InSAR 系列讲座1 合成孔径雷达遥感新技术_InSAR介绍
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图 1 SAR 数据获取系统构成
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
94
单天线重复轨道干涉系统 。如图 1 “地面部分”所 示 , 机载/ 星载雷达系统基于侧视成像几何获取初 数据 , 然后须经计算机集焦 (focusing) 和滤波处理 以形成 SAR 影像 , 也就是说 , 合成孔径的概念是通
随后的技术扩展结果是差分雷达干涉 , 用以探 测地 球 表 面 的 微 小 形 变 。1989 年 , NASA/ J PL 的 Gabriel 等首次提出卫星差分雷达干涉的观点并发表 了对 California 某地区地面垂直位移观测的实验结 果 ; 1993 年 , 法国 CNES 的 Massonnet 等基于卫星差 分雷达干涉成功地测量了 1992 年 California Landers 地震引起的显著地表位移 。这些早期的研究结果 , 极大地鼓舞与推动了 InSAR 技术的快速向前发展 。 近年来 , 国际上众多学者在 InSAR 的硬件系统优
Abstract : As a new and promising technology of microwave remote sensing , synthetic aperture radar interferometry ( InSAR) is currently under rapidly developing stage. In order to make numerous surveyors comprehend InSAR , a tutorial with six sepa2 rate parts will be prepared and shown in the journal. As the first part of the tutorial , the paper will in general introduce the developing history , technological backgrounds , system components and applications of InSAR. Key words : InSAR ; developing history ; system components , applications
2 InSAR 发展简史
“InSAR”是 一 个 嵌 套 式 的 英 文 缩 写 , 即 radio detection and ranging (Radar , 无线电探测与测距 , 简 称雷达) , synthetic aperture radar ( SAR , 合成孔径雷 达) , SAR interferometry ( InSAR , 合 成 孔 径 雷 达 干 涉) 。这正说明了 InSAR 的发展先后经历了 “地面 探测雷达 ———成像合成孔径雷达 ———合成孔径雷达 干涉”的过程 , 同时也说明了 InSAR 是合成孔径雷 达遥感成像与电磁波干涉两大技术的融合 。值得注 意 , 雷达传感器主动发射具有固定波长的微波信号
自 1999 年以来 , 我们对 InSAR 技术展开了广泛 而深入的研究 , 并得到了香港政府研究基金 、香港 理工大学研究基金 、国家自然科学基金和武汉大学 国家重点实验室开放研究基金等多项资助 。基于已 有研究经验和成果 , 本系列讲座将对 InSAR 作一个 较为全面而系统的介绍 (包括总体介绍 、SAR 工作 原理 、InSAR 基本原理 、数据处理与关键算法 、误 差模型与应用局限性共六部分) , 旨在引起广大测 绘工作者对这一新技术的兴趣与关注 。作为第一部 分 , 本文将对 InSAR 的发展历史 、技术背景 、系统 构成与应用情况等方面作一个总体介绍 。
568
RADARSAT (加拿大)
长时间以来 , 人们仅仅利用 SAR 图像的强度 (灰度) 信息 , 而抛弃了 SAR 图像的相位信息 。早 期的雷达遥感大多基于单张 SAR 图像的灰度信息来 进行地质调查 、极地冰川 、土地利用 、植被和生态 环境监测等 。进入上世纪 70 年代 , 射电天文领域发 展成熟的干涉技术被引入 , 将覆盖同一地区的两张 SAR 图像联合处理并提取对应像素的相位差 (干涉 相位) 信息 , 以此恢复目标形状如数字高程模型的 建立 , 从而导致了 InSAR 的诞生 。1969 年 , Rodgers 和 Ingalls 首次应用干涉技术对金星观测 ; 1974 年 , 美国 NASA/ J PL 的 Graham 首次提出使用雷达干涉对 地球表面形状成图的构想 。然而 , 接下来的十多 年 , InSAR 技术没有得到实质性的发展 。1986 年 , NASA/ J PL 的 Zebker 等首次发表了使用机载 SAR 系 统对旧 金 山 海 湾 地 区 生 成 数 字 高 程 模 型 的 实 验 结 果。
