雷達(dá)InSAR技術(shù)

1、 Radar（無(wú)線電探測(cè)與測(cè)距）RAR（真實(shí)孔徑雷達(dá)）SAR（合成孔徑雷達(dá)）InSAR（雷達(dá)干涉測(cè)量）D-InSAR（差分干涉雷達(dá)） InSAR就是利用SAR在平行軌道上對(duì)同一地區(qū)獲取兩幅（或兩幅以上）的單視復(fù)數(shù)影像來(lái)形成干涉，得到該地區(qū)的三維地表信息。p雙天線干涉 （機(jī)載系統(tǒng)） 以固定的間距分開(kāi)的兩個(gè)天線同時(shí)采集信號(hào)，僅一個(gè)傳感器主動(dòng)發(fā)射一定頻率的微波信號(hào)，地面反射信號(hào)被兩個(gè)傳感器接收，獲得不同視角且覆蓋同一區(qū)域的兩個(gè)SAR圖像。p單天線重復(fù)軌道干涉（星載系統(tǒng)） 衛(wèi)星以一定的時(shí)間間隔和軌道偏移對(duì)一個(gè)地區(qū)重復(fù)成像（時(shí)間相關(guān)性的問(wèn)題）。p雙星串聯(lián)飛行模式（ERS-1/2） 兩副天線接收到的信號(hào)的

2、相位差為： R1， R2為天線到目標(biāo)P的斜距；式中P為系數(shù)，單軌道雙天線模式p為1，單天線重復(fù)軌道模式p為2，a為基線傾角。 可知，如果知道天線位置（H、B、 a）和雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)就能計(jì)算高程值， 進(jìn)而生成DEM。21212PRR（）22212121sin()22RRBRRaR BBPBarcsin2aPB1coshHRInSAR數(shù)據(jù)處理的一般流程包括：影像配準(zhǔn)，干涉圖生成，噪聲濾除，基線估算，平地效應(yīng)消除，相位解纏，高程計(jì)算和糾正（地圖編碼處理）等等。原理：在參考影像和輸入影像之間找到足夠多的同名點(diǎn)，用同名點(diǎn)作為控制點(diǎn)確定影像之間的相對(duì)幾何變換模型，然后利用幾何變換模型對(duì)輸入影像進(jìn)行重新采樣（

3、相對(duì)糾正）。配準(zhǔn)方法：相干系數(shù)法；最大干涉頻譜法；相位差影像平均波動(dòng)函數(shù)法。干涉圖生成即將兩幅精確配準(zhǔn)的復(fù)數(shù)影像共軛相乘，共軛相乘就是對(duì)應(yīng)像元的相位進(jìn)行想減。干涉相位質(zhì)量的高低通常采用相關(guān)性測(cè)度來(lái)衡量。為提高干涉圖像的信噪比，一般采用濾波處理，即多視處理（前置濾波和后置濾波）。為了提取形變信息，參考趨勢(shì)面和地形起伏的相位貢獻(xiàn)必須從一次差分相位中去除，即二次差分。從干涉圖中得到的相位差只是主值，要得到真實(shí)的相位差，就要在相位差上加上或減去2的整數(shù)倍，類(lèi)似于GPS中的整周模糊度的確定。相位解纏的兩類(lèi)方法：基于路徑控制的積分法（積分路徑包含的殘數(shù)為0），基于最小二乘的整體求解算法。積分法比最小二乘法

4、可靠。l時(shí)間失相關(guān) 對(duì)兩次成像來(lái)說(shuō)，各自隨機(jī)附加的噪聲不同或不相關(guān)，在相位差分是無(wú)法抵消，造成信噪比很低，干涉圖不明顯，數(shù)據(jù)處理變得困難。l大氣相位延遲 易變的大氣條件可能會(huì)導(dǎo)致不同的相位延遲，延遲表現(xiàn)在時(shí)間上、空間上，甚至可能會(huì)掩蓋有用信息。（角反射器）永久性反射器GPS：通過(guò)安置在地球表面接收機(jī)同時(shí)接收4顆以上的衛(wèi)星信號(hào)測(cè)定接收機(jī)的位置?？梢酝扑汶婋x層和對(duì)流層的延遲，可以測(cè)定相關(guān)的大氣參數(shù)。InSAR：高精度、高空間分辨率、全天大范圍的實(shí)時(shí)觀測(cè)，幾乎不受天氣的影響。 利用GPS技術(shù)對(duì)InSAR的數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的幾何定位。 利用永久性反射體，在雷達(dá)影像上生成地物明顯的特征點(diǎn)，利用GPS精確測(cè)定

