空间定位技术论文

空间定位技术与定位信息
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合成孔径雷达（InSAR）
合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）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20 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，SAR 具有许多优越性，它属于微波遥感的范畴，可以穿透云层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。

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，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。

传统的SAR 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SAR 技术结合而形成的合成孔径雷达干涉技术（Synthetic Aperture Radar Interferometry，InSAR）提供了获取地面三维信息的全新方法。

一、InSAR技术基本原理
InSAR的原理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。

[1]
雷达数据干涉处理要满足几个条件[2]，第一，基线长度要满足相干的要求；第二，相干图像获取期间成像区变化要足够小；第三，将数据处理成SLC(单探视复数)格式。

InSAR 数据处理的核心算法包括SAR 图像配准、干涉相位图的生成和滤波、相位解缠、干涉基线参数确定或估计等。

其数据处理流程和处理步骤可以概括如下：
(1)获取满足InSAR处理条件的机载或星载雷达数据；
(2)对每一频段数据按斜距坐标生成复数SAR图像；
(3)根据两个复数图像，计算图像中每一个配准像元的相位差，即干涉相；
(4)用相位解缠技术解2π模糊性；
(5)将解缠过的相位差转换为地物高程角；
(6)将每个像元的斜距/高程角转换为该像元的高程；
(7)对雷达数据进行重采样处理，生成均匀网格的地形高程数据。

用雷达数据生成的干涉图由彩色干涉条纹组成，含有与地形直接有关的相位信息。

但是，干涉图是以2π模数计量的，因此提取地物高程数据必须解这种2π模糊性，这种处理过程称为相位解缠，也是干涉测量中的关键技术问题。

目前有四种相位解缠技术，分别是枝剪法、胞腔自动计算法、条纹检测法和知识注入法。

相位解缠技术与算法是过去10年涉及InSAR技术研究的主要研究课题之一，目前该项技术已经成熟。

雷达天线与地物相对位置几何特征差异决定了干涉测量方式的不同，有三种获取干涉雷达数据的方法，分别是沿轨道干涉、垂直轨道干涉和重复轨道干涉。

1)垂直轨道干涉测量：
垂直轨道干涉测量一般在机载系统中采用，因为需要在乎台上同时安装两个雷达天线，这种方式的干涉测量两个天线的位置与轨道方向垂直。

2)沿轨道干涉测量：
与垂直轨道干涉测量方式一样，只是两个雷达天线位置与轨道方向平行。

3)重复轨道干涉测量：
这种方式的干涉测量只需要一个天线，因此适合于星载雷达传感器。

另外，这种方法要求对轨道进行精确定位，卫星轨道位于大气层之上，轨道定位精度高且稳定。

但是卫星必须飞过近于相同的轨道，以构成对同一地区以稍微差异的探视几何覆盖两次的效果。

重复轨道干涉测量的条件是在雷达数据获取的时间间隔内成像地区地形无变化，雷达探视几何稳定，对于机载干涉测量来说，必须具备能够保存运动补偿数据中的相干相位信息的SAR处理器。

二、InSAR技术发展现状
InSAR技术是一种获取大范围高精度数字高程模型的有效手段，具有全天时全天候以及对地面和植被有一定穿透能力等特点，可以有效地避免天气和时间对光学遥感影像的影响。

同时它还有很高的自动化特征。

这些特点使它在农业、林业、地质、环境、水文、海洋、灾害、测绘与军事领域的应用具有独到的优势，
尤其是对传统的光学传感器成像困难的地区有着特别的意义[3]。

自上世纪60年代以来，包括中国在内的很多国家都相继开展了机载 SAR 成像试验，星载SAR 系统如俄罗斯ALMAZ-1、美国SEASAT 、欧洲空间局ERS-1 、ERS-2和ENVISAT、日本JERS-1和加拿大RADARSAT 等均已升空。

