合成孔徑雷達(dá)干涉測量概

述LastupdatedontheafternoonofJanuary3,2021合成孔徑雷達(dá)干涉測量(InSAR)簡述摘要：本文主要介紹了合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)的發(fā)展簡史、基本原理、及其3種基本模式，并且對其數(shù)據(jù)處理的基本步驟進(jìn)行了概述。最后，還講述合成孔徑雷達(dá)干涉測量的主要應(yīng)用，并對其未來發(fā)展進(jìn)行了展望。關(guān)鍵字：合成孔徑雷達(dá)合成孔徑雷達(dá)干涉測量微波遙感影像1.發(fā)展簡史合成孔徑雷達(dá)(SyntheticApertureRadar,SAR)是一種高分辨率的二維成像雷達(dá)。它作為一種全新的對地觀測技術(shù)，近20年來獲得了巨大的發(fā)展，現(xiàn)已逐漸成為一種不可缺少的遙感手段。與傳統(tǒng)的可見光、紅外遙感技術(shù)相比，SAR具有許多優(yōu)越性，它屬于微波遙感的范疇，可以穿透云層和甚至在一定程度上穿透雨區(qū)，而且具有不依賴于太陽作為照射源的特點，使其具有全天候、全天時的觀測能力，這是其它任何遙感手段所不能比擬的；微波遙感還能在一定程度上穿透植被，可以提供可見光、紅外遙感所得不到的某些新信息。隨著SAR遙感技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，它已經(jīng)被成功應(yīng)用于地質(zhì)、水文、海洋、測繪、環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、氣象、軍事等領(lǐng)域。L.C.Graham于1974年最先提出了合成孔徑雷達(dá)干涉測量(InSAR)三維成像的概念，并用于金星測量和月球觀察。后來Zebker、G.Fornaro及A.Pepe等做出了進(jìn)—步的研究,以解決InSAR處理系統(tǒng)中有關(guān)基線估計、SAR圖像配準(zhǔn)、相位解纏及DEM生成等方面的問題。自1991年7月歐空局發(fā)射載有C波段SAR的衛(wèi)星ERS-1以來，極大地促進(jìn)了有關(guān)星載SAR的InSAR技術(shù)研究與應(yīng)用。由于有了優(yōu)質(zhì)易得的InSAR數(shù)據(jù)源，大批歐洲研究者加入到這個領(lǐng)域，亞洲(主要是日本)的一些研究者也開展了這方面的研究。日本于1992年2月發(fā)射了JERS-1,加拿大于1995年初發(fā)射了RADARSAT，特別是1995年ERS-2發(fā)射后，ERS-1和ERS-2的串聯(lián)運行極大地擴(kuò)展了利用星載SAR干涉的機會，為InSAR技術(shù)的研究提供了數(shù)據(jù)保證。目前用于InSAR技術(shù)研究的數(shù)據(jù)來源主要有:ERS-1/2、SIR-C/XSAR、RADARSAT、JERS-1、TOPSAR和SEASAT等。1979年9月,我國自行研制的第一臺合成孔徑雷達(dá)原理樣機在實驗室完成,并在試飛中獲得我國第一批SAR影像。1989年起國家科委設(shè)立了“合成孔徑雷達(dá)遙感應(yīng)用實驗研究項目”,拉開了大規(guī)模雷達(dá)遙感研究的帷幕。目前國內(nèi)外許多部門和科研機構(gòu)正積極從事著InSAR技術(shù)機理及其應(yīng)用的研究，已經(jīng)取得了許多成果，InSAR技術(shù)的前景日益看好。的基本原理InSAR技術(shù)是一門根據(jù)復(fù)雷達(dá)圖像的相位數(shù)據(jù)來提取地面目標(biāo)三維空間信息的技術(shù)。其基本思想是：利用兩副天線同時成像或一副天線相隔一定時間重復(fù)成像,獲取同一區(qū)域的復(fù)雷達(dá)圖像對,由于兩副天線與地面某一目標(biāo)之間的距離不等,使得在復(fù)雷達(dá)圖像對同名象點之間產(chǎn)生相位差,形成干涉紋圖,干涉紋圖中的相位值即為兩次成像的相位差測量值,根據(jù)兩次成像相位差與地面目標(biāo)的三維空間位置之間存在的幾何關(guān)系,利用飛行軌道的參數(shù),即可測定地面目標(biāo)的三維坐標(biāo)。InSAR如同立體攝影測量，在2個觀測點（2個天線的位置）上對目標(biāo)進(jìn)行觀測。因此如果要通過SAR影像獲得目標(biāo)點的高程信息，需要得到同一地區(qū)的2幅影像。下圖

