現(xiàn)代變形監(jiān)測技木合肥工紫大學HEFEI

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TECHNOLOGY

2026

年1月5日星期一告/d△(頻率/組距)K/n(頻率)+△

0.20.6

1.0

1.4合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院土木工程專業(yè)本課程主要內(nèi)容第一章變形監(jiān)測概述第二章垂直位移與水平位移觀測第三章變形監(jiān)測新技術(shù)與工程實例第四章變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)合肥工紫大學HEFEI

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2

2026

年1月5日星期一現(xiàn)代變形監(jiān)測技術(shù)第3章

變形觀測新技術(shù)及工程實例·

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，

變形監(jiān)測的技

術(shù)和方法正在由傳統(tǒng)的單一監(jiān)測模式向點、線、面立體交叉的空間模式發(fā)展。·

在變形體上布置變形觀測點，在變形區(qū)影

響范圍之外的穩(wěn)定地點設置固定觀測站，用

高精度測量儀器定期監(jiān)測變形區(qū)域內(nèi)監(jiān)測網(wǎng)

點

的

三

維

(X、Y、Z)

或

(X、Y、H)

位

移

變化，是獲取待測物體變形的一種行之有效

的外部檢測方法。合肥工紫大學

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2026

年1月5日星期一

現(xiàn)代變形監(jiān)測技術(shù)

變形觀測新技術(shù)及工程實例全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)合成孔徑雷達干涉測量近景攝影測量激光掃描技術(shù)工程實例合肥工紫大學

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2026

年1月5日星期一第3章§3.1

§3.2

§3.3

§3.4

§3.5

現(xiàn)代變形監(jiān)測技術(shù)

合肥工紫大學HEFEI

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2026

年1月5日星期一§3.1全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS——全稱是衛(wèi)星授時測距導航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)

(NAVSTAR/GPS)Navigation

System

Timing

And

Ranging/Global

PositioningSystem關(guān)于GPS和GNSS?GNSS——Global

Navigation

Satellite

System(全球衛(wèi)星導航系統(tǒng))美國：GPS

;俄羅斯：GLONASS;

歐洲：GALILEO中國：北斗導航系統(tǒng)

BeiDouNavigationSatelliteSystem簡稱BDS

(原名COMPASS)第3章

變形觀測新技術(shù)及工程實例§3.1

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)·

全球定位系統(tǒng)GPS的應用是測量技術(shù)的一

項革命性的變革。·

與傳統(tǒng)變形監(jiān)測方法相比較，應用GPS不

僅具有精度高、速度快、操作簡便等優(yōu)點，而且利用GPS和計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)

及數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)進行集成，可實現(xiàn)從

數(shù)據(jù)采集、傳輸、管理到變形分析及預報的

自動化，達到遠程在線網(wǎng)絡實時監(jiān)控的目的。合肥工紫大學

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年1月5日星期一第3章

變形觀測新技術(shù)及工程實例§3.1

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)一

、GPS

變形觀測的特點1.

測站間無須通視對于傳統(tǒng)的地表變形監(jiān)測方法，點之間只有通視才能進行觀測，而GPS

測量的一個顯

著特點就是點之間無須保持通視，僅需要測

站上空開闊即可，從而可使變形監(jiān)測點位的

布設方便而靈活，并可省去不必要的中間傳

遞過渡點，提高工作效率，節(jié)省許多費用。合肥工紫大學

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2026

年1月5日星期一第3章

變形觀測新技術(shù)及工程實例§3.1

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)一、GPS

變形觀測的特點1.

測站間無須通視2.

可同時提供監(jiān)測點的三維位移信息采用傳統(tǒng)方法進行變形監(jiān)測時，平面位移和垂直位移是采用不同方法分別進行監(jiān)測

的，不僅監(jiān)測的周期長、工作量大，而且監(jiān)

測的時間和點位很難保持一致，為變形分析

增加了難度。采用GPS

可同時精確測定監(jiān)測

點的三維位移信息。合肥工紫大學

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2026

年1月5日星期一第3章

變形觀測新技術(shù)及工程實例1.

測站間無須通視2.

可同時提供監(jiān)測點的三維位移信息3.

全天候監(jiān)測GPS

測量不受氣候條件的限制，無論起霧

刮風、下雨下雪均可進行正常的監(jiān)測。配備

防雷電設施后，GPS

變形監(jiān)測系統(tǒng)便可實現(xiàn)

長期的全天候觀測，它對防汛抗洪、滑坡、泥石流等地質(zhì)災害監(jiān)測等應用領(lǐng)域極為重要?！?.1

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS

變形觀測的特點合肥工紫大學

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年1月5日星期一第3章

變形觀測新技術(shù)及工程實例、§3.1全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)一、GPS

變形觀測的特點4.

