合成孔径雷达干涉测量概述

合成孔径雷达干涉测量（InSAR）简述摘要：本文主要介绍了合成孔径雷达干涉测量技术的发展简史、基本原理、及其3种基本模式，并且对其数据处理的基本步骤进行了概述。最后，还讲述合成孔径雷达干涉测量的主要应用，并对其未来发展进行了展望。关键字：合成孔径雷达合成孔径雷达干涉测量微波遥感影像1.发展简史合成孔径雷达（SyntheticApertureRadar，SAR）是一种高分辨率的二维成像雷达。它作为一种全新的对地观测技术，近20年来获得了巨大的发展，现已逐渐成为一种不可缺少的遥感手段。与传统的可见光、红外遥感技术相比，SAR具有许多优越性，它属于微波遥感的范畴，可以穿透云层和甚至在一定程度上穿透雨区，而且具有不依赖于太阳作为照射源的特点，使其具有全天候、全天时的观测能力，这是其它任何遥感手段所不能比拟的；微波遥感还能在一定程度上穿透植被，可以提供可见光、红外遥感所得不到的某些新信息。随着SAR遥感技术的不断发展与完善，它已经被成功应用于地质、水文、海洋、测绘、环境监测、农业、林业、气象、军事等领域。L.C.Graham于1974年最先提出了合成孔径雷达干涉测量（InSAR）三维成像的概念，并用于金星测量和月球观察。后来Zebker、G.Fornaro及A.Pepe等做出了进一步的研究,以解决InSAR处理系统中有关基线估计、SAR图像配准、相位解缠及DEM生成等方面的问题。自1991年7月欧空局发射载有C波段SAR的卫星ERS-1以来，极大地促进了有关星载SAR的InSAR技术研究与应用。由于有了优质易得的InSAR数据源，大批欧洲研究者加入到这个领域，亚洲（主要是日本）的一些研究者也开展了这方面的研究。日本于1992年2月发射了JERS-1，加拿大于1995年初发射了RADARSAT，特别是1995年ERS-2发射后，ERS-1和ERS-2的串联运行极大地扩展了利用星载SAR干涉的机会，为InSAR技术的研究提供了数据保证。目前用于InSAR技术研究的数据来源主要有:ERS-1/2、SIR-C/XSAR、RADARSAT、JERS-1、TOPSAR和SEASAT等。1979年9月，我国自行研制的第一台合成孔径雷达原理样机在实验室完成，并在试飞中获得我国第一批SAR影像。1989年起国家科委设立了“合成孔径雷达遥感应用实验研究项目”，拉开了大规模雷达遥感研究的帷幕。目前国内外许多部门和科研机构正积极从事着InSAR技术机理及其应用的研究，已经取得了许多成果，InSAR技术的前景日益看好。2.InSAR的基本原理InSAR技术是一门根据复雷达图像的相位数据来提取地面目标三维空间信息的技术。其基本思想是：利用两副天线同时成像或一副天线相隔一定时间重复成像，获取同一区域的复雷达图像对，由于两副天线与地面某一目标之间的距离不等，使得在复雷达图像对同名象点之间产生相位差，形成干涉纹图，干涉纹图中的相位值即为两次成像的相位差测量值，根据两次成像相位差与地面目标的三维空间位置之间存在的几何关系，利用飞行轨道的参数，即可测定地面目标的三维坐标。InSAR如同立体摄影测量,在2个观测点(2个天线的位置)上对目标进行观测。因此,如果要通过SAR影像获得目标点的高程信息,需要得到同一地区的2幅影像。下图为InSAR的一般原理。其中，A1、A2为天线的位置；H为A1的高；P为目标点；h为P的高程；为A1的入射角；B为两天线间的距离，即基线；为基线B相对于水平方向的夹角；为A1到P的斜距；为A2到P的斜距。地面目标点P的高程h为：H-cosh（1）由于222()2sin()BB（2）所以222sin()2BB（3）A1、A2对P的测量相位差为：2（4）式中：雷达信号波长。则2（5）将式（5）代入式（3）后再代入式（1）中，得22()2hcos2sin()BHB（6）由于（5），只要天线高度H、相位差、基线B、两天线的相对定向角度、天线的入射角精度可知，就可以计算出地面目标点P的高程h。