1、2021/3/241雷 达 干 涉 测 量Radar Interferometry2021/3/242InSAR原理原理oyx1z2z1p2prrq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。xyp1q2q1r21rrro1天线z2z天线图（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（如图（2）所示）所示,只要已知两个天线位置和只要已知两个天线位置和两个斜距两个斜距,结合相位差结合相位差,就可以依据几何结就可以依据几何结构确定构确定P点高程。点高程。2021/3/243原理原理:通过两副天线同时观测通过两副天线同时观测(单轨道双天线模式
2、单轨道双天线模式),或两次平行的或两次平行的观测观测(单天线重复轨道模式单天线重复轨道模式),获得同一区域的重复观测数据获得同一区域的重复观测数据,即单视复数即单视复数(single-look,SLC)(single-look,SLC)影像对影像对;由于两副天线和观由于两副天线和观测目标之间的几何关系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同一目标对应的两个回波信号之问产生了相位差产生了相位差,由此得到的相位差影像通常称为干涉图由此得到的相位差影像通常称为干涉图(interferogram),(interferogram),再结合观测平台的轨道参数和传感器再结合观测平台的轨道参数和
3、传感器参数等可以获得高精度、高分辨率的地面高程信息。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2r zh()cosrr斜距方向上的距离差:余弦定理:地面点高程:关键影响因素：关键影响因素：基线B,，mm级精度相位差，弧度精度需要计算。双天线单轨道干涉测量（机载与航天飞机雷达）单程双天线单轨道干涉测量（机载与航天飞机雷达）单程:222()cos()22()rrBrrr Br+rrA1A2hzBr2021/3/245干涉雷达地形测量Antenna 1Antenna 2r1r222rr122()rr相位相位每波长弧度波长数量122rrr 双天线单轨道干涉测量（
4、机载与航天飞机雷达）双程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（两个分别发送,分别接收）分别接收）:单天线重复轨道干涉测量（星载侧视雷达）双程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（一个天线发送,两个同时接收）两个同时接收）:242rr2021/3/246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）单程双天线单轨道干涉测量（机载与航天飞机雷达）单程:122()2sincos)2(cossinsincos)2sin(-)xzrrBBBB
5、B（r+rrA1A2hzBcoszBrssinxBarcsin2 B 2021/3/247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）单程双天线单轨道干涉测量（机载与航天飞机雷达）单程:r+rrA1A2hzBcoszBrssinxBarcsin(3)2 B 22z(y)h()cos()2cos2 sin()rrBhB 222()cos()(2)22()rrBrrr B(1)2r 2021/3/248InSAR数据处理的基本流程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基线估算:根据卫根据卫星星历轨道数据星星历轨道
6、数据计算基线计算基线2021/3/249去除平地效应p1p2R0A1A2BR由图可知P1、P2点的干涉相位分别是:04sin()B 04sin()B 两点间的相位差为:0004 sin()sin()4cos()BBB 由于0sintanRRR 因此上式变换为000cos()44tantanBRBRRR 从这个结果可以看出,当地面的两个目标点高度相同时当地面的两个目标点高度相同时,它们的相位差仍它们的相位差仍然存在然存在,并与并与R成正比成正比,干涉干涉SAR特有的系统几何结构导致了平地效应的特有的系统几何结构导致了平地效应的产生产生,所以所以,即使是水平地貌即使是水平地貌,干涉相位图也表现与方
7、位向平行的周期性变干涉相位图也表现与方位向平行的周期性变化的条纹。化的条纹。因此要去除平地效应产生的干涉条纹信息。因此要去除平地效应产生的干涉条纹信息。2021/3/2410影像配准完成以后影像配准完成以后,INSARINSAR数据的处理流程就是生成高质量的干涉图数据的处理流程就是生成高质量的干涉图,提提取正确的干涉相位以供相位解缠。取正确的干涉相位以供相位解缠。)(21int21|jeuuu*21intuuuintintIm()mod(,2)arctanRe()wuu式中得到相位值实际上是主值式中得到相位值实际上是主值,其范围在（其范围在（-,）之间）之间,要得到真实的要得到真实的干涉相位值
8、干涉相位值 必须在这个值的基础上加上或者减去必须在这个值的基础上加上或者减去2的整数倍的整数倍,这个这个过程叫做相位解缠。过程叫做相位解缠。此时得到的相位包括以下成分此时得到的相位包括以下成分:reftopodefoatmonoise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相位解缠2021/3/2411Image A-12 August 1999Image B-16 September 1999SAR image2021/3/2412The(SAR)dataThe SAR records the amplitude and the phase of the
9、returned signalamplitudephaseNote that while the amplitude image shows recognizable topographic pattern,the phase image looks random.Mt.Etna2021/3/2413InSAR processing:配准 amplitude coregistrationThe two images,i.e.the“slave”and the“master”,do not overlap.So we need to figure out which group of pixel
10、s in the“slave”corresponds to which group of pixels in the“master”.This is done through cross-correlating sub-areas in the two images.This step requires a huge number of operations,and is by far the most time consuming step in the process.2021/3/2414InSAR processing:phase interferogram 计算干涉图Calculat
11、e phase interferogram,i.e.subtract the phase of of the“slave”from that of the“master”.-=phase“master”phase“slave”phase interferogramNote that while both the master and slave appear random,the interferogram does not.2021/3/2415InSAR processing:平地效应去除flat-earth removalNext,we need to remove the phase