監(jiān)測精度高·

在變形監(jiān)測中，如果GPS

接受機天線保持固定不

動，則天線的對中誤差、整平誤差、定向誤差、天

線高測定誤差等不會影響變形監(jiān)測的結(jié)果。·

同樣，GPS

數(shù)據(jù)處理時起始坐標的誤差，解算軟

件本身的不完善以及衛(wèi)星信號的傳播誤差中公共部

分的影響也可以得到消除或削弱。·

實踐證明，利用GPS

進行變形監(jiān)測可獲得±0.5~2

mm

的精度。合肥工紫大學

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年1月5日星期一第3章

變形觀測新技術(shù)及工程實例5.GPS

大地高可用于垂直位移測量·

由于GPS定位獲得的是大地高，而用戶需要的是正

常高或正高，它們之間有以下關(guān)系：H

大

地

高

=h

正常高+ξ;

H

大地高=

h

正

高

+N式中，高程異常ξ和大地水準面差距N的確定精度較

低，從而導致轉(zhuǎn)換后的正常高或正高的精度不高。海底日星期一一、GPS變形觀測的特點海水面§3.1全

球

衛(wèi)

星定位

系

統(tǒng)一、

GPS變

形

觀

測

的

特

點5.GPS

大

地高

可

用

于

垂

直

位

移

測

量·

由于GPS

定

位

獲

得

的

是

大

地

高，

而

用

戶

需

要

的

是

正

常

高

或

正

高

，它

們

之

間

有

以

下

關(guān)

系

：H

大地高=h正常高

+

ξ;H大

地高

=

h正高+N·

但

是，

在

垂

直

位

移

監(jiān)

測中

我

們

關(guān)

心

的

只

是

高

程

的變

化

，

對

于

工

程

的

局

部

范圍

而

言

，

完

全

可

以

用

大

地高的

變

化

來

進

行

垂

直

位

移

監(jiān)

測

。第

3

章變

形

觀

測

新

技

術(shù)

及

工

程

實

例

合肥

工

紫

大

學HEFEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY2026年1月5日星期一§3.1

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)一

、GPS

變形觀測的特點6.

操作簡便，

易于實現(xiàn)監(jiān)控自動化·

GPS接收機的自動化越來越高，趨于“傻瓜”,

而且體積越來越小，重量越來越輕，便于安裝和操作

?！?/p>

同時，GPS接收機為用戶預留有必要的接口，用戶可以較為方便地利用各監(jiān)測點建成無人值守的自

動監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、分析、

報警到入庫的全自動化。合肥工紫大學

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13

2026

年1月5日星期一第3章

變形觀測新技術(shù)及工程實例§3.1

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)一

、GPS

變形觀測的特點7.

具有嚴格定義的參考系統(tǒng)GPS

定位測量采用世界大地坐標系WGS84,

很

容易與其它全球地心坐標系進行轉(zhuǎn)換，納入嚴格定

義的全球參考系統(tǒng)?！?/p>

世界大地坐標系WGS

84●

協(xié)議地球(

C

de

00System-1984)●

(

al

rence

System

2000)●

中

re

Reference

2000)(China

Geodetic

Coordinate

System

2000)2000strialGCSTer大地坐標系nternationa2000Refe框架ITRFTerrestri國際地球參Convention20ticTRSGeo系d照orl參W合肥工葉大學

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14

2026

年1月5日星期一第3章

變形觀測新技術(shù)及工程實例§3.1

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)一、GPS

變形觀測的特點8.

利用GPS進行變形監(jiān)測，存在的缺點：(1)GPS

觀測會受到現(xiàn)場環(huán)境的影響GPS

信號易受測站附近的房屋、大面積水域等物體遮擋或產(chǎn)生多路徑效應；還可能受到測站周圍

電磁場的影響，降低測量精度。(2)GPS

信號受大氣的影響如果GPS參考站之間或與監(jiān)測點之間距離遠、高差大，有可能受到電離層、對流層等大氣條件的

影響，反映出較大誤差。合肥工紫大學

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2026

年1月5日星期一第3章

變形觀測新技術(shù)及工程實例1.GPS

觀測站選擇與標志建立(1)GPS

測站的設置應盡可能避開易產(chǎn)生多路徑效

應和易受電磁場影響的地方。(2)GPS

測站應設立穩(wěn)固的標石，盡量采用強制對

中裝置，保持點位的穩(wěn)定，便于長期觀測。(3)GPS

接收天線應高出地面0.5米以上。(4)GPS

參考站與監(jiān)測點之間距離不要太遠?！?.1

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS

變形觀測的特點GPS

變形觀測的實施合肥工紫大學

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16

2026

年1月5日星期一第3章

變形觀測新技術(shù)及工程實例、二、二、GPS

變形觀測的實施1.

