InSAR简介6

InSAR简介主讲人：王浩湖北大学资源环境学院InSAR:合成孔径雷达干涉（SyntheticApertureRadarInterferometry,InSAR)注：S：Synthetic英[sɪnˈθetɪk]美[sɪnˈθɛtɪk]adj.合成的；人造的；摹拟的，虚构的；n.合成物；合成纤维；合成剂A：Aperture英[ˈæpətʃə(r)]美[ˈæpətʃɚ]n.孔，洞；（照相机，望远镜等的）光圈；孔径；缝隙In：Interferometry英[ɪntəfɪə'rɒmɪtrɪ]美[ɪntəfɪr'rɒmɪtrɪ]n.干涉测量（法）问题DEM数据的读取InSAR的本质InSAR软件包InSAR应用RAR和SAR去平地效应本质上来说,InSAR是利用高敏感度特性的相位信号来提取有用信息；摄影测量和可见光近红外遥感主要利用影像灰度信息来提取有用信息,因此专门的InSAR数据处理软件包必须重新开发。InSAR本质辐射或散射电磁波任何物体都具有光谱特性，具体地说，它们都具有不同的吸收、反射、辐射光谱的性能。在同一光谱区各种物体反映的情况不同，同一物体对不同光谱的反映也有明显差别。即使是同一物体，在不同的时间和地点，由于太阳光照射角度不同，它们反射和吸收的光谱也各不相同InSAR软件包InSAR应用地震方面的：1.D-InSAR技术应用于汶川地震地表位移场的空间分析（中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室/《地震地质》2010年02期）2.芦山地震InSAR同震形变及断层滑动分布反演初步结果(地震动力学国家重点实验室中国地震局地质研究所土地测量与地理资讯学系香港理工大学/《中国地球物理2013——第二十七分会场论文集》2013年)地形测绘方面的：1.InSAR技术在地形测绘中的应用（山东科技大学地球信息科学与工程学院山东科技大学地球信息科学与工程学院山东科技大学地球信息科学与工程学院江苏常州市测绘院/《矿山测量》2006年01期）另外，INSAR技术还在地表变形监测、地裂缝监测、滑坡监测等方面有重大应用。侧视成像雷达系统结构图side-lookingradar侧视成像雷达系统基本概念分辨率结论真实孔径侧视雷达系统与轨道垂直的面内的椭圆锥顶角即波束高度角与天线宽度D关系为：沿轨的椭圆锥顶角与雷达天线长L度关系为：相应的天线幅照带尺寸是：基本概念对于欧洲遥感卫星数据（ERS-1和ERS-2），D=1米，L=10米，Rm=850公里，波长为5.66厘米（C波段），入射角为23度。因此，理论上幅照带尺寸为在雷达脉冲发射方向上所能分辨的最小距离分辨率方位向分辨率为：距离向分辨率为：地面距离分辨率为：问题：例如，一个3米长天线，工作波长为5.66厘米（C波段），飞机飞行地面高度为1400米，波束入射角23度（Rm约1600米），因而方位向分辨率约。同样的C波段侧视雷达，地面上斜距为850公里，将产生一个约的方位向分辨率，对大多数应用来说，这样的精度太粗糙。为了减少到30米，需要天线约长，这样口径的天线实现起来非常困难。?30m?16km?1.6km雷达斜距或地面分辨率仅与雷达波特征和雷达侧视角有关系,而与雷达天线的大小无关,但是方位向分辨率主要由雷达天线的长度所决定。局限性：方位向分辨率太低结论内容提要InSAR的技术背景和思想来源InSAR数据的获取InSAR基本原理InSAR高程测量InSARDEM数据处理流程InSAR技术背景“杨氏双缝干涉实验”InSAR的思想来源光波的干涉现象双缝光波到墙壁的距离不同不同高度的地面点到传感器的距离不同;同一地面点到不同时刻传感器的距离不同InSAR技术背景InSAR全称“InSAR”是一个嵌套式的英文缩写,即radiodetectionandranging(Radar,无线电探测与测距,简称雷达),syntheticapertureradar(SAR,合成孔径雷达),SARinterferometry(InSAR,合成孔径雷达干涉)。