合成孔径雷达干涉测量InSAR原理及其应用.pdf

叙 j - c 2 。 。 7 II。 ( 上 旬 干 4 )l 团 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量I nSAR 原 理 及 其 应 用 口麦永耀 ( 武汉大学遥感信息工程 学院湖北 武汉4 3 0 0 7 9) 摘要简要地回顾 了合成孔径雷达干涉测量的历史发展情况， 简单介绍了I n S A R 的干涉模式与干涉原理， 最后概括地 总结了I n S A R在地形测量、 地质灾害研究、 极地监测等各领域中的应用。 关键词微波遥 感合成孔径雷达 ( S A R ) 合成孔径雷达干涉测量 ( I n S A R ) 应 用 中图分类号： P 4 1 文献标识码： A 文章编号： 1 6 7 2 7 8 9 4 ( 2 0 0 7) 0 1 0 - 2 1 3 0 2 1 弓 l 盲 合成 孔径 雷达 ( S y n t h e t i c A p e r t u r e R a d a r ， S A R) 是一 种高 分辨 率的二维成像雷达。 它作为一种全新的对地观测技术， 近 2 O 年来获 得 了巨大的发展 ， 现 已逐渐成为一种不可缺 少的遥感手段 。与传统 的可见光、 红外遥感技术相比， S A R具有许多优越性 ， 它属于微波 遥感 的范畴 ， 可 以穿透云层和甚至在一定 程度上穿透雨 区， 而且 具 有不依赖于太 阳作为照射源 的特点 ， 使其 具有全天候 、 全天 时的观 测能力 这是其它任何遥感手段所不能 比拟的 ； 微波遥感还 能在一 定程度上穿透植被， 可以提供可见光、 红外遥感所得不到的某些新 信息。 随着 S A R遥感技术的不断发展与完善， 它已经被成功应用于 地质、 水文、 海洋、 测绘、 环境监测、 农业、 林业、 气象、 军事等领域。 但是， 传统的S A R 技术只能获得目标的二维信息， 它缺乏获取 地面目 标三维信息和监测目标微小形变的能力。 通过将干涉测量技 术与传统 S A R技术结合而形成的合成孔径雷达干涉技术 ( S y n t h e t i c A p e rt u r e R adar I n t e r f e m m e 时， I n S A R)提供了获取地面三维信息 的全新方 法。 它是通过两副天线同时观测或通过一副天线两次平行 观测， 获取地面同一景观的复图像对， 根据地面各点在两幅复图像 中的相位差 ， 得出各点在两次成像中微波 的路程差 ， 从而获得地 面 目标 的三维信息 。 2 In S AR技术的发展历史 I n S A R技术于 1 9 7 4年最先用于地形制图。自 1 9 9 1年 7月欧空 局发射载有 c波段 S A R的卫星 E R S 1 以来， 极大地促进了有关星 载 S A R的I n S A R技术研究与应用。由于有了优质易得的I n S A R数 据源 ， 大批欧洲研究者加入到这个领域 ， 亚洲 ( 主要 是 日本 ) 的一些 研 究 者 也 开 展 了这 方 面 的 研 究 。 日本 于 1 9 9 2年 2月发 射 了 J E R S 一 1 ，加拿大 于 1 9 9 5年初发射 了 R A D AR S A T ，特别是 1 9 9 5年 E R S 一 2 发射后， E R S 一 1 和 E R S 一 2 的串联运行极大地扩展了利用星 载 S A R干涉的机会， 为 I n S A R技术的研究提供了数据保证。 目 前用 于 I n S A R技 术 研 究 的数 据 来 源 主 要 有 ： E LL S 一 1 2 、 S I R C X S A R、 R AD A R S A T、 J E R s 一 1 、 T O P S A R和 S E A S A T等。 