4.1雷达干涉测量原理与应用

1、4雷达千涉测量虑理与应用2012-11-28校准与定标雷达天线、收发机性能等的衰变会导致回波信号的误差1）相对定标2）绝对定标校准+定标雷达角反射器、 朗伯球等标准 目标进行校准讯测量方法示意图几何校正斜距投影变形、地形起伏；（侧视成像几何特性） 地表曲率、地球自转、大气折射；传感器外方位元素变化等影响导致雷达图像的几何变形几何校正多项式几何校正模拟图像几何校正构像方程几何校正主要内容§4.雷达干涉测量概述§4. 2复数影像配准§4. 3干涉图生成与相位噪声滤波§4. 4相位解缠§4. 5 InSAR发展与应用2012-11-2854.1雷达干

2、莎测量概述2012-11-28本节要点本节在SAR原理的基础上进一步介绍INSAR的基本原理和INSAR技术的概貌,为后面的几节进行必要的准备；对INSAR 存在的主要问题进行系统的评述，引出后面几节将要重点阐述的主要内容。主要内容1 INSAR基本原理2立体几何量测与干涉成像3 INSAR技术存在的问题-11-289INSAR基本原理波的迭加与振动波的迭加原理在弹性介质中同时有几个波传播时，每一个波仍然 保持原有的特性（频率、波长、振动方向），按照自 己的传播方向继续前进。但是，由于波在介质中传播，要引起介质质点的 振动。因此，当波在空间某点上相遇时，质点的振动 就是各波在该点所引起的振动的

3、合成。波的迭加与振动相干波源u =1111 &冷=| u | Re(eyp) + ju频率相同、振动方向相同、相位差恒定的波源成为相 干波源。相干波的迭加由相干波源发出的波在空间任一点相遇时，它们的相 位差恒定。=在空间某些地方的振动始终加强，某些地 方始终削弱甚至抵消，这种现象成为干涉。波的迭加与振动相位差与波程差当两个相干波在空间迭加时，波程差等于波长整数倍的各点，合振幅最大;波程差等于半波长的奇数倍时，合振幅最小。只有波的合成，才能产生干涉现象2012-11-281922皿3INSAR基本原理 2兀2012-11-2819INSAR基本原理2012-11-2819INSAR基本原

4、理雷达干涉现象2012-11-2819INSAR基本原理2012-11-2819INSAR基本原理形成雷达干涉现象 的虚拟示意图上图：平坦地面下图：起伏地面2012-11-2819INSAR基本原理2012-11-2819INSAR基本原理雷达干涉现象2012-11-2819INSAR基本原理雷达干涉现象 Interferograms for flat terrain and a Gaussian-shaped hillAfter removal of the flat-earth fringes, the residual fringes form2012-11-2819INSAR基本原理a

5、 "contour mapp with:0.5AR sin q)m/fringedh 二Raw InterferogramRaw Interferogram iF.E. Corrected Interferogram i2012-11-2819INSAR基本原理雷达干涉基本原理相位关系(1)INSAR中的相干波源 与干涉形成飞行平台上同时架 设了两部天线Si、S2由Si发射信号，Si 和S2同时接收从目标 返回的信号2012-11-2816INSAR基本原理雷达干涉基本原理相位关系(1)2/r(门+几)=© + 0单个天线接收到的 雷达波之相位与路程 的关系2012-11-

6、2816INSAR基本原理雷达干涉基本原理相位关系(1)(3-1)卩=0 - 卩2 =MP(02 - 门)Si和S2接收到的雷达 波之相位差(32)2012-11-2816INSAR基本原理<p = arctan畀2q> = p g?兀=P(p, -P1)<pv = mod(j)?2 冗)=arctan(3-5)lm（%）SAR影像1、2形成干涉干涉相位相干性2012-11-2819INSAR基本原理(3 2)雷达干涉基本原理空间几何关系（1）从图（3-2）所示空间几何关系，由余弦定理:p： = p：+炉 -2p£cos（e -02|）sin（9 一 a） = co

7、s（9-02）二P； _P；十圧2P15二（Pi P（Pl +P2） b2pg2p,（3-8）（P1_P2）二一入申二 B" 2nPB2012-11-2819雷达干涉基本原理相位与高程的关系2020(p = a retail血（粘）*（%）一2020G = a - arcsin2nPB20/? = /- pi cos 9-空间几何关系（2）(3-9)20INSAR基本原理雷达干涉基本原理计算地面的高程干涉相位差e地面高程h天线的位置参数（H，B, a, p ）2012-11-2821INSAR基本原理INS AR数据处理的基本步骤1=INSAR影像对输入影像配准干涉成像2012-11

8、-2824INSAR基本原理INS AR数据处理的基本步骤2012-11-2824INSAR基本原理INS AR数据处理的基本步骤单视数幅度影像对干涉条纹图（未去除平地效应）2012-11-2824INSAR基本原理INS AR数据处理的基本步骤干涉条纹图（去除了平地效应）估计的高程2012-11-2824INSAR基本原理INSAR提取DEM实例JCalifornia MojaveDesert(ERS)幅度影像图m基线长180m,配准精度在0.1个像元2012-11-2825INSAR基本原理INSAR提取DEM实例由配准后的主从 影像共辘相乘得 到的干涉相位图 相位解缠后提取DEM2012

