差分干涉雷达技术

1、湖南科技大学研究生课程论文学院建筑专业地理信息系统课程名称遥感技术与应用研究生姓名彭强 学号12011001011开课时间2013至2014 学年 第 学期.0.0.考试成绩教师评语：教师签字年 月 日第_章概论1.1引言合成孔径雷达干涉（Synthetic Aperture Radar Interferometry,简称InSAR）是新近发展起来 的空间遥感技术，它是传统的SAR遥感技术与射电天文干涉技术相结合的产物。雷达遥感 经历了数十年的蓬勃发展，到了 20世纪90年代已经成为空间对地观测技术的研究热点。合 成孔径雷达技术最先应用的物理学基础是托马斯.杨提出的双缝干涉原理，利用几何原理进

2、 行空中三角形解算，最终可以求得地表各点的高程。SAR是20世纪50年代末研制成功的一 种微波传感器，也是微波传感器中发展最为迅速和最有成效的传感器之一。如何利用SAR 数据提取目标的高程信息是SAR的重要应用之一。INSAR技术与立体成像技术最大的查遍在 于，SAR影像对之间的视差是通过干涉信号之间的相位差得到的，这些相位差可用于确 定目标物相对干涉SAR基线的角度。通过所得到的单视复影像进行干涉，我们叫做D-INSAR， D-INSAR对于地表监测可以达到毫米级的精度，由于D-INSAR的这一特性，使得D-INSAR成 为了变形监测的一个新的发展方向。目前对合成孔径雷达干涉的研究机构很多，

3、比如美国JPL单位，以Zebker等人为代表， 他们主要研究机载和星载InSAR;在加拿大这项工作主要由CCRS承担，几年前主要集中在机 载雷达系统方面，近几年来，加拿大成功地发射了 RADARSAT之后，他们开始涉足卫星系统， 此外，加拿大Atlantis最近研制了 INSARWork-station软件，引起了同行的广泛重视；欧洲也 有一些著名的InSAR研究中心，如德国的Hartl小组和意大利Prati研究组等张景发，1998。 此外还有德国的地学研究中心（GFZ），欧空局的InSAR研究小组，英国的NPA，荷兰DELF 大学的InSAR研究机构等都做出了引人注目的成果。【李陶】1.2星

4、载合成孔径雷达卫星（SAR）技术的历史SAR方面的研究已经有五十多年的历史。20世纪50年代，美国军队开始装备SAR， 后来，美国航空航天局（NASA）和密执安环境研究所（ERIM）将SAR转化为民用。由于很短 的天线就能获取高分辨率影像，SAR才终于用到了航天器上。最初的SAR应用在北美、巴西、 哥伦比亚和巴拿马，并取得了很多成果，表明SAR获取信息的全天候、全天时特点，让红 外和可见光摄影技术大为逊色。由于SAR对地面坡度、目标表面形态敏感，可以从坡度估 计转而用于估计目标点高程，进一步扩宽SAR的应用范围。随着SAR技术的发展，它广泛 应用于水利、农业、海洋、地质和环境等方面的工作、工程

5、中。干涉测量技术则是SAR应 用中较晚出现的一个方向，或者说一个新的应用领域。【舒宁】进入80年代后，美国航空航天局开始有计划地对SAR在航天高度进行试验与应用。 1981年11月哥伦比亚号航天飞机上搭载了成像雷达SIR-A，这是一种L波段的SAR，根据它 所获得的图像探测到埃及及西北部沙漠地区的地下古河床，这一成果引起了国际科技界的震 动。1983年原苏联利用COSMOS雷达卫星进行海洋测绘，同时利用Verena-15和Verana-16 宇宙飞船对金星进行雷达测绘。2000年2月美国奋进号航天飞机成功完成了地球测绘 任务（SRTM）。由于SRTM同时拥有C波段和X波段INSAR系统，因此S

