1、12022年8月15日星期一现代变形监测技术现代变形监测技术任课教师任课教师：高高 飞飞合肥工业大学土木与水利工程学院合肥工业大学土木与水利工程学院22022年8月15日星期一第一章第一章 变形监测概述变形监测概述第二章第二章 垂直位移与水平位移观测垂直位移与水平位移观测第三章第三章 变形监测新技术与工程实例变形监测新技术与工程实例第四章第四章 变形监测数据处理基础变形监测数据处理基础本课程主要内容本课程主要内容现代变形监测技术现代变形监测技术32022年8月15日星期一第第3章章 变形观测新技术及工程实例变形观测新技术及工程实例 随着现代科学技术的发展，变形监测的技随着现代科学技术的发展，变
2、形监测的技术和方法正在由传统的单一监测模式向点、术和方法正在由传统的单一监测模式向点、线、面立体交叉的空间模式发展。线、面立体交叉的空间模式发展。在变形体上布置变形观测点，在变形区影在变形体上布置变形观测点，在变形区影响范围之外的稳定地点设置固定观测站，用响范围之外的稳定地点设置固定观测站，用高精度测量仪器定期监测变形区域内监测网高精度测量仪器定期监测变形区域内监测网点的三维（点的三维（X、Y、Z）或（）或（X、Y、H）位移）位移变化，是获取待测物体变形的一种行之有效变化，是获取待测物体变形的一种行之有效的外部检测方法。的外部检测方法。现代变形监测技术现代变形监测技术42022年8月15日星期
3、一第第3章章 变形观测新技术及工程实例变形观测新技术及工程实例 3.1 3.1 全球卫星定位系统全球卫星定位系统 3.2 3.2 合成孔径雷达干涉测量合成孔径雷达干涉测量 3.3 3.3 近景摄影测量近景摄影测量 3.4 3.4 激光扫描技术激光扫描技术 3.5 3.5 工程实例工程实例现代变形监测技术现代变形监测技术52022年8月15日星期一第第3章章 变形观测新技术及工程实例变形观测新技术及工程实例 3.1 3.1 全球卫星定位系统全球卫星定位系统 GPS全称是卫星授时测距导航系统全称是卫星授时测距导航系统/全球定全球定位系统（位系统（NAVSTAR/GPS）Navigation Sys
4、tem Timing And Ranging/Global Positioning System关于关于GPS和和GNSS？GNSSGlobal Navigation Satellite System (全球卫星导航系统）全球卫星导航系统）美国：美国：GPS；俄罗斯：；俄罗斯：GLONASS；欧洲：；欧洲：GALILEO中国：北斗导航系统中国：北斗导航系统 BeiDou Navigation Satellite System 简称简称BDS（原名（原名COMPASS）62022年8月15日星期一 全球定位系统全球定位系统GPS的应用是测量技术的一的应用是测量技术的一项革命性的变革。项革命性的变
5、革。与传统变形监测方法相比较，应用与传统变形监测方法相比较，应用GPS不不仅具有精度高、速度快、操作简便等优点，仅具有精度高、速度快、操作简便等优点，而且利用而且利用GPS和计算机技术、数据通讯技术和计算机技术、数据通讯技术及数据处理与分析技术进行集成，可实现从及数据处理与分析技术进行集成，可实现从数据采集、传输、管理到变形分析及预报的数据采集、传输、管理到变形分析及预报的自动化，达到远程在线网络实时监控的目的。自动化，达到远程在线网络实时监控的目的。第第3章章 变形观测新技术及工程实例变形观测新技术及工程实例 3.1 3.1 全球卫星定位系统全球卫星定位系统 72022年8月15日星期一 一
6、、一、GPS变形观测的特点变形观测的特点 1测站间无须通视测站间无须通视 对于传统的地表变形监测方法，点之间只对于传统的地表变形监测方法，点之间只有通视才能进行观测，而有通视才能进行观测，而GPS测量的一个显测量的一个显著特点就是点之间无须保持通视，仅需要测著特点就是点之间无须保持通视，仅需要测站上空开阔即可，从而可使变形监测点位的站上空开阔即可，从而可使变形监测点位的布设方便而灵活，并可省去不必要的中间传布设方便而灵活，并可省去不必要的中间传递过渡点，提高工作效率，节省许多费用。递过渡点，提高工作效率，节省许多费用。第第3章章 变形观测新技术及工程实例变形观测新技术及工程实例 3.1 3.1
