雷达干涉测量(崔松整理)

1/24雷达干涉测量（崔松整理）第一章绪论第二章雷达SAR：使用短天线一段时间内不断收集回波信号，通过信号聚焦处理方法合成一较大的等效天线孔径的雷达。1.1雷达及雷达遥感发展概况ENVISAT与ERS的SAR传感器相比，EnvisatASAR的优点主要表现在：扫描合成孔径雷达(ScanSAR)可达到500km的幅照宽度；（ERS只有100km）可获得垂直和水平极化信息；（如果发射的是水平极化方式的电磁波，与地物表面发生作用后会使电磁波极化方向产生不同程度的旋转，形成水平和垂直两个分量，用不同极化方式的天线接收，形成ＨＨ和ＨＶ两种极化方式的图像。若雷达发射的是垂直极化方式的电磁波，同理，会产生ＶＶ和ＶＨ两种极化方式的图像。）交替极化模式可使目标同时以垂直极化与水平极化方式成像；有不同的空间分辨率和数据率；可提供7个条带，入射角在15°～45°的雷达数据。RADARSAT多极化、多入射角ALOSALOS采用了先进的陆地观测技术，能够获取全球高分辨率陆地观测数据。该卫星载有三种传感器：全色立体测图传感器，新型可见光和近红外辐射计、相控阵型L波段合成孔径雷达（PALSAR）。PALSAR不受云层，天气和昼夜影响，可全天时全天候对地观测，该卫星具有多入射角，多极化，多工作模式及多种分辨率的特性，最高分辨率可达7m。（ERS、ENVISAT是多入射角吗？）TerraSAR-XTerraSAR-XTerraSAR-X是固态有源相控阵的X波段合成孔径雷达（SAR）卫星，具有多极化、多入射角的特性，具备4种工作方式和4种不同分辨率的成像模式。高分辨率聚束式(HighResolutionSpotLight(HS))聚束式(SpotLightMode(SL))宽扫成像模式(ScanSARMode(SC))条带成像模式(StripmapMode(SM))COSMO-SkyMedCOSMO-SkyMed星座共包括4颗SAR卫星工作在X波段，具有多极化、多入射角的特性，具备3种工作方式和5种分辨率的成像模式，作为全球第1个分辨率高达1m的雷达成像卫星星座，COSMO-SkyMed系统将以全天候、全天时对地观测的能力、卫星星座特有的高重访周期和lm高分辨率成像1.2InSAR及发展概况SAR的不足：SAR传感器获取的原始资料主要包含两种信息：一是地面目标区域的二维图像，二是地面目标反射回来的相位SAR成像没有利用回波相位信息。经过SAR成像处理后，对于地表三维目标，得到2/24二维SAR图像，即目标到SAR卫星的斜距和相对于航迹的位置(或多普勒频率)被投影到二维的SAR图像上，要得到目标的三维坐标，需要利用立体定位的方法的得到目标的三维坐标。INSAR（合成孔径雷达干涉测量）：一种以合成孔径雷达复数据提取的干涉相位信息为信息源获取地表三维信息和变化信息的技术。InSAR：利用短基线(一般为几十~1000m)，由相邻航线上观测得到的同一地区两幅SAR影像的相位进行干涉处理来获取高程资料，由得到的目标点的三维坐标建立高精度的数字高程模型(DEM)D-InSAR：以InSAR为基础发展起来的差分雷达干涉测量(D-InSAR)对于高度的变化非常敏感PS-DInSAR：利用散射特性在时间上保持稳定的高相干点来获取可靠的干涉相位信息GPS技术与InSAR技术结合：一方面可以利用GPS技术消除InSAR的大气及轨道误差，提高其时间分辨率，解决时间去相关问题；另一方面，可以利用InSAR技术提高GPS的空间分辨率，从而进行大尺度的地表形变监测。1.3InSAR的主要应用高程生成、（地形图测绘）地面沉降、地震、滑坡检测、火山活动研究（可连续动态监测地表变化，还可估计岩浆流厚度和宽度活火山现场观测原来对人员设备危险）、土地利用类型分类（可区分林地、开阔地，风、雪融对相干图的影响，基线越长对地表微小运动和变化越敏感）、海洋应用（利用相位差得到风力、海潮、内波、船尾浪引起的洋面变化）冰川运动和极地陆地边缘探测、山体运动监测、坡度估计、变化监测1.4.InSAR的技术发展趋势雷达传感器向着多波段，多极化，多工作模式，视角可变的方向发展。