為InSAR的一般原理。為InSAR的一般原理。其中，Al、A2為天線的位置；H為A1的高；P為目標(biāo)點；h為P的高程；9為A1的入射角；B為兩天線間的距離，即基線；a為基線B相對于水平方向的夾角；P為A1到P的斜距；P+即為A2到P的斜距地面目標(biāo)點P的高程h為：1)(2h=H-pcos91)(2由于(p+8p)2=p2+B2+2pBsin(a—9)所以5p2—B2p=2Bsin(a—9)—26pAl、A2對P的測量相位差?為：5p式中：九雷達(dá)信號波長。則5p=25p=2k5）將式（5）代入式（3）后再代入式（1）中，得（"）2-B2h=H- 、cos02Bsin（a-0）-ZZ兀 /、（6）由于（5），只要天線高度H、相位差Z、基線B、兩天線的相對定向角度a、天線的入射角0精度可知，就可以計算出地面目標(biāo)點P的高程h。需要說明，Z是解纏后的相位，而干涉雷達(dá)測量得到相位值只在主值范圍內(nèi)，即是模糊的，必須經(jīng)過相位解纏后才能獲得真實相位以及目標(biāo)的高程信息。的3種基本干涉模式根據(jù)InSAR平臺和使用條件的不同，獲取InSAR數(shù)據(jù)的干涉模式主要有3種:單軌雙天線橫向模式、重復(fù)軌道單天線模式、雙天線單軌縱向模式。單軌雙天線橫向模式單軌雙天線橫向（cross-trackInterferometry,XTI）模式要求兩副天線安裝在