6、RTM能够利用干涉 相干与频率之间相关联的特性，以及不同频率电磁波具有不同的穿透特性，来提高所提取的 DEM精度，并获取散射过程的物理信息，对植被地区的研究极为有利。【李平湘】总之80 年代以后各国的各项关于SAR的研究，大大地促进了 SAR技术的发展，使得INSAR和D-INSAR 技术逐渐趋于成熟。进入新世纪以来，世界各国都在加紧筹划和研制新的可进行长期观测的各种先进的空 间雷达。欧洲空间局于2002年3月发射成功的环境卫星Envisat上搭载的先进合成孔径雷达 系统，为c波段、多极化、多模式、采用分布式T/R组件及相控阵技术，是到目前为止最先 进的星载SAR系统。加拿大正在研制的Rada

7、rsat-2是Radarsar-1的改进型，它拟采用波导 天线实现多极化。美国下一个计划是使用SIR-D，它将是多频段（可能有4个）、多极化的星 载成像雷达，为21世纪的长期地球观测系统（EOS）计划作技术准备。中国自20实际70年代末研制出合成孔径雷达，后又研制出微波辐射计、高度计、散 射计、和微波扫描仪，在机载微波遥感、成像机理和应用研究方面做了大量的工作，雷达干 涉测量是近几年的事，在测绘、地质、环境监测等方面的应用研究也取得了进展，但是与北 美、欧洲国家相比，还是有很大的差距，需要加强INSAR的研究。总之由于D-INSAR和INSAR 对于地表监测的灵敏性和高精度，使得各国政府对于S

8、AR方面的研究高度重视，中国在新 世纪对于SAR研究方面有很多的举措，在未来几年间发射星载SAR卫星已经纳入中国第十 二个五年的计划。1.3合成孔径雷达（SAR）技术前沿合成孔径雷达（SAR）是近几年高速发展起来的高新技术，它是使用雷达信号的相位 信息提取地球表面三维信息。主要用于测量地面点的高程及其动态变化的测量。INSAR技术 能全天候、全天时获取大面积地面精确三维信息，空间分辨率高，基本不受气候条件的影像。合成孔径差分干涉雷达（D-INSAR）是一种目前较新的地面变形观测方法，它是INSAR （合成孔径雷达干涉测量）技术的重要方面。作为一种微波遥感的主要应用，INSAR技术通 过卫星有源

9、系统直接从空中对地面进行观测，不受时间和天气状况的限制，所得到数据具有 较高的可靠性。经过INSAR技术的处理，不但可以得到全球mm级精度的DEM，而且还可 以获取反应地表在一定时间段内的卫校变化信息。D-INSAR得到的地面变形观测结果在空间 延续性上要远远优于GPS观测。1993年Goldstein等人利用INSAR技术在极地可区分浮冰和固定冰区进行了冰雪监 测，得出了南极地区地下冰河流动的速度以及南极冰盖随着季节变化的可靠规律，是INSAR 应用的冰雪观测的较为成功的例子。1995年Massonnet和乙Lu等对埃特纳火山的INSAR和D-INSAR方面的研究，验证 了火山的膨胀和紧缩与

10、火山爆发的机理，得到的形变量与传统测量方法得到的形变量惊人相 似，为人类探索火山的爆发机理做出了巨大贡献。2009年R.J.Walters对意大利中部的拉奎拉地震利用了 D-INSAR技术中的二轨道观测 技术进行地震形变的监测，得到了震后和同震地表形变变化规律，与传统测量所得结果吻合。 此例的成功证明了 D-INSAR技术相对于传统测量方法的优越性。与此同时，国内关于武汉大 学和香港理工大学合作的关于汶川地震的D-INSAR监测，以及张红、王超等国内INSAR方面 学者对于张北地震的D-INSAR监测和Zhenghong Li在青海玉树成功运用D-INSAR技术进行了 监测。1.4合成孔径雷达

11、差分干涉技术（D-INSAR）合成孔径雷达差分干涉技术（D-INSAR）是对INSAR技术的一个拓展，INSAR技术仅能 够达到10到20米的分辨率，无法对微笑的形变进行监测，然而通过几组数据对进行交叠干 涉却能够将精度提高到毫米级，这样才逐渐的形成了 D-INSAR技术的理论基础，经过这些年 的发展D-INSAR技术逐渐走向成熟，甚至已经发展到PS-INSAR和SMAS等等新兴技术和方法 的层面。D-INSAR通过两幅天线同时观测（单轨模式），或两次近平行的观测（重复轨道模式）， 获取地面同意景观的复图像对。由于目标和两天线位置的几何关系，在复图像上产生了相位 差，形成了干涉纹图，干涉纹图中