7、 全球卫星定位系统全球卫星定位系统 82022年8月15日星期一 一、一、GPS变形观测的特点变形观测的特点 1测站间无须通视测站间无须通视 2可同时提供监测点的三维位移信息可同时提供监测点的三维位移信息 采用传统方法进行变形监测时，平面位采用传统方法进行变形监测时，平面位移和垂直位移是采用不同方法分别进行监测移和垂直位移是采用不同方法分别进行监测的，不仅监测的周期长、工作量大，而且监的，不仅监测的周期长、工作量大，而且监测的时间和点位很难保持一致，为变形分析测的时间和点位很难保持一致，为变形分析增加了难度。采用增加了难度。采用GPS可同时精确测定监测可同时精确测定监测点的三维位移信息。点的三
8、维位移信息。第第3章章 变形观测新技术及工程实例变形观测新技术及工程实例 3.1 3.1 全球卫星定位系统全球卫星定位系统 92022年8月15日星期一 一、一、GPS变形观测的特点变形观测的特点 1测站间无须通视测站间无须通视 2可同时提供监测点的三维位移信息可同时提供监测点的三维位移信息 3全天候监测全天候监测 GPS测量不受气候条件的限制，无论起雾测量不受气候条件的限制，无论起雾刮风、下雨下雪均可进行正常的监测。配备刮风、下雨下雪均可进行正常的监测。配备防雷电设施后，防雷电设施后，GPS变形监测系统便可实现变形监测系统便可实现长期的全天候观测，它对防汛抗洪、滑坡、长期的全天候观测，它对防
9、汛抗洪、滑坡、泥石流等地质灾害监测等应用领域极为重要。泥石流等地质灾害监测等应用领域极为重要。第第3章章 变形观测新技术及工程实例变形观测新技术及工程实例 3.1 3.1 全球卫星定位系统全球卫星定位系统 102022年8月15日星期一 一、一、GPS变形观测的特点变形观测的特点 4监测精度高监测精度高 在变形监测中，如果在变形监测中，如果GPS接受机天线保持固定不接受机天线保持固定不动，则天线的对中误差、整平误差、定向误差、天动，则天线的对中误差、整平误差、定向误差、天线高测定误差等不会影响变形监测的结果。线高测定误差等不会影响变形监测的结果。同样，同样，GPS数据处理时起始坐标的误差，解算
10、软数据处理时起始坐标的误差，解算软件本身的不完善以及卫星信号的传播误差中公共部件本身的不完善以及卫星信号的传播误差中公共部分的影响也可以得到消除或削弱。分的影响也可以得到消除或削弱。实践证明，利用实践证明，利用GPS进行变形监测可获得进行变形监测可获得 0.52 mm的精度。的精度。第第3章章 变形观测新技术及工程实例变形观测新技术及工程实例 3.1 3.1 全球卫星定位系统全球卫星定位系统 112022年8月15日星期一 一、一、GPS变形观测的特点变形观测的特点 5GPS大地高可用于垂直位移测量大地高可用于垂直位移测量 由于由于GPS定位获得的是大地高，而用户需要的是正定位获得的是大地高，
11、而用户需要的是正常高或正高，它们之间有以下关系：常高或正高，它们之间有以下关系：H大地高大地高=h正常高正常高+；H大地高大地高=h正高正高+N 式中，高程异常式中，高程异常和大地水准面差距和大地水准面差距N的确定精度较的确定精度较低，从而导致转换后的正常高或正高的精度不高。低，从而导致转换后的正常高或正高的精度不高。似似H正常高H正N122022年8月15日星期一 一、一、GPS变形观测的特点变形观测的特点 5GPS大地高可用于垂直位移测量大地高可用于垂直位移测量 由于由于GPS定位获得的是大地高，而用户需要的是正定位获得的是大地高，而用户需要的是正常高或正高，它们之间有以下关系：常高或正高
12、，它们之间有以下关系：H大地高大地高=h正常高正常高+；H大地高大地高=h正高正高+N 但是，在垂直位移监测中我们关心的只是高程的但是，在垂直位移监测中我们关心的只是高程的变化，对于工程的局部范围而言，完全可以用大地变化，对于工程的局部范围而言，完全可以用大地高的变化来进行垂直位移监测。高的变化来进行垂直位移监测。第第3章章 变形观测新技术及工程实例变形观测新技术及工程实例 3.1 3.1 全球卫星定位系统全球卫星定位系统 132022年8月15日星期一 一、一、GPS变形观测的特点变形观测的特点 6操作简便，易于实现监控自动化操作简便，易于实现监控自动化 GPS接收机的自动化越来越高，趋于接
13、收机的自动化越来越高，趋于“傻瓜傻瓜”，而且体积越来越小，重量越来越轻，便于安装和操而且体积越来越小，重量越来越轻，便于安装和操作。作。同时，同时，GPS接收机为用户预留有必要的接口，用接收机为用户预留有必要的接口，用户可以较为方便地利用各监测点建成无人值守的自户可以较为方便地利用各监测点建成无人值守的自动监测系统，实现从数据采集、传输、处理、分析、动监测系统，实现从数据采集、传输、处理、分析、报警到入库的全自动化。报警到入库的全自动化。第第3章章 变形观测新技术及工程实例变形观测新技术及工程实例 3.1 3.1 全球卫星定位系统全球卫星定位系统 142022年8月15日星期一 一、一、GPS
