4.1-雷达干涉测量原理与应用

4雷达干涉测量原理与应用2012-11-28校准与定标22012-11-28雷达天线、收发机性能等的衰变会导致回波信号的误差校准+定标雷达角反射器、朗伯球等标准目标进行校准δ0测量方法示意图1）相对定标2）绝对定标几何校正32012-11-28斜距投影变形、地形起伏；(侧视成像几何特性)地表曲率、地球自转、大气折射；传感器外方位元素变化等影响导致雷达图像的几何变形几何校正多项式几何校正模拟图像几何校正构像方程几何校正§4．1雷达干涉测量概述§4．2复数影像配准§4．3干涉图生成与相位噪声滤波§4．4相位解缠§4．5InSAR发展与应用主要内容42012-11-284.1雷达干涉测量概述2012-11-28本节在SAR原理的基础上进一步介绍INSAR的基本原理和INSAR技术的概貌，为后面的几节进行必要的准备；对INSAR存在的主要问题进行系统的评述，引出后面几节将要重点阐述的主要内容。本节要点62012-11-281INSAR基本原理2立体几何量测与干涉成像3INSAR技术存在的问题主要内容72012-11-28波的迭加与振动•波的迭加原理在弹性介质中同时有几个波传播时，每一个波仍然保持原有的特性（频率、波长、振动方向），按照自己的传播方向继续前进。但是，由于波在介质中传播，要引起介质质点的振动。因此，当波在空间某点上相遇时，质点的振动就是各波在该点所引起的振动的合成。INSAR基本原理82012-11-28波的迭加与振动•相干波源频率相同、振动方向相同、相位差恒定的波源成为相干波源。•相干波的迭加由相干波源发出的波在空间任一点相遇时，它们的相位差恒定。＝》在空间某些地方的振动始终加强，某些地方始终削弱甚至抵消，这种现象成为干涉。INSAR基本原理92012-11-28波的迭加与振动•相位差与波程差当两个相干波在空间迭加时，波程差等于波长整数倍的各点，合振幅最大；波程差等于半波长的奇数倍时，合振幅最小。•只有波的合成，才能产生干涉现象INSAR基本原理102012-11-28波的迭加与振动R1R2InterferencefringesINSAR基本原理112012-11-28INSAR基本原理122012-11-28·2π雷达干涉现象•形成雷达干涉现象的虚拟示意图上图：平坦地面下图：起伏地面INSAR基本原理132012-11-28t1,azimuth雷达干涉现象r1,rangeSARImageINSAR基本原理142012-11-28雷达干涉现象INSAR基本原理152012-11-28雷达干涉基本原理——相位关系（1）INSAR中的相干波源与干涉形成•飞行平台上同时架设了两部天线S1、S2•由S1发射信号，S1和S2同时接收从目标返回的信号雷达干涉测量原理图INSAR基本原理162012-11-28空间基线雷达干涉基本原理——相位关系（2）•单个天线接收到的雷达波之相位与路程的关系•S1和S2接收到的雷达波之相位差INSAR基本原理172012-11-28雷达干涉基本原理——相位关系（3）•SAR影像1、2•形成干涉•干涉相位•相干性INSAR基本原理182012-11-28雷达干涉基本原理——空间几何关系（1）INSAR基本原理192012-11-28雷达干涉基本原理——空间几何关系（2）INSAR基本原理202012-11-28雷达干涉基本原理——计算地面的高程干涉相位差ϕ地面高程h天线的位置参数（H，B，α，ρ）INSAR基本原理212012-11-28INSAR数据处理的基本步骤INSAR影像对输入基线估算影像配准去除平地效应高程计算干涉成像噪声滤除相位解缠INSAR基本原理222012-11-28INSAR数据处理的基本步骤单视数幅度影像对干涉条纹图（未去除平地效应）INSAR基本原理232012-11-28INSAR数据处理的基本步骤干涉条纹图（去除了平地效应）估计的高程INSAR基本原理242012-11-28INSAR提取DEM实例CaliforniaMojaveDesert(ERS)幅度影像图基线长180m,配准精度在0.1个像元INSAR基本原理252012-11-28INSAR提取DEM实例由配准后的主从影像共轭相乘得到的干涉相位图相位解缠后提取DEMINSAR基本原理262012-11-28INSAR提取DEM实例INSAR基本原理272012-11-28InSAR数据处理模块1.