RADARSAT-2雷达卫星数据D-InSAR处理报告

相干系数 越大表示干涉图质量越高，条纹越清晰，相干系数接近于零时表示两期影像完
全失相干。
2.4 基线估计
平行基线和垂直基线分量的估计精度对平地相位的计算和地形相位的模拟至关重要， 地表微小形变的监测依赖于高精度的基线参数，而目前卫星系统提供的精密轨道信息精度 不高甚至没有提供精密轨道信息，导致基线的估计精度偏低，出现系统性误差；目前常用 的基线估计方法有轨道法、条纹频率法和基于地面控制点的基线精化估计等。
orb ，忽略atm 和 n 的影响，可以得到雷达视线方向上地面形变造成的相位。根据雷达视
线方向上地面形变造成的相位与地表沉降量 r 的关系，获取地表沉降量 r 。
def

-
4
r
前述分析表明，形变相位包含于干涉相位之中，要获取形变相位就必须从干涉相位中
除去平地相位、地形相位以及大气延迟和热噪声相位。
由前面原理可知，二轨法主要处理流程如图 3 所示，主要包括：主辅影像预处理、影 像配准及重采样、干涉图生成、滤波、地形相位差分、相位解缠、地理编码等。
2.1 主辅影像预处理
预处理包括主辅影像的读取、成像、轨道数据的读入及前置滤波等，前置滤波是指通 过带通滤波器将主辅影像的频谱非重叠部分滤除，在距离向和方位向分别进行，可以提高 后续配准精度。
号可用复数分别表示为：
S(R1) A(R1) exp(i (R1)) S(R2 ) A(R2 ) exp(i (R2 ))
(1-2)
其中，A(R1)、A(R2)为两回波的振幅，ψ(R1)、ψ(R2)
为回波相位。从式（1-2）可以看出，雷达回波的振幅与相位都是雷达天线到目标 P 的路
径的函数。雷达卫星以复数形式记录下回波信号并处理成影像，这种影像叫做 SAR 单视
息。
1.2 D-InSAR 基本原理
合成孔径差分干涉测量（D-InSAR）技术是 InSAR 技术的拓展，是以合成孔径雷达复 数数据提取的相位信息为信息源获取地表变化信息的一项技术。D-InSAR 技术利用同一地 区的两幅干涉图像，其中一幅是形变前的干涉图像，另一幅是形变后获取的干涉图像，地 表形变能导致雷达视线（LOS）向的距离变化，雷达视线（LOS）向的距离变化被记录于 干涉相位中，分析干涉相位，通过差分处理（除去参考椭球相位贡献和地形起伏对干涉相 位的影响）来获取地表形变信息。
2.6 差分图滤波
差分图中除形变相位外还含有大量的噪声，如系统热噪声、斑点噪声、去相干噪声、 差分残余及数据处理引入的噪声等，又呈现为随机性、系统性等不同特性，使形变相位受 到不同程度的污染，严重时足以淹没掉形变相位；常用的滤波算法可以归结为空域、频域 和时域三类，在形成干涉图前对 SLC 影像的距离向和方位向进行多视处理以提升干涉图 的信噪比、生成差分图后进行均值、中值、自适应等空域滤波；频域滤波为将差分图进行 快速傅里叶变换（FFT）在频域内根据噪声和信号的不同频谱特性进行滤波，如 Goldstein 方法、spectral 方法等；也可根据噪声和信号在时域上表现出来的不同相关特性进行噪声 的滤除，如时间域高通、低通滤波等。
将式（1-2）代入式（1-3）可得，干涉相位即为两回波信号相位之差：
（1- (R1) (R2)
4）
此处只取了记录的干涉相位的主值。
考虑到雷达成像的几何关系还有地物本身具有的后向散射特性，回波信号相位可表示
如下：

( R1 )

2
2
R 1 a r g {U 1}

(R2)

2


(R1)

(R2
)


4
(R1

R2
)
由上式可以得出，干涉相位是雷达天线与目标点的两次斜距之差的函数。
另外，根据图 1 的三角关系可推出以下关系：
（1-6）
R

R2

R1

B
sin(

)

B2 2R1
根据图 1 的成像几何关系结合余弦定理可得：
（1-7）
sin (R1 R)2 R2 B2
B∥ B sin( ) B B cos( )
(1-1)
通过对同一目标的重复观测，SAR 卫星天线就可得到同一
目标的两次回波信号。回波信号主要由两种信息组成：一是回波信号的强度信息，用于
SAR 的成像处理，可得到地面目标区域的二维图像；二是回波信号的相位信息，用于构建
目标的高度信息，它是干涉测量技术赖以实现的关键信息。根据波动方程，两次的回波信
r
c
tБайду номын сангаас
a
n
{
I[S R[S
1 ( R1 1 ( R1
)
S
* 2
)
S
* 2
(R2 (R2
)] )]
}
（1-3）
式中：arg 表示辐角；*表示复数的共轭；I 表示复数的虚部；R 为实部。从式（1-3） 可知，干涉相位φ的取值区间为[-π,π]，是不足整周数的相位值，也称为相位主值或缠绕 值。当干涉相位以影像形式表现出来就称干涉图或干涉相位图。
2R1B
（1-8）
利用式（1-6）—(1-8)，根据图 1 的成像几何关系，可推出目标点 P 的高程 H 与干涉
相位φ的函数关系如下：
h