觀測站選擇與標志建立2.

觀測模式的選擇GPS

變形監(jiān)測分為定期重復觀測和連續(xù)性觀測兩種模式。(1)定期重復觀測又稱為周期性變形監(jiān)測，與傳統(tǒng)的變形監(jiān)測網(wǎng)相類似，

一般采用

靜態(tài)相對定位的方法，事后

處理和分析數(shù)據(jù)。觀測周期

根據(jù)變形的速率確定。

合肥工紫大學§3.1

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)2026

年1月5日星期一HEFEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY17二、GPS

變形觀測的實施1.

觀測站選擇與標志建立2.

觀測模式的選擇(2)

連續(xù)性觀測模式·

連續(xù)性觀測模式是將GPS

接收機固定在測站上，

連續(xù)采集衛(wèi)星信號，獲得變形觀測數(shù)據(jù)序列。該方

法實質(zhì)上也是對監(jiān)測點進行重復觀測，但數(shù)據(jù)可以

是連續(xù)的，具有較高的時間分辨率和觀測精度。●具體觀測方法有兩種：①靜態(tài)相對定位方法(采用事后處理，適用于

不需要實時數(shù)據(jù)傳輸、處理和分析的場合)動態(tài)相對定位方法(能夠?qū)崟r監(jiān)控變形)

合肥工紫大學

§3.1

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)2026

年1月5日星期一HEFEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY18Satelite

ASatelliteDGPS動態(tài)相對差分定位原理Pacitic

CrestBaseStationRadioGPSReceiver!

Antcnna11RTKRover發(fā)射電臺接收電臺GPS主機_

GPS主機基準站

采集器合

肥

工

紫

大

學HEFEI

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TECHNOLOGY

20動

態(tài)

實

時

差

分RTK

測

量

原

理

圖2026年1月5日星期一移動站二、GPS

變形觀測的實施動態(tài)相對定位方法又分為兩種形式：·

利用GPS接收機陣列進行動態(tài)相對定位；(主要缺點：價格昂貴，不便于管理)●利用一機多天線方式實現(xiàn)GPS動態(tài)相對定位合肥工紫大學HEFEI

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21

2026

年1月5日星期一§3.1

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)天線陣列接收機陣列G

P

S

接

收

機

陣

列變形監(jiān)測系統(tǒng)壩面工控機I

接收天線數(shù)據(jù)處理

總

控

服務器發(fā)射天線基準站工控機2發(fā)射天線基準站工控機1GPS接收機陣列變形監(jiān)測系統(tǒng)GPS7GPS2GPS3全向天線GPS多天線陣列中央室外路由器GPS信號放大器串口設備服務器

GPS

共

享

器

GPS接

收

機

24

2026

年1月5日星期一GPS一機多天線變形監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖HEFEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY低噪聲信

號放大器GPS

一

機

多天線

控制器微處理器數(shù)據(jù)通信天線陣列RF

轉(zhuǎn)換開關(guān)GPS

OEM接收機GPS一機多天線變形監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖數(shù)據(jù)處理、控制中心警報系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理數(shù)據(jù)分析管理系統(tǒng)基站GPS接收機風能、太陽

能蓄能供電建模

分析監(jiān)測

報告大壩斷面合肥工紫大學HEFEI

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26

2026

年1月5日星期一GPS一機多天線變形監(jiān)測系統(tǒng)天線布置圖1.GPS

觀測站選擇與標志建立2.

GPS

觀測模式的選擇3.