9、-11-2825INSAR基本原理埃特纳火山2012-11-28INSAR提取DEM实例27INSAR基本原理InSAR数据处理模块 1-荷兰DELFT大学Kampes等人开发的Doris软件模块T 载出也址:http:/enteipiise.lr.tudelft.nl/dons/ 2.美国阿拉斯加大学Ruger Gens等人开发的ASF SARTools软件模块 下载地址： /apd/software/download.html 3.美国JPL可以从OPENCHANNEL网站申请InSAR软件包ROI_PAC 下载地址： http:/www,o

10、pencha /Drojects/ROIPAC/解缠软件模块Ghiglia等人编写的基本相位解缠处理C程序包ftp.wiley.eom/public/sci_tech_med/phase_unwrapping/Q Chen C. W等人编写的网络流相位解缠软件Snaphul.2http:/ www. starta /sar_g roup/sn aphu/2012-11-2829立体几何量测与干涉成像-11-28#立体几何量测与干涉成像立体观测的原理(1)-11-28#立体几何量测与干涉成像-11-28#立体几何量测与干涉成像单幅影像情形量测

11、的原理SAR可以以一定的分辨率来量测方位向和距离向目标的距离仅仅知道距离并不能 确定目标的位置和相对 于某水准面的高程例如，左图中，凡是在波束范围内且位 于同一弧线上的目标所 测得的距离都是相等的-11-2831立体几何量测与干涉成像称为主影像和从影像传感器S1和S2之间的距离就是空间基线立体观测的原理（2）从位于不同位置的 传感器获得同一场景 的另一幅影像，就可 以解决上述的不确定 性问题将这两幅影像分别-11-2833立体几何量测与干涉成像-11-28#立体几何量测与干涉成像立体观测的原理（3）=r2 +-2rBsin(9- &)z = H - rcos(0-a)在r>dr的

12、条件下, 可以认为S和S2的视线是 平行的，可以得到由主影像和从影 像上的一个同名点 上，可以求出地物 目标这里，假设r、 dr> B和a已矢口dr 二-Bsin(0-a)H5 Brx-11-2835立体几何量测与干涉成像(k的量测误差的影响(1)假设已知;传感器参数和轨道参数从乩E和a等，r即 可以确定。剩下的关键就在求血，其精度主要取决于斜 距方向的分辨率。斜距分辨率越高，血的量测精度越高。r + drBrcos(3 -a)r sin 0HB cos(0 - a)£z dz 50 a=r sm u - ddr 50 ddr i高程的分辨率或量测精度取决于斜距和基线的比 在S

13、AR成像系统中，一般r»B，这个比值是很大的。=> dr的微小误差就会经过放大后传递给高程值。血的量测误差的影响（2）以ERSJ的实际参数为例斜距分辨率是9.6米，假设主、从影像之间经过精确配准后可分辨出的斜距偏移精度达到1/20个像素 ERS-1 通常的参数是r=800km, 0=23°,基线=100m=若斜距量测精度为0.45m,得到的高程精度就变成了1.5km如果要改善高程精度，就需要基线更长=若基线拉长至15km,高程精度改变为10mdr的量测误差的影响（3）以ERS-1实际参数为例实际上，基线并不能拉至如此之长。因为两次成像的 视角相差太大，以至后向散射波发

14、生了很大的变化， 加上斑点噪声的影响，主、从影像之间的相似性已荡 然无存，也就无法找到同名点=增加基线并不能根本解决存在的问题从空间去相关的角度来看，还有一个临界基线的 问题血的量测误差的影响(4)干涉方法中,量测斜距之差dr转化为量测相位差。处)二4兀. dr2710 = ® _02 二yP（°2_Qi） ERS-1参数：C波段波长为5. 6cm,若相位p的噪声标准差 为30。,可得dr = 2.3mm4穴在基线仍然为100m时，其高程精度为7皿。（lr的量测误差的影响（5）INS AR之所以能够进行毫米级精度的地表形变监测的原因就在于其量测精度取决于相干雷 达波所独具的

15、相位信息，而不是普通光学影像 的空间可分辨单元的大小。因此，雷达波的相位信息的准确提取是 决定干涉测量精度的主要因素。2012-11-2841立体几何量测与干涉成像血的量测误差的影响（6）相位量测的精度（相位噪声）成像的几何精度（轨道误差）雷达信号在空中传播的特性（大气效应）-11-28#INSAR成像的模式三种主要模式单轨双天线横向模式SRTM(XTI： Cross-track Interferometry)重复轨道单天线模式ERS1/2(RTI： Repeat-track Interferometry)双天线单轨纵向模式(ATI： Along-track Interferometry)Te

16、rraSAR-X/TanDEM2012-11-28432012-11-28#INSAR成像的模式单轨双天线横向模式-SRTM2012-11-2845B alongExample (bistatic mode): Baiong = 100 ni posti ng 二 10 m g° = -12 dBm2/m2®inc二 45° v辭二门 km/h-> dv- 0.15 km/h (stdv.)INSAR成像的模式Along-Track InterferometryHELIX foimation enables: short along -track basel

17、ines(arbitray satellite shifts along the orbits) vanishing cross-track baselines(for specified latitude/incident angle combinations)INSAR技术存在的问题从初始的INS AR影像对提取地面高程信息， 包含有许多环节，相关的关键问题有些尚未解决 ，使得INSAR实施过程中对系统参数，运行轨道 和数据处理等各个方面的要求异常严格，极大地 阻碍了INSAR技术的进一步推广应用，主要问题 涉及以下几个方面：INSAR技术存在的问题单视复数影像的高精度自动配准(0.1像素) 时间基线(temporalba