3-3干涉雷達(dá)與差分干涉雷達(dá)課件

2021/3/241雷達(dá)干涉測量RadarInterferometry2021/3/242 InSAR原理單幅SAR影像以場景中目標(biāo)對于雷達(dá)斜距的遠(yuǎn)近成像,不能提供高程信息。如圖（1）所示。圖（1）單天線SAR成像幾何關(guān)系圖（2）雙天線觀測的幾何關(guān)系如圖（2）所示,只要已知兩個(gè)天線位置和兩個(gè)斜距,結(jié)合相位差,就可以依據(jù)幾何結(jié)構(gòu)確定P點(diǎn)高程。2021/3/243原理:通過兩副天線同時(shí)觀測(單軌道雙天線模式),或兩次平行的觀測(單天線重復(fù)軌道模式),獲得同一區(qū)域的重復(fù)觀測數(shù)據(jù),即單視復(fù)數(shù)(single-look,SLC)影像對;由于兩副天線和觀測目標(biāo)之間的幾何關(guān)系,同一目標(biāo)對應(yīng)的兩個(gè)回波信號(hào)之問產(chǎn)生了相位差,由此得到的相位差影像通常稱為干涉圖(interferogram),再結(jié)合觀測平臺(tái)的軌道參數(shù)和傳感器參數(shù)等可以獲得高精度、高分辨率的地面高程信息。2021/3/244干涉雷達(dá)地形測量斜距方向上的距離差:余弦定理:地面點(diǎn)高程:關(guān)鍵影響因素：基線B,，mm級(jí)精度相位差，弧度精度需要計(jì)算θ。雙天線單軌道干涉測量（機(jī)載與航天飛機(jī)雷達(dá)）單程:r+

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r2021/3/245干涉雷達(dá)地形測量Antenna1Antenna2r1r2相位每波長弧度波長數(shù)量雙天線單軌道干涉測量（機(jī)載與航天飛機(jī)雷達(dá)）雙程（兩個(gè)分別發(fā)送,分別接收）:單天線重復(fù)軌道干涉測量（星載側(cè)視雷達(dá)）雙程:雙天線單軌道干涉測量（機(jī)載與航天飛機(jī)雷達(dá)）單程模式（一個(gè)天線發(fā)送,兩個(gè)同時(shí)接收）:2021/3/246干涉雷達(dá)地形測量:計(jì)算

雙天線單軌道干涉測量（機(jī)載與航天飛機(jī)雷達(dá)）單程:r+

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rs2021/3/247干涉雷達(dá)地形測量:計(jì)算

雙天線單軌道干涉測量（機(jī)載與航天飛機(jī)雷達(dá)）單程:r+

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rs2021/3/248InSAR數(shù)據(jù)處理的基本流程影像配準(zhǔn)干涉成像基線估計(jì)去除平地效應(yīng)噪聲濾除SLC影像對輸入相位解纏高程計(jì)算基線估算:根據(jù)衛(wèi)星星歷軌道數(shù)據(jù)計(jì)算基線2021/3/249去除平地效應(yīng)p1p2RA1A2B由圖可知P1、P2點(diǎn)的干涉相位分別是:兩點(diǎn)間的相位差為:由于因此上式變換為從這個(gè)結(jié)果可以看出,當(dāng)?shù)孛娴膬蓚€(gè)目標(biāo)點(diǎn)高度相同時(shí),它們的相位差仍然存在,并與ΔR成正比,干涉SAR特有的系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了平地效應(yīng)的產(chǎn)生,所以,即使是水平地貌,干涉相位圖也表現(xiàn)與方位向平行的周期性變化的條紋。因此要去除平地效應(yīng)產(chǎn)生的干涉條紋信息。2021/3/2410影像配準(zhǔn)完成以后,INSAR數(shù)據(jù)的處理流程就是生成高質(zhì)量的干涉圖,提取正確的干涉相位以供相位解纏。式中得到相位值實(shí)際上是主值,其范圍在（-π,π）之間,要得到真實(shí)的干涉相位值必須在這個(gè)值的基礎(chǔ)上加上或者減去2π的整數(shù)倍,這個(gè)過程叫做相位解纏。此時(shí)得到的相位包括以下成分:觀測相位值平地效應(yīng)相位值地形相位值形變相位值大氣延遲相位值噪聲相位值相位解纏2021/3/2411ImageA-12August1999ImageB-16September1999SARimage2021/3/2412The(SAR)dataTheSARrecordstheamplitudeandthephaseofthereturnedsignalamplitudephaseNotethatwhiletheamplitudeimageshowsrecognizabletopographicpattern,thephaseimagelooksrandom.Mt.Etna2021/3/2413InSARprocessing:配準(zhǔn)amplitudecoregistrationThetwoimages,i.e.the“slave”andthe“master”,donotoverlap.Soweneedtofigureoutwhichgroupofpixelsinthe“slave”correspondstowhichgroupofpixelsinthe“master”.Thisisdonethroughcross-correlatingsub-areasinthetwoimages.Thissteprequiresahugenumberofoperations,andisbyfarthemosttimeconsumingstepintheprocess.2021/3/2414InSARprocessing:phaseinterferogram計(jì)算干涉圖Calculatephaseinterferogram,i.e.subtractthephaseofofthe“slave”fromthatofthe“master”.-=phase“master”phase“slave”phaseinterferogramNotethatwhileboththemasterandslaveappearrandom,theinterferogramdoesnot.2021/3/2415InSARprocessing:平地效應(yīng)去除flat-earthremovalNext,weneedtoremovethephaseinterferogramthatwouldresultfromaflat-earth.-=Afterremovingtheflat-eartheffectweareleftwithaninterferogramthatcontainstopographybetweenthetwoacquisitionsandatmosphericeffect.2021/3/2416InSARprocessing:解纏unwrappingTheinterferogramisamapofanambiguousphaseoffsetbetween-