12、interferogram that would result from a flat-earth.-=After removing the flat-earth effect we are left with an interferogram that contains topography between the two acquisitions and atmospheric effect.2021/3/2416InSAR processing:解缠unwrappingThe interferogram is a map of an ambiguous phase offset betw
13、een-and+.In order to recover the absolute unambiguous phase offset,one needs to unwrap the data.Phase unwrapping is a tricky business,heres one algorithm:2021/3/2417While the wrapped phase looks like this:The unwrapped 解缠后的phase looks like this:2021/3/2418InSAR processing:geocodingThis final step am
14、ounts to mapping the phase from satellite to geographic coordinates.latitudelongitudeazimuthrange2021/3/2419InSAR的实际应用的实际应用高程测量高程测量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。2021/3/24202 D-InSAR 地表形变监测 如果两幅天线先后在同一如果两幅天线先后在同一位置以同一视角对地面成位置以同一视角对地面成像像,此时空间基线为零此时空间基线为零,干干涉图不能反映地形的起伏涉图不
15、能反映地形的起伏,但是可以提取瞬间的地但是可以提取瞬间的地面动态变化信息面动态变化信息,但是空但是空间基线为零的干涉图很难间基线为零的干涉图很难得到。如果空间基线足够得到。如果空间基线足够小小,利用多次重复观测可利用多次重复观测可以进行地表微小变形的检以进行地表微小变形的检测测,这就是差分干涉。这就是差分干涉。rr+rrr2021/3/2421Viewing PositionSpherical EarthTopographyAtmosphereDeformation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
16、要获取地形表面的形变信息,必须消除区域内一定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）选取基线距离为0的干涉像对的干涉像对,这时无需考虑地形因素这时无需考虑地形因素的影响。难以获取。的影响。难以获取。（2）二轨法。选取变形前后的两景图像）二轨法。选取变形前后的两景图像,生成干涉条纹图生成干涉条纹图,然后利用原来获取的然后利用原来获取的DEM数据模拟地形条纹图数据模拟地形条纹图,从干涉条纹从干涉条纹图中去除地形信息图中去除地形信息,就可以得到地形表面变化的信息。该方就可以得到地形表面变化的信息。该方法法需要对干涉相位解缠
17、需要对干涉相位解缠,而不是对差分相位解缠而不是对差分相位解缠,但需要但需要DEM数据数据,引入引入DEM数据可能带来新的误差。数据可能带来新的误差。2021/3/2423二轨法处理流程 影像配准影像配准 生成干涉图生成干涉图 基线估算基线估算:根据星历数据计算基线。根据星历数据计算基线。去平地效应去平地效应:去除平地的干涉信息。去除平地的干涉信息。去除地形相位去除地形相位:从干涉条纹图中减去从干涉条纹图中减去DEM模拟的干涉条纹图模拟的干涉条纹图 计算形变信息计算形变信息,投影到地理坐标系中投影到地理坐标系中2021/3/2424（3）、三轨法（）、三轨法（D-InSAR经典方法）。经典方法）
18、。采用三景雷达图像采用三景雷达图像,以其中的一景作为主图像以其中的一景作为主图像,另外两景另外两景作为从图像作为从图像,分别生成两景干涉图。第一景一般相隔时间分别生成两景干涉图。第一景一般相隔时间较短较短,不包含地面形变信息不包含地面形变信息,其基线长度较长其基线长度较长;第二景一般第二景一般相隔时间较长相隔时间较长,包含地面形变信息包含地面形变信息,基线较短。基于以下基线较短。基于以下假设假设:只有第二景图像干涉图受到形变的影响。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。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
19、第一景干涉图可以精确获取DEM,可以被完全正确的解缠。可以被完全正确的解缠。（4）、四轨法（四景雷达图像组合）、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引起的相位差地形与形变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）
20、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:处理流程处理流程用到的程序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）（把差分相位转换为沉降量）base_est_fft,ph_slope_base(part of ISP)差分干涉技术（差分干涉技术（DInSAR）2021/3/2427实验数据实验数据:1)ERS-1 scene:25394.slc(23 May 199
21、6)2)ERS-2 scene:05721.slc(24 May 1996)3)ERS-2 scene:16242.slc(29 May 1998)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）生成第一幅干涉图（不解缠）2）生成第二幅干涉图（不解缠）生成第二幅干涉图（不解缠）3）配准两幅干涉图）配准两幅干涉图4）联合两幅干涉图）联合两幅干涉图5）去除残差相位趋势）去除残差相位趋
22、势差分干涉技术（差分干涉技术（DInSAR）2021/3/24283.应用:地震位移 Seismic displacement:The utilization of SAR data to map surface deformation started with the ground-breaking study of the 1992 Landers earthquake in California Massonnet et al.,1993.Massonnet,D.,M.Rossi,C.Carmona,F.Adragna,G.Peltzer,K.Feigl,and T.Rabaute,The displacement field of the Landers earthquake mapped by radar interferometry,Nature,364,138-142,1993.2021/3/2429火山2021/3/24302021/3/24312021/3/2432地下水开采引起的地表沉降监测2021/3/24332021/3/2434