H

R1 cos

H

2
B
2
-(
4

)2
cos
+2 B sin( )
（1-9）
根据上式，再结合卫星的轨道参数信息和影像的相位信息即可反演出地面点的高程信
2.3 干涉图生成
配准后的主从影像进行复共轭相乘即得到干涉条纹图，干涉图各像元仍用复数表示， 复数的模表示强度，幅角表示干涉相位，如下式所示，只是[ , ) 之间的主值，需要做解
缠处理恢复真实相位；干涉图的质量可用相干系数衡量

E[u1

u
* 2
]
[0,1]
E[ u1 2 ]E[ u2 2 ]
2.2 影像配准及重采样
高精度的配准（优于 0.1 像元）通常采用从粗配到精配的逐级配准策略，首先是基于 轨道信息结合成像几何关系进行粗配准，配准精度为几个像元，然后在从影像上对应于主 影像上一个像元的区域内开窗逐一搜索与该像元相关系数最大的即为在从影像上的对应像 元，达到像元级的配准，之后将主从影像进行过采样重复上述配准即可达到亚像元级的配 准，最后将上述得到的配准关系对像元位置进行多项式拟合，利用拟合所得多项式将从影 像重采样到主影像空间即完成配准过程。
合成孔径雷达干涉相位图包含了 2 次成像时雷达天线到目标的传播路径长度差异信 息，传播路径的长度一般受到卫星测量位置、测量时间以及大气状况等改变的影响。因为 雷达两次成像期间，目标点发生了形变，再考虑进外界环境的变化，干涉图中的相位就会 包含有多个相位贡献。
图 2 差分干涉测量几何示意图
图 2 给出了差分干涉测量几何示意图，其中雷达视向与雷达轨道方向正交。在重复轨
2.7 相位解缠
原始干涉相位只是位于[ , ) 之间的主值，存在整周模糊问题，为了恢复真实的相位 值需要在此基础上加上 2 的整数倍，此过程称为相位解缠，原始观测相位与真实相位之 间存在如下关系
w W mod ,2
在理想情况下解缠过程可通过简单的积分运算实现，而由于噪声的存在、去相关现象 加之复杂地形导致的成像阴影与迭掩等的存在，使得相位解缠过程变得异常复杂；二维相 位解缠要兼顾两个方面：一致性和精确性。一致性是指解缠后任意两点之间的相位差与积 分路径无关，精确性是指解缠后的相位能真实的恢复绝对相位；目前常用的解缠算法可分 为两类：基于路径积分的解缠算法和基于最小二乘的相位解缠算法；另外相干图可以作为 解缠处理的引导，对相干性较低的区域进行掩模、避开大量残差点对整体解缠的精度会有 所提高。
2.8 形变结果转换与地理编码
将差分干涉结果利用公式 def

-
4
r 转成形变量，此时还是雷达坐标系系，还需要
进行地理编码。地理编码是 InSAR 处理流程的最后一步，是将前期处理得到的雷达坐标系
下的结果转化为地理坐标系的过程。进行地理编码主要出于以下目的：纠正由地形起伏造
成的 SAR 影像几何变形、与已有地理坐标系下的其他资料进行比较和融合。通常采用距
2
R 2 a r g {U 2 }
（1-5）
上式中右边第一项为雷达到地面目标点的斜距所产生的相位，第二项为地物本身后向 散射特性所产生的相位，它是一个随机变量。系数“2”表示收发双程，如果针对的是单天 线接收模式，则不需要乘 2；λ表示雷达波长；arg{U1} 和 arg{U2}为不同散射特性形成的 随机相位。如果在雷达两次观测时间内地物的散射特性没有发生变化，即不存在时间失相 关，则两次回波信号的散射相位相等。这时两回波信号的相位之差（干涉相位）可表示如 下：
目前，InSAR 地表形变监测技术方法有：常规差分干涉测量（D-InSAR）技术、时序 分析（PS-InSAR/SBAS-InSAR）技术方法等。
2 D-InSAR 沉降监测处理过程
目前，利用 D-InSAR 方法进行地面沉降监测，其数据处理技术发展较为成熟，其所 需的数据量较少（至少两景），要得到地表形变相位，需要去除椭球参考面、地形、噪声 等相位。根据地形相位的去除方法不同又可分为二轨法、三轨法、四轨法。二轨法是利用 已知的 DEM 来消除地形相位，从而获得地表形变相位，首先根据雷达成像参数及几何关 系把外部 DEM 模拟转换到 SAR 影像坐标系，将干涉处理得到的相位减去模拟的相位，这 样就得到去除地形相位后的形变相位，二轨法是目前 D-InSAR 常用处理方法。
合成孔径雷达干涉测量（InSAR）是利用对同一地区观测的两幅 SAR 复影像数据进行 相干处理，通过相位信息获取地表高程信息及形变信息的技术。根据成像时间分类， InSAR 可以分为单次轨道和重复轨道两种模式。单次轨道干涉是指在同一机载或星载平台 上装载两幅天线，其中一幅天线发射信号，两幅天线都接受地面回波信号，并利用获取的 数据进行干涉处理。重复轨道干涉是指同一传感器或相似传感器按照平行轨道两次对地成 像，分别发、收信号，利用得到的数据进行干涉处理。目前，常说的 InSAR 地表形变监测 通常为星载 SAR 重复轨道模式。