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.Inordertorecovertheabsoluteunambiguousphaseoffset,oneneedstounwrapthedata.Phaseunwrappingisatrickybusiness,here’sonealgorithm:2021/3/2417Whilethewrappedphaselookslikethis:Theunwrapped解纏后的phaselookslikethis:2021/3/2418InSARprocessing:geocodingThisfinalstepamountstomappingthephasefromsatellitetogeographiccoordinates.latitudelongitudeazimuthrange2021/3/2419InSAR的實(shí)際應(yīng)用高程測量INSAR的技術(shù)特點(diǎn)在于它充分利用了雷達(dá)波束的相位信息,形成地形的干涉圖,然后通過測定相位差來確定地面點(diǎn)高程,生成DEM。2021/3/24202D-InSAR地表形變監(jiān)測如果兩幅天線先后在同一位置以同一視角對地面成像,此時(shí)空間基線為零,干涉圖不能反映地形的起伏,但是可以提取瞬間的地面動(dòng)態(tài)變化信息,但是空間基線為零的干涉圖很難得到。如果空間基線足夠小,利用多次重復(fù)觀測可以進(jìn)行地表微小變形的檢測,這就是差分干涉。rr+

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r2021/3/2421ViewingPositionSphericalEarthTopographyAtmosphereDeformation引起相位差的原因:實(shí)際地表形變引起相位差:2021/3/2422基于D-InSAR影像進(jìn)行變形監(jiān)測的方法要獲取地形表面的形變信息,必須消除區(qū)域內(nèi)一定時(shí)間內(nèi)的地形信息的影響。一般有四種方法:（1）選取基線距離為0的干涉像對,這時(shí)無需考慮地形因素的影響。難以獲取。（2）二軌法。選取變形前后的兩景圖像,生成干涉條紋圖,然后利用原來獲取的DEM數(shù)據(jù)模擬地形條紋圖,從干涉條紋圖中去除地形信息,就可以得到地形表面變化的信息。該方法需要對干涉相位解纏,而不是對差分相位解纏,但需要DEM數(shù)據(jù),引入DEM數(shù)據(jù)可能帶來新的誤差。2021/3/2423二軌法處理流程影像配準(zhǔn)生成干涉圖基線估算:根據(jù)星歷數(shù)據(jù)計(jì)算基線。去平地效應(yīng):去除平地的干涉信息。去除地形相位:從干涉條紋圖中減去DEM模擬的干涉條紋圖計(jì)算形變信息,投影到地理坐標(biāo)系中2021/3/2424（3）、三軌法（D-InSAR經(jīng)典方法）。采用三景雷達(dá)圖像,以其中的一景作為主圖像,另外兩景作為從圖像,分別生成兩景干涉圖。第一景一般相隔時(shí)間較短,不包含地面形變信息,其基線長度較長;第二景一般相隔時(shí)間較長,包含地面形變信息,基線較短?；谝韵录僭O(shè):只有第二景圖像干涉圖受到形變的影響。在第二景干涉圖中形變影響地面高程從而使相位發(fā)生跳躍。第一景干涉圖可以精確獲取DEM,可以被完全正確的解纏。（4）、四軌法（四景雷達(dá)圖像組合）基于D-InSAR影像進(jìn)行變形監(jiān)測的方法（續(xù)）2021/3/2425地形引起的相位差地形與形變引起的相位差三軌法處理2021/3/24264-軌差分4-軌差分干涉是基于兩個(gè)相互獨(dú)立的干涉圖像對（4幅SAR圖像）來完成的。4軌差分干涉與3軌差分干涉的方法很相似,唯一的不同點(diǎn)在于,4軌差分干涉時(shí),兩幅干涉圖具有不同的幾何結(jié)構(gòu)（沒有參考圖像）。結(jié)果是從參考干涉圖（地形因素引起的干涉圖）生成的干涉產(chǎn)品（包括復(fù)數(shù)和實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)）都需要轉(zhuǎn)換到另一幅干涉圖（包含形變信息的干涉圖）的坐標(biāo)系。處理流程如下表:處理流程用到的程序配準(zhǔn)兩幅干涉圖到相同的幾何結(jié)構(gòu)create_diff_par,init_offsetm,offset_pwrm,offset_fitm,interp_cpx組合復(fù)數(shù)干涉圖comb_interfs去除殘差相位趨勢（把差分相位轉(zhuǎn)換為沉降量）base_est_fft,ph_slope_base(partofISP)差分干涉技術(shù)（DInSAR）2021/3/2427實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù):1)ERS-1scene:25394.slc(23May1996)2)ERS-2scene:05721.slc(24May1996)3)ERS-2scene:16242.slc(29May1998)第1和2生成包含地形相位信息的干涉圖,因?yàn)樗惶斓臅r(shí)間間隔,這樣就意味著這期間沒有發(fā)生明顯的地表變形。垂直基線長度是108m,這個(gè)基線值適合生成高程的干涉圖。第2和3（相隔2年）,這期間地表發(fā)生了變形,所以用于生成差分干涉圖。處理順序:1）生成第一幅干涉圖（不解纏）2）生成第二幅干涉圖（不解纏）3）配準(zhǔn)兩幅干涉圖4）聯(lián)合兩幅干涉圖5）去除殘差相位趨勢差分干涉技術(shù)（DInSAR）2021/3/24283.應(yīng)用:地震位移Seismicdisplacement:TheutilizationofSARdatatomapsurfacedeformationstartedwiththeground-breakingstudyofthe1992LandersearthquakeinCalifornia[Massonnetetal.,1993].Massonnet,D.,