SAR卫星向着轻型化发展。是组成SAR卫星星座、卫星编队、卫星编队星座等天基SAR系统的关键。SAR向着高分辨率，宽测绘带宽方向发展InSAR数据获取更为丰富、便捷。InSAR与其他技术的融合。相位解缠，极化干涉和PS技术仍是InSAR理论研究的热点InSAR应用更为广泛3/24第二章InSAR基本原理及数据处理1.SAR影像的特点1.SAR影像是复数影像，包括振幅图和相位图影像。复影像：复影像数据包括雷达波振幅和相位两部分，被称为复数的实部和虚部。SAR影像的每一像素不仅包含反映地表微波反射强度即所谓的灰度值，而且还包含与雷达斜距有关的相位值，这两个信息分量可用一个复数(a+b·i)来表达。2.斑点噪声雷达记录的信号是不同散射中心回波矢量的叠加，由于散射中心的回波是随机变化的，这种随机变化造成了相干斑噪声。另一方面，相邻像素点的灰度值会由于相干性而产生一些随机变化，在图像中也会产生斑点噪声原因一：由于SAR系统的分辨率是有限的，目标表面相对于系统波长比较粗糙，图像中的每一个分辨率单元都是许多散射点的合成。雷达记录的信号是不同散射中心回波矢量的叠加。由于散射中心的回波是随机变化的，这种随机变化造成了相干斑噪声。原因二：SAR成像系统是基于相干原理的，在雷达回波信号中，相邻像素点的灰度值会由于相干性而产生一些随机变化，并且这种随机变化是围绕着某一均值而进行的，在图像中也会产生斑点噪声。相干斑点噪声是SAR图像固有的特征3.穿透性4.几何特征纵向：平行于卫星的飞行航线，方位向横向：垂直于卫星飞行的航线，距离向SAR影像几何特点：距离收缩、透视收缩、叠掩和阴影等现象。5.多视处理SAR影像有两种显示方式：斜距显示和地距显示。2.SAR干涉测量工作模式InSAR工作方式前两种主要用于机载SAR干涉测量；后一种用于星载SAR干涉测量，卫星不受大气影响，轨道和姿态稳定，为重轨干涉测量提供了较好的条件。1.交轨干涉测量（XTI）飞行平台上同时装载两个天线，其中一个负责发射并接收雷达波束，另一个则只负责接收，这样基线固定，只要能准确确定平台位置，就有利于获得高质量的干涉测量数据和高程计算结果航空平台多采用这种方式，航天飞机也实现了这一方式（SRTM）准确确定平台位置GPS、平台姿态稳定INS侧滚的影响和坡度的影响很难区分相位差由侧滚引起变化2.顺轨干涉测量(ATI）双天线，在飞机上一前一后目前只是在飞机上采用，主要用于海流速度制图、运动目标探测、方向波浪谱测量3.重复轨道干涉测量（RTI)只需要一根天线，在尽可能短的时间间隔内，在大致相同的的轨道上，两次获取同一地区的数据。4/24目前航天INSAR的主要工作方式。航天InSAR具有航高高，姿态稳定的特点，但是需要精确确定平台位置，等效基线必须符合一定的要求，而目前提供的参数均不精确，所以存在“参数估计问题”SAR重复轨道干涉条件①两次观测期间地物没变化②稳定的观测几何关系，姿态稳定③作运动补偿后，能保留好内在的相位信息相位构成：雷达接收信号中的相位由四部分贡献组成：1)是往返路径确定的相位；2)是地表不同的散射特性造成的随机相位；3)大气延迟的影响；4)噪声。3.InSAR成像几何关系式中，左边表示相邻像元的干涉相位差，右边第一项表示目标高程变化引起的相位，第二项表示平地引起的相位，第二项引起的相位必须消除掉才能得到地形引起的相位，这就是所谓的“去平地”。去平地相位之后，可以得到相位与高程之间的关系：也可表示为对于雷达干涉测量系统而言，4π是一个参数，雷达波长已知，通过计算每个像元对应的垂直基线分量B⊥、入射角θ以及传感器到地物的距离，即可通过高程h与相位φ的函数关系求解地表高程，这就是雷达干涉测量的基本原理。5.InSAR影像相干性估计相干性：是指两幅图像的相干程度，相干性是衡量InSAR像对处理效果的指标，相干性的高低决定了干涉条纹的质量，从而决定了干涉处理的结果SAR影像干涉处理以影像之间的相干性为基础。