目前国内外许多部门和科研机构正积极从事着 I n S A R技术机 理及其应用的研究 ，已经取得 了许多成果 ， I n S A R技术的前景 日益 看好。 3 I n S AR的干涉模式与基本原理 3 、 1 I I 1 S AR的干涉模 式 根据 I n S A R平台和使用条件的不同，获取I n S A R数据的干涉 模式主要有 3 种：交叉轨道干涉、 沿轨道干涉和重复轨道干涉。 3 1 1 交叉轨道干涉 交叉轨道干涉( A c m s s t r a c k I n t e r f e r o m e tr y ) 模式要求两副天线安 装在同一平台上同时获取数据， 因此目前只用于机载 S A R系统 ， 但 人们正在研究在将来的卫星上实现这种方法， 它的优势在于精度高 而且机动性能好。 其干涉几何原理图如图 1 所示， 从图中可以看出， 两副天线的安装位置与飞行方向垂直。在该模式下， 干涉相位差是 由于地面 目标 的高度变化引起的 ， 所以主要用于地形制图和地形变 化监测。 但这种干涉形式的计算方法存在着难以区分因区域坡度影 响产生的误差 与飞机滚动产生的误 差。 图 1交叉轨道干涉模式几何原理 图 3 1 、 2沿轨道干涉 沿轨道干涉( A l o n g t r a c k I n t e r f e r o m e t r y ) 模式与交叉轨道干涉模式 一 样， 都要求两副天线安装在同一平台上， 因此目前也只适用于机 载 S A R系统。 其干涉几何原理图如图2 所示， 此时两副天线沿飞行 方向相隔一段距离。 采用该模式得到的相应象素的相位差是由于测 量时物体的运动产生的，因此它适用于对运动的 目标进行监测 ， 如 海洋制 图、 波浪谱测量等。 3 1 、 3重复轨道 干涉 重复轨道干涉( R e p e a t p a s s I n t e r f e r o m e t r y ) 模式只要求安装一副 天线， 它采用经过几乎相同的轨道以微小的几何视差对同一地区成 像两次的方法来获取数据， 因此需要对飞行轨道进行精确定位。由 于受大气的影响较小， 卫星比飞机具有更准确、 稳定的飞行轨道， 因 此该模式最适合星载 S A R的干涉，它的优势在于能够快速获取大 范围或全球 范围的干涉数据 。 目前此方法已被成功地应用于欧空局 的 E R S 一 1 和 E R S 一 2 上装载的S A R ，日 本 J E R s 一 1 装载的S A R和航 天飞机 上的 S I R C X S A R也成功地 运用该方 法进行 I n S A R技 术 的应用研究 ， 并取得 了很好的效果。 其干涉几何原理图如 图 3所示。 图 3重复轨道干涉模式几何原理 图 3 2 I n S AR 的基本原理 I n S A R技术 是一门根据复雷达 图像 的相位 数据来提取地面 目 标三维空 间信 息的技术 ， 其基本 思想 是 ： 利用两副天线同时 成像或 21 3 维普资讯 一 副天线相隔一定时间重复成像， 获取同一区域的复雷达图像对， 由于两副天线与地面某一目标之间的距离不等， 使得在复雷达图像 对同名象点之间产生相位差 ， 形成干涉纹图( I n t e r f e r o g n L , n ) 。 干涉 纹图中的相位值即为两次成像的相位差测量值， 根据两次成像相位 差与地面目标的三维空间位置之间存在的几何关系， 利用飞行轨道 的参数， 即可测定地面目 标的三维坐标， 它可以用来提供大范围的 高精度数字高程模 J ( D E M ) 。下面以卫星重复轨道干涉模式为例。 其成像几何示意图如图 4所示。 图 4 1 n S AR的几何关系示意 图 s s ： 是卫星两次对同一地区成像的位置( 即天线的位置) ， s I 位 置的轨道高度为 H ， 基线(s 与s ： 间的距离) 长为 B ， 基线的水平角 为 0 【 ， 入射角为 0 ， 地面目标 P 高度为h ， s 到地面目标 P 的距离为 r , S 2 到地面目 标 P的距离为 r + 8 r 。 