需要说明，是解缠后的相位，而干涉雷达测量得到相位值只在主值范围内，即是模糊的，必须经过相位解缠后才能获得真实相位以及目标的高程信息。3.InSAR的3种基本干涉模式根据InSAR平台和使用条件的不同，获取InSAR数据的干涉模式主要有3种:单轨双天线横向模式、重复轨道单天线模式、双天线单轨纵向模式。3.1单轨双天线横向模式单轨双天线横向(cross-trackInterferometry，XTI)模式要求两副天线安装在同一飞行平台上，同时获取数据，因此目前只用于机载SAR系统，但人们正在研究在将来的卫星上实现这种方法，它的优势在于精度高而且机动性能好。其干涉几何原理图如图1所示，从图中可以看出，两副天线的安装位置与飞行方向正交。在该模式下，干涉相位差是由于地面目标的高度变化引起的，所以主要用于地形制图和地形变化监测。但这种干涉形式的计算方法存在着难以区分因区域坡度影响产生的误差与飞机滚动产生的误差。3.2重复轨道单天线模式重复轨道单天线(Repeat-trackInterferometry，RTI)模式只要求在飞行平台上安装一副天线，它采用经过几乎相同的轨道以微小的几何视差对同一地区成像两次的方法来获取数据，因此需要对飞行轨道进行精确定位。由于受大气的影响较小，卫星比飞机具有更准确、稳定的飞行轨道，因此该模式最适合星载SAR的干涉，它的优势在于能够快速获取大范围或全球范围的干涉数据。其几何原理图如图2所示。3.3双天线单轨纵向模式双天线单轨纵向(along-trackInterferometry，ATI)模式也是要求两副天线安装在同一飞行平台上，但是天线顺着平台飞行轨道来安装。其几何原理图如图3所示，此时两副天线沿飞行方向相隔一段距离。采用该模式得到的相应象素的相位差是由于测量时物体的运动产生的，因此它适用于对运动的目标进行监测，如海洋制图、波浪谱测量等。4.InSAR数据处理的基本步骤从InSAR的原理可知，欲求得高程，一方面要求获得准确的相位差，另一方面也要求能估计出精确的轨道参数等，这些工作在实际的数据处理过程中均非易事。InSAR数据处理的主要步骤包括：影像配准，干涉图生成，噪声滤除，基线估算，平地效应消除，相位解缠，高程计算等。根据不同的具体算法，其中有些步骤可能需要通过迭代来精化处理结果。实际处理时，往往还需要一定的地面控制点来计算有关的参数。下面图为InSAR数据处理基本流程图。影像配准。由于两幅SAR图像成像轨道、视角或时间的偏差,在距离向和方位向都会存在一定的错位和扭曲，生成干涉图之前必须使同一场景的两幅复图像精确地对准使复，图像对中同一位置的像素对应地面上的同一回波点。完成配准后，主图像和重采样后的辅图像共轭相乘,生成干涉图和相关系数图，干涉图的幅度图可以辅助DEM的生成，相关系数图可以作为相位解缠的质量图，指导相位解缠的路径或权值设置。基线估计。基线是决定干涉系统成败的重要因素,基线估计误差是造成最后地形高度误差的主要原因之一。目前基线估计的主要方法有基于星历参数或GPS参数的基线估计方法和基于地面控制点及干涉条纹的估计方法。去平地效应。干涉图随距离向位置的不同而引起相位变化，它不反映目标的高度变化,称为平地效应。由于平地效应常常会造成干涉条纹过密,给相位解缠带来困难，因此，在相位解缠前,需要先消除平地效应，得到反映地形高度变化的稀疏干涉条纹。噪声滤波。干涉图中的噪声主要来源于地形、时间或基线失相关、热噪声、数据处理噪声等。噪声的存在使得干涉图信噪比降低,从而严重影响相位解缠的精度。最常用干涉图滤波方法有:多视平均法或中值滤波法、自适应滤波算法、圆周期中值滤波法等等。相位解缠。由于复数对相位的周期性，干涉图中各点的相位值只能落入主值的范围内，只是真实相位的主值,要得到反映高程信息的真实相位值必须对每个相位值加上整数倍，将由相位主值得到真实相位值的过程统称为相位解缠。高程计算。