同一飛行平臺上，同時獲取數(shù)據(jù)，因此目前只用于機載SAR系統(tǒng)，但人們正在研究在

將來的衛(wèi)星上實現(xiàn)這種方法，它的優(yōu)勢在于精度高而且機動性能好。其干涉幾何原理

圖如圖1所示，從圖中可以看出，兩副天線的安裝位置與飛行方向正交。在該模式

下，干涉相位差是由于地面目標(biāo)的高度變化引起的，所以主要用于地形制圖和地形變

化監(jiān)測。但這種干涉形式的計算方法存在著難以區(qū)分因區(qū)域坡度影響產(chǎn)生的誤差與飛

機滾動產(chǎn)生的誤差。重復(fù)軌道單天線模式重復(fù)軌道單天線(Repeat-trackInterferometry,RTI)模式只要求在飛行平臺上安裝一副天線，它采用經(jīng)過幾乎相同的軌道以微小的幾何視差對同一地區(qū)成像兩次的方法來獲取數(shù)據(jù)，因此需要對飛行軌道進(jìn)行精確定位。由于受大氣的影響較小，衛(wèi)星比飛機具有更準(zhǔn)確、穩(wěn)定的飛行軌道，因此該模式最適合星載SAR的干涉，它的優(yōu)勢在于能夠快速獲取大范圍或全球范圍的干涉數(shù)據(jù)。其幾何原理圖如圖2所示。雙天線單軌縱向模式雙天線單軌縱向(along-trackInterferometry,ATI)模式也是要求兩副天線安裝在同一飛行平臺上，但是天線順著平臺飛行軌道來安裝。其幾何原理圖如圖3所示，此時兩副天線沿飛行方向相隔一段距離。采用該模式得到的相應(yīng)象素的相位差是由于測量時物體的運動產(chǎn)生的，因此它適用于對運動的目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，如海洋制圖、波浪譜測量等。數(shù)據(jù)處理的基本步驟從InSAR的原理可知，欲求得高程，一方面要求獲得準(zhǔn)確的相位差，另一方面也要求能估計出精確的軌道參數(shù)等，這些工作在實際的數(shù)據(jù)處理過程中均非易事。InSAR數(shù)據(jù)處理的主要步驟包括：影像配準(zhǔn)，干涉圖生成，噪聲濾除，基線估算，平地效應(yīng)消除，相位解纏，高程計算等。根據(jù)不同的具體算法，其中有些步驟可能需要通過迭代來精化處理結(jié)果。實際處理時，往往還需要一定的地面控制點來計算有關(guān)的參數(shù)。下面圖為InSAR數(shù)據(jù)處理基本流程圖。影像配準(zhǔn)。由于兩幅SAR圖像成像軌道、視角或時間的偏差，在距離向和方位向都會存在一定的錯位和扭曲，生成干涉圖之前必須使同一場景的兩幅復(fù)圖像精確地對準(zhǔn)使復(fù)，圖像對中同一位置的像素對應(yīng)地面上的同一回波點。完成配準(zhǔn)后，主圖像和重采樣后的輔圖像共軛相乘，生成干涉圖和相關(guān)系數(shù)圖，干涉圖的幅度圖可以輔助DEM的生成，相關(guān)系數(shù)圖可以作為相位解纏的質(zhì)量圖，指導(dǎo)相位解纏的路徑或權(quán)值設(shè)置?；€估計?；€是決定干涉系統(tǒng)成敗的重要因素，基線估計誤差是造成最后地形高度誤差的主要原因之一。目前基線估計的主要方法有基于星歷參數(shù)或GPS參數(shù)的基線估計方法和基于地面控制點及干涉條紋的估計方法。去平地效應(yīng)。干涉圖隨距離向位置的不同而引起相位變化，它不反映目標(biāo)的高度變化，稱為平地效應(yīng)。由于平地效應(yīng)常常會造成干涉條紋過密，給相位解纏帶來困難，因此，在相位解纏前，需要先消除平地效應(yīng)，得到反映地形高度變化的稀疏干涉條紋。噪聲濾波。干涉圖中的噪聲主要來源于地形、時間或基線失相關(guān)、熱噪聲、數(shù)據(jù)處理噪聲等。噪聲的存在使得干涉圖信噪比降低，從而嚴(yán)重影響相位解纏的精度。最常用干涉圖濾波方法有:多視平均法或中值濾波法、自適應(yīng)濾波算法、圓周期中值濾波法相位解纏。由于復(fù)數(shù)對相位的周期性，干涉圖中各點的相位值只能落入主值的范圍內(nèi)，只是真實相位的主值，要得到反映高程信息的真實相位值必須對每個相位值加上整數(shù)倍，將由相位主值得到真實相位值的過程統(tǒng)稱為相位解纏。高程計算。相位解纏得到反映地形高度的真實相位后，根據(jù)InSAR成像基本原理及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可計算得高程。的應(yīng)用InSAR典型的應(yīng)用領(lǐng)域有:生成高精度數(shù)字高程模型DEM,地震災(zāi)害檢測，地面變形和位移的監(jiān)測，火山監(jiān)測與災(zāi)害評估，地面沉降監(jiān)測，農(nóng)作物生長監(jiān)測與生物量統(tǒng)計以及林業(yè)、冰川、海洋等領(lǐng)域。地形測繪InSAR技術(shù)利用SAR復(fù)圖像中含有的相位信息，通過干涉處理來提取目標(biāo)的三維信息，因此用于制作地形圖、生成DEM是自INSAR技術(shù)研究和應(yīng)用以來的主要應(yīng)用領(lǐng)域。