InSAR技术背景RARSAR强度信息提取相位信息提取InSARInSAR数据的获取原始数据的获取InSAR至少需要联合从不同空间位置获取的两幅SAR图像来进行处理。获取信号的干涉系统可分为两类:双天线干涉(机载)单天线重复轨道干涉(星载)InSAR数据的获取单天线重复轨道干涉地面部分SAR影像地面接收站空中部分雷达粗数据InSAR成像原理Antenna1Antenna2r1r2合成孔径雷达干涉测量原理是通过两副天线同时观测，或一副天线两次观测，在获取同一地区的两幅复值影像中产生了相位差，形成干涉图，干涉图中包含了斜距向上的点与两天线位置之差的精确信息。因此，利用传感器高度、雷达波长、波束视向及天线基线距之间的几何关系，就可以精确地测量出图像上每一点的三维位置和变化信息。InSAR基本原理αB⊥B‖轨道2S2S1R2R1PHYXhZ轨道1θBInSAR几何原理图相位计算通过对同一目标的两次观测，雷达天线可获得地面目标的两次回波信号。根据波动方程，两次回波信号用复数分别表示为：))(exp()()())(exp()()(222111RiRAibaRSRiRAibaRS雷达回波信号的相位一般由两部分组成，一部分是由雷达波经过的传播路径（雷达天线到目标点的斜距）确定的相位；另一部分是地面目标散射引起的相位，它是一个随机变量。由此，回波信号相位可表示如下：}{22)(}{22)(222111UargRRUargRR)exp()()()()(212*1iRARARSRS)()(21RR两幅雷达影像经过配准处理后，就可以生成干涉图：其中，称为相位差。如果雷达两次观测期间地面散射特性没发生变化，即不存在时间失相关，则两次回波信号的随机散射相位相等，这时两回波信号的相位差，可表示为：RRRRR4)(4)()(2121相位组成假设两次成像期间地表未发生形变并忽略大气和噪声影响，干涉相位中仅包含地形贡献。干涉的真实相位表达为：||214)sin(44)(4BBRRR根据上述分析可知：不仅地形高度可以引起干涉相位的变化，在无高程变化的平坦地区，也存在干涉相位的变化，即平地效应，所谓平地效应是指高度不变的平地在干涉条纹图中所表现出来的随距离向和方位向而呈周期性变化的现象，如图所示。干涉条纹图像中通常包含很严重的平地效应，严重影响相位解缠和高程等参数计算的精度，因此，需要从干涉相位中去除参考面相位，即“去平地效应”处理，通常可以通过估计距离向和方位向的条纹频率来进行相应的补偿，从而得到表示地面高程的相位，并反演地面高程。两幅SAR复图像共轭相乘得到干涉图，提取干涉图的相位部分得到干涉相位图，干涉图的相位主要是由地形的高度变化引起的，此外，相同高度的平地在干涉图中的相位也会周期性变化，称之为平地相位，产生平地相位的现象称为平地效应。去平地效应干涉相位图中密集的干涉条纹掩盖了地形变化，不能直观地体现地形变化；条纹的密集增加了相位解缠的难度。目标点P1和P2的干涉相位差为：平地效应原理相位包含两方面的信息：斜距信息和地面点的高度信息平地相位引起的干涉条纹具有以下特性：（1）平地相位的存在，使干涉相位图中的条纹变得密集。（2）干涉图的方位向和距离向都有可能存在平地效应。干涉相位条纹图平地相位条纹图去平地相位后干涉条纹图平地效应的去除平地效应的去除GO几何测量InSAR高程测量1和2为两次航过时的卫星位置，地面点P的高程为h，假设地球为平面且无形变，根据高程模型地面点P的高程可表示为:对三角形12P，由余弦定理得:几何测量则在标准模式下，一副天线发射雷达波，再利用两副天线同时接收回波。在“乒乓”模式下，每个天线交替传输并接收自己的回波。相位测量在标准模式中，以A1信号为参考，则干涉图相位差为在“乒乓”模式中，干涉图相位差为重复轨道干涉本质上是在模式。对于机载系统P=1，对于星载系统P=2。“乒乓”？？由地形引起的斜距差，可以根据卫星与地面目标的几何位置测得，但这种测量方法受分辨率的限制，数米的精度远远不能满足地形测绘的要求。InSAR技术利用相位来测定斜距差，相位的量测精度为波长的几分之一，可以达到亚厘米级的精度。则数据处理流程平均强度图和干涉相位图average.pwr.bmp20090429-20090327.int.bmp平地效应的去除