相位解缠得到反映地形高度的真实相位后，根据InSAR成像基本原理及坐标转换可计算得高程。5.InSAR的应用InSAR典型的应用领域有:生成高精度数字高程模型DEM，地震灾害检测，地面变形和位移的监测，火山监测与灾害评估，地面沉降监测，农作物生长监测与生物量统计以及林业、冰川、海洋等领域。5.1地形测绘InSAR技术利用SAR复图像中含有的相位信息，通过干涉处理来提取目标的三维信息，因此用于制作地形图、生成DEM是自INSAR技术研究和应用以来的主要应用领域。InSAR技术所测地形地貌的精度由于成像几何和干涉图像质量不同而有较大的波动，精度好的可达米级。研究结果表明，InSAR技术用于获取DEM是非常有效的，特别是在人烟稀少、环境恶劣的地区，InSAR技术更是一种有效的测绘手段。5.2地表变形监测利用InSAR获得的DEM本身就能发现地表的变化，如泥石流的沉积、三角洲的演变，大沙丘的移动等。差分干涉技术利用多次干涉的结果进行差分，在去除地形的影响后，可以以雷达波长量级来测量微弱的地表物理运动。InSAR还可以更深入地应用于土地动力学的其它方面，如火山学、气候地貌学、沙漠地形和土壤迁移、海岸过程和侵蚀、灾害风险估计和自然灾害监测（如地震、滑坡）等。这些地表物理运动有可能是断层地区的隆起和弯曲、地震引起的残余位移、地块的沉降等，对于它们的观测可为地震、火山爆发、山体滑坡等灾害发生做出事先预报，减小灾害给人们生命财产带来的损失。5.3极地冰况监测极地冰盖对地球气候的变化起着极其重要的作用，因此对极地冰盖体积和冰川运动的监测具有非常重要的意义。与传统的监测手段相比，InSAR技术具有大范围、高效率等特点，它可以精确快速地测量极地冰盖厚度的变化和冰川的移动情况。1993年Goldstein等人率先使用卫星SAR差分干涉技术对Rulford冰川运动速度和其边缘变形进行了监测，Kwok和Fahnestock使用四个依次间隔3天的ERS-1SAR图像序列对Greenland的东北部生成了高分辨率的DEM和冰川位移图。类似的研究表明，RRS-1/2,Tandem方式为使用差分InSAR技术监测极地冰川位移提供了极好的机会。5.4其他应用InSAR技术还可以用于陆地的植被生长状况、海洋表面监测等。雷达遥感图像记录了丰富的植被信息，可以反映植被本身的生长状况以及生物量的多少，可广泛用于生态环境研究。雷达遥感可以通过测量植被的后向散射系数监测植被的生长状况，估算植被的生物量。海洋占据地球表面的70%以上，蕴藏着人类赖以生存的重要资源。而海面上的天气状况往往非常恶劣，给光学遥感手段监测海况带来极大困难。SAR是进行海洋观察的最理想工具之一，通过INSAR技术，不仅可以探测到海面上船舶的运动方向和速度，而且可以观察到多种海洋动力学现象以及由于海底地形变化而引起的海面波浪的差异等。此外，在城市三维建模，考古，全球变化研究，水系的河道特征与河流演变，湖泊的环境与演化，盐湖，地下水与土壤水分等方面，InSAR都有成功的应用。6.InSAR技术的发展前景20多年来,随着多颗遥感卫星的成功发射并投入使用,InSAR技术本身及其应用都得到了快速发展,应用领域不断扩大。随着电子技术的不断改进以及旨在提高图像清晰度的信号处理算法的不断成熟,高分辨率的SAR系统将成为今后发展的趋势。人们一直期待能够快速获取高分辨率的地球表面图像。1999年美国Sandia国家实验室已经研制出最高分辨率达到0.1m的SAR系统Lynx。2000年2月开展的航天飞机雷达地形测图计划(SRTM),标志着雷达遥感技术进入了三维地形测绘的新时代。近几年内计划发射的卫星还有:日本先进陆地观测卫星（ALOS)是一颗高分辨率对地观测卫星,主要用于地形绘制、环境和灾害监测。ALOS上装载有光学传感器和L波段相控阵合成孔径雷达(PAL2SAR),计划2003年发射。美国NASA准备发射一颗先进雷达成像小卫星LightS