SAR干涉技术与干涉系统

四个星载SAR干涉测量技术
1.干涉SAR(InSAR)测量
把以DEM 测量为主要应用的SAR干涉测量技术称为InSAR技术。

它利用雷达向目标区域发射微波，然后接收目标反射的回波，得到同一目标区域成像的SAR 复图像对，若复图像对之间存在相干条件，SAR复图像对共轭相乘可以得到干涉图，根据干涉图的相位值，得出两次成像中微波的路程差，从而计算出目标地区的地形、地貌以及表面的微小变化，可用于数字高程模型建立、地壳形变探测等。

2.差分SAR干涉( D-In SAR)测量Differential SAR Interferometry 1993 年Massonnet 等人在《自然》上发表了研究1992 年在美国加州的Landers 的地震学术论文，用“两轨法”差分干涉测量技术获取的相对精度达毫米级的地震形变图像，在国际学术界引起轰动。

随后又提出“三轨法”差分干涉测量技术。

“两轨法”差分干涉测量技术无需进行相位解缠，但需要额外的DEM 数据信息，可能在引入DEM数据的同时引入误差。

“三轨法”无需而外的DEM信息，数据间的配准也较易实现。

D-In SAR技术不仅用于地震形变监测，还用于火山活动检测。

3.永久散射体SAR干涉( PS-In SAR)测量Permanent Scatter SAR Interferometry 1999年，Ferretti 提出PS-In SAR。

通过提取时间序列上保持稳定的ps点和对其相位进行时间、空间上的分析、分解，得到了包括
高程修正量、地表运动率、大气相位和地表相位在内的多个相位成分。

永久散射体是指在长期保持较高相干性且体积小于像元尺寸的散射体。

PS-In SAR最大程度上降低了大气效应对SAR干涉测量的影响，提高了SAR数据的利用率和处理精度。

PS-In SAR空间采样率高，测量精度高，大面积测量成本低，GPS时间采样率高，水准测量结果可靠性高。

PS-In SAR在地表沉降方面具有很好的效果。

Ferretti 等人在IEEE遥感杂志上提出Squee SAR技术，不仅能够处理ps 点，还可以对面目标进行识别和处理。

4.极化SAR测量( Pol-In SAR) Polarimetric SAR Interferometry
Pol-In SAR技术集极化技术和雷达干涉测量技术于一身，具有极高的理论意
义和使用价值。

1998年Cloude等系统阐明了Pol-In SAR相干最优算法和基于相干最优目标分解理论，为其奠定了理论基础。

森林高度估计是Pol-In SAR的一个重要的应用。

Pol-In SAR技术还未成熟，还需要进一步发展与完善
SAR干涉测量技术的国际前沿美国喷气动力实验室（Jet Propulsion Laborato，ryJPL 斯坦福大学小组Goldstein Zebker L等i 德国宇航中心研究小组Bamler Einder等意大利米兰理工大学小组Roca Ferretti等加拿大遥感中心小组Gratelli Gray 瑞典的GAMMA 软件公司Wegmuller为代表法国宇航局Massonnet为代表四个星载SAR干涉测量系统
SAR 干涉测量系统利用多副天线对目标的同时观测或单天线重访观测得到满足干涉条件的多副SAR图像，在通过SAR干涉测量数据处理，实现DEM 测量等功能。

1.美国的SEASAT系统
1978 年发射的SEASAT是世界上第一颗民用星载SAR系统。

SEASAT工作在L波段，HH极化，入射角为23度，分辨率为25m*25m,由美国国家航空航天局（NASA）研制并送入太空。

由于供电问题，它的在轨道时间仅为105 天。

2.欧洲遥感卫星European Remote Sensing Satell iEteRS -1/2 ERS-1由欧空局（ESA）研制，工作在C波段，HH极化收发，轨道从访周期为35天。

2000年，由于平台故障停止工作。

1995年，欧空局成功部署ERS -2，它与ERS -1的雷达参数相同。

在他们同时工作的1995.04-2000.03，欧空局将ERS -1/2 按照SAR干涉测量要求进行轨道调整和控制，使他们按照串行方式以一天的时间间隔重访同一区域。

这种方式使得其获得了相干性较高的SAR数据，从而使系统具有较好的SAR重复轨道干涉测量能力。

缺点：单星重访干涉系统具有数据时间去相干，基线测量精度无法保证等问题
3.航天飞机雷达地形测绘系统Shuttle Radar Topography Missi
oSnRTM 2000 年2 月11-12 日，美国NASA和国家影像与测绘局
（NIMA）进行为期
11 天的SRTM，用航天飞机将SAR带向太空，进行全球范围内的地面高程测量。

SRTM拥有两套天线，分别位于航天飞机的机身和一根长60m的桅杆顶部，
前者用于发射和接收雷达信号，后者专司信号的接收。

SRTM系统是专门为SAR干涉测高而设计的单航过双天线系统，采用ScanSAR 成像模式和InSAR测高技术，在11 天内完成了从北纬56 度到南纬60 度区域的地形测绘任务。

（覆盖全球约80%的陆地面积）SRTM系统是第一部也是目前唯一一部单平台双天线星载SAR干涉测量系统，也是第一步实用星载SAR 干涉测量系统，首次完成了除高纬地区以外全球范围内的三维地形测绘，具有较高的精度。