14、变形观测的特点变形观测的特点 7具有严格定义的参考系统具有严格定义的参考系统 GPS定位测量采用世界大地坐标系定位测量采用世界大地坐标系WGS84，很，很容易与其它全球地心坐标系进行转换，纳入严格定容易与其它全球地心坐标系进行转换，纳入严格定义的全球参考系统。义的全球参考系统。世界大地坐标系世界大地坐标系WGS 84 （World Geodetic System-1984）协议地球参照系协议地球参照系CTRS 2000（Conventional Terrestrial Reference System 2000）国际地球参考框架国际地球参考框架ITRF 2000（International T
15、errestrial Reference 2000）中国大地坐标系中国大地坐标系CGCS 2000（China Geodetic Coordinate System 2000）第第3章章 变形观测新技术及工程实例变形观测新技术及工程实例 3.1 3.1 全球卫星定位系统全球卫星定位系统 152022年8月15日星期一 一、一、GPS变形观测的特点变形观测的特点 8利用利用GPS进行变形监测，存在的缺点：进行变形监测，存在的缺点：（1）GPS观测会受到现场环境的影响观测会受到现场环境的影响 GPS信号易受测站附近的房屋、大面积水域等信号易受测站附近的房屋、大面积水域等物体遮挡或产生多路径效应；还
16、可能受到测站周围物体遮挡或产生多路径效应；还可能受到测站周围电磁场的影响，降低测量精度。电磁场的影响，降低测量精度。（2）GPS信号受大气的影响信号受大气的影响 如果如果GPS参考站之间或与监测点之间距离远、参考站之间或与监测点之间距离远、高差大，有可能受到电离层、对流层等大气条件的高差大，有可能受到电离层、对流层等大气条件的影响，反映出较大误差。影响，反映出较大误差。第第3章章 变形观测新技术及工程实例变形观测新技术及工程实例 3.1 3.1 全球卫星定位系统全球卫星定位系统 162022年8月15日星期一 一、一、GPS变形观测的特点变形观测的特点 二、二、GPS变形观测的实施变形观测的实
17、施 1GPS观测站选择与标志建立观测站选择与标志建立（1）GPS测站的设置应尽可能避开易产生多路径效测站的设置应尽可能避开易产生多路径效应和易受电磁场影响的地方。应和易受电磁场影响的地方。（2）GPS测站应设立稳固的标石，尽量采用强制对测站应设立稳固的标石，尽量采用强制对中装置，保持点位的稳定，便于长期观测。中装置，保持点位的稳定，便于长期观测。（3）GPS接收天线应高出地面接收天线应高出地面0.5米以上。米以上。（4）GPS参考站与监测点之间距离不要太远。参考站与监测点之间距离不要太远。第第3章章 变形观测新技术及工程实例变形观测新技术及工程实例 3.1 3.1 全球卫星定位系统全球卫星定位
18、系统 172022年8月15日星期一 3.1 3.1 全球卫星定位系统全球卫星定位系统 二、二、GPS变形观测的实施变形观测的实施 1观测站选择与标志建立观测站选择与标志建立 2观测模式的选择观测模式的选择 GPS变形监测分为定期重复变形监测分为定期重复观测和连续性观测两种模式。观测和连续性观测两种模式。（1）定期重复观测又称为周）定期重复观测又称为周期性变形监测，与传统的变期性变形监测，与传统的变形监测网相类似，一般采用形监测网相类似，一般采用静态相对定位的方法，事后静态相对定位的方法，事后处理和分析数据。观测周期处理和分析数据。观测周期根据变形的速率确定。根据变形的速率确定。B182022
19、年8月15日星期一二、二、GPS变形观测的实施变形观测的实施 1观测站选择与标志建立观测站选择与标志建立 2观测模式的选择观测模式的选择（2）连续性观测模式）连续性观测模式 连续性观测模式是将连续性观测模式是将GPS接收机固定在测站上，接收机固定在测站上，连续采集卫星信号，获得变形观测数据序列。该方连续采集卫星信号，获得变形观测数据序列。该方法实质上也是对监测点进行重复观测，但数据可以法实质上也是对监测点进行重复观测，但数据可以是连续的，具有较高的时间分辨率和观测精度。是连续的，具有较高的时间分辨率和观测精度。具体观测方法有两种：具体观测方法有两种：静态相对定位方法静态相对定位方法（采用事后处
