雷达遥感课程

合成孔径雷达干涉（InSAR）的原理及应用简述

摘要：本文主要对合成孔径雷达干涉（InSAR）的发展，原理及应用做了简单的介绍，大致为合成孔径雷达干涉（InSAR）相关文献的简要综述，在上课时对合成孔径雷达干涉（InSAR）的相关知识有了一些了解，所以这次作业选择对InSAR做一个相对整体的简述，即从合成孔径雷达干涉（InSAR）的发展开始到

现在的应用及将来发展的展望。

关键词：合成孔径雷达干涉（InSAR）

一、合成孔径雷达干涉（InSAR）测量的发展

雷达干涉测量最初是用于行星和月球表面测绘，JPL 的Goldstein 在1965 年

就开始致力于这方面的研究。最早的实验是1969 年用于对金星的测图计划。利

用雷达干涉技术成功地提取了月球表面的高程面，后来对相关的技术又进行了

改进,并延伸到对地观测。Graham 于1974 年率先报告了机载干涉雷达用于地形

测绘的实验。他是用Goodyear 公司的机载双天线SAR 系统获取雷达数据，用光

学方法进行干涉处理。随后Zebker 和Goldstein 将其引入JPL 的机载系统实验，

此时，首次采用了数字信号处理技术直接用两幅复数影像形成干涉。INSAR 实

验也相继由数个实验室实现, 掀起的INSAR 研究热潮至今不息。Seasat数据解密后，进行了数天间隔的重复轨道INSAR 实验。相位缠绕问题的初步解决方案也

相继提出，Gabriel 等人的研究证实了差分干涉可以用于检测和估计地表的微小

变化，精度可达数个毫米。此后，在许多的星载遥感实验中都把INSAR 技术作

为一项重要的研究内容，如SIR-B，SIR-C/X-SAR，ERS-1/2，Radarsat，JERS-1，ENVISAT和未来的Radarsat-Ⅱ，ALOS，Light SAR 及EOS 计划等。INSAR 在

军事领域和社会经济持续发展领域的潜力日益明显。

另一个重要的进展，是单轨纵向干涉方案的提出和实验论证。该项技术可

以提取海洋洋流的重要信息。在这种情形下，天线之间的基线很小（近似为零），同时获取的两幅影像几乎是一模一样的，只是相位有微小的差别。正是

这微小的差别可以反映出在这非常短时间间隔内每一个分辨单元内的微小变化，这是一种对目标运动速度非常敏感的INSAR 模式。传感器方面，发展多波段、

多极化的干涉能力是当前的发展趋势，多个通道数据源的信息融合是提高精度

和可靠性的重要手段。由于传统的INSAR 成像方式是单极化，单波段（频率）

的方式，无法提供足够的信息用于描述地物散射的过程，极化干涉测量概念的

提出试图揭示出极化与干涉之间的关系，用于提高INSAR 性能。极化数据本身

也可以推导出地形坡度和高程，在意大利Mt. Etma 地区则使用航天飞机的L、C、X 波段的干涉数据的集成，来生成较高质量的DEM 的数据，尤其为解决植被覆

盖地区DEM 提取问题提供了一条潜在的途径。为了提高INSAR技术的可应用性，新的星载SAR遥感计划也在孕育之中。例如，为了克服时间去相关（Temporal De-correlation）的问题，美国在SMTR计划中推出了双天线SAR 系统取得成功。相继又推出了轮状InSAR 计划和星座计划。

二、合成孔径雷达干涉（InSAR）的基本原理

机载或星载SAR系统所获取的影像中每一像素既包含地面分辨元的雷达后向散射强度信息，也包含与斜距（从雷达平台到成像点的距离）有关的相位信息。将覆盖同一地区的两幅雷达图像对应像素的相位值相减可得到一个相位差图，

即所谓干涉相位图(Interferogram)。这些相位差信息是地形起伏和地表形变(如果存在)等因素贡献和的体现。InSAR正是利用这些具有高敏感特性的干涉

相位信号来提取和分离出有用信息（如地表高程或地表形变）的，这一点与摄

影测量和可见光、近红外遥感主要利用影像灰度信息来重建三维或提取信息是

完全不同的。本文是针对重复轨道横跨轨道工作模式的描述。

1.干涉相位信号

地面目标的SAR回波信号不仅包含幅度信息A，还包括相位信息Φ，SAR图像上每个像元的后向散射信息可以表示为复数Ae iΦ。相位信息包含SAR系统与目标

的距离信息和地表目标的散射特性，即：

Φ=−4π

λR+Φobj（1）

式（1）中，4π为双程距离相位；R为SAR与目标之间的斜距；R为SAR与目标之间的斜距；Φobj为地面目标为地面目标的散射相位。设地面目标点P两次成像时的图像分别为:

C 1=A

1

e iΦ1,C

2

=A

2

e iΦ2 (2)

式中，C

1为主影像，C

2

为辅影像。且有：

Φ1=−4π

λ

R+Φobj

1

；Φ2=−4π

λ

R+Φobj

2

(3)

通过主辅图像的共轭相乘，可得复干涉图为：

I=C

1·C

2

*=A

1

A

2

e i（Φ1-Φ2）(4)

式中*表示取共轭。涉Φ为干涉相位，则有：

Φ=Φ1−Φ2=−4π

λR1−R2+(Φobj

1

−Φobj

2

) (5)

如果两次成像时,地面目标的散射特性不变，即Φ

1=Φ

2

，斜距差ΔR=R

1

-R

2

，则干

涉图的相位仅与两次观测的路程差有关，即：

Φ=−4π

λΔR（6）

这里的Φ是真实干涉相位。实际处理中得到得到的相位整周数是未知的，即缠绕相位，为了得到真实相位必须对缠绕相位进行解缠操作。

对干涉相位进一步分解得：

ϕ=ϕearth+ϕtop+ϕdef+ϕatm+ϕnoise（7）

式中ϕearth；ϕtop；ϕdef；ϕatm；ϕnoise分别表示由地球形状，地形起伏，地表形变，大气以及噪声引起的干涉相位。

2.InSAR高程测量

通常重复轨道InSAR观测的几何关系如图所示。S1和S2分别表示主辅图像传感器，B为基线距，α为基线距与水平方向倾角，θ为主图像入射角，H为主传感器相对地面高度，R1和R2分别为主辅图像斜距，P为地面目标点，其高程为h，P

为P在参考平地上的等斜距点。为讨论方便，假设主从相对获取期间无地表形变，且无大气影响。