數(shù)據(jù)采集與傳輸(1)GPS定期重復觀測模式：

數(shù)據(jù)由接收機存儲，事后傳輸?shù)接嬎銠C進行數(shù)據(jù)處理與分析。(2)GPS

連續(xù)性觀測模式：

根據(jù)現(xiàn)場條件，

GPS

數(shù)據(jù)傳輸可采用有線(監(jiān)測點觀測數(shù)據(jù))和無線

(基準點觀測數(shù)據(jù))相結(jié)合的方法。合肥工紫大學

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27

2026

年1月5日星期一GPS

變形觀測的特點GPS變形觀測的實施§3.1

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)第3章

變形觀測新技術(shù)及工程實例、二、§3.1

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)一、GPS

變形觀測的特點二、GPS

變形觀測的實施4.GPS

數(shù)

據(jù)

處

理(1)GPS

靜態(tài)數(shù)據(jù)處理：

事后由計算機利用專門基線解算和網(wǎng)平差軟件進行數(shù)據(jù)處理與分析。GPS

連續(xù)動態(tài)數(shù)據(jù)處理：

從每臺GPS

接收機傳輸數(shù)據(jù)開始，到處理、分析、變形顯示為止，所

需總的時間小于10分鐘，為此，必須建立一個局域

網(wǎng)，有一個完善的軟件管理、監(jiān)控系統(tǒng)。合肥工紫大學

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28

2026

年1月5日星期一第3章

變形觀測新技術(shù)及工程實例§3.1

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)一、GPS

變形觀測的特點二、GPS

變形觀測的實施三

、GPS

變形監(jiān)測技術(shù)的應用1.

地殼形變觀測(1)甚長基線干涉測量系統(tǒng)

(V

LBI)(2)

衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)

(SLR)(

3

)

全

球

定

位系

統(tǒng)

(GPS)2.

大壩變形觀測3.

高層建筑物變形觀測4.

大型橋梁變形觀測第3章

變形觀測新技術(shù)及工程實例

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29

2026

年1月5日星期一Parallele

Strahlungvon

der

RadioquelleA?

bH-MaserR?VLBI

測

量

原

理VLBI的無線電天線衛(wèi)

星

激

光

測

距

S

L

RSende-Empfangs-teleskopStopStartZ?hler

△tLaserS

L

R

測

量

原

理合肥工京大學HEFEI

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32

2026

年1月5日星期一利用GPS對香港青馬大橋進行動態(tài)變形監(jiān)測500

1000Time(sec)GPS

DisplacementSpectrumfo=0.1875Hz0.2

0.4

0.60.8Frequency(Hz)進行動態(tài)變形監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理利用GPS對高層建筑物PowerSpectralDensity

mm3002001000*

0EstimatedGPS

Displacement(Easting)§3.2

合成孔徑雷達干涉測量合成孔徑雷達干涉測量是上世紀60年代逐步發(fā)展起來的一種遙感技術(shù)。簡稱：

InSAR(InterferometricSynthetic

ApertureRadar)包括兩大技術(shù)的融合：1.合成孔徑雷達遙感成像

(SAR)2.

電磁波干涉測量利用微波雷達成像傳感器對地表進行連續(xù)主動遙感成像，使用專門的數(shù)據(jù)處理方法，從雷達影像

的相位信號中提取地面的地形或變形信息。主

要

特

點

：高精度(可達毫米級)、大范圍、全天候合肥工紫大學

第3章

變形觀測新技術(shù)及工程實例··2026

年1月5日星期一HEFEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY34一

、SAR

成像原理與圖像特征InSAR

是利用覆蓋同一地區(qū)的多幅SAR

影像所產(chǎn)生的干涉相位

圖來提取有用地形信息。真實孔徑側(cè)視雷達成像1.

雷達平臺：可以是飛機、

人造衛(wèi)星和航天飛機等。2.所謂側(cè)視：

是指雷達向地

面發(fā)射的微波脈沖束(橢圓錐

狀)側(cè)向傾斜了一個角度θ。雷達飛行軌道/斜距輻寬軌道投影

YX,

輻照帶

垂直軌道方向圖11-

1

雷達成像幾何2026

年1月5日星期一§3.2

合成孔徑雷達干涉測量合肥工紫大學HEFEI

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35第3章

變形觀測新技術(shù)及工程實例雷達飛行軌道

0斜距輻寬軌道投影X輻照帶§3.2

合

成

孔

徑

雷

達

干

涉

測

量一

、SAR

成像原理與圖像特征(

一

)

真

實

孔

徑

側(cè)

視

雷

達

成

像第

3

章

變

形

觀

測

新

技

術(shù)

及

工

程

實

例圖11

-

2

雷達斜距投影圖11-1

雷達成像幾何Y垂直軌道方向一、SAR

成像原理與圖像特征(

一

)

真實孔徑側(cè)視雷達成像橢圓錐狀微波脈沖束在地表形成一個輻射帶，可看成由許多小的空間面元組成；每個面元分別反射脈沖波并被雷達接收；不同雷達斜距R

對應不同的像素，形成一定幅寬范圍的連續(xù)地表影像。雷達圖11-2雷達斜距投影合肥工紫大學

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37

2026

年1月5日星期一§3.2

合成孔徑雷達干涉測量第3章

變形觀測新技術(shù)及工程實例●●●§3.2

合成孔徑雷達干涉測量一、SAR成像原理與圖像特征(一)

