D - InSAR原理及其數(shù)據(jù)處理流程-

1、第38卷增刊2008年11月吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版Journal of J ilin University (Earth Science Editi on Vol 138Sup 1Nov 12008D 2I nSAR 原理及其數(shù)據(jù)處理流程呂樂(lè)婷,陳圣波,車大為,劉銀萍吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,長(zhǎng)春130026摘要:合成孔徑雷達(dá)是近20年發(fā)展起來(lái)的一種空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù),目前已被廣泛應(yīng)用于獲取地表信息及地表形變。介紹了D 2I nS AR 基本原理,發(fā)展以及在其地學(xué)方面的應(yīng)用。并對(duì)三軌D 2I nS AR 數(shù)據(jù)處理的算法及流程作了簡(jiǎn)要介紹。關(guān)鍵詞:D 2I nS AR;地表形變;相位解纏中

2、圖分類號(hào):TP75文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A作者簡(jiǎn)介:呂樂(lè)婷(1984,女,遼寧大連人,碩士研究生,主要從事遙感與地理信息系統(tǒng)研究,E 2mail:ayier1220 。The Pr i n c i ple and Da t a Processi n g Flow of I n terferom etrySyn theti c Aperture RadarL Le 2ting ,CHEN Sheng 2bo,CHE Da 2wei,L I U Yin 2p ingCollege of GeoExploration Science and Technology,J ilin U niversity,Chan

3、gchun 130026,ChinaAbstract:Synthetic aperture radar interfer ometry is a ne w devel oped and potential technol ogy for observati on of earth fr om s pace,and now has been widely used in obtaining the surface infor mati on of the earth .I n this paper,the devel op ing and the app licati on of D 2I nS

4、 AR is intr oduced,and als o the algorithm and data p r ocessing fl ow .Key words:D 2I nS AR;surface def or mati on;phase un wrapp ing0引言合成孔徑雷達(dá)S AR (synthetic aperture radar 是近20年發(fā)展起來(lái)的一種空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù),目前已被廣泛應(yīng)用于獲取地表起伏的信息。與傳統(tǒng)光學(xué)遙感相比,S AR 具有全天時(shí)全天候,穿透力強(qiáng),分辨率高等諸多優(yōu)點(diǎn)。用S AR 圖像通過(guò)干涉測(cè)量技術(shù)I n 2S AR (interfer ometry synt

5、hetic aperture radar 和差分干涉測(cè)量技術(shù)D 2I nS AR (differential interfer ometry synthetic aperture radar 可以進(jìn)一步得到地面高程信息和地表形變信息。在國(guó)外,合成孔徑雷達(dá)雷達(dá)干涉測(cè)量已經(jīng)從早期的論證研究階段發(fā)展到了比較成熟的應(yīng)用研究階段,積累了大量經(jīng)驗(yàn)和研究成果,并且已取得了厘米級(jí)的應(yīng)用精度,而我國(guó)在這方面的應(yīng)用正在起步。雖然在具體應(yīng)用中還有許多關(guān)鍵技術(shù)和限制有待突破與克服,S AR 技術(shù)的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)在垂直變形監(jiān)測(cè)中已毋庸置疑。1合成孔徑雷達(dá)的發(fā)展與地學(xué)應(yīng)用111I nSAR 的發(fā)展合成孔徑雷達(dá)S AR 是20世

6、紀(jì)50年代末研制成功的一種微波傳感器,早期的雷達(dá)遙感大多基于單張S AR 圖像的灰度信息來(lái)進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查、極地冰川、土地利用、植被和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)等。70年代,射電天文領(lǐng)域發(fā)展成熟的干涉技術(shù)被引入,將覆蓋同一地區(qū)的兩張S AR 圖像聯(lián)合處理并提取對(duì)應(yīng)像素的相位差(干涉相位信息,以此恢復(fù)地物信息,從而誕生了I nS AR 技術(shù),即合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量。差分干涉測(cè)量技術(shù)D 2I nS AR 是在雷達(dá)干涉測(cè)量的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,它利用遙感衛(wèi)星多時(shí)相的復(fù)雷達(dá)圖像相干信息進(jìn)行地表的垂直形變量提取,其精度已達(dá)到毫米級(jí),且具有前所未有的連續(xù)空間覆蓋、高度自動(dòng)化和高精度監(jiān)測(cè)地表變形的能力,為地表變形的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)提

7、供了全新的方法。112I nSAR 及D 2I nSAR 的地學(xué)應(yīng)用1978年美國(guó)國(guó)家航空航天局發(fā)射的海洋衛(wèi)星SE AS AT 上首次裝載了合成孔徑雷達(dá),由此,星載S AR 技術(shù)由實(shí)驗(yàn)室成功的進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域。發(fā)展至今,I nS AR 測(cè)量技術(shù)已成為獲取地形、地表形變和地物信息的最具潛力的新技術(shù),他的應(yīng)用領(lǐng)域也得以不斷擴(kuò)展,包括:數(shù)字高程模型DE M 的獲取;地圖測(cè)繪;生成城市建筑三維透視圖以及地球動(dòng)力學(xué)應(yīng)用。D 2I nS AR 技術(shù)通過(guò)消除I nS AR 獲取的相位圖中地形相位部分,可以獲得由于地表運(yùn)動(dòng)而造成的地表目標(biāo)在雷達(dá)視線方向上位移所對(duì)應(yīng)的相位貢獻(xiàn)。因此廣泛用于:(1地震現(xiàn)象的研究:包括