20、理，适用于（采用事后处理，适用于不需要实时数据传输、处理和分析的场合）不需要实时数据传输、处理和分析的场合）动态相对定位方法动态相对定位方法（能够实时监控变形）（能够实时监控变形）3.1 3.1 全球卫星定位系统全球卫星定位系统 192022年8月15日星期一GPSGPS动态相对差分定位原理动态相对差分定位原理 202022年8月15日星期一发射电台发射电台GPS主机主机基准站基准站移动站移动站GPS主机主机动态实时差分动态实时差分RTKRTK测量原理图测量原理图采集器采集器接收电台接收电台212022年8月15日星期一二、二、GPS变形观测的实施变形观测的实施动态相对定位方法又分为两种形式：
21、动态相对定位方法又分为两种形式：利用利用GPS接收机阵列进行动态相对定位；接收机阵列进行动态相对定位；（主要缺点：价格昂贵，不便于管理）（主要缺点：价格昂贵，不便于管理）利用一机多天线方式实现利用一机多天线方式实现GPS动态相对定位动态相对定位 3.1 3.1 全球卫星定位系统全球卫星定位系统 222022年8月15日星期一232022年8月15日星期一242022年8月15日星期一GPSGPS一机多天线变形监测系统结构图一机多天线变形监测系统结构图 252022年8月15日星期一GPSGPS一机多天线变形监测系统结构图一机多天线变形监测系统结构图 262022年8月15日星期一大坝断面大坝断
22、面GPSGPS一机多天线变形监测系统一机多天线变形监测系统天线布置图天线布置图 272022年8月15日星期一 一、一、GPS变形观测的特点变形观测的特点 二、二、GPS变形观测的实施变形观测的实施 1GPS观测站选择与标志建立观测站选择与标志建立 2GPS观测模式的选择观测模式的选择 3数据采集与传输数据采集与传输（1）GPS定期重复观测模式：定期重复观测模式：数据由接收机存储，数据由接收机存储，事后传输到计算机进行数据处理与分析。事后传输到计算机进行数据处理与分析。（2）GPS连续性观测模式：连续性观测模式：根据现场条件，根据现场条件，GPS数据传输可采用有线（监测点观测数据）和无线数据传
23、输可采用有线（监测点观测数据）和无线（基准点观测数据）相结合的方法。（基准点观测数据）相结合的方法。第第3章章 变形观测新技术及工程实例变形观测新技术及工程实例 3.1 3.1 全球卫星定位系统全球卫星定位系统 282022年8月15日星期一 一、一、GPS变形观测的特点变形观测的特点 二、二、GPS变形观测的实施变形观测的实施 4GPS数据处理数据处理（1）GPS静态数据处理：静态数据处理：事后由计算机利用专门事后由计算机利用专门基线解算和网平差软件进行数据处理与分析。基线解算和网平差软件进行数据处理与分析。（2）GPS连续动态数据处理：连续动态数据处理：从每台从每台GPS接收机接收机传输数
24、据开始，到处理、分析、变形显示为止，所传输数据开始，到处理、分析、变形显示为止，所需总的时间小于需总的时间小于10分钟，为此，必须建立一个局域分钟，为此，必须建立一个局域网，有一个完善的软件管理、监控系统。网，有一个完善的软件管理、监控系统。第第3章章 变形观测新技术及工程实例变形观测新技术及工程实例 3.1 3.1 全球卫星定位系统全球卫星定位系统 292022年8月15日星期一一、一、GPS变形观测的特点变形观测的特点二、二、GPS变形观测的实施变形观测的实施三、三、GPS变形监测技术的应用变形监测技术的应用 1地壳形变观测地壳形变观测 （1）甚长基线干涉测量系统（）甚长基线干涉测量系统（
25、VLBI）（2）卫星激光测距系统（）卫星激光测距系统（SLR）（3）全球定位系统（）全球定位系统（GPS）2大坝变形观测大坝变形观测 3高层建筑物变形观测高层建筑物变形观测 4大型桥梁变形观测大型桥梁变形观测第第3章章 变形观测新技术及工程实例变形观测新技术及工程实例 3.1 3.1 全球卫星定位系统全球卫星定位系统 302022年8月15日星期一312022年8月15日星期一322022年8月15日星期一利用利用GPSGPS对香港青马大桥对香港青马大桥进行动态变形监测进行动态变形监测332022年8月15日星期一利用利用GPSGPS对高层建筑物对高层建筑物进行动态变形监测与数据处理进行动态变