5、這些點(diǎn)的三維坐標(biāo)，作為控制點(diǎn)校正雷達(dá)影像的幾何變形誤差和一些系統(tǒng)誤差。第6章合成孔徑雷達(dá)SAR簡(jiǎn)介 簡(jiǎn)介（續(xù)）簡(jiǎn)介（續(xù)） 相參積累無(wú)需多個(gè)陣元相參積累無(wú)需多個(gè)陣元同時(shí)同時(shí)發(fā)射和接收發(fā)射和接收 合成孔徑天線：運(yùn)動(dòng)小天線多脈沖相參積累，合成孔徑天線：運(yùn)動(dòng)小天線多脈沖相參積累，能獲得沿運(yùn)動(dòng)軌跡的等效長(zhǎng)線陣的方位（切向）能獲得沿運(yùn)動(dòng)軌跡的等效長(zhǎng)線陣的方位（切向）分辨力。采用該技術(shù)的機(jī)載（空載）雷達(dá)稱(chēng)為分辨力。采用該技術(shù)的機(jī)載（空載）雷達(dá)稱(chēng)為合成孔徑雷達(dá)（合成孔徑雷達(dá)（SAR） 微波成像雷達(dá)微波成像雷達(dá)SAR：雷達(dá)移動(dòng)，被測(cè)目標(biāo)固定：雷達(dá)移動(dòng)，被測(cè)目標(biāo)固定ISAR：雷達(dá)固定，被測(cè)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)：雷達(dá)固定，被測(cè)

6、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)第6章合成孔徑雷達(dá)SARSAR工作原理第6章合成孔徑雷達(dá)SARSAR工作原理 遠(yuǎn)場(chǎng)平面波，遠(yuǎn)場(chǎng)平面波， 角回波信號(hào)單程相位差角回波信號(hào)單程相位差 實(shí)孔徑雷達(dá)，實(shí)孔徑雷達(dá)， 單程單程切切向分辨力向分辨力 非聚焦處理：平面波相參積累非聚焦處理：平面波相參積累 聚焦處理聚焦處理：球面波相參積累，：球面波相參積累，d d ra 與與 R 無(wú)關(guān)無(wú)關(guān)sin2)(xx LRRrLRRraadddB4dB4,dB3dB3 ,88. 0第6章合成孔徑雷達(dá)SAR非聚焦處理 非聚焦處理：平面波相參積累非聚焦處理：平面波相參積累 收發(fā)雙程相位差收發(fā)雙程相位差 若若 很小，很小，sin = = y = R 連續(xù)

7、波信號(hào)方向圖連續(xù)波信號(hào)方向圖sin4sin22)(tvxxpRytvxp4)(RTyvdxeFpTTxj2sinc)(2/2/)(第6章合成孔徑雷達(dá)SAR非聚焦處理 切向分辨力切向分辨力 合成孔徑長(zhǎng)度合成孔徑長(zhǎng)度 L = vpT 孔徑邊緣雙程相位差孔徑邊緣雙程相位差 允許的雙程相位差為允許的雙程相位差為 /2 = D DR /8LRrydd44. 0dB3dB3,RLrydd21,瑞利瑞利222)(2RRLRDRLR2122DdRRLrRL2121max,max瑞利第6章合成孔徑雷達(dá)SAR非聚焦處理R0TLeR0 / 8第6章合成孔徑雷達(dá)SAR聚焦處理 聚焦處理：球面波相參積累聚焦處理：球面波

8、相參積累 陣列邊緣產(chǎn)生的平方項(xiàng)可在信號(hào)處理中補(bǔ)償，陣列邊緣產(chǎn)生的平方項(xiàng)可在信號(hào)處理中補(bǔ)償，合成孔徑長(zhǎng)度合成孔徑長(zhǎng)度 波束寬度覆蓋的長(zhǎng)度波束寬度覆蓋的長(zhǎng)度 瑞利切向分辨力（切向覆蓋寬度）瑞利切向分辨力（切向覆蓋寬度） 式中，式中，D為實(shí)際孔徑；為實(shí)際孔徑； /D為瑞利波束寬度為瑞利波束寬度 合成孔徑雷達(dá)的橫向分辨率與距離合成孔徑雷達(dá)的橫向分辨率與距離R無(wú)關(guān)無(wú)關(guān)DRLe2/2121DDRRRLred第6章合成孔徑雷達(dá)SAR聚焦處理 遠(yuǎn)場(chǎng)某點(diǎn)多普勒頻移遠(yuǎn)場(chǎng)某點(diǎn)多普勒頻移 若若 很小，很小，收發(fā)雙程相位差收發(fā)雙程相位差 相應(yīng)的雙程相移相應(yīng)的雙程相移0022sin2RvtRvtvvfd220202020

