3-3干涉雷达与差分干涉雷达课件

2021/3/241雷达干涉测量RadarInterferometry2021/3/242 InSAR原理单幅SAR影像以场景中目标对于雷达斜距的远近成像,不能提供高程信息。如图（1）所示。图（1）单天线SAR成像几何关系图（2）双天线观测的几何关系如图（2）所示,只要已知两个天线位置和两个斜距,结合相位差,就可以依据几何结构确定P点高程。2021/3/243原理:通过两副天线同时观测(单轨道双天线模式),或两次平行的观测(单天线重复轨道模式),获得同一区域的重复观测数据,即单视复数(single-look,SLC)影像对;由于两副天线和观测目标之间的几何关系,同一目标对应的两个回波信号之问产生了相位差,由此得到的相位差影像通常称为干涉图(interferogram),再结合观测平台的轨道参数和传感器参数等可以获得高精度、高分辨率的地面高程信息。2021/3/244干涉雷达地形测量斜距方向上的距离差:余弦定理:地面点高程:关键影响因素：基线B,，mm级精度相位差，弧度精度需要计算θ。双天线单轨道干涉测量（机载与航天飞机雷达）单程:r+

rrA1A2hz

B

r2021/3/245干涉雷达地形测量Antenna1Antenna2r1r2相位每波长弧度波长数量双天线单轨道干涉测量（机载与航天飞机雷达）双程（两个分别发送,分别接收）:单天线重复轨道干涉测量（星载侧视雷达）双程:双天线单轨道干涉测量（机载与航天飞机雷达）单程模式（一个天线发送,两个同时接收）:2021/3/246干涉雷达地形测量:计算

双天线单轨道干涉测量（机载与航天飞机雷达）单程:r+

rrA1A2hz

B

rs2021/3/247干涉雷达地形测量:计算

双天线单轨道干涉测量（机载与航天飞机雷达）单程:r+

rrA1A2hz

B

rs2021/3/248InSAR数据处理的基本流程影像配准干涉成像基线估计去除平地效应噪声滤除SLC影像对输入相位解缠高程计算基线估算:根据卫星星历轨道数据计算基线2021/3/249去除平地效应p1p2RA1A2B由图可知P1、P2点的干涉相位分别是:两点间的相位差为:由于因此上式变换为从这个结果可以看出,当地面的两个目标点高度相同时,它们的相位差仍然存在,并与ΔR成正比,干涉SAR特有的系统几何结构导致了平地效应的产生,所以,即使是水平地貌,干涉相位图也表现与方位向平行的周期性变化的条纹。因此要去除平地效应产生的干涉条纹信息。2021/3/2410影像配准完成以后,INSAR数据的处理流程就是生成高质量的干涉图,提取正确的干涉相位以供相位解缠。式中得到相位值实际上是主值,其范围在（-π,π）之间,要得到真实的干涉相位值必须在这个值的基础上加上或者减去2π的整数倍,这个过程叫做相位解缠。此时得到的相位包括以下成分:观测相位值平地效应相位值地形相位值形变相位值大气延迟相位值噪声相位值相位解缠2021/3/2411ImageA-12August1999ImageB-16September1999SARimage2021/3/2412The(SAR)dataTheSARrecordstheamplitudeandthephaseofthereturnedsignalamplitudephaseNotethatwhiletheamplitudeimageshowsrecognizabletopographicpattern,thephaseimagelooksrandom.Mt.Etna2021/3/2413InSARprocessing:配准amplitudecoregistrationThetwoimages,i.e.the“slave”andthe“master”,donotoverlap.Soweneedtofigureoutwhichgroupofpixelsinthe“slave”correspondstowhichgroupofpixelsinthe“master”.Thisisdonethroughcross-correlatingsub-areasinthetwoimages.Thissteprequiresahugenumberofoperations,andisbyfarthemosttimeconsumingstepintheprocess.2021/3/2414InSARprocessing:phaseinterferogram计算干涉图Calculatephaseinterferogram,i.e.subtractthephaseofofthe“slave”fromthatofthe“master”.-=phase“master”phase“slave”phaseinterferogramNotethatwhileboththemasterandslaveappearrandom,theinterferogramdoesnot.2021/3/2415InSARprocessing:平地效应去除flat-earthremovalNext,weneedtoremovethephaseinterferogramthatwouldresultfromaflat-earth.-=Afterremovingtheflat-eartheffectweareleftwithaninterferogramthatcontainstopographybetweenthetwoacquisitionsandatmosphericeffect.2021/3/2416InSARprocessing:解缠unwrappingTheinterferogramisamapofanambiguousphaseoffsetbetween-