结合E 面图形， 地面目 标P 自 微h 可 为h = H r * c o s 0 ( 1 ) 根据余弦定理可得： ( r +8 r ) = r 2 + B - 2r BC O S ( C + 9 O 一0) = r B 2 - 2 r Bc o s ( t 一0) ( 2 ) 所以 有s in ( 0 【 一 0 )= 芸 (3 ) 整 理 (3 )式 得 r= j 吾 百 二 (4 ) 在 I n S A R中， 干涉相位是指地面目 标 P 经过 r ， r + 8 r ， 雷达在 s 。 ，S 2 处接收到 的回波相位差 中 中 ， 而相位差 中 中与距离差 6 r 和微波波长 有如下关系： A中= 2 2 ( 5 ) 考虑到重复轨道雷达所接收的回波信号都是经过发射和返回 路程的信 号， 所以有 ： A中= 4 ( 6 ) 将( 6 ) 式与( 4 ) 式代入 ( 1 ) 式得到下面的表达式： ：H 一 ： ： ：兰! ! ： ； 。 ( 。 ) (7 ) 2B s i n ( 0 【 一0 卜 一 上式就是从干涉相位中得 到地面高程的原理 ，各参数说 明如 下： 0， H为己知， H可以由卫星上的雷达高度计算测量得到，基线 距 B 、 天线的连线与水平线的夹角 0 【 可以由卫星轨道参数确定， 但 精度不高， 可以通过一定数量的地面已知点( 控制点 ) ， 根据其成像 原理， 来解算成像时的轨道参数， 用以提高 B 、 0 【 的精度。相位差 中的计算方法通常有两种：两复值图像相位直接相减和复值图 像共扼相乘 一 干涉处理， 两者之间完全等效， 但第二种方法较为 常用。通过干涉处理得到的是位于卜 ， 】 之间的相位主值 ， 必须 对其进行相位解缠才能得到中的相位全值。 4 I n S AR在各领域 中的应用 I n S A R技术主要应用于光学遥感图像难以获得的地区 ( 如热 带雨林、 火山地区、 极地地区等 ) 进行地形测量， 以建立高精度的 D E M，而广泛应用于生成高精度数字高程模型D E M，地震灾害检 测， 地面变形和位移的监测， 火山监测与灾害评估 ， 地面沉降监测， 农作物生长监测与生物量统计以及林业、 冰川、 海洋等领域。 4 1 地 形图成像 I n S A R技术利用 S A R复图像中含有的相位信息，通过干涉处 理来提取目标的三维信息， 因此用于制作地形图、 生成 D E M是自 I N S A R技术研究和应用以来的主要应用领域。 I n S A R技术所测地形 地貌 的精度 由于成像几何和干涉图像质量不同而有较大的波动 ， 精 21 4 度好 的可达米级。 研究结果表 明， I n S A R技 用于获取 D E M是非常 有效的， 特别是在人烟稀少、 环境恶劣的地区， I n S A R技术更是一种 有效 的测绘手段 。 4 2地壳形变研 究 利用 I n S A R获得 的 D E M本身就能发现地表的变化 ， 如泥石流 的沉积、 三角洲 的演变 ， 大沙丘 的移动等。 差 分干涉技术利用多次干 涉 的结果进行 差分， 在去除地形 的影 响后 ， 可以以雷达波长量级来 测量 微弱 的地表物理运动。 I n S A R还可 以更深入地应用于土地动力学 的其它方面 ， 如火山 学 、 气候 地貌学 、 沙漠地形和土壤迁移 海 岸过程 和侵蚀 、 灾害风险 估计和 自然灾害监测 ( 如地震 、 滑坡 ) 等 。 这些地表物理运动有可能 是断层地区的隆起和弯曲、 地震引起的残余位移、 地块的沉降等， 对 于它们的观测可为地震 、 火山爆发、 山体滑坡等灾害发生做出事先 预报 ， 减小灾害给人 们生命财产带来的损失 。 4 3极地监测 极地冰盖对地球气候 的变化起着极其重要的作用 ， 因此对极地 冰盖体积和冰川运动的监测具有非常重要的意义。 