A NEW TECHNOLOGY OF MICROWAVE REMOTE SENSING: INTRODUCTION TO SYNTHETIC APERTURE RADAR INTERFEROMETRY
LIU Guo2xiang
(Dept. of Surveying Engineering , Southwest Jiaotong University , Chengdu 610031 , China)
四川测绘第 27 卷第 2 期 2004 年 6 月
过数据处理来实现的 。此外 , 卫星系统的雷达初数 据一般先由地面接收站接收 。SAR 影像产品还附带 有关飞机/ 卫星轨道的姿态数据 (即空间位置和速 度矢量) 和传感器系统参数 。
表 1 国际上已有的卫星 SAR 系统
卫星 SAR 系统
运行时间
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
四川测绘第 27 卷第 2 期 2004 年 6 月
93
(1mm - 1m 电磁波谱段) , 接收并记录目标反射信号 (包含目标反射能量信息和反映距离的相位信息) 。 因微波信号可穿透云雨且白天黑夜均可工作 , 故雷 达遥感可弥补可见光 、近红外被动遥感的技术缺 陷。
二次世界大战期间 , 地面雷达系统得到发展并 主要用 于 恶 劣 环 境 下 军 事 目 标 如 飞 机 和 轮 船 的 探 测 。后来雷达系统装载到飞机上 , 发展成为真实孔 径成像雷达系统 (Real Aperture Radar , RAR) , 但其 沿飞行方向 (也称方位向) 的影像分辨率很低 , 一 般为数公里 。1951 年 , 美国人 Carl Wiley 首次发现 多普勒频移现象能用来逻辑地合成一个更大的雷达 孔径 , 可显著地改善 RAR 方位向分辨率 , 使之从公 里级提高到米级 , 从而真正满足遥感观测的基本要 求 。进入上世纪 60 年代 , 第一个合成孔径雷达成像 系统 (SAR) 诞生了 。此后 , 机载/ 星载 SAR 系统相 继问世 (见第 311 节描述) 。
1 引言
合成孔径雷达干涉 (synthetic aperture radar inter2 ferometry , InSAR) 是正在发展中的极具潜力的微波 遥感新技术 , 其诞生至今已近 30 年 。起初 , 它主要 应用于生成数字高程模型 (DEM) 和制图 , 后来很 快被扩展为差分干涉技术 ( differential InSAR , DIn2 SAR) 并应用于测量微小的地表形变 , 它已在研究 地震形变 、火山运动 、冰川漂移 、城市沉降以及山 体滑坡等方面表现出极好的前景[1] 。目前 , 欧美国 家对这一技术正竞相研究 , 我国对雷达干涉的研究 仍处于起步阶段 , 但已引起了国内测绘界与地学界 同仁们的极大兴趣和广泛关注 cm)
极化方式
侧视角 (度)
重复周期 地面分 影像幅宽 (天) 辨率 (m) (km)
备注
ALMAZ - I (俄罗斯) ERS - 1/ 2 (欧空局)
1988～1989
300
1 : 1992～2000 2 : 1995～ ?
790
J ERS - 1 (日本)
1992～1998
92
四川测绘第 27 卷第 2 期 2004 年 6 月
InSAR 系列讲座 1
合成孔径雷达遥感新技术 ———InSAR 介绍
刘国祥 (西南交通大学测量工程系 , 四川成都 , 610031)
[摘要 ] InSAR 是正在发展中的极具潜力的微波遥感新技术 。为使广大测绘工作者对它有一个全面了解 , 本系 列讲座将分六部分对 InSAR 作较为详细的介绍与讨论 。作为第一部分 , 本文将对 InSAR 的发展历史 、技术背 景 、系统构成与应用情况等方面作总体介绍 。 [ 关键词 ] 合成孔径雷达干涉 ( InSAR) ; 发展历史 ; 系统构成 ; 应用 [ 中图分类号 ] P237 [ 文献标识码 ] A [ 文章编号 ] 1001 - 8379 (2004) 02 - 0092 - 04
InSAR 至少需要联合从不同空间位置获取的两 个 SAR 图 像 来 进 行 处 理 。干 涉 系 统 可 分 为 两 类 : (1) 双天线干涉 ; (2) 单天线重复轨道干涉 。一般 情况下 , 机载系统使用以固定间距分开的两个天线 (天线中心连线称为基线 , 垂直于雷达飞行方向) 同时采集信号 , 其中仅一个传感器主动发射一定频 率的微波信号 , 而地面反射信号被两个传感器接 收 , 可获得不同视角且覆盖同一区域的两个 SAR 图 像 , 这种干涉配置就是双天线干涉系统 。星载系统 一般使用单天线采集信号 , 如图 1 “空中部分”所 示 , 对某个局部地区来说一次卫星通过只能获得一 幅雷达影像 , 卫星以一定的时间间隔和轻微的轨道 偏离 (相邻两次轨道间隔为几十米至一公里左右) 重复对该地区成像 , 重复轨道近似平行 , 垂直于轨 道飞行方向的基线称为合成基线 , 这种干涉配置就是