8、同震、震后和抗震構(gòu)造的機(jī)理研究;(2火山的下陷與抬升研究:通過(guò)對(duì)火山的運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析,進(jìn)行火山爆發(fā)的預(yù)測(cè)研究;(3冰川研究:通過(guò)I nS AR 技術(shù)獲取完整的,高分辨率的,高精度的地形數(shù)據(jù),以及測(cè)量冰流和其他變化;(4細(xì)微地形變化:包括滑坡,地面沉降等地表形變。2D 2I nSAR 基本原理及數(shù)據(jù)處理流程211D 2I nSAR 基本原理假定衛(wèi)星兩次對(duì)同一地區(qū)成像,兩副天線接收所信號(hào)的路徑分別為和+r ,這時(shí)生成干涉圖紋兩次成像的相位差為=4,因此我們可在基線距B 、兩次觀測(cè)的信號(hào)路徑長(zhǎng)度、視角、基線與水平方向夾角sin (-幾個(gè)參數(shù)之間建立幾何關(guān)系,并忽略(r 2,得:r =B sin (-=

9、B p ,=4B p 。(1其中B p 代表基線距在輔圖像視線方向上分量的大小。若在同一地區(qū)保持主圖像相同(即和保持不變,選擇該地區(qū)另一幅S AR 影像生成新的干涉紋圖,則可以將先后生成的兩副干涉紋圖進(jìn)行比較和計(jì)算。應(yīng)有=4B p,所以,兩幅干涉紋圖之間相位的比值應(yīng)該等于各基線距輔圖像視線分量的比值,而與地形起伏無(wú)關(guān),即=B pB r。如果在第3次觀測(cè)期間,地表發(fā)生了形變,并且這種形變與雷達(dá)的分辨單元相比很小,則可認(rèn)為這三幅S AR 影像的雷達(dá)信號(hào)仍然相關(guān)。這時(shí)其干涉紋圖所提供的相位信息除了地形信息之外,還包含有雷達(dá)視線方向的地表形變分量。那么第2幅干涉紋圖的相位就應(yīng)為=4(B p +,進(jìn)一步

10、可推出雷達(dá)視線方向上的地形變量表達(dá)式:-B p B p=4。(2式中左邊各量可以根據(jù)衛(wèi)星的軌道參數(shù)和干涉相位推算得到,借此進(jìn)一步獲得S AR 圖像上各個(gè)位置處雷達(dá)視線方向上的地形變量。212D 2I nSAR 數(shù)據(jù)處理流程可以看出,合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量的幾何原理并不復(fù)雜,但是由于對(duì)于同一場(chǎng)景獲得兩幅相干性高的S AR 圖像本身具有復(fù)雜性,并且從復(fù)圖像無(wú)法直接獲得干涉相位的真實(shí)值,使得I nS AR 測(cè)量成為一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程。三軌法差分干涉測(cè)量是利用三景圖像生成兩幅干涉紋圖,一幅反映地形信息,一幅反映地表形變信息,進(jìn)行平地效應(yīng)消除后,分別進(jìn)行相位解纏,最后利用差分干涉原理計(jì)算得到地表形變信息。

11、三軌法的主要優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需地面信息,數(shù)據(jù)間的配準(zhǔn)較易實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是相位解纏的好壞將影響最終結(jié)果。其基本步驟為:(1兩幅干涉圖像對(duì)生成干涉圖1,進(jìn)行平地消除,干涉圖l 中包含地形信息和形變信息。(2主圖像與第三幅圖像形成干涉圖像對(duì),生成干涉圖2,進(jìn)行平地效應(yīng)消除,干涉圖2僅包含地形信息。(3對(duì)去平地效應(yīng)的干涉圖1和2進(jìn)行相位解纏。(4利用公式(2進(jìn)行形變計(jì)算。(5將形變圖投影至地理坐標(biāo)系中。3結(jié)語(yǔ)I nS AR 是一個(gè)交叉性很強(qiáng)的新領(lǐng)域,涉及對(duì)地觀測(cè),電磁波傳播,信號(hào)處理,影像處理與模式識(shí)別,空間大地測(cè)量和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量等多個(gè)領(lǐng)域。用D 2I nS AR 技術(shù)監(jiān)測(cè)地表變形的優(yōu)點(diǎn)更是不言而喻的,但要實(shí)際用

12、來(lái)取代水準(zhǔn)測(cè)量監(jiān)測(cè)微小的地面垂直變形還需要克服許多技術(shù)難點(diǎn),其中最重要的是克服相干性的限制和突破相位解纏的障礙。經(jīng)過(guò)了20多年的研究,隨著多顆遙感衛(wèi)星的成功發(fā)射并投入使用,I nS AR 技術(shù)本身及其應(yīng)用都得到了快速發(fā)展,應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。隨著電子技術(shù)的不斷改進(jìn)以及旨在提高圖像清晰度的信號(hào)處理算法的不斷成熟,高分辨率的S AR 系統(tǒng)將必成為今后發(fā)展的趨勢(shì)。332增刊呂樂(lè)婷,等:D 2I nS AR 原理及其數(shù)據(jù)處理流程圖1星載合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量數(shù)據(jù)處理流程圖F i g11the flow chart of D2I nSARs da t a processi n g參考文獻(xiàn):1M ass

13、onnet D,RossiM,Car mona C,et al.The dis p lace2ment field of the Landers earthquake mapped by rader in2terfer ometryJ.Nature,1993,364:1382142.2Zebker H A,Rosen P A,Goldstein R M,et al.On thederivati on of coseis m ic dis p lace ment fields using differen2tial radar interfer ometry:the landers earthquakeJ.Geo2phys Res,1994,99(B10:19617219634.3王超,張紅,劉智.星載合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量M.北京:科學(xué)出版社,2002.4廖明生,林暉.雷達(dá)干涉測(cè)量原理與信號(hào)處理M.北京:測(cè)