雷达干涉测量

雷达干涉测量大作业

学院：电子工程学院

班级：1402071

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一、简述干涉SAR的基本原理，处理步骤，有哪些工作模式，处理中存在哪些难点，以及InSAR的应用领域。并从原理上说明立体几何量测与干涉成像在对地观测精度的不同。

1.基本原理

图1.InSAR成像几何示意图（如果地表无形变）

s1(R)=u1(R)exp(i∅(R)) （1）

s2(R+∆R)=u2(R+∆R)exp(i∅(R+∆R)) （2）

R+arg{u1}（3）

φ1=22π

λ

(R+ΔR)+arg{u2}（4）

φ2=22π

λ

ΔR)（5）

s1(R)s2∗(R+ΔR)=|s1s2∗|exp i (φ1−φ2)=|s1s2∗|exp (−i4π

λ

ϕ=−4π

ΔR+2πN N=0,±1,±2,⋅⋅⋅（6）

λ

图2.InSAR成像几何示意图（如果地表无形变）

sin(θ−α)=(R+∆R)2−R2−B2

2RB

（7）

z=H−R cosθ（8）

∆R≈B sin(θ−α)+B2

2R

（9）

θ=α−arcsin[λϕ

4πB

]（10）

如果知道天线位置参数和雷达成像系统参数，就可以从相位中计算出地表的高程值。

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.处理步骤

图3.处理步骤

InSAR工作模式主要有单航过模式、多航过模式(RTI)。而单航过模式又分为XTI

模式和ATI模式，下面逐一介绍；

①XTI：单航过模式中的XTI是一个平台载两幅天线（或者两平台编队）且天线方

向为横向，即与轨迹垂直，如SRTM。

②ATI：单航过模式中的ATI是一个平台载两幅天线（或者两平台编队）且天线方

向为顺轨道方向，即与轨迹平行，如Tan_DEM。

③RTI:多航过模式为一个平台载一幅天线在同一轨道上、一定时间间隔内重复飞

行多次，如ERS—1/ERS—2。

4.处理难点

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。

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。

5.应用领域

SAR技术不仅能应用于测绘学如地形测绘、DEM生成，还能应用于专题制图如农业、林业制图，D InSAR技术更可用于监测cm级或更微小的地球表面形变，以揭示许多地球物理现象，如地震形变、火山运动、大气变化、冰川漂移、地面沉降以及山体滑坡等。

6. 立体几何量测与干涉成像在对地观测精度的不同

立体几何测量即单纯应用雷达的距离测量值通过余弦定理求解高程。

r2-r1=-Bsin（θ-ɑ）；斜距分辨率越高，r2-r1的测量精度越高。而高程的分辨率或者测量精度取决于斜距和基线的比r/B，在SAR成像系统中，一般r>>B，r2-r1的微小误差就会放大后传递给高程值。所以立体几何测量的精度不高而且容易引起误差。

三、简述InSAR相位滤波的基本原理，并实现均值滤波及坡度补偿的自适应滤波方法。设置不同窗口大小进行相位滤波，比较滤波结果的不同，得出窗口大小和滤波

质量之间关系的结论。

干涉图滤波的实现要求既能保持较好的相位信息，又能有效地去除相位斑点噪声。目前，干涉相位的滤波方法很多，大体分为2种：一种是空间域滤波，即直接在图像

空间上进行滤波，如传统的均值滤波法、圆周期均值滤波法等;另一种是频率域滤波，

即非图像域进行滤波，基于局部坡度(LocalSlope)的自适应滤波方法等。

均值平滑滤波

均值平滑滤波是一种低通滤波器，它首先在图像上选取一个像素点，在这个像素

点周围取一个窗口，通常选取较小的窗口，计算在这个窗口内所有点的平均相位值，

并且用这个平均相位值替换该窗口内中心像素点的相位值。这样就可以起到平滑的作用。对于干涉图数据，若平滑窗口的大小为M×N，则滤波后的数据表示为：

ψij =1

MN

∑∑ψ

mn

N

n−1

M

m−1

（11）

式中，ψ

mn

为干涉图中（m，n）点处的相位值；

m、n分别表示行数和列数；

ψ

ij

是均值滤波后的相位值

坡度补偿的自适应滤波

1998年Lee等人提出了一种基于局部坡度(LocalSlope)的自适应滤波方法,其基本思路是:

(1)在局部窗口进行相位解缠估计局部的坡度值,坡度值大的地方,条纹密集,取较小的滤波窗口;坡度值小的地方,条纹稀疏,则取较大的平滑窗口。

(2)在条纹边缘处,采用非矩形窗口,沿边缘方向进行滤波。

(3)实施滤波可以在解缠后的相位图上进行或者在复数信号上进行。