3-3干涉雷达与差分干涉雷达

– 采用三景雷达图像，以其中的一景作为主图像，另外两 景作为从图像，分别生成两景干涉图。第一景一般相隔 时间较短，不包含地面形变信息，其基线长度较长；第 二景一般相隔时间较长，包含地面形变信息，基线较短 。基于以下假设：
① ② ③ 只有第二景图像干涉图受到形变的影响。 在第二景干涉图中形变影响地面高程从而使相位发生跳跃。 第一景干涉图可以精确获取DEM，可以被完全正确的解缠。
Bz cos
2


Bx sin
r
h r+r
2 （Bx sin Bz cos ) 2 ( B cos sin B sin cos ) 2 B sin( - )
(r1 r2 )
z
arcsin 2 B
x
如图（2）所示，只要已知两个天线位置 和两个斜距，结合相位差，就可以依据几 何结构确定P点高程。
原理： 通过两副天线同时观测(单轨道双天线模式)，或两次平行 的观测(单天线重复轨道模式)，获得同一区域的重复观测 数据，即单视复数(single-look,SLC)影像对；由于两副天 线和观测目标之间的几何关系，同一目标对应的两个回波 信号之问产生了相位差，由此得到的相位差影像通常称为 干涉图( interferogram) , 再结合观测平台的轨道参数和 传感器参数等可以获得高精度、高分辨率的地面高程信息。
-
=
Note that while both the master and slave appear random, the interferogram does not.
InSAR processing: 平地效应去除flat-earth removal
Next, we need to remove the phase interferogram that would result from a flat-earth.
• （4）、四轨法（四景雷达图像组合）
地形引起的相位差
地形与形变引起的相位差
三轨法处理
差分干涉技术（DInSAR）
4-轨差分
4-轨差分干涉是基于两个相互独立的干涉图像对（4幅SAR图像）来完成 的。4轨差分干涉与3轨差分干涉的方法很相似，唯一的不同点在于，4轨 差分干涉时，两幅干涉图具有不同的几何结构（没有参考图像）。结果 是从参考干涉图（地形因素引起的干涉图）生成的干涉产品（包括复数 和实数数据）都需要转换到另一幅干涉图（包含形变信息的干涉图）的 坐标系。处理流程如下表：
ref topo defo atmo noise
平地效应相位值 地形相位值 形变相位值 大气延迟相位值
观测相位值
噪声相位值
Image A - 12 August 1999
SAR image
Image B - 16 September 1999
The (SAR) data
相位解缠
影像配准完成以后，INSAR数据的处理流程就是生成高质量的干涉图， 提取正确的干涉相位以供相位解缠。
* uint u1u2
uint | u1 || u2 | e j (1 2 )
Im(uint ) w mod( , 2 ) arctan[ ] Re(uint ) 式中得到相位值实际上是主值，其范围在（-π，π）之间，要得到真 实的干涉相位值 必须在这个值的基础上加上或者减去2π的整数倍， 这个过程叫做相位解缠。 此时得到的相位包括以下成分：
Phase unwrapping is a tricky business, here’s one algorithm:
While the wrapped phase looks like this:
The unwrapped 解缠后的phase looks like this:
InSAR processing: geocoding
干涉雷达地形测量
双天线单轨道干涉测量（机载与航天飞机雷达）单程：
A1
r
B
A2
斜距方向上的距离差： 余弦定理：
r 2

r
h r+r
(r r ) 2 B 2 r 2 cos( ) 2 2(r r ) B
地面点高程：

Baidu Nhomakorabea
z h (r r ) cos
二轨法处理流程
– – – – – – 影像配准 生成干涉图 基线估算：根据星历数据计算基线。 去平地效应：去除平地的干涉信息。 去除地形相位：从干涉条纹图中减去DEM模拟的干涉条纹图 计算形变信息，投影到地理坐标系中
基于D-InSAR影像进行变形监测的方法（续）
• （3）、三轨法（D-InSAR经典方法）。
InSAR processing: 解缠unwrapping
The interferogram is a map of an ambiguous phase offset between - and +. In order to recover the absolute unambiguous phase offset, one needs to unwrap the data.
InSAR processing: 配准 amplitude coregistration
The two images, i.e. the “slave” and the “master”, do not overlap. So we need to figure out which group of pixels in the “slave” corresponds to which group of pixels in the “master”. This is done through cross-correlating subareas in the two images. This step requires a huge number of operations, and is by far the most time consuming step in the process.
r r1 r2 2
2
2r
双天线单轨道干涉测量（机载与航天飞机雷达）双程 （两个分别发送，分别接收）： 单天线重复轨道干涉测量（星载侧视雷达）双程：