与传统的监测手 段相比， I n S A R技术具有大范围、 高效率等特点， 它可以精确快速地 测量极地冰盖厚度的变化和冰川的移动情况。1 9 9 3 年G o l d s t e in 等 人率先使用卫星 S A R差分干涉技术对 R u l f b r d 冰川运动速度和其 边缘变形进行了监测， K w o k 和 F a h n e s t o c k 使用四个依次间隔3天 的 ER S l S A R图像 序列对 G r e e n l a n d的东北 部生成 了高分辨 率的 D E M和冰川位 移图。类 似的研究表 明， R R S 一 1 2 ， T a n d e m方式为使 用差 分 I n S A R技术监测极 地冰川位移提供 了极好的机会 。 4 4其他应 用 I n S A R技术 还可以用于陆地的植被生长状况 、海洋表 面监测 等。雷达遥感图像记录了丰富的植被信息， 可以反映植被本身的生 长状况 以及生物量的多少， 可广泛用于生态环境研究 。雷达遥感可 以通过测量植被的后向散射系数监测植被的生长状况， 估算植被的 生物量 。 海洋 占据地球表面 的 7 0 以上 ，蕴藏着人类赖 以生存 的重要 资源 。而海面上的天气状况往往非常恶劣， 给光学遥感手段监测海 况带来极 大困难。S A R是进行 海洋观察的最理想工具之一 ，通过 I N S A R技术 ， 不仅可以探测 到海面上船舶 的运动方 向和速度 ， 而且 可以观察到多种海洋动力 学现象 以及 由于海 底地形变化而引起的 海面波浪的差异等。 此外 ， 在城市三维建模， 考古， 全球变化研究 ， 水系的河道特征 与河流演变， 湖泊的环境与演化， 盐湖， 地下水与土壤水分等方面， I n S A R都有成功的应用 。 5 总结 作为 S A R技术 的新发 展 ， I n S A R充分利用 了雷达 回波 的相位 信息， 不仅可以建立高精度、 大面积的D E M， 而且还可以利用其差 分干涉技术 监测地面 m m量级的微小位移 ，其应用范 围相 当广泛 ， 是一种非常具有挑战性的空间对地观测技术 。就 I n S A R技术本身 来说， 算法、 处理软件、 硬件设备等各方面都已基本成熟， 但精度仍 需要进一步改进 ， 比如 S A R分辨率 的提高 、 卫星轨道参数 精度 的提 高、 轨道的优化、 数据模型精度的提高等。对于我国， 应该充分注意 到I n S A R技术的优势，积极发展本国的星载 I n S A R系统和处理软 件 。 以更好地为国民经济建设和国防建设服务。 参考文献 ： 【 l 】 魏钟铨， 王贞松 陈元藻等 合成孔径雷达卫星 北京 ： 科学 版社 2 0 01： 1 7 【2 】 乔书 波， 李金岭 荆 枰 边少峰I n s A R 技术现状与应用天文学进屁2 o 0 【3 B a ml o r R a n d Ha r t P S y n th e t i c a p e r lu r e r a d a r i n t e ff e r o m e t r y I n v e m p r o b le m 【RJ 1 4 ( 1 9 9 8 ) RI - R 5 4 ， P r i n t e d i n t h e U K 1 9 9 8 【4 J Ma a s o n n e t D R a b a u t e T,Ra d a r l n t e ff e r o me t r y L i mi L q a n d P o t e n t i a l J I E E E T r a n s O il G e x ,s e i R e mo t e S e n s i n g , 1 9 9 3 ：4 5 5 - -4 6 4 5 J5游新兆， 乔学军 王琪 杜瑞林 合成孔径雷达干涉测量原理与应用 大地测量与地球动力学 2 0 0 2 ( 3 ) 维普资讯