荷兰DELFT大学Kampes等人开发的Doris软件模块下载地址：美国阿拉斯加大学RugerGens等人开发的ASFSARTools软件模块下载地址：美国JPL可以从OPENCHANNEL网站申请InSAR软件包ROI_PAC下载地址：基本原理282012-11-28解缠软件模块Ghiglia等人编写的基本相位解缠处理C程序包ftp.wiley.com//public/sci_tech_med/phase_unwrapping/ChenC.W.等人编写的网络流相位解缠软件Snaphu1.2基本原理292012-11-28立体观测的原理（1）•SAR可以以一定的分辨率来量测方位向和距离向目标的距离•仅仅知道距离并不能确定目标的位置和相对于某水准面的高程•例如，左图中，凡是在波束范围内且位于同一弧线上的目标所测得的距离都是相等的单幅影像情形量测的原理立体几何量测与干涉成像302012-11-28立体观测的原理（2）•从位于不同位置的传感器获得同一场景的另一幅影像，就可以解决上述的不确定性问题•将这两幅影像分别称为主影像和从影像立体成像系统量测的原理•传感器S1和S2之间的距离就是空间基线立体几何量测与干涉成像312012-11-28立体观测的原理（3）立体几何量测与干涉成像322012-11-28•由主影像和从影像上的一个同名点上，可以求出地物目标•这里，假设r、dr、B和α已知dr的量测误差的影响（1）立体几何量测与干涉成像332012-11-28dr的量测误差的影响（2）以ERS-1的实际参数为例•斜距分辨率是9.6米，假设主、从影像之间经过精确配准后可分辨出的斜距偏移精度达到1/20个像素•ERS-1通常的参数是r=800km，θ=23°，基线=100m＝》若斜距量测精度为0.45m，得到的高程精度就变成了1.5km•如果要改善高程精度，就需要基线更长＝》若基线拉长至15km，高程精度改变为10m立体几何量测与干涉成像342012-11-28dr的量测误差的影响（3）以ERS-1实际参数为例•实际上，基线并不能拉至如此之长。因为两次成像的视角相差太大，以至后向散射波发生了很大的变化，加上斑点噪声的影响，主、从影像之间的相似性已荡然无存，也就无法找到同名点＝》增加基线并不能根本解决存在的问题从空间去相关的角度来看，还有一个临界基线的问题立体几何量测与干涉成像352012-11-28dr的量测误差的影响（4）立体几何量测与干涉成像362012-11-28dr的量测误差的影响（5）INSAR之所以能够进行毫米级精度的地表形变监测的原因就在于其量测精度取决于相干雷达波所独具的相位信息，而不是普通光学影像的空间可分辨单元的大小。因此，雷达波的相位信息的准确提取是决定干涉测量精度的主要因素。立体几何量测与干涉成像372012-11-28dr的量测误差的影响（6）相位量测的精度（相位噪声）成像的几何精度（轨道误差）雷达信号在空中传播的特性（大气效应）立体几何量测与干涉成像382012-11-28三种主要模式•单轨双天线横向模式（XTI：Cross–trackInterferometry）•重复轨道单天线模式（RTI：Repeat-trackInterferometry）•双天线单轨纵向模式（ATI：Along-trackInterferometry）INSAR成像的模式392012-11-28SRTMERS1/2TerraSAR-X/TanDEM单轨双天线横向模式-SRTMINSAR成像的模式402012-11-28INSAR成像的模式412012-11-28从初始的INSAR影像对提取地面高程信息，包含有许多环节，相关的关键问题有些尚未解决，使得INSAR实施过程中对系统参数，运行轨道和数据处理等各个方面的要求异常严格，极大地阻碍了INSAR技术的进一步推广应用，主要问题涉及以下几个方面：INSAR技术存在的问题422012-11-28•单视复数影像的高精度自动配准（0.1像素）•时间基线（temporalbaseline）引起的去相关（decorrelation），包括大气影响等问题•空间基线（Spatialbaseline）的去相关精确估计•干涉条纹图的质量改善•相位解缠算法•斜距-地距数据的精确纠正INSAR技术存在的问题432012-11-28解决的途径•传感器的参数•飞行平台的升级（卫星星座）•数据处理方法＝》永久散射体技术（PS-InSAR）＝》与GPS技术集成＝》其他辅助手段（数据融合）INSAR技术存在的问题442012-11-28INSAR影像对输入基线估算影像配准去除平地效应高程计算干涉成像噪声滤除相位解缠小结452012-11-28INSAR基本原理立体几何量测与干涉成像INSAR存在的问题