4 r

干涉雷达地形测量:计算
• 双天线单轨道干涉测量（机载与航天飞机雷达）单程：
A1
r
B
A2 s

2 D-InSAR 地表形变监测
• 如果两幅天线先后在同一 位置以同一视角对地面成 像，此时空间基线为零， 干涉图不能反映地形的起 伏，但是可以提取瞬间的 地面动态变化信息，但是 空间基线为零的干涉图很 难得到。如果空间基线足 够小，利用多次重复观测 可以进行地表微小变形的 检测，这就是差分干涉。
干涉雷达地形测量:计算
• 双天线单轨道干涉测量（机载与航天飞机雷达）单程：
A1
r
B
A2 s

Bz cos
r
2
(1)

Bx sin
r
h r+r
(r r ) 2 B 2 r 2 cos( ) 2 2(r r ) B

(2)
arcsin 2 B
处理流程 用到的程序
配准两幅干涉图到相同的几何结 create_diff_par, init_offsetm, offset_pwrm,offset_fitm, 构 interp_cpx
InSAR processing: phase interferogram 计算干涉图
Calculate phase interferogram, i.e. subtract the phase of of the “slave” from that of the “master”.
phase “master” phase “slave” phase interferogram
The SAR records the amplitude and the phase of the returned signal
amplitude phase
Mt. Etna
Note that while the amplitude image shows recognizable topographic pattern, the phase image looks random.

4
B sin( 0 )
R
R
p1 p2
从这个结果可以看出，当地面的两个目标点高度相同时，它们的相位差 仍然存在，并与ΔR成正比，干涉SAR特有的系统几何结构导致了平地效 应的产生，所以，即使是水平地貌，干涉相位图也表现与方位向平行的 周期性变化的条纹。因此要去除平地效应产生的干涉条纹信息。
-
=
After removing the flat-earth effect we are left with an interferogram that contains topography between the two acquisitions and atmospheric effect.
This final step amounts to mapping the phase from satellite to geographic coordinates.
azimuth
range
longitude
latitude
InSAR的实际应用
高程测量
INSAR的技术特点在于它充分利用了雷达波束的相位信息，形成地形的 干涉图，然后通过测定相位差来确定地面点高程，生成DEM。
r
r+r
r
r
引起相位差的原因： Viewing Position Spherical Earth Topography
Atmosphere
Deformatio n
实际地表形变引起相位差：
基于D-InSAR影像进行变形监测的方法
• 要获取地形表面的形变信息，必须消除区域内一定时 间内的地形信息的影响。一般有四种方法： • （1）选取基线距离为0的干涉像对，这时无需考虑地形因 素的影响。难以获取。 • （2）二轨法。选取变形前后的两景图像，生成干涉条纹图 ，然后利用原来获取的DEM数据模拟地形条纹图，从干涉 条纹图中去除地形信息，就可以得到地形表面变化的信息 。该方法需要对干涉相位解缠，而不是对差分相位解缠， 但需要DEM数据，引入DEM数据可能带来新的误差。
相位解缠
高程计算
B A1
A2
去除平地效应
由图可知P1、P2点的干涉相位分别是：

0

4 ' B sin( 0 )
两点间的相位差为： 4 ' [ B sin( 0 ) B sin( 0 )] 4 B cos( 0 ) 由于 R R sin R tan 0 因此上式变换为 4 B cos(0 )R 4 B R R tan 0 R tan 0
雷达干涉测量
Radar Interferometry
InSAR原理
单幅SAR影像以场景中目标对于雷达斜距的 远近成像，不能提供高程信息。如图（1） 所示。
y
r
y
天线z2
天线z1
r
r 1
q
p1
p2
z1
z2
r2 r1 r
q1 q 2
p
o
x
图（1）单天线SAR成像几何关系
o
图（2）双天线观测的几何关系
z(y) h (r r ) cos
(3)
z
2 B ( ) 2 h cos 2 B sin( )
2
InSAR数据处理的基本流程
SLC影像对输入
影像配准
干涉成像
基线估计
去除平地效应
基线估算：根据 卫星星历轨道数 据计算基线
噪声滤除
关键影响因素： 基线B, ，mm级精度 相位差，弧度精度 需要计算θ。
z
干涉雷达地形测量
双天线单轨道干涉测量（机载与航天飞机雷达）单程模式 （一个天线发送，两个同时接收）：
相位 Antenna 2 Antenna 1
2
r


2 r

每波长弧度
波长数量
r2 r1

2

(r1 r2 )