12、包含了斜距向上的点与两天线位置之差的精确信息，这种 差值包含大气延迟影响、平地效应、地形起伏、噪声以及两次成像过程中地表发生的细微变 化，由于SAR上两天线距离较短，利用差分的方法，可以消除两个天线接收信号中的共同 误差，如卫星轨道误差、大气影响等。因此可以有效地提高观测的精度。根据获取数字地面 模型（DEM）的不同，D-INSAR技术可以分为二轨法和三轨法，前者是利用事先获取的DEM 模拟干涉文图，从整体干涉图中减去这部分信息就得到地面变化信息；后者利用三幅影像生 成两幅干涉图，其中一幅干涉图是地表变化前产生的，主要获取地形信息，另外一幅干涉图 是由两个跨越形变的SAR影像生成，包含了形变信

13、息。这样通过去除地形信息就可以得到 形变信息了，从而可以达到利用D-INSAR进行地表形变监测的目的。第二章INSAR原理及D-INSAR原理概述2.1 INSAR原理概述由SAR的信号获取原理可以知道，雷达天线向飞行平台一侧发射雷达波，遇地物后其 后向散射分量形成回波，天线接收后按时间先后记录下回波强度，不同强度大小形成SAR 影像上的不同亮度。其距离向的影像分辨率与脉冲长度有关，而方位向的分辨率则通过记录 同一目标回波的相位史及进一步的数据处理得以提高。所以SAR的成像过程包含了信号的 振幅和相位信息的处理，相位信息是距离的函数，雷达干涉测量正是利用了相位信息才得以 实施，而要更好地利用相

14、位信息，也离不开对振幅信号的分析，通过影像获取目标的高程信 息，必须采取立体摄影的方式，对于SAR影像而言，需要得到同一地域的两幅SAR影像， 雷达干涉测量也是由两个“观测”点上对目标进行观测才能进行的，这两个观测点就是两个 天线位置，如下图所示：Z (y) = H-p cos 6(2 -1 -1)由于(p + 8p)2 p2 + B2 + 2 p B sin(a 6)(2 1 2)从中得出:sin(a-6)-(p+8p)2 p2-B2(2 1 3)最终可以得出相位的关系如下：(2 1 4)平广半-2K孚INSAR观测一般有三种工作方式或工作模式，即距离向干涉测量(Across-track I

15、nterferometry)、方位向干涉测量(Along-track Interferometry)和重轨干涉测量(Repeat-pass Interferometry)o而一般在星载INSAR中都利用重轨干涉测量。2.2 D-INSAR原理概述D-INSAR技术是INSAR技术的延伸，需要两个单复视影像和外部DEM (二轨)或者是三个 单复视影像甚至多个单复视影像来进行干涉处理。其基本流程如下：1、影像数据的配准处理因为入射角的差异使得两幅SAR图像不是完全重合的，对他们进行配准处理后，配准的 图像对进行复共轭相乘就可以得到复干涉条纹图了( Interferogram)。配准一般分为三步第

16、一步、先找到配准的窗口。第二步、找到匹配的小窗口。第三步、进行精确配准达到亚像素 级别的配准。2、图像干涉处理在SAR干涉测量中，干涉相干（coherence）是一个非常关键的量值。首先它是局部干涉 条纹质量的重要评价指标，因此在许多的干涉信号处理步骤中需要将其作为重要的输入参数， 其次它提供了散射体的重要信息，如重复轨道的干涉测量中时间去相干经常被用于地物分类 等。在交规干涉测量中，相干量可用于散射体的厚度（冠层厚度，穿透深度等等）做初步地 估算。总的说来去相干源主要可分为六大类：1,、基线或几何去相干，由视角差异造成的。2， 多普勒质心去相干，主要是两幅图像的多普勒质心存在差异。3,体散射