目前，中国，美国、加拿大、德国、意大利、瑞典、瑞士、法国、荷兰、芬兰、以色列等都很重视研究InSAR技术及其应用。

美国从事InSAR研究的主要机构是JPL，除了上述研究活动外，1992年，国防部高级研究计划局(DARPA)启动了干涉雷达技术研究项目(IFSAR)，开发用雷达数据生成高精度、高数据采集率、低成本的数字地形模型(DTM)技术，其目的是不仅用InSAR技术装备军队，提高快速反应能力，而且开拓这一技术的民用市场，该项目结束后．于1997年在美国国防部举行了向企业转让InSAR技术井使之商品化的仪式。

法国从事lnSAR研究的主要机构是法国宇航局(CNES)，主要数据源是ERS 卫星数据，并开发出针对InSAR技术应用的软件系统——DIAPASON，处理了上百万平方公里的ERS数据，在滑坡、地面沉降等灾害监测中显示出了较大的应用潜力。

欧空局(ESA)自9O年代以来也积极研究和开发InSAR技术，并开发出用ERS-1／z卫星数据生成DEM的数据处理技术和软件(ISAR)。

芬兰国家土地调查所(National Land Survey)负责该自的基础图件生成和更新，近年来也启用了ERS数据，通过InSAR技术生成全国数字高程模型(DEM)的技术开发项目，最后生成的DEM总体精度为1O—l5mf。

加拿大遥感中心(CCRS)自8O年代以来进行了一系列InSAR技术应用的可行性研究，尤其是在精度评价方面提出了相应的数值模拟方法，在提取地形高程试验中达到了较优的精度，随后，用C波段天线装备Convair-580飞机．进行了机载试验，进一步探化InSAR用于制图的可行性研究。

德国遥感数据中心(DFD)在9O年代开发出了用InSAR技术生成DEM的数据处理技术和基于工作站系统的数据处理软件。

意大利、荷兰、瑞士等国也有相似的工作。

InSAR技术的优势伴随着它的不断发展体现的愈加明显，在今后的几年里InSAR技术的发展将更加迅速。

其发展方向主要包括以下几个方面：
(1)在雷达传感器研究方面，正在从过去的单一波段、单一极化、单一工作模式、视角固定向高分辨率、多波段、多极化、多工作模式、视角可变的方向迅速发展。

(2)在InSAR数据处理方面，相位解缠、大气效应改正、多种数据源融合、极化干涉以及永久散射体等的研究在将来的一段时间内将是地学研究领域里的热点和难点。

(3)在InSAR应用方面，其范围将更加广泛，InSAR气象学、InSAR海洋遥感以及InSAR用于ITRF的建立和维护等都是相当新颖的课题，它们的研究将更加深入。

同时，InSAR技术的空间尺度可以不再局限于地球，对太阳系行星地形的探测也将成为可能。

三、InSAR技术存在问题
雷达成像时天线发射的微波信号要穿越大气层且与地表交互作用后被反射回去再由传感器记录下来。

卫星InSAR 在地表三维重建与形变探测应用中主要受到两大因素的制约，即时间失相关和大气影响。

前者涉及到雷达波与地表的交互作用问题，而后者涉及到雷达波与大气的交互作用问题。

对于时间相关性，可借助计算所得到的相关系数图来分析，分析结果表明：1对于植被覆盖区和农业耕种区来说，除了一天间隔的相关性较高外，其它时间间隔的相关性均较低，随着时间间隔的加大，相关性趋于零。

2山区存在植被覆盖且起伏剧烈时，失相关更加严重，因为地形引入的几何畸变如阴影和叠掩可加大失相关的可能性。

3城市地区的相关性总是较高。

因城市建筑物和其它设施为硬目标，目标表面一般不会随时间扰动，即使长时间跨度，雷达反射特性仍然很稳定，故能维持较高的相关性。

因此，对于地表三维重建来说，应尽量使用短时间间隔的干涉像对（如ERS-1/2 串接模式像对），以减少时间失相关的负面影响。

对于地震同震形变来说，也应尽可能地选择震前和震后所获取的具有最短时间跨度的干涉像对来探测。