特别地 , DInSAR 具有高形变敏感度 、高空间分 辨率 、几乎不受云雨天气制约和空中遥感等突出的 技术优势 , 因而有人认为它是独特的基于面观测的 空间大地测量新技术 , 可补充已有的基于点观测的 低空 间 分 辨 率 大 地 测 量 技 术 如 全 球 定 位 系 统 ( GPS) 、甚 长 基 线 干 涉 (VLBI) 和 精 密 水 准 等[1] 。 目前 , 国内外众多地球科学家正期望 DInSAR 为地 球物理研究和形变灾害监测提供一种经济的空间对 地观测新途径 。
化 、软件包的开发 、算法优化与应用扩展等方面正 展开深入而广泛的研究 。
3 InSAR 数据获取与处理系统
前已述及 , 基于微波的雷达主动成像几乎不受 云雨和白昼的限制 ; 而基于可见光 、近红外波段的 被动式遥感成像 (如美国 LANDSAT 和法国 SPOT 卫 星影像) 则受这两个自然因素制约较严重 , 例如赤 道附近 地 区 因 云 层 的 覆 盖 几 乎 很 难 获 得 有 用 的 影 像 , 欧洲地区所获得的非雷达影像也仅有 20 %左右 可被利用 。这些正是基于 SAR 成像的 InSAR 技术变 为研究与应用热点的重要驱动力之一 。本质上来 说 , InSAR 是利用高敏感度特性的相位信号来提取 有用信息 , 而摄影测量和可见光近红外遥感主要利 用影像灰度信息来提取有用信息 , 因此专门的 In2 SAR 数据处理软件包必须重新开发 。本节将重点介 绍 SAR 数据获取系统与国际上已有的干涉处理系 统。 311 原数据获取系统
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单天线重复轨道干涉系统 。如图 1 “地面部分”所 示 , 机载/ 星载雷达系统基于侧视成像几何获取初 数据 , 然后须经计算机集焦 (focusing) 和滤波处理 以形成 SAR 影像 , 也就是说 , 合成孔径的概念是通
随后的技术扩展结果是差分雷达干涉 , 用以探 测地 球 表 面 的 微 小 形 变 。1989 年 , NASA/ J PL 的 Gabriel 等首次提出卫星差分雷达干涉的观点并发表 了对 California 某地区地面垂直位移观测的实验结 果 ; 1993 年 , 法国 CNES 的 Massonnet 等基于卫星差 分雷达干涉成功地测量了 1992 年 California Landers 地震引起的显著地表位移 。这些早期的研究结果 , 极大地鼓舞与推动了 InSAR 技术的快速向前发展 。 近年来 , 国际上众多学者在 InSAR 的硬件系统优
Abstract : As a new and promising technology of microwave remote sensing , synthetic aperture radar interferometry ( InSAR) is currently under rapidly developing stage. In order to make numerous surveyors comprehend InSAR , a tutorial with six sepa2 rate parts will be prepared and shown in the journal. As the first part of the tutorial , the paper will in general introduce the developing history , technological backgrounds , system components and applications of InSAR. Key words : InSAR ; developing history ; system components , applications
2 InSAR 发展简史
“InSAR”是 一 个 嵌 套 式 的 英 文 缩 写 , 即 radio detection and ranging (Radar , 无线电探测与测距 , 简 称雷达) , synthetic aperture radar ( SAR , 合成孔径雷 达) , SAR interferometry ( InSAR , 合 成 孔 径 雷 达 干 涉) 。这正说明了 InSAR 的发展先后经历了 “地面 探测雷达 ———成像合成孔径雷达 ———合成孔径雷达 干涉”的过程 , 同时也说明了 InSAR 是合成孔径雷 达遥感成像与电磁波干涉两大技术的融合 。值得注 意 , 雷达传感器主动发射具有固定波长的微波信号
