insar技术简介

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1、InSAR技术简介1、引言在我国，由于人们过度的开采地下资源，引起的地面形变的问题非常突出。地表形变问题给当地的环境造成很大的破坏，直接危害着地面建筑设施和人们的生命安全。因此，对地面形变进行有效的监测可以对研究地表形变的形成机理、变化规律和控制地表变形相当重要，对国民经济的可持续发展有着十分重要的意义。目前地表形变监测的方法有：传统的大地水准测量、GPS技术、摄影测量和卫星合成孔径雷达差分干涉（DInSAR）测量。DInSAR是一项新近发展起来的空间对地观测技术，它具有测量精度高、作业范围大、不受天

2、气条件的限制等技术优势，目前DInSAR及其拓展技术已经在火山、地震、冰川、滑坡和地表形变等研究领域得到广泛的应用。图1-1DInSAR技术的应用领域传统的路面沉降监测方法有很大的局限性：都必须预计出大致的沉降位置和范围，从而布置监测点；都是利用离散的观测点获得的沉降数据来建立经验模型，然后通过数值内插方法得到面状沉降；而且对于人员很难到达的区域，实测困难。因此，该方法只能反映局部少数的沉降信息，不能直观、宏观地反应整个沉降区域的沉降状况。表1-1反映了DInSAR技术相比于其他监测方法的优势表1-1

3、DInSAR技术与其他监测方法的对比2、DInSAR技术原理DInSAR是一个多重嵌套的缩写词，由雷达（Radar，RadioDetectionandRanging）、合成孔径雷达（SyntheticApertureRadar，SAR）、合成孔径雷达干涉测量（SARInterferometry，InSAR）、合成孔径雷达差分干涉测量（DiferfenceInSAR，DInSAR）嵌套而成。这种嵌套关系反应了DInSAR的发展历程。同时也说明了DInSAR是合成孔径遥感成像与电磁波干涉两大技术的融合。因

4、此，在介绍DInSAR技术之前，首先介绍InSAR技术的原理。2.1、InSAR技术成像原理合成孔径雷达干涉测量（InSAR）是利用对同一地区观测的两幅SAR复影像数据进行相干处理，通过相位信息获取地表高程信息及形变信息的技术。根据成像时间分类，InSAR可以分为单次轨道和重复轨道两种模式。单次轨道干涉是指在同一机载或星载平台上装载两幅天线，其中一幅天线发射信号，两幅天线都接受地面回波信号，并利用获取的数据进行干涉处理。重复轨道干涉是指同一传感器或相似传感器按照平行轨道两次对地成像，分别发、收信号，利

5、用得到的数据进行干涉处理。本文以重复轨道干涉测量来介绍InSAR的基本原理。图2-1InSAR几何原理图如图（2-1）显示了重复轨道干涉测量所需关键参数及卫星轨道与地面目标的相对几何关系。S1和S2分别表示主辅图像传感器，B为空间基线，H为主传感器相对地面的高度，R1和R2分别为主辅图像斜距，α为基线B与水平方向的倾角，θ为主图像入射角，P为地面目标点，h为P点高程，P0为P在参考平地上的等斜距点。B∥和B⊥分别表示空间基线B在雷达视线方向S1与垂直视线方向上的投影。它们的表达式如下：(2-1)通过对

6、同一目标的重复观测，SAR卫星天线就可得到同一目标的两次回波信号。回波信号主要由两种信息组成：一是回波信号的强度信息，用于SAR的成像处理，可得到地面目标区域的二维图像；二是回波信号的相位信息，用于构建目标的高度信息，它是干涉测量技术赖以实现的关键信息。根据波动方程，两次的回波信号可用复数分别表示为：(2-2)其中，A(R1)、A(R2)为两回波的振幅，ψ(R1)、ψ(R2)为回波相位。从式（2-2）可以看出，雷达回波的振幅与相位都是雷达天线到目标P的路径的函数。雷达卫星以复数形式记录下回波信号并处理

7、成影像，这种影像叫做SAR单视复数影像，雷达卫星在每次进行观测时都会生成一幅单视复数影像。将雷达两次观测生成的的两幅SAR单视复数影像经过精确配准处理后，对应的像素值进行共轭相乘得到的乘积乘积的辐角就是干涉相位。实际计算中通常取乘积的取乘积的虚部与实部比值的反正切值作为干涉相位，即（2-3）式中：arg表示辐角；*表示复数的共轭；I表示复数的虚部；R为实部。从式（33）可知，干涉相位φ的取值区间为[-π,π]，是不足整周数的相位值，也称为相位主值或缠绕值。当干涉相位以影像形式表现出来就称干涉图或干涉相

8、位图。将式（3-2）代入式（3-3）可得，干涉相位即为两回波信号相位之差：（2-4）此处只取了记录的干涉相位的主值。考虑到雷达成像的几何关系还有地物本身具有的后向散射特性，回波信号相位可表示如下：（2-5）上式中右边第一项为雷达到地面目标点的斜距所产生的相位，第二项为地物本身后向散射特性所产生的相位，它是一个随机变量。系数“2”表示收发双程，如果针对的是单天线接收模式，则不需要乘2；λ表示雷达波长；arg{U1}和arg{U2}为不同散射特性形成的随机相