真實孔徑側(cè)視雷達成像●可區(qū)分兩個相鄰目標的最小距離稱為雷達影像的空間分辨率，距離小則分辨率高；·沿雷達飛行方向稱為方位向，其分辨率為：Rλ△X=L

圖11-3

成像雷達分辨率·式中：R

為雷達斜距，

L

為雷達天線長度，

λ為雷達微波波長。合肥工紫大學

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38

2026

年1月5日星期一第3章

變形觀測新技術(shù)及工程實例△R△Y=cos(90°-θ;)·式中：c

為光速，T

p為雷

達

脈沖

寬

度

，θ;

為

側(cè)

視

角

。由此可見，△R

是常

數(shù)，△Y隨θ;

的

改

變

而

變

化

?！?.2

合成

孔

徑

雷

達

干

涉

測

量一

、SAR

成

像

原

理

與圖

像

特

征(

一

)

真

實

孔

徑

側(cè)

視雷

達

成

像●

沿雷

達

飛

行

方

向

稱

為

方

位

向·

沿雷

達

斜

距

方

向

的

分

辨

率

為

：合肥工紫大學

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39

2026年1月5日星期一第

3

章

變形

觀

測

新

技

術(shù)

及

工

程

實

例

●

雷

達

斜

距

向的

地

面

分

辨

率

為

：圖11-3成像雷達分辨率所以目標物越遠離底點，傾斜向地面分辨率越高；反之

越靠近底點分辨率越低；這也是雷達成像要求側(cè)視的

主要原因；該特性與航空攝影測量的中心投影方式正好相反?！?.2

合成孔徑雷達干涉測量SAR

成像原理與圖像特征真實孔徑側(cè)視雷達成像合肥工紫大

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40

2026

年1月5日星期一△R=·●●第3章

變形觀測新技術(shù)及工程實例△Rcos(90°-θ;)圖11-3

成像雷達分辨率△Y=、●但是沿雷達飛行方向的方位

向分辨率

，與天

線

長度有

關(guān)。·

目前利

用

人

造

衛(wèi)

星

進

行SAR

航

高

一

般

在5

0

0

~

2

0

0

0Km;·雷達微波波長5~30cm;側(cè)視

角一般在

20

°

~7

0

°之

間

?！ぜ?/p>

設

取

波

長

為

5

.

6

6cm,

為了

達到

10m

方

位

向

分

辨

率

，

則

：Rλ

HλL==3kmSAR成像原

理

與

圖

像

特

征真實孔徑側(cè)

視

雷

達

成

像△X

△X

cosθ41

2026年1月5日星期一§3.2

合

成

孔

徑

雷

達

干

涉

測

量第

3

章

變

形

觀

測

新

技

術(shù)

及

工

程

實

例Rλ

△X=L合肥工紫大HEFEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY圖11-3

成像雷達分辨率一、一、SAR

成像原理與圖像特征(一)真實孔徑側(cè)視雷達成像(二)合成孔徑側(cè)視雷達成像●

在不增加雷達天線長度的前提

下，由于雷達飛行與地面成像

點○存在相對運動的現(xiàn)象，必然使得返回脈沖波的頻率產(chǎn)生漂

移

，也就是多普勒頻移現(xiàn)象。●

雷達接收并精確測定脈沖回波雷達位置

軌道成像目標點O輻照帶X/方位向·

通過數(shù)據(jù)處理合并成為一個被銳化的回波脈沖，提高雷達成像方位向的分辨率，最終形成高精度SAR

影像?！?.2

合成孔徑雷達干涉測量的相位延遲、跟蹤頻率漂移。

圖11-4

合成孔徑雷達成像幾何第3章

變形觀測新技術(shù)及工程實例一、SAR成像原理與圖像特征(一)真實孔徑側(cè)視雷達成像(二)

合成孔徑側(cè)視雷達成像·如圖所示，就是基于多普勒頻移原理的合成孔徑雷達成

像幾何圖?！さ孛娉上顸c○的位置，通過銳化數(shù)據(jù)處理后，成像方位

向分辨率得到提高。近似為：軌道ac成像目標點O輻照帶X

方位向2合肥工紫大學

據(jù)處理實現(xiàn)的!