26、形监测与数据处理342022年8月15日星期一 合成孔径雷达干涉测量是上世纪合成孔径雷达干涉测量是上世纪60年代逐步发展年代逐步发展起来的一种遥感技术。简称：起来的一种遥感技术。简称：InSAR（Interferometric Synthetic Aperture Radar）包括两大技术的融合：包括两大技术的融合：1合成孔径雷达遥感成像（合成孔径雷达遥感成像（SAR）2电磁波干涉测量电磁波干涉测量 利用微波雷达成像传感器对地表进行连续主动遥利用微波雷达成像传感器对地表进行连续主动遥感成像，使用专门的数据处理方法，从雷达影像感成像，使用专门的数据处理方法，从雷达影像的相位信号中提取地面的地形或
27、变形信息。的相位信号中提取地面的地形或变形信息。主要特点：主要特点：高精度（可达毫米级）、大范围、全天候高精度（可达毫米级）、大范围、全天候 3.2 3.2 合成孔径雷达干涉测量合成孔径雷达干涉测量 第第3章章 变形观测新技术及工程实例变形观测新技术及工程实例352022年8月15日星期一 一、一、SAR成像原理与图像特征成像原理与图像特征 InSAR是利用覆盖同一地区的是利用覆盖同一地区的多幅多幅SAR影像所产生的干涉相位影像所产生的干涉相位图来提取有用地形信息。图来提取有用地形信息。（一）真实孔径侧视雷达成像（一）真实孔径侧视雷达成像 1雷达平台：雷达平台：可以是飞机、可以是飞机、人造卫星
28、和航天飞机等。人造卫星和航天飞机等。2所谓侧视：所谓侧视：是指雷达向地是指雷达向地面发射的微波脉冲束（椭圆锥面发射的微波脉冲束（椭圆锥状）侧向倾斜了一个角度状）侧向倾斜了一个角度0 0 3.2 3.2 合成孔径雷达干涉测量合成孔径雷达干涉测量 第第3章章 变形观测新技术及工程实例变形观测新技术及工程实例362022年8月15日星期一一、一、SAR成像原理与图像特征成像原理与图像特征（一）真实孔径侧视雷达成像（一）真实孔径侧视雷达成像 3.2 3.2 合成孔径雷达干涉测量合成孔径雷达干涉测量 第第3章章 变形观测新技术及工程实例变形观测新技术及工程实例372022年8月15日星期一 椭圆锥状微波
29、脉冲束在地表椭圆锥状微波脉冲束在地表形成一个辐射带，可看成由形成一个辐射带，可看成由许多小的空间面元组成；许多小的空间面元组成；每个面元分别反射脉冲波并每个面元分别反射脉冲波并被雷达接收；被雷达接收；不同雷达斜距不同雷达斜距R对应不同的对应不同的像素，形成一定幅宽范围的像素，形成一定幅宽范围的连续地表影像。连续地表影像。3.2 3.2 合成孔径雷达干涉测量合成孔径雷达干涉测量 第第3章章 变形观测新技术及工程实例变形观测新技术及工程实例一、一、SAR成像原理与图像特征成像原理与图像特征（一）真实孔径侧视雷达成像（一）真实孔径侧视雷达成像382022年8月15日星期一 可区分两个相邻目标的最小可
30、区分两个相邻目标的最小距离称为雷达影像的空间分距离称为雷达影像的空间分辨率，距离小则分辨率高；辨率，距离小则分辨率高；沿雷达飞行方向称为方位向，沿雷达飞行方向称为方位向，其分辨率为：其分辨率为：LRX 式中：式中：R为雷达斜距，为雷达斜距，L为雷达天线长度，为雷达天线长度，为雷达为雷达 微波波长微波波长。3.2 3.2 合成孔径雷达干涉测量合成孔径雷达干涉测量 第第3章章 变形观测新技术及工程实例变形观测新技术及工程实例一、一、SAR成像原理与图像特征成像原理与图像特征（一）真实孔径侧视雷达成像（一）真实孔径侧视雷达成像392022年8月15日星期一 沿雷达飞行方向称为方位向沿雷达飞行方向称为
31、方位向 沿雷达斜距方向的分辨率为：沿雷达斜距方向的分辨率为：2PcR 式中：式中：c 为光速，为光速，P P为雷达脉冲宽度，为雷达脉冲宽度，i 为侧视角为侧视角。由此可见由此可见,R 是常数，是常数，Y 随随 i 的的改变而变化改变而变化。雷达斜距向的地面分辨率为：雷达斜距向的地面分辨率为：)90cos(iRY 3.2 3.2 合成孔径雷达干涉测量合成孔径雷达干涉测量 第第3章章 变形观测新技术及工程实例变形观测新技术及工程实例一、一、SAR成像原理与图像特征成像原理与图像特征（一）真实孔径侧视雷达成像（一）真实孔径侧视雷达成像402022年8月15日星期一,2PcR 所以目标物越远离底点，倾
