)四個(gè)列表顯示區(qū)域分別顯示纏繞相位圖信息、質(zhì)量圖信息、解纏結(jié)果信息和纏繞數(shù)信息。纏繞圖基本信息包括纏繞相位行列數(shù)、數(shù)值范圍和殘差點(diǎn)信息，質(zhì)量圖信息主要指相位質(zhì)量圖的分布信息，解纏相位信息包括解纏結(jié)果的值域區(qū)間和相位解纏時(shí)間，纏繞數(shù)信息是指纏繞數(shù)的最大值和最小值。

圖2 相位解纏軟件界面

(三) 軟件關(guān)鍵設(shè)計(jì)

軟件關(guān)鍵設(shè)計(jì)主要包括相位解纏算法的集成設(shè)計(jì)和二維圖像可視化設(shè)計(jì)。相位解纏算法的集成設(shè)計(jì)是將不同算法集成到同一框架下，實(shí)現(xiàn)不同算法的輸入與輸出接口的統(tǒng)一。這里將算法的輸入固定為二進(jìn)制纏繞相位數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)塊的行數(shù)和列數(shù)，并且將纏繞相位數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，輸出為解纏相位。不同解纏算法共用函數(shù)接口也進(jìn)行約定，相位質(zhì)量圖的取值范圍進(jìn)行歸一化處理，這樣有效避免接口不匹配產(chǎn)生的錯(cuò)誤。

二維圖像顯示是該軟件的一個(gè)重要功能，主要是將相位解纏過(guò)程中的中間計(jì)算結(jié)果以可視化的方式展現(xiàn)?？紤]到不同解纏算法的中間計(jì)算步驟和計(jì)算結(jié)果不同，四個(gè)二維圖像展示區(qū)域顯示是完全獨(dú)立的。每個(gè)二維視圖窗口進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示時(shí)，需要指定顯示的二維數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的行列數(shù)、數(shù)據(jù)顯示時(shí)所使用的調(diào)色板、數(shù)據(jù)標(biāo)題，這樣可以更加清楚顯示。在二維數(shù)據(jù)圖像顯示后，可通過(guò)交互式方式，修改二維數(shù)據(jù)顯示所使用的調(diào)色板，改善顯示效果。

相位解纏軟件的使用操作流程如圖3所示。首先選擇纏繞數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的ini配置文件，根據(jù)配置參數(shù)讀取原始數(shù)據(jù)。設(shè)置質(zhì)量圖計(jì)算參數(shù)，包括質(zhì)量圖種類(lèi)、局部計(jì)算窗口大小和量化質(zhì)量等級(jí)。然后選擇相應(yīng)相位解纏算法，開(kāi)始相位解纏。解纏完畢后，可計(jì)算纏繞數(shù)，設(shè)置顯示的纏繞數(shù)區(qū)間，局部顯示纏繞數(shù)圖。最后可根據(jù)需要，將計(jì)算所得的相位質(zhì)量圖和解纏相位進(jìn)行導(dǎo)出。

圖3 相位解纏軟件操作流程圖

四 實(shí)驗(yàn)舉例

軟件設(shè)計(jì)完成后，我們采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了功能測(cè)試。圖4左上方為實(shí)驗(yàn)所用纏繞相位圖，該圖為一幅試驗(yàn)所得干涉合成孔徑聲吶相位圖，其大小為2160×4000像素，包含4893個(gè)殘差點(diǎn)。相位解纏實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，相位質(zhì)量圖選擇相位梯度變化質(zhì)量圖，局部計(jì)算窗口設(shè)置為3×3，根據(jù)設(shè)置參數(shù)計(jì)算所得質(zhì)量圖如圖4右上視圖所示。然后將質(zhì)量圖等級(jí)設(shè)置為1000，選擇量化質(zhì)量引導(dǎo)相位解纏算法進(jìn)行相位解纏，解纏結(jié)果顯示在圖4左下方，低質(zhì)量區(qū)域有部分的累積解纏誤差，但總體解纏結(jié)果沒(méi)有出現(xiàn)顯著的相位跳變。根據(jù)解纏相位和纏繞相位之間的纏繞關(guān)系計(jì)算所得的纏繞數(shù)如圖4右下視圖所示，纏繞數(shù)的區(qū)域邊界與纏繞相位跳變位置一致，解纏效果良好。

圖4 相位解纏實(shí)例

軟件其他功能也一并進(jìn)行了測(cè)試，包括質(zhì)量圖切換，解纏算法切換，調(diào)色板動(dòng)態(tài)設(shè)置、設(shè)定纏繞數(shù)顯示范圍、數(shù)據(jù)導(dǎo)入和導(dǎo)出等功能。通過(guò)全面的相位解纏實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所開(kāi)發(fā)的相位解纏軟件功能的可靠性，滿(mǎn)足基本相位解纏實(shí)驗(yàn)的教學(xué)要求。

五 結(jié)語(yǔ)

本文在MFC框架下開(kāi)發(fā)了一套干涉相位解纏教學(xué)軟件，完成了經(jīng)典相位解纏算法的集成與計(jì)算結(jié)果的可視化顯示，并可交互式修改計(jì)算與顯示參數(shù)，實(shí)時(shí)觀測(cè)不同參數(shù)對(duì)最終相位解纏結(jié)果的影響，加深對(duì)不同相位解纏算法的理解，滿(mǎn)足“干涉合成孔徑成像技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求。后續(xù)將會(huì)集成更多相位解纏算法，更好為課程教學(xué)服務(wù)。