微波遙感課件-InSAR原理及應(yīng)用2013

1、InSAR原理與應(yīng)用地理國(guó)情監(jiān)測(cè)利用大地測(cè)量、衛(wèi)星雷達(dá)干涉測(cè)量（InSAR）、時(shí)間序列InSAR等技術(shù)手段，結(jié)合已有的CORS站網(wǎng)、一、二等水準(zhǔn)測(cè)量成果、以及部分城市地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)，開(kāi)展全國(guó)41個(gè)存在大面積沉降的特大城市城區(qū)、六大重點(diǎn)區(qū)域、形變易發(fā)區(qū)的地表形變監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)地表形變的的速率、范圍和形變中心，分析其變化特點(diǎn)和規(guī)律。地理國(guó)情監(jiān)測(cè)工作已全面啟動(dòng)，計(jì)劃用時(shí)4年，到2015年12月全面完成我國(guó)地理國(guó)情普查和典型地理國(guó)情監(jiān)測(cè)工作，建成地理國(guó)情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，服務(wù)于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。InSAR (Interferometric SAR):是以SAR雷達(dá)天線(xiàn)記錄到的回波信號(hào)為信息源，利用干涉測(cè)量技術(shù)獲取地

2、球表面的三維地形、地表形變和地物特征變化等信息的一種測(cè)量技術(shù)。InSAR是SAR的一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。InSARAlong Track順軌InSAR分類(lèi)Across Track交軌Repeat PassInSAR應(yīng)用領(lǐng)域5.6 cm780 km振幅：目標(biāo)物的反射特性，是雷達(dá)波參數(shù)和目標(biāo)物參數(shù)的函數(shù)振幅影像特征相位相位：雷達(dá)天線(xiàn)與目標(biāo)物間雙程距離中不足整周的部分相位：雷達(dá)天線(xiàn)與目標(biāo)物間雙程距離中不足整周的部分路徑差（相位偏差）5.6 cm780 km重軌InSAR工作原理單視復(fù)影像Single look complex (SLC)InSAR基本原理InSAR幾何關(guān)系遠(yuǎn)場(chǎng)情況下：InSAR基本原理上

3、式左邊表示鄰近像素的干涉相位差，右邊第一項(xiàng)表示目標(biāo)高程變化引起的相位，右邊第二項(xiàng)表示無(wú)高程變化的平地引起的相位，稱(chēng)之為平地相位(flat phase)。InSAR基本原理InSAR基本原理模糊高度：相位變化2對(duì)應(yīng)的高程變化 模糊高度與DEM的精度成反比 模糊高度與垂直基線(xiàn)距成反比 存在極限基線(xiàn)距的限制 模糊高度與雷達(dá)波長(zhǎng)成正比InSAR基本原理InSAR基本原理相位：雷達(dá)天線(xiàn)與目標(biāo)物間雙程距離中不足整周的部分1st Time2nd Time當(dāng)?shù)乇頍o(wú)形變重軌InSAR工作原理相位：雷達(dá)天線(xiàn)與目標(biāo)物間雙程距離中不足整周的部分1st Time2nd Time當(dāng)?shù)乇戆l(fā)生形變重軌InSAR工作原理InS

4、AR基本原理視線(xiàn)向的形變1周視線(xiàn)向形變等于半個(gè)物理波長(zhǎng)InSAR基本原理對(duì)形變的敏感度是地形的1000+以上地表變化探測(cè)，選擇什么樣的基線(xiàn)？最優(yōu)基線(xiàn)InSar處理一般流程=0 完全去相干; =1 完全相干; 0 1相干系數(shù)相干系數(shù)：相干性的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)；兩個(gè)電磁波如果他們的相位之間存在一定的關(guān)系，那么它們就是相干的。 分辨單元內(nèi)散射體回波信號(hào)矢量疊加理論計(jì)算公式窗口估計(jì)法計(jì)算公式相干系數(shù)與干涉相位的精度有關(guān)。在散射體高斯分布的假設(shè)下，有干涉相位的概率密度函數(shù)為： 左圖是干涉相位的概率密度曲線(xiàn)，右圖是相位標(biāo)準(zhǔn)差隨相干系數(shù)和估計(jì)窗內(nèi)像素個(gè)數(shù)的關(guān)系圖。當(dāng)相干系數(shù)增加時(shí)，相位分布更加集中于期望值，也就

5、是說(shuō)相位噪聲減少，相位更準(zhǔn)確。相干系數(shù)相干系數(shù)Sources of decorrelationTemporal decorrelation: caused by physical changes in the terrain and atmosphereBaseline or geometric decorrelation: caused by the difference in the incidence angles between the two acquisitionsDoppler centroid decorrelation: 斜視角不同導(dǎo)致多普勒頻率偏移，主要針對(duì)ERS-1/2

6、Volume decorrelation ：森林，建筑群Thermal or system noise ：成像系統(tǒng)Processing induced decorrelation：配準(zhǔn)，重采樣Among them, temporal decorrelation and geometric decorrelation are the main sources which affect InSAR retrieving DEM相干系數(shù)Temporal decorrelation在兩幅SAR獲取期間，地面目標(biāo)散射相位的變化和大氣變化都將會(huì)引起相位誤差，導(dǎo)致相干性的降低季節(jié)變化導(dǎo)致的植被，水域變化人工