32、所以目标物越远离底点，倾斜向地面分辨率越高；反之斜向地面分辨率越高；反之越靠近底点分辨率越低；越靠近底点分辨率越低；这也是雷达成像要求侧视的这也是雷达成像要求侧视的主要原因；主要原因；该特性与航空摄影测量的中该特性与航空摄影测量的中心投影方式正好相反。心投影方式正好相反。)90cos(iRY 3.2 3.2 合成孔径雷达干涉测量合成孔径雷达干涉测量 第第3章章 变形观测新技术及工程实例变形观测新技术及工程实例一、一、SAR成像原理与图像特征成像原理与图像特征（一）真实孔径侧视雷达成像（一）真实孔径侧视雷达成像412022年8月15日星期一 目前利用人造卫星进行目前利用人造卫星进行SAR航高一般
33、在航高一般在5002000Km；雷达微波波长雷达微波波长530cm；侧视；侧视角一般在角一般在2070之间之间。假设取波长为假设取波长为5.66cm，为了，为了达到达到10m方位向分辨率，则：方位向分辨率，则：LRX 但是沿雷达飞行方向的方位但是沿雷达飞行方向的方位向分辨率，与天线长度有关。向分辨率，与天线长度有关。kmXHXRL3cos一、一、SAR成像原理与图像特征成像原理与图像特征（一）真实孔径侧视雷达成像（一）真实孔径侧视雷达成像 3.2 3.2 合成孔径雷达干涉测量合成孔径雷达干涉测量 第第3章章 变形观测新技术及工程实例变形观测新技术及工程实例422022年8月15日星期一 在不增
34、加雷达天线长度的前提在不增加雷达天线长度的前提下，由于雷达飞行与地面成像下，由于雷达飞行与地面成像点点O存在相对运动的现象，必存在相对运动的现象，必然使得返回脉冲波的频率产生然使得返回脉冲波的频率产生漂移，也就是多普勒频移现象。漂移，也就是多普勒频移现象。雷达接收并精确测定脉冲回波雷达接收并精确测定脉冲回波的相位延迟、跟踪频率漂移。的相位延迟、跟踪频率漂移。（二）合成孔径侧视雷达成像（二）合成孔径侧视雷达成像 通过数据处理合并成为一个被锐化的回波脉冲，提高通过数据处理合并成为一个被锐化的回波脉冲，提高雷达成像方位向的分辨率，最终形成高精度雷达成像方位向的分辨率，最终形成高精度SAR影像。影像。
35、一、一、SAR成像原理与图像特征成像原理与图像特征（一）真实孔径侧视雷达成像（一）真实孔径侧视雷达成像 3.2 3.2 合成孔径雷达干涉测量合成孔径雷达干涉测量 第第3章章 变形观测新技术及工程实例变形观测新技术及工程实例432022年8月15日星期一 如图所示，就是基于多普勒如图所示，就是基于多普勒频移原理的合成孔径雷达成频移原理的合成孔径雷达成像几何图。像几何图。地面成像点地面成像点O的位置，通过的位置，通过锐化数据处理后，成像方位锐化数据处理后，成像方位向分辨率得到提高。近似为：向分辨率得到提高。近似为：2LX 可见所谓可见所谓“合成孔径合成孔径”是通过数是通过数据处理实现的！据处理实现
36、的！（二）合成孔径侧视雷达成像（二）合成孔径侧视雷达成像一、一、SAR成像原理与图像特征成像原理与图像特征（一）真实孔径侧视雷达成像（一）真实孔径侧视雷达成像 3.2 3.2 合成孔径雷达干涉测量合成孔径雷达干涉测量 第第3章章 变形观测新技术及工程实例变形观测新技术及工程实例442022年8月15日星期一 SAR系统基于侧视成像几何原理所获取的数据称为系统基于侧视成像几何原理所获取的数据称为“粗数据粗数据”，经过地面预处理后形成单视复数影像，经过地面预处理后形成单视复数影像，每一像素可用一个复数表示：每一像素可用一个复数表示：（三）（三）SAR图像的基本特征图像的基本特征iebaibapix
37、el22 像素式中：式中：为振幅：为振幅：对应地面分辨单元灰度信息；对应地面分辨单元灰度信息；为相位值：为相位值：沿侧视方向脉冲总波数的尾数。沿侧视方向脉冲总波数的尾数。22ba)/(tan1ab一、一、SAR成像原理与图像特征成像原理与图像特征 3.2 3.2 合成孔径雷达干涉测量合成孔径雷达干涉测量 第第3章章 变形观测新技术及工程实例变形观测新技术及工程实例452022年8月15日星期一 SAR图像的基本特征与相位图像的基本特征与相位观测值的构成观测值的构成462022年8月15日星期一二、二、InSAR基本原理基本原理 1801年年Thomas Young（17731829）发现了光的
38、）发现了光的相干效应，并用波的叠加原理成功解释了该效应，相干效应，并用波的叠加原理成功解释了该效应，这就是著名的这就是著名的“杨氏双缝光干涉实验杨氏双缝光干涉实验”。InSAR正是根据所谓正是根据所谓“光干涉条纹光干涉条纹”为基本原理，为基本原理，将覆盖同一区域的两幅将覆盖同一区域的两幅SAR影像对应像素的相位值影像对应像素的相位值相减，便可得到相位差图，即干涉相位图，经过数相减，便可得到相位差图，即干涉相位图，经过数据处理对相位信息进行分离和提取，反映的就是该据处理对相位信息进行分离和提取，反映的就是该区域地面起伏和地表形变的信息。区域地面起伏和地表形变的信息。一、一、SAR成像原理与图像特