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TECHNOLOGY

43

2026

年1月5日星期一圖11-4

合成孔徑雷達成像幾何·

可見所謂“合成孔徑”是通過數(shù)§3.2

合成孔徑雷達干涉測量第3章

變形觀測新技術(shù)及工程實例△X=雷達位置L§3.2

合成孔徑雷達干涉測量一、SAR成像原理與圖像特征(三)

SAR

圖像的基本特征·SAR

系統(tǒng)基于側(cè)視成像幾何原理所獲取的數(shù)據(jù)稱為

“粗數(shù)據(jù)”,經(jīng)過地面預處理后形成單視復數(shù)影像，每一像素可用一個復數(shù)表示：像素

pixel

→a+b

·i=

√a2+b2e1式

中

：√a2+b2

為振幅：——對應地面分辨單元灰度信息；=tan?1(b/a)

為相位值：——

沿側(cè)視方向脈沖總波數(shù)的尾數(shù)。合肥工紫大學

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44

2026

年1月5日星期一第3章

變形觀測新技術(shù)及工程實例圖11-5

SAR

成像時地面分辨單元的后向散射特性和相位觀測值的構(gòu)成SAR圖像的基本特征與相位§3.2

合成孔徑雷達干涉測量一、SAR

成像原理與圖像特征二、InSAR

基本原理1801年Thomas

Young(1773~1829)

發(fā)現(xiàn)了光的相干效應，并用波的疊加原理成功解釋了該效應，

這就是著名的“楊氏雙縫光干涉實驗”

?！?/p>

InSAR

正是根據(jù)所謂“光干涉條紋”為基本原理，將覆蓋同一區(qū)域的兩幅SAR

影像對應像素的相位值

相減，便可得到相位差圖，即干涉相位圖，經(jīng)過數(shù)

據(jù)處理對相位信息進行分離和提取，反映的就是該

區(qū)域地面起伏和地表形變的信息。合肥工紫大學

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46

2026

年1月5日星期一第3章

變形觀測新技術(shù)及工程實例§3.2

合成孔徑雷達干涉測量一、SAR

成像原理與圖像特征二、InSAR

基本原理(一)干涉相位的形成·

從技術(shù)角度看，干涉合成孔徑雷達的數(shù)據(jù)收集

一般要求雷達平臺上配備兩副SAR

天線，這兩副

天線在航線方向交替工作。對于機載系統(tǒng)：

兩副天線固定在同一飛機上，傳感器中心連線稱為空間基線向量，長度不變，

可以從數(shù)米到數(shù)十米(軍用偵察飛機相距914毫

米)。它們交替進行脈沖的發(fā)射和接收，產(chǎn)生時

間略有差異的接收信號形成干涉現(xiàn)象。合肥工紫大學

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2026

年1月5日星期一第3章

變形觀測新技術(shù)及工程實例§3.2

合成孔徑雷達干涉測量一、SAR

成像原理與圖像特征二、InSAR基本原理(一)干涉相位的形成●

對于星載系統(tǒng)：一般采用單天線模式，衛(wèi)星以一定的時間間隔對同一區(qū)域進行重復SAR成像，兩次飛行軌道近似平行，組成類似機載SAR的干涉相位。圖11-6InSAR系統(tǒng)干涉相位的形成

合肥工紫大學

第3章

變形觀測新技術(shù)及工程實例2026

年1月5日星期一HEFEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY48§3.2

合成孔徑雷達干涉測量一、SAR成像原理與圖像特征二、InSAR

基本原理(一)干涉相位的形成S?

和S?

兩個傳感器分別接收地面目標P點的SAR回波信號w?和

W?,

經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得到的影像分別為主、從影像。w

(R?)·O(R?)=ww?exp[j(ψ?-4?)]·

經(jīng)配準，將圖像逐像素進行復共軛相乘，得：

圖11-6

InSAR

系統(tǒng)干涉相位的形成第3章

變形觀測新技術(shù)及工程實例雷

達

接

收

信

號中

的

相

位ψ包

括

兩

部

分

：1.

往

返

路

徑

確

定

的

相

位

；2.