缺点：单星双天线系统的基线长度较短且不能够调整
4.德国Tan DEM-X系统多星编队系统是星载SAR干涉的必然选择：多行编队使得干涉测量基线可以根据任务能够灵活调整，而单航过同时观测有保证数据具有较好的相干性。

德国Tan DEM-X系统是分阶段部署的。

2007年6 月15 日，德国空间局（DLR）的首颗民用的SAR卫星TerraSAR-X卫星顺利升空。

工作于X 波段，中心频率为9.6GHZ，设计寿命为5 年，可在高514 千米的极轨道上环绕地球，用有源天线昼夜搜集雷达数据，利用宽带成像技术达到高于1 米的分辨率。

2010年6月21日，第二颗TerraSAR-X卫星顺利升空。

两颗星按螺旋轨道构形组成双星编队，由于卫星平台上装有双频GPS接收机，其三维基线测量精度可达到1-2毫米。

Tan DEM-X目前已经完成了第一次全球覆盖，获取DEM产品的设计指标为相对测高精度为2m，绝对测高精度为10m，水平定位精度为10m。

该系统是目前投入运行的唯一一部双星编队SAR干涉测量系统，在硬件系统和信号处理方面都处于全球SAR干涉测量领域前沿，代表了目前星载SAR干涉测量的最高水平。

我国星载SAR的发展
2006年4月，我国发射了遥感一号雷达卫星，工作在L波段，HH极化，29 天重复全球一次，入射角可调，4 视，空间分辨率20m，观测带宽为100 公里，填补了我国在航天雷达遥感方面的空白。

阻碍星载SAR干涉测量技术发展的难点问题
1.数据低相干问题
两幅SAR图像低相干是指图像中有同名像素点构成的随机变量互相关过小数据低相干会导致干涉条纹相位噪声过高，干涉测量精度低。

平均相干系数低于0.7的SAR图像就失去了高精度DEM测量应用价值。

在实际数据中，
运用掩膜法，掩膜法就是在数据处理过程中只处理数据相干性区域，对数据相干性较小的区域加以屏蔽。

这种方法在增强整体干涉测量算法鲁棒性的同时会造成掩膜区域相位数据的缺失和相位图中无法解缠的孤立区域。

采用星载双天线单通过系统能保持较高的数据相干性，采用波长较长的雷达系统能够使SAR 数据保持长时间的相干性。

原因有时间去相干，基线去相干，频率去相干等
2.相位解缠PU
相位解缠是将相位由主值（区间为（-π，π］）恢复为真实相位值的过程。

相位解缠成为SAR干涉测量难点的原因：
SAR的空间分辨率很高，但侧视成像特性使其在地形复杂区域（如陡峭迎坡）采样率严重不足，导致干涉相位信号失真，从而阻碍这些区域连续地表相位的重建。

低相位区域严重的相位噪声会影响干涉相位信号的连续性，导致相位解缠失败。

河流、道路等低相干场景的分割，使得场景待解缠相位连续性中断，无线无法缠绕的孤立区域。

相位解缠分为两类：路径跟踪法和最小范数法
路径跟踪法包括枝切线法、区域增长法，最小生成树法等，枝切线法通过对SAR干涉相位图中可能导致相位解缠误差的“残差点”的识别和处理减小解缠误差，再通过路径积分得到相位解缠。

区域增长法，首先选定一些基准相位区域，在这个区域内进行相位解缠，再用区域增长方法确定相邻区域的相位解缠，最后将所有分块区域以某种最优准则加以连通，完成那个整体解缠。

本方法稳健性较好，由于采用了逐点求解，算法的速度较慢。

最小生成树法，首先确定相位图中连通区域，并在连通区域内进行基于泰勒展开的相位解缠，在沿着最小生成树确定的积分路径进行区域间的相位解缠，从而恢复整体相位解缠，该方法稳健性较好，工作量较大。

总体上来看，路径跟踪法以相位积分方式处理解缠问题，局部处理精度较高，但在相位噪声严重的情况下，会出现不可解缠区域和鳞状相位解缠误差区域。

最小范数法将相位解缠问题转化为最优化问题来求解。

常用的是二优化准则。

最小范数法采用全局优化策略处理相位解缠问题，总是能够得到解缠结果，但解缠相位可能产生失真，误差不可控。

目前还没有找到一种兼顾局部高精度相位恢复与整体误差小的方法。

新SAR干涉测量，在距离向，方位向，加入时间维变量，产生三维相位解缠问题，更难计算。

3.大气效应
雷达信号延时和传播路径弯曲是大气对雷达波影响的两个方面。

对SAR 的
感测测量系统，前者影响较大，通常用大气相位延迟来代表大气效应。

星载SAR需要两次穿越大气层，不同海拔高度的不均匀介质会使微波信
号的传播路径发生改变，从而导致相位延迟(APS)。

研究表明，雷达波在穿越大气是会产生几米的延迟，并有几十厘米的变化
消除大气效应( Aps)对SAR干涉测量的影响两种主要方法：相位校正法和相位积累法。

相位校正法用外部大气数据来消除APS,缺点是依赖当地GPS网观测数据。

相位积累法主要通过对大量干涉图序列的分析来得到各个干涉相位图中APS差值，并在随后的处理中加以消除，包括PS-In SAR，对场景相干性保持能力较好的序列能去的较好的效果。

该方法实现过程复杂，对SAR干涉测量数据处理能力要求较高。