39、征成像原理与图像特征 3.2 3.2 合成孔径雷达干涉测量合成孔径雷达干涉测量 第第3章章 变形观测新技术及工程实例变形观测新技术及工程实例472022年8月15日星期一 从技术角度看，干涉合成孔径雷达的数据收集从技术角度看，干涉合成孔径雷达的数据收集一般要求雷达平台上配备两副一般要求雷达平台上配备两副SAR天线，这两副天线，这两副天线在航线方向交替工作。天线在航线方向交替工作。对于机载系统：对于机载系统：两副天线固定在同一飞机上，两副天线固定在同一飞机上，传感器中心连线称为空间基线向量，长度不变，传感器中心连线称为空间基线向量，长度不变，可以从数米到数十米（军用侦察飞机相距可以从数米到数十米
40、（军用侦察飞机相距914毫毫米）。它们交替进行脉冲的发射和接收，产生时米）。它们交替进行脉冲的发射和接收，产生时间略有差异的接收信号形成干涉现象。间略有差异的接收信号形成干涉现象。（一）干涉相位的形成（一）干涉相位的形成二、二、InSAR基本原理基本原理一、一、SAR成像原理与图像特征成像原理与图像特征 3.2 3.2 合成孔径雷达干涉测量合成孔径雷达干涉测量 第第3章章 变形观测新技术及工程实例变形观测新技术及工程实例482022年8月15日星期一 对于星载系统：对于星载系统：一般采用单天线模一般采用单天线模式，卫星以一定的时式，卫星以一定的时间间隔对同一区域进间间隔对同一区域进行重复行重复
41、SAR成像，两成像，两次飞行轨道近似平行，次飞行轨道近似平行，组成类似机载组成类似机载SAR的的干涉相位。干涉相位。（一）干涉相位的形成（一）干涉相位的形成二、二、InSAR基本原理基本原理一、一、SAR成像原理与图像特征成像原理与图像特征 3.2 3.2 合成孔径雷达干涉测量合成孔径雷达干涉测量 第第3章章 变形观测新技术及工程实例变形观测新技术及工程实例492022年8月15日星期一 S1和和S2两个传感器分别接收两个传感器分别接收地面目标地面目标P点的点的SAR回波信号回波信号1 1和和2 2，经数据处理后得，经数据处理后得到的影像分别为主、从影像。到的影像分别为主、从影像。)exp()
42、()exp()(22221111jRjR 经配准，将图像逐像素经配准，将图像逐像素进行复共轭相乘，得：进行复共轭相乘，得：)(exp)()(21212*211jRR（一）干涉相位的形成（一）干涉相位的形成二、二、InSAR基本原理基本原理一、一、SAR成像原理与图像特征成像原理与图像特征 3.2 3.2 合成孔径雷达干涉测量合成孔径雷达干涉测量 第第3章章 变形观测新技术及工程实例变形观测新技术及工程实例502022年8月15日星期一 雷达接收信号中的相位雷达接收信号中的相位包括两部分：包括两部分：1往返路径确定的相位；往返路径确定的相位；2地表不同的散射特性造地表不同的散射特性造成的随机相位
43、。即：成的随机相位。即：（一）干涉相位的形成（一）干涉相位的形成scatscatRR2221112222)(exp)()(21212*211jRRRRR4)(42121假设两次成像间无随机扰动，则两信号的相位差为：512022年8月15日星期一 由此可见，干涉图中的相位差由此可见，干涉图中的相位差取决于斜距信号的取决于斜距信号的路径差路径差RR，两者成正比例关系；，两者成正比例关系；在实际干涉数据处理中，采用三角函数运算则丢失在实际干涉数据处理中，采用三角函数运算则丢失了相位的整周数，只能得到干涉相位的主值（即缠了相位的整周数，只能得到干涉相位的主值（即缠绕相位），必须通过解缠算法恢复相位完整
44、值。绕相位），必须通过解缠算法恢复相位完整值。由于相位差的周期性变化，反映在干涉图上表现为由于相位差的周期性变化，反映在干涉图上表现为干涉条纹。干涉条纹。干涉条纹在陆地区域是连续的，较为清晰；但在水干涉条纹在陆地区域是连续的，较为清晰；但在水域地区，干涉条纹比较模糊，主要由信号噪声引起。域地区，干涉条纹比较模糊，主要由信号噪声引起。（一）干涉相位的形成（一）干涉相位的形成RRR4)(42121 3.2 3.2 合成孔径雷达干涉测量合成孔径雷达干涉测量 522022年8月15日星期一电磁波测距基本原理公式 设电磁波在大气中传播速度为设电磁波在大气中传播速度为c c，当它在距离，当它在距离D D上