自 1999 年以来 , 我们对 InSAR 技术展开了广泛 而深入的研究 , 并得到了香港政府研究基金 、香港 理工大学研究基金 、国家自然科学基金和武汉大学 国家重点实验室开放研究基金等多项资助 。基于已 有研究经验和成果 , 本系列讲座将对 InSAR 作一个 较为全面而系统的介绍 (包括总体介绍 、SAR 工作 原理 、InSAR 基本原理 、数据处理与关键算法 、误 差模型与应用局限性共六部分) , 旨在引起广大测 绘工作者对这一新技术的兴趣与关注 。作为第一部 分 , 本文将对 InSAR 的发展历史 、技术背景 、系统 构成与应用情况等方面作一个总体介绍 。
568
RADARSAT (加拿大)
长时间以来 , 人们仅仅利用 SAR 图像的强度 (灰度) 信息 , 而抛弃了 SAR 图像的相位信息 。早 期的雷达遥感大多基于单张 SAR 图像的灰度信息来 进行地质调查 、极地冰川 、土地利用 、植被和生态 环境监测等 。进入上世纪 70 年代 , 射电天文领域发 展成熟的干涉技术被引入 , 将覆盖同一地区的两张 SAR 图像联合处理并提取对应像素的相位差 (干涉 相位) 信息 , 以此恢复目标形状如数字高程模型的 建立 , 从而导致了 InSAR 的诞生 。1969 年 , Rodgers 和 Ingalls 首次应用干涉技术对金星观测 ; 1974 年 , 美国 NASA/ J PL 的 Graham 首次提出使用雷达干涉对 地球表面形状成图的构想 。然而 , 接下来的十多 年 , InSAR 技术没有得到实质性的发展 。1986 年 , NASA/ J PL 的 Zebker 等首次发表了使用机载 SAR 系 统对旧 金 山 海 湾 地 区 生 成 数 字 高 程 模 型 的 实 验 结 果。
A NEW TECHNOLOGY OF MICROWAVE REMOTE SENSING: INTRODUCTION TO SYNTHETIC APERTURE RADAR INTERFEROMETRY
LIU Guo2xiang
(Dept. of Surveying Engineering , Southwest Jiaotong University , Chengdu 610031 , China)
四川测绘第 27 卷第 2 期 2004 年 6 月
过数据处理来实现的 。此外 , 卫星系统的雷达初数 据一般先由地面接收站接收 。SAR 影像产品还附带 有关飞机/ 卫星轨道的姿态数据 (即空间位置和速 度矢量) 和传感器系统参数 。
表 1 国际上已有的卫星 SAR 系统
卫星 SAR 系统
运行时间
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
四川测绘第 27 卷第 2 期 2004 年 6 月
93
(1mm - 1m 电磁波谱段) , 接收并记录目标反射信号 (包含目标反射能量信息和反映距离的相位信息) 。 因微波信号可穿透云雨且白天黑夜均可工作 , 故雷 达遥感可弥补可见光 、近红外被动遥感的技术缺 陷。
二次世界大战期间 , 地面雷达系统得到发展并 主要用 于 恶 劣 环 境 下 军 事 目 标 如 飞 机 和 轮 船 的 探 测 。后来雷达系统装载到飞机上 , 发展成为真实孔 径成像雷达系统 (Real Aperture Radar , RAR) , 但其 沿飞行方向 (也称方位向) 的影像分辨率很低 , 一 般为数公里 。1951 年 , 美国人 Carl Wiley 首次发现 多普勒频移现象能用来逻辑地合成一个更大的雷达 孔径 , 可显著地改善 RAR 方位向分辨率 , 使之从公 里级提高到米级 , 从而真正满足遥感观测的基本要 求 。进入上世纪 60 年代 , 第一个合成孔径雷达成像 系统 (SAR) 诞生了 。此后 , 机载/ 星载 SAR 系统相 继问世 (见第 311 节描述) 。
1 引言
合成孔径雷达干涉 (synthetic aperture radar inter2 ferometry , InSAR) 是正在发展中的极具潜力的微波 遥感新技术 , 其诞生至今已近 30 年 。起初 , 它主要 应用于生成数字高程模型 (DEM) 和制图 , 后来很 快被扩展为差分干涉技术 ( differential InSAR , DIn2 SAR) 并应用于测量微小的地表形变 , 它已在研究 地震形变 、火山运动 、冰川漂移 、城市沉降以及山 体滑坡等方面表现出极好的前景[1] 。目前 , 欧美国 家对这一技术正竞相研究 , 我国对雷达干涉的研究 仍处于起步阶段 , 但已引起了国内测绘界与地学界 同仁们的极大兴趣和广泛关注 cm)
极化方式
侧视角 (度)
重复周期 地面分 影像幅宽 (天) 辨率 (m) (km)
备注
ALMAZ - I (俄罗斯) ERS - 1/ 2 (欧空局)
1988～1989
300
1 : 1992～2000 2 : 1995～ ?