17、去相干。4,热噪声 去相干，主要受系统特征影响，包括增益和天线特征。5,时间去相干，由图像对获取期间， 地表散射特性发生变化造成的。6,数据处理去相干，主要取决于数据处理过程所采用的算 法。多普勒质心去相干是随着干涉图像对的多普勒质心频率的增加而线性减小的。干涉相位的 均值等于相干系数的相位，干涉相位的方差只与复相干系数的强度有关。对于干涉数据对进行合适的带通滤波处理，可以消除光谱不重合对相位的影响。（INSAR） 对于D-INSAR，两幅SAR图像所形成的干涉纹图的相位既包含了区域的地形信息，又包含 了观测期间地表的形变信息。3、相位去平相位包含两方面的信息：斜距信息和地面点的高度信息，无高

18、程变化的平坦地表也会产生 线性变化的干涉相位，我们称之为平地效应。由于平地效应的影响，常常会造成干涉条纹过 密，影响相位解缠，所以在进行相位解缠之前，常常需要进行平地效应消除，降低相位解缠 的难度。4、基线估计基线对于干涉具有重要的影响，有三种方法（关于基线）可以消除地形因素的影响：选取基线距为0的干涉图像对，则无需考虑地形的影响，可以直接计算得到视线向形变信 息。利用其他DEM数据，基于已有的成像参数模拟干涉纹图从而达到消除地形因素的效果。 我们称之为二轨法。三轨法，利用第三幅SAR图像，采用干涉的方法，消除地形的影响。函数取决于成像参数和图像上每一点的地形。由于干涉数据采集研究区的地形图或

19、利用其他 方法获取高程资料。基线距误差和基线角互为相关，当基线正交于视线方向，基线距误差对基线距垂直分量比的 影响最大，当基线平行于视线方向，角度误差对基线距垂直分量比的误差最大。5、滤波在合成孔径雷达干涉测量和差分干涉测量中大气的影响主要有两个方面1，延迟雷达信 号，2,使传播路径弯曲。一般来说，对于中等分辨率的INSAR系统前者的影响起决定性作 用。目前主要用两种方法来减少大气效应对于干涉纹图的影响。一种是相位累积方法，另一 种是矫正法，相位累积法是通过获取实验区的多幅干涉纹图再对干涉纹图进行简单平均，来 达到有效地降低大气影响。校准法是利用其他的独立数据来全部或部分消除大气的影响。在 理

20、想状态下，这些用于矫正的数据应当与SAR数据具有相同的空间分辨率，但目前还无法 获取相应的其他类型的星载数据。现在所采用的替代方式是利用地面的气象数据和GPS网 所获取的全天顶延迟（ZND）进行矫正工作。但到目前为止，这些数据的空间分布与对流层的 变化情况和SAR的空间分辨率都有一定的差距，所以目前最常用的方法是相位累积法。第三章 对BAM地区的D-INSAR处理示例雷达卫星数据类型：ENVISAT ASAR,两个区域地表数据，各两景影像。首先先去某一 区域一景数据进行处理。数据文件名：ASAR_IM_0CNPDK20031116_17528_000000162021_00385_08956_

21、0259.N1采集时间：200311161,SLC影像显示tolufnnr line. 851099jrtensity： 2 049e-02 dB: -16 B94 rel. imagtnary: -3 751e-D3 -1user图1 BAM地区部分SLC影像显示2,多视强度图像生成图2 BAM地区强度图显示3.生成干涉图E干涉图(b)带散财业度干涉阁图3干涉图的生成4.去平地效应干涉图的生成(a)去平地救应干涉图(b) W收射强便去平地效应干涉图图4去平地效应后的干涉图5.相关系数估计(b)带散射强度的相天图图5相干系数的计算6.干涉图滤波(a)滤波后干涉图化)带散时损度渡波后干涉图图6干

22、涉图的滤波处理7.相位解缠(a) AVithcHit *.mli file(b) With + .nili fiie7.枝切法相位解缠结果9.得到最终的形变图图9得到的BAM地区的最终形变图参考文献R.J. Walters The 2009 L Aquila earthquake(central Italy): A source mechanism and implications for seismic hazard J GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS,VOL.36, LI7312, doi: 10.1029/2009GL039337,2009Gilles Peltzer Ev