45、往返一次的时间为上往返一次的时间为t，则有：，则有：ctD21DgtncD2021532022年8月15日星期一5.3.1测距仪的测距原理测距仪的测距原理相位法测距原理相位法测距原理调制波的调制频率调制波的调制频率f f，角频率，角频率 ，设调制波在距离设调制波在距离D D往返一次产生的相位延迟为往返一次产生的相位延迟为 ，f2DDDtftt2222发收DtvD221gfncD40vfD41N2gncv0ftD2222220NNfncDg-为调制光的波长为调制光的波长D22542022年8月15日星期一GPS GPS 整周未知数解算整周未知数解算测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成测站对
46、某一卫星的载波相位观测值由三部分组成:(1)(1)初始整周未知数初始整周未知数n n；(2)(2)t t 0 0至至t t ii 时刻的整周记数时刻的整周记数 CCi i；(3)(3)相位尾数相位尾数 ii如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初始整周未知数始整周未知数 N N为了利用载波相位进行定位，必须设法先解算出初为了利用载波相位进行定位，必须设法先解算出初始整周未知数，取得总观测值始整周未知数，取得总观测值 N+Ci+iTime(0)AmbiguityTime(i)AmbiguityCounted CyclesPhase Measurem
47、ent552022年8月15日星期一 由此可见，干涉图中的相位差由此可见，干涉图中的相位差取决于斜距信号的取决于斜距信号的路径差路径差RR，两者成正比例关系；，两者成正比例关系；在实际干涉数据处理中，采用三角函数运算则丢失在实际干涉数据处理中，采用三角函数运算则丢失了相位的整周数，只能得到干涉相位的主值（即缠了相位的整周数，只能得到干涉相位的主值（即缠绕相位），必须通过解缠算法恢复相位完整值。绕相位），必须通过解缠算法恢复相位完整值。由于相位差的周期性变化，反映在干涉图上表现为由于相位差的周期性变化，反映在干涉图上表现为干涉条纹。干涉条纹。干涉条纹在陆地区域是连续的，较为清晰；但在水干涉条纹在
48、陆地区域是连续的，较为清晰；但在水域地区，干涉条纹比较模糊，主要由信号噪声引起。域地区，干涉条纹比较模糊，主要由信号噪声引起。RRR4)(42121（一）干涉相位的形成（一）干涉相位的形成 3.2 3.2 合成孔径雷达干涉测量合成孔径雷达干涉测量 562022年8月15日星期一（一）干涉相位的形成（一）干涉相位的形成 3.2 3.2 合成孔径雷达干涉测量合成孔径雷达干涉测量 572022年8月15日星期一（一）干涉相位的形成（一）干涉相位的形成（二）干涉相位的噪声测度（二）干涉相位的噪声测度 干涉相位图像质量评价的量化标准，是干涉相关系干涉相位图像质量评价的量化标准，是干涉相关系数（意大利数（
49、意大利 Prati，1993年），其定义为：年），其定义为：22*MEMESME式中：式中：E 表示数学期望，表示数学期望，M、S分别表示主、从影像分别表示主、从影像复数集，复数集，*为复数的共轭算子。干涉相关系数为复数的共轭算子。干涉相关系数的的绝对值取值范围为绝对值取值范围为00，11。1 1当当=0 时，表示两景影像完全不相关；时，表示两景影像完全不相关；2当当=1 时，时，表示两景影像完全相关，无噪声。表示两景影像完全相关，无噪声。3.2 3.2 合成孔径雷达干涉测量合成孔径雷达干涉测量 582022年8月15日星期一 实际计算干涉相关系数时，取某一分辨单元周围一实际计算干涉相关系数时
50、，取某一分辨单元周围一定范围内的邻近像素复数信息来估算其相关度：定范围内的邻近像素复数信息来估算其相关度：minjminjminjjiSjiMjiSjiM11112211*),(),(),(),(（一）干涉相位的形成（一）干涉相位的形成（二）干涉相位的噪声测度（二）干涉相位的噪声测度 3.2 3.2 合成孔径雷达干涉测量合成孔径雷达干涉测量 592022年8月15日星期一（二）干涉相位的噪声测度（二）干涉相位的噪声测度 3.2 3.2 合成孔径雷达干涉测量合成孔径雷达干涉测量 602022年8月15日星期一 在实际数据处理时，也可用像元信噪比（在实际数据处理时，也可用像元信噪比（SNR）来）来