地

表

不

同

的

散

射

特

性

造

成

的

隨

機

相

位

。

即

：

①(R?)·①?(R?)=@w?exp[j(ψ?-ψ?)]合

肥

工

年1月5日星期一假設

兩

次

成

像

間

無

隨

機

擾

動

，

則

兩

信

號

的

相

位

差

為：)

干

涉

相位

的

形

成圖11-

6InSAR系統(tǒng)干涉相位的形成(

一●·

由此可見，干涉圖中的相位差①取決于斜距信號的

路徑差△R,兩者成正比例關(guān)系；●在實際干涉數(shù)據(jù)處理中，采用三角函數(shù)運算則丟失

了相位的整周數(shù)，只能得到干涉相位的主值(即纏

繞相位),必須通過解纏算法恢復相位完整值。·

由于相位差的周期性變化，反映在干涉圖上表現(xiàn)為

干涉條紋。·干涉條紋在陸地區(qū)域是連續(xù)的，較為清晰；但在水

域地區(qū)，干涉條紋比較模糊，主要由信號噪聲引起。幣=

-

42

=

47

π(R?-R?)=4π合肥工紫大學

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2026

年1月5日星期一§3.2

合成孔徑雷達干涉測量(一)干涉相位的形成電

磁

波

測

距

基

本

原

理

公

式設電磁波在大氣中傳播速度為C,當它在距離D

上往返一次的時間為t,

則有：A'=Φ收一Φ發(fā)=2wtD=W△t?D=2πf△t?D--λ為調(diào)制光的波長GPS

整周未知數(shù)解算Time

(0)AmbiguityAmbiguityCountedCyclesPhase

Measurement·

測站對某一衛(wèi)星的載波相位觀測值由三部分組成：(1)初始整周未知數(shù)n;(2)t?至t時刻的整周記數(shù)C;(3)相位尾數(shù)φi·

如果信號沒有失鎖，則每一個觀測值包含同一個初

始整周未知數(shù)N·

為了利用載波相位進行定位，必須設法先解算出初

始整周未知數(shù)，取得總觀測值N+C+φi§3.2

合成孔徑雷達干涉測量(一)干涉相位的形成①=y-42=47(R?-R?)=·

由此可見，干涉圖中的相位差①取決于斜距信號的

路徑差△R,兩者成正比例關(guān)系；●在實際干涉數(shù)據(jù)處理中，采用三角函數(shù)運算則丟失

了相位的整周數(shù)，只能得到干涉相位的主值(即纏

繞相位),必須通過解纏算法恢復相位完整值?！?/p>

由于相位差的周期性變化，反映在干涉圖上表現(xiàn)為

干涉條紋?！?/p>

干涉條紋在陸地區(qū)域是連續(xù)的，較為清晰；但在水

域地區(qū)，干涉條紋比較模糊，主要由信號噪聲引起。合肥工紫大學HEFEI

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2026

年1月5日星期一(一)干涉相位的形成—

π

0圖11-7上海地區(qū)的干涉相位圖(a)1996-03-25—1996-03-26(b)1996-06-03—1996-06-04

§3.2

合成孔徑雷達干涉測量π(一)干涉相位的形成(二)干涉相位的噪聲測度·干涉相位圖像質(zhì)量評價的量化標準，是干涉相關(guān)系

數(shù)(意大利

Prati,1993

年),其定義為：E[M

s]式中：E[]表示數(shù)學期望，M

、S分別表示主、從影像復數(shù)集，*為復數(shù)的共軛算子。干涉相關(guān)系數(shù)

y的絕

對值取值范圍為[0,1]。1.

當γ=0時，表示兩景影像完全不相關(guān)；2.

當γ=1時，表示兩景影像完全相關(guān)，無噪聲。

合肥工紫大學

§3.2

合成孔徑雷達干涉測量2026

年1月5日星期一HEFEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY(一)干涉相位的形成(二)干涉相位的噪聲測度·

實際計算干涉相關(guān)系數(shù)時，取某一分辨單元周圍一

定范圍內(nèi)的鄰近像素復數(shù)信息來估算其相關(guān)度：

1

M(i,j)S

(i,j)

1

1

M(i,j)

1

S(i,j)

22合肥工紫大學

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2026

年1月5日星期一§3.2

合成孔徑雷達干涉測量y=0

0.5圖11-8上海地區(qū)的干涉相關(guān)圖§3.2

合成孔徑雷達干涉測量(二)干涉相位的噪聲測度(a)1996-03-25—1996-03-26(b)1996-06-03-1996-06-04(一)干涉相位的形成(二)干涉相位的噪聲測度·在實際數(shù)據(jù)處理時，也可用像元信噪比

(SNR)

來計算干涉相關(guān)系數(shù)：SNRy=1-SNR·

可見：干涉相關(guān)系數(shù)越高的目標，其信噪比越大；反之越?。粌煞N方法對干涉相位噪聲程度的衡量是一致的?！?/p>

高信噪比目標的數(shù)量越多，干涉測量成果的精度越

高、質(zhì)量越可靠。合肥工紫大學

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2026

年1月5日星期一§3.2

合成孔徑雷達干涉測量(一)干涉相位的形成(二)干涉相位的噪聲測度(三)干涉相位成分分析在非零基線(即兩次成像

的衛(wèi)星軌道不完全重合)的

情況下，干涉相位主要由五

個分量組成：1.