InSAR技術(shù)所測地形地貌的精度由于成像幾何和干涉圖像質(zhì)量不同而有較大的波動，精度好的可達(dá)米級。研究結(jié)果表明，InSAR技術(shù)用于獲取DEM是非常有效的，特別是在人煙稀少、環(huán)境惡劣的地區(qū)，InSAR技術(shù)更是一種有效的測繪手段。地表變形監(jiān)測利用InSAR獲得的DEM本身就能發(fā)現(xiàn)地表的變化，如泥石流的沉積、三角洲的演變，大沙丘的移動等。差分干涉技術(shù)利用多次干涉的結(jié)果進(jìn)行差分，在去除地形的影響后，可以以雷達(dá)波長量級來測量微弱的地表物理運動。InSAR還可以更深入地應(yīng)用于土地動力學(xué)的其它方面，如火山學(xué)、氣候地貌學(xué)、沙漠地形和土壤遷移、海岸過程和侵蝕、災(zāi)害風(fēng)險估計和自然災(zāi)害監(jiān)測（如地震、滑坡）等。這些地表物理運動有可能是斷層地區(qū)的隆起和彎曲、地震引起的殘余位移、地塊的沉降等，對于它們的觀測可為地震、火山爆發(fā)、山體滑坡等災(zāi)害發(fā)生做出事先預(yù)報，減小災(zāi)害給人們生命財產(chǎn)帶來的損失。極地冰況監(jiān)測極地冰蓋對地球氣候的變化起著極其重要的作用，因此對極地冰蓋體積和冰川運動的監(jiān)測具有非常重要的意義。與傳統(tǒng)的監(jiān)測手段相比，InSAR技術(shù)具有大范圍、高效率等特點，它可以精確快速地測量極地冰蓋厚度的變化和冰川的移動情況。1993年Goldstein等人率先使用衛(wèi)星SAR差分干涉技術(shù)對Rulford冰川運動速度和其邊緣變形進(jìn)行了監(jiān)測，Kwok和Fahnestock使用四個依次間隔3天的ERS-1SAR圖像序列對Greenland的東北部生成了高分辨率的DEM和冰川位移圖。類似的研究表明，RRS-1/2,Tandem方式為使用差分InSAR技術(shù)監(jiān)測極地冰川位移提供了極好的機會。其他應(yīng)用InSAR技術(shù)還可以用于陸地的植被生長狀況、海洋表面監(jiān)測等。雷達(dá)遙感圖像記錄了豐富的植被信息，可以反映植被本身的生長狀況以及生物量的多少，可廣泛用于生態(tài)環(huán)境研究。雷達(dá)遙感可以通過測量植被的后向散射系數(shù)監(jiān)測植被的生長狀況，估算植被的生物量。海洋占據(jù)地球表面的70%以上，蘊藏著人類賴以生存的重要資源。而海面上的天氣狀況往往非常惡劣，給光學(xué)遙感手段監(jiān)測海況帶來極大困難。SAR是進(jìn)行海洋觀察的最理想工具之一，通過INSAR技術(shù)，不僅可以探測到海面上船舶的運動方向和速度，而且可以觀察到多種海洋動力學(xué)現(xiàn)象以及由于海底地形變化而引起的海面波浪的差異等。此外，在城市三維建模，考古，全球變化研究，水系的河道特征與河流演變，湖泊的環(huán)境與演化，鹽湖，地下水與土壤水分等方面，InSAR都有成功的應(yīng)用。技術(shù)的發(fā)展前景20多年來,隨著多顆遙感衛(wèi)星的成功發(fā)射并投入使用,InSAR技術(shù)本身及其應(yīng)用都得到了快速發(fā)展,應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。隨著電子技術(shù)的不斷改進(jìn)以及旨在提高圖像清晰度的信號處理算法的不斷成熟，高分辨率的SAR系統(tǒng)將成為今后發(fā)展的趨勢。人們一直期待能夠快速獲取高分辨率的地球表面圖像。1999年美國Sandia國家實驗室已經(jīng)研制出最高分辨率達(dá)到0.1m的SAR系統(tǒng)Lynx。2000年2月開展的航天飛機雷達(dá)地形測圖計劃（SRTM），標(biāo)志著雷達(dá)遙感技術(shù)進(jìn)入了三維地形測繪的新時代。近幾年內(nèi)計劃發(fā)射的衛(wèi)星還有：日本先進(jìn)陸地觀測衛(wèi)星（ALOS）是一顆高分辨率對地觀測衛(wèi)星，主要用于地形繪制、環(huán)境和災(zāi)害監(jiān)測。ALOS上裝載有光學(xué)傳感器和L波段相控陣合成孔徑雷達(dá)（PAL2SAR），計劃2003年發(fā)射。美國NASA準(zhǔn)備發(fā)射一顆先進(jìn)雷達(dá)成像小衛(wèi)星LightSAR,主要提供覆蓋面廣的高精度地形數(shù)據(jù)。俄羅斯計劃在近幾年內(nèi)實施—項PRIRODA計劃,發(fā)射一顆載有S與L波段的SAR衛(wèi)星,主要用于土壤與植被類型劃分、植被生物量估算、海洋與冰雪研究等。此外還有德國的SMARTSAR計劃、意大利的SkyMed/Cosmo小衛(wèi)星計劃等。將來利用星載SAR系統(tǒng)獲取全球尺度的地球圖像數(shù)據(jù)將會十分方便。目前SAR圖像識別在很大程度上仍依賴于數(shù)據(jù)處理與分析人員的經(jīng)驗，因此，雷達(dá)自動識別系統(tǒng)的研究亦是科學(xué)家們正在努力的工作。我國InSAR領(lǐng)域的研究已經(jīng)有