9、22)(RRRRRRRRRDDDD022/ RxR D022022222)(RtvRxRxD第6章合成孔徑雷達(dá)SAR聚焦處理目 標(biāo)R0Rx(t)(a)(b)Ofdx(t)直 線 區(qū)j 對(duì)應(yīng)的多普勒頻移對(duì)應(yīng)的多普勒頻移 多普勒頻移多普勒頻移 fd 與與 x 呈線性關(guān)系呈線性關(guān)系xRvtRvdxvddtdfdd002442第6章合成孔徑雷達(dá)SAR聚焦處理 SAR接收的是接收的是LFM信號(hào)，其寬度等于單個(gè)天線波信號(hào)，其寬度等于單個(gè)天線波束寬度所決定的能收到信號(hào)的時(shí)間束寬度所決定的能收到信號(hào)的時(shí)間 匹配濾波使匹配濾波使LFM信號(hào)的脈沖包絡(luò)受到壓縮，等效信號(hào)的脈沖包絡(luò)受到壓縮，等效于天線波束寬度變窄，角

10、度分辨力提高于天線波束寬度變窄，角度分辨力提高(a)(b)目標(biāo)R0ROx(t) xx(t)OD R引言合成孔徑雷達(dá)合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar，簡(jiǎn)稱(chēng)SAR)，是一種工作在微波波段的主動(dòng)式微波成像傳感器。它有效地解決了雷達(dá)設(shè)計(jì)中高分辨率要求與大天線、短波長(zhǎng)之間的矛盾，使分辨率提高了數(shù)百倍。合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(Interferometric Synthetic Aperture Radar，簡(jiǎn)稱(chēng)InSAR)是SAR的新發(fā)展，是最新發(fā)展起來(lái)的一種空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)。它是把合成孔徑雷達(dá)產(chǎn)生的單視復(fù)數(shù)圖像中的相位提取出來(lái)，進(jìn)行干涉處理而得到目標(biāo)點(diǎn)三維

11、信息的一種新技術(shù)差分干涉測(cè)量的原理基本原理基本原理 合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量原理在很多文獻(xiàn)中已有詳細(xì)介紹。現(xiàn)在將以星載重復(fù)軌道為例簡(jiǎn)要介紹差分合成孔徑雷達(dá)干涉基本原理。差分干涉測(cè)量的原理 如圖所示，S、S2和S3分別為衛(wèi)星三次對(duì)同一地區(qū)成像的位置(即成像時(shí)雷達(dá)天線的位置)。則經(jīng)相位干涉處理，由S。和S2可生成一幅干涉圖，s，和S 可生成另一幅干涉圖，利用這兩幅干涉圖進(jìn)行差分處理，即所謂的差分雷達(dá)干涉測(cè)量。差分干涉測(cè)量的原理兩軌法兩軌法 其基本思想是利用已知的外部DEM來(lái)消除地形相位。 在兩軌法中，外部DEM的精度、空間分辨率、插值方法及干涉基線對(duì)形變量的精度都有顯著的影響。差分干涉測(cè)量的原理三軌法

12、三軌法 是由1994年由Zebker等人提出的，由于該方法可以直接從SAR圖像中提取出地表形變信息，被認(rèn)為是差分干涉模型最經(jīng)典的方法。差分干涉測(cè)量的原理三軌法三軌法 原理是采用三幅SAR圖像，以其中的一幅作為主圖像，另外兩幅作為從圖像，可與主圖像分別生成兩幅干涉圖?；谌N假設(shè)： 只有形變對(duì)干涉圖收到形變的影響； 形變對(duì)于干涉圖中形變不會(huì)影響有地面高程產(chǎn)生的相位發(fā)生跳躍；1.地形對(duì)干涉圖可以獲得精確的DEM。差分干涉測(cè)量的原理四軌法四軌法 基本思想是選擇四幅SAR圖像，用其中的兩幅來(lái)生成DEM，另外兩幅作變形監(jiān)測(cè)。三種方法比較兩軌法優(yōu)點(diǎn)：不需要相位解纏，減少了數(shù)據(jù)處理 的工作 量；避免了相位解纏引入的誤差。缺點(diǎn)：已知DEM與InSAR干涉圖像的配準(zhǔn)存 在很大 困難。 三種方法比較三軌法優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需知道外部DEM就可以得到地面位移引起 的相位差，特別是適用于缺少高精度DEM數(shù)據(jù)的地區(qū)。與四軌法相比的優(yōu)點(diǎn)是，由于幾何參數(shù)相同，故不需要考慮另外的匹配和重采樣。缺點(diǎn)：地形對(duì)需要相位解纏，其解纏精度的優(yōu)劣直接影響到后續(xù)的處理。三種方