790
J ERS - 1 (日本)
1992～1998
92
四川测绘第 27 卷第 2 期 2004 年 6 月
InSAR 系列讲座 1
合成孔径雷达遥感新技术 ———InSAR 介绍
刘国祥 (西南交通大学测量工程系 , 四川成都 , 610031)
[摘要 ] InSAR 是正在发展中的极具潜力的微波遥感新技术 。为使广大测绘工作者对它有一个全面了解 , 本系 列讲座将分六部分对 InSAR 作较为详细的介绍与讨论 。作为第一部分 , 本文将对 InSAR 的发展历史 、技术背 景 、系统构成与应用情况等方面作总体介绍 。 [ 关键词 ] 合成孔径雷达干涉 ( InSAR) ; 发展历史 ; 系统构成 ; 应用 [ 中图分类号 ] P237 [ 文献标识码 ] A [ 文章编号 ] 1001 - 8379 (2004) 02 - 0092 - 04
InSAR 至少需要联合从不同空间位置获取的两 个 SAR 图 像 来 进 行 处 理 。干 涉 系 统 可 分 为 两 类 : (1) 双天线干涉 ; (2) 单天线重复轨道干涉 。一般 情况下 , 机载系统使用以固定间距分开的两个天线 (天线中心连线称为基线 , 垂直于雷达飞行方向) 同时采集信号 , 其中仅一个传感器主动发射一定频 率的微波信号 , 而地面反射信号被两个传感器接 收 , 可获得不同视角且覆盖同一区域的两个 SAR 图 像 , 这种干涉配置就是双天线干涉系统 。星载系统 一般使用单天线采集信号 , 如图 1 “空中部分”所 示 , 对某个局部地区来说一次卫星通过只能获得一 幅雷达影像 , 卫星以一定的时间间隔和轻微的轨道 偏离 (相邻两次轨道间隔为几十米至一公里左右) 重复对该地区成像 , 重复轨道近似平行 , 垂直于轨 道飞行方向的基线称为合成基线 , 这种干涉配置就是
特别地 , DInSAR 具有高形变敏感度 、高空间分 辨率 、几乎不受云雨天气制约和空中遥感等突出的 技术优势 , 因而有人认为它是独特的基于面观测的 空间大地测量新技术 , 可补充已有的基于点观测的 低空 间 分 辨 率 大 地 测 量 技 术 如 全 球 定 位 系 统 ( GPS) 、甚 长 基 线 干 涉 (VLBI) 和 精 密 水 准 等[1] 。 目前 , 国内外众多地球科学家正期望 DInSAR 为地 球物理研究和形变灾害监测提供一种经济的空间对 地观测新途径 。
化 、软件包的开发 、算法优化与应用扩展等方面正 展开深入而广泛的研究 。
3 InSAR 数据获取与处理系统
前已述及 , 基于微波的雷达主动成像几乎不受 云雨和白昼的限制 ; 而基于可见光 、近红外波段的 被动式遥感成像 (如美国 LANDSAT 和法国 SPOT 卫 星影像) 则受这两个自然因素制约较严重 , 例如赤 道附近 地 区 因 云 层 的 覆 盖 几 乎 很 难 获 得 有 用 的 影 像 , 欧洲地区所获得的非雷达影像也仅有 20 %左右 可被利用 。这些正是基于 SAR 成像的 InSAR 技术变 为研究与应用热点的重要驱动力之一 。本质上来 说 , InSAR 是利用高敏感度特性的相位信号来提取 有用信息 , 而摄影测量和可见光近红外遥感主要利 用影像灰度信息来提取有用信息 , 因此专门的 In2 SAR 数据处理软件包必须重新开发 。本节将重点介 绍 SAR 数据获取系统与国际上已有的干涉处理系 统。 311 原数据获取系统