相干性是衡量InSAR像对处理效果的指标，相干性的高低决定了干涉条纹的质量，从而决定了干涉处理的结果，相干性很低的像对很难进行干涉处理，因此，常常利用相干性指标进行干涉像对的选取。5/24最大似然法相干估计具有一些优点：无需计算干涉相位；干涉相位误差对其没有影响；可直接应用于单视图像；不受局部干涉条纹频率或相位估计误差影响去相干分析去相干源；原因分析补偿策略几何去相干；雷达观测视角；短基线与滤波处理；多普勒去相干；不同时相多普勒质心频率；通过系统参数控制与滤波处理；系统热噪声；基线设置参数与地表反射特征；依靠硬件设置来减少；体散射特征去相干；雷达回拨的穿透能力,与波长存在较大系；选择同季节的数据；地面目标地物变化；地面目标的物理特性变化；缩短时间基线；数据处理；数据处理过程引入的误差；选择比较精确的算法；6.INSAR数据处理基本流程复图像配准•基于精密卫星星历和相干系数的配准•最大频谱干涉法•相位差平均梯度函数法基线估计•去平地效应•高程估算•地理编码干涉图的生成两复数共轭相乘得到像元干涉后的复数表示形式。对所有像元进行共轭相乘即可生成干涉图。平地效应消除和干涉图的滤波相位图中高度相同而干涉相位差不同的现象称为平地效应。相位解缠和相位值向高程值转换从干涉图上直接获得的相位是值在(-π,π]之间，相位存在2π的模糊。为了能够将干涉相位和干涉图的成像几何关系联系起来，获得地形高程和实际的地面距离，需要加上正确的2kπ，这一过程称为相位解缠。生成及地理编码影响InSAR数据质量的因素卫星系统：入射角、空间分辨率、系统噪声、影像失配、内部时钟偏差、近似聚焦轨道：定位精度、基线、重复轨道时间差、不平行轨道信号：频率、极化、带宽、噪声/斑点地形地物：体散射、坡向（相位梯度角）、地表物体特征（如冻土）气候条件：风（造成散射体运动）、雪（造成去相干）大气层：大气折射7.InSAR软件简介6/24GAMMA：该软件分为组件式SAR处理器(MSP)，干涉SAR处理器(ISP)，差分干涉处理和地理编码(DIFF&GEO)，土地利用工具(LAT)和干涉点目标分析(IPTA)五个模块SARscape：由核心模块、聚焦扩展模块、滤波扩展模块、扫描式干涉雷达处理扩展模块、极化雷达处理扩展模块、干涉叠加扩展模块组成。8.INSAR技术存在的问题INSAR技术存在的问题•单视复数据的高精度配准•时间基线的去相关现象散射目标在重复轨道两次观测期间散射特性的变化所导致的时间去相干。主要是指散射体在分辨单元内位置或者自身散射特性随时间的变化，其保持相干时间长短与本身的性质有关。•空间基线的去相关和参数精确估计由于入射角的不同，在距离向地物频谱投影到数据频谱时出现偏移•相位解缠7/24第三章InSAR配准算法原理1.SAR影像配准的要求图像配准的目标是在两幅图像之间找到对应同一位置的匹配点。InSAR影像的相位信息远比能量信息对地形的变化敏感。对于双天线而言，数据配准相对比较容易对于重轨INSAR数据配准，配准的难度较大•轨道很难准确控制•导航数据不准确•其它干扰因素使影像有差异如果配准误差大于或等于一个像元，则两幅图像完全不相干，干涉图为纯噪声，因此，配准精度必须达到子（亚）像元级。1.SLC数据处理与显示SLC：单视复型数据，一般以实部数据文件和虚部数据文件的形式存在，即单天线某一时段所获取数据的集合。影像不清楚的原因：由于振幅信号离散程度比较大，加上噪声和因干涉效应产生的或甚强或甚弱的信号，使数据的分布出现极不正常的情况，绝大多数数据都是振幅强度很小的数值，振幅强度大的点极少。解决方法：1.对图像进行预处理，进行振幅影像的增强2.采取直方图分析的方法，即将频数很少的而振幅强度很大的点都组合到一起，将数值范围压缩，减小零星点的影响。3.去噪增强，对影像进行对数变换，抑制亮区，采用3X3窗口去除噪声。2.对数变换和去噪声1）对数