參考分量(平地分量)2.

地形分量3.

形變相位4.

大氣相位5.

相位隨機噪聲

圖11-9

理想平地狀態(tài)下的斜距差變化規(guī)律61

2026

年1月5日星期一§3.2

合成孔徑雷達干涉測量合肥工紫大學HEFEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY§3.2合成孔徑雷達干涉測量一

、SAR

成像原理與圖像特征二、InSAR

基本原理三、DInSAR

地表形變測量(

一

)

觀測幾何·上述干涉相位中包含五個分量，其中參考分量和地

形分量具有顯著影響，必須在提取地表形變信息時

從初始干涉圖中予以剔除，這就是所謂的二次差分干

涉DInSAR(Differential

InSAR)?！ぴ诤雎源髿夂驮肼曈绊懙那疤嵯?，

DInSAR

的具體t方法主要有三種：兩軌法、三軌法、四軌法合肥工紫大學

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2026

年1月5日星期一第3章

變形觀測新技術(shù)及工程實例三、DInSAR

地表形變測量(

一

)

觀測幾何1.

兩軌法：使用兩幅雷達圖像和1個外部數(shù)字高程模型?！煞走_圖像形成一個干涉對，生成既包含地表形

變信息又包含地形相位的干涉圖；·

外部數(shù)字高程模型通過運算能夠反演出地形相位；·將上述兩類數(shù)據(jù)疊加處理，去除地形相位后便可得

到地表形變信息干涉圖。2.

四軌法：使用四幅雷達圖像形成兩個干涉對，分別為“地

形對”和“地形+地表形變對”。兩個干涉對疊加

處理，去除地形相位后便可得到地表形變信息干涉合肥工紫大學

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2026

年1月5日星期一§3.2

合成孔徑雷達干涉測量4d=4m-4flat-9top初始干涉相位：

φm參考相位：

地形相位：

三、DInSAR

地表形變測量(一)

觀測幾何●

兩軌法和四軌法的差分原理相似!·如圖：地面點P在兩次成像期間發(fā)生位移d,反映在干涉相位上的數(shù)值為：H

U

R

O紫FTEC

O

圖11-10

兩軌或四軌法差分干涉觀測幾何§3.2

合成孔徑雷達干涉測量B三、DInSAR

地表形變測量(一)觀測幾何3.

三軌法：使用3幅雷達圖像形成兩個干涉對，分別為“地

形對”和“地形+地表形變對”?！摹暗匦?地表形變對”干涉相位中，直接扣除

“地形對”中僅反映地面高程信息的相位數(shù)據(jù)，

便可得到地表形變信息干涉相位圖?！?/p>

該方法的特點是不需要產(chǎn)生數(shù)字高程模型。合肥工紫大學

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2026

年1月5日星期一§3.2

合成孔徑雷達干涉測量映

在

干

涉

相

位

上

的

數(shù)

值

為：4d=4m2-4flar2-9top2B?“地

形

+

形

變

”

干

涉

相

位φm?參

考

相

位

：

地

形

相

位

：

H

R

TE

圖11-

11

三軌法差分干涉觀測幾何3.

三

軌

法

：·

如

圖

：

地

面

點P在

三

次

成

像

期

間

發(fā)

生

位

移d,反三

、DInSAR

地表形

變

測

量(

一

)

觀

測

幾

何

§3.2合成孔

徑

雷

達

干

涉

測

量“地

形

+

形

變

”

干

涉

相

位m2參

考

相

位

：

地

形

相

位

：·

式中φ

top1

為

地

形

干

涉

對

的

干

涉

相

位

：方

向

上的

平

行

和

垂

直

投

影

分

量

。·二

次

差

分

干

涉

后

進

行

相

位

解

纏

，

得到

絕

對

相

位

差abc·

反映地

表

沿雷

達

視

線

方

向

的

斜

.

三

軌

法

：

9d=9m2-4flat2-9top2·

其

中B?,

和

B1

分別代表

基

線(軌

道

偏

移)

在雷

達參

考

視線距

變

化

量

為

：△R=入4abc

4π圖11-11

三軌法差分干涉觀測幾何合肥工紫大學HEFEI

UNIVERSITY

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TECHNOLOGYB??·△R?

π是

差

分

干

涉

相

位

變

化

一

整

周

2π

所

對

應

的

位

移

量

，即

DInSAR