and+

.Inordertorecovertheabsoluteunambiguousphaseoffset,oneneedstounwrapthedata.Phaseunwrappingisatrickybusiness,here’sonealgorithm:2021/3/2417Whilethewrappedphaselookslikethis:Theunwrapped解缠后的phaselookslikethis:2021/3/2418InSARprocessing:geocodingThisfinalstepamountstomappingthephasefromsatellitetogeographiccoordinates.latitudelongitudeazimuthrange2021/3/2419InSAR的实际应用高程测量INSAR的技术特点在于它充分利用了雷达波束的相位信息,形成地形的干涉图,然后通过测定相位差来确定地面点高程,生成DEM。2021/3/24202D-InSAR地表形变监测如果两幅天线先后在同一位置以同一视角对地面成像,此时空间基线为零,干涉图不能反映地形的起伏,但是可以提取瞬间的地面动态变化信息,但是空间基线为零的干涉图很难得到。如果空间基线足够小,利用多次重复观测可以进行地表微小变形的检测,这就是差分干涉。rr+

r

r

r2021/3/2421ViewingPositionSphericalEarthTopographyAtmosphereDeformation引起相位差的原因:实际地表形变引起相位差:2021/3/2422基于D-InSAR影像进行变形监测的方法要获取地形表面的形变信息,必须消除区域内一定时间内的地形信息的影响。一般有四种方法:（1）选取基线距离为0的干涉像对,这时无需考虑地形因素的影响。难以获取。（2）二轨法。选取变形前后的两景图像,生成干涉条纹图,然后利用原来获取的DEM数据模拟地形条纹图,从干涉条纹图中去除地形信息,就可以得到地形表面变化的信息。该方法需要对干涉相位解缠,而不是对差分相位解缠,但需要DEM数据,引入DEM数据可能带来新的误差。2021/3/2423二轨法处理流程影像配准生成干涉图基线估算:根据星历数据计算基线。去平地效应:去除平地的干涉信息。去除地形相位:从干涉条纹图中减去DEM模拟的干涉条纹图计算形变信息,投影到地理坐标系中2021/3/2424（3）、三轨法（D-InSAR经典方法）。采用三景雷达图像,以其中的一景作为主图像,另外两景作为从图像,分别生成两景干涉图。第一景一般相隔时间较短,不包含地面形变信息,其基线长度较长;第二景一般相隔时间较长,包含地面形变信息,基线较短。基于以下假设:只有第二景图像干涉图受到形变的影响。在第二景干涉图中形变影响地面高程从而使相位发生跳跃。第一景干涉图可以精确获取DEM,可以被完全正确的解缠。（4）、四轨法（四景雷达图像组合）基于D-InSAR影像进行变形监测的方法（续）2021/3/2425地形引起的相位差地形与形变引起的相位差三轨法处理2021/3/24264-轨差分4-轨差分干涉是基于两个相互独立的干涉图像对（4幅SAR图像）来完成的。4轨差分干涉与3轨差分干涉的方法很相似,唯一的不同点在于,4轨差分干涉时,两幅干涉图具有不同的几何结构（没有参考图像）。结果是从参考干涉图（地形因素引起的干涉图）生成的干涉产品（包括复数和实数数据）都需要转换到另一幅干涉图（包含形变信息的干涉图）的坐标系。处理流程如下表:处理流程用到的程序配准两幅干涉图到相同的几何结构create_diff_par,init_offsetm,offset_pwrm,offset_fitm,interp_cpx组合复数干涉图comb_interfs去除残差相位趋势（把差分相位转换为沉降量）base_est_fft,ph_slope_base(partofISP)差分干涉技术（DInSAR）2021/3/2427实验数据:1)ERS-1scene:25394.slc(23May1996)2)ERS-2scene:05721.slc(24May1996)3)ERS-2scene:16242.slc(29May1998)第1和2生成包含地形相位信息的干涉图,因为它一天的时间间隔,这样就意味着这期间没有发生明显的地表变形。垂直基线长度是108m,这个基线值适合生成高程的干涉图。第2和3（相隔2年）,这期间地表发生了变形,所以用于生成差分干涉图。处理顺序:1）生成第一幅干涉图（不解缠）2）生成第二幅干涉图（不解缠）3）配准两幅干涉图4）联合两幅干涉图5）去除残差相位趋势差分干涉技术（DInSAR）2021/3/24283.应用:地震位移Seismicdisplacement:TheutilizationofSARdatatomapsurfacedeformationstartedwiththeground-breakingstudyofthe1992LandersearthquakeinCalifornia[Massonnetetal.,1993].Massonnet,D.,