7、翻耕人工建筑大氣狀態(tài)變化大氣影響是干涉處理過(guò)程中非常重要而往往被忽略的去相干性因素；地球大氣層并不是真空，隨高度變化表現(xiàn)為一種分層介質(zhì)，各層都具有一定的折射率，電磁波在其中穿透時(shí)，速度不等于光速，路徑發(fā)生彎曲，因此大氣對(duì)電磁波傳播是有延遲的。在干涉處理時(shí)，一般假設(shè)大氣為真空，忽略了大氣延遲，從而在干涉相位中引入了附加路徑造成的大氣相位。 大氣影響氣壓、溫度和濕度的變化是干涉相位中大氣影響相位的主要原因；研究表明，一般，兩次成像時(shí)大氣延遲變化量在幾個(gè)厘米范圍內(nèi)變化。當(dāng)大氣相位差超過(guò)地形相位或形變相位時(shí)，就可能掩埋掉地形相位或形變相位，導(dǎo)致兩幅圖像的去相干。關(guān)于大氣對(duì)干涉圖的影響，研究人員進(jìn)行了大

8、量研究：零基線(xiàn)距估計(jì)采用GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)估計(jì)據(jù)Hanssen(2001)，對(duì)于單幅SAR圖像中的像元k，在SAR成像的 ti 時(shí)刻，斜距方向的大氣延遲(單位為m)可表示為：大氣層流體靜力學(xué)延遲2.3m左右穩(wěn)定 對(duì)流層折射率的濕空氣延遲 0.3m左右不穩(wěn)定電離層延遲 幾十米量級(jí)穩(wěn)定液態(tài)水延遲4mm左右 不穩(wěn)定 大氣影響干涉處理的兩幅SAR圖像，由于對(duì)地成像時(shí)入射角不同，在距離向地物頻譜投影到數(shù)據(jù)頻譜時(shí)出現(xiàn)偏移。主輔圖像數(shù)據(jù)譜對(duì)應(yīng)地物譜的公共部分具有相干性，而非公共部分是去相干性成分。幾何去相干-空間基線(xiàn)主輔圖像雷達(dá)回波信號(hào)的頻率差：由于雙程，SAR 圖像一個(gè)周期相位對(duì)應(yīng)的斜距為/2，對(duì)應(yīng)的地面波長(zhǎng)

9、為：對(duì)于同一地面波長(zhǎng)，在主輔圖像不同的入射角下，回波信號(hào)的波長(zhǎng)分別為：其中，在 處泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)后，有：偏移頻率：與垂直基線(xiàn)距正比例關(guān)系，當(dāng)偏移頻率等于數(shù)據(jù)帶寬時(shí)，垂直基線(xiàn)達(dá)到臨界值。幾何去相干-空間基線(xiàn)常用的SAR軟件荷蘭Delft DORIS (Unix/Linux/Cygwin)http:/doris.tudelft.nl/Doris_download.htmlCaltech ROI_PAC (Unix/Linux)http:/projects/ROI_PAC瑞士GAMMA (Unix/Linux/Cygwin)http:/www.gamma-rs.ch/ENVI SARSacpe (Wi

10、ndows)/language/en-us/productsservices/envi/sarscape.aspx加拿大Earth View (Windows/Solaris)http:/ApolloTG/products/earthview.htm配準(zhǔn)基于軌道參數(shù)給出初步配準(zhǔn)信息粗配準(zhǔn)精配準(zhǔn)配準(zhǔn)的目的找到同名點(diǎn)，使得配準(zhǔn)的主要方法窗口匹配搜索InSAR處理流程Slave ImageInSAR處理流程InSAR處理流程InSAR處理流程InSAR處理流程InSAR處理流程InSAR處理流程通常，圖像的配準(zhǔn)誤差必須在1/8個(gè)像元以下才對(duì)干涉紋圖的質(zhì)量沒(méi)有明顯的影響生成干涉圖InSAR處理流程配準(zhǔn)

11、后的圖像對(duì)進(jìn)行復(fù)共軛相乘就得到了復(fù)干涉紋圖InSAR處理流程平地相位消除P為什么要消除平地相位？即使是平地也會(huì)產(chǎn)生距離差，從而產(chǎn)生相位差。平地相位消除方法直接計(jì)算，主輔SAR圖像上同一點(diǎn)成像時(shí)，對(duì)應(yīng)的主輔衛(wèi)星位置，計(jì)算斜距差，從而得到平地相位平地相位的計(jì)算 衛(wèi)星軌道的模擬三次多項(xiàng)式擬合；自然樣條函數(shù)擬合； 平地模型的選擇平地；球體；參考橢球體Step1. 利用主衛(wèi)星軌跡，及斜距，求軌道上一點(diǎn)已知一軌跡上的一點(diǎn)，求另一軌跡上的 點(diǎn)使其距離為RStep2.過(guò)已知軌跡外一點(diǎn)做軌跡的垂線(xiàn)，求其垂足的坐標(biāo)InSAR處理流程InSAR處理流程去地形影響在InSAR處理基礎(chǔ)之上，消除地形相位，獲得地表形變相

12、位信息。兩軌法，外來(lái)DEM模擬干涉相位，獲得地形相位信息三軌/四軌法，由未有形變的干涉SAR圖像對(duì)獲得地形相位信息InSAR處理流程InSAR處理流程干涉圖DEM模擬相位形變相位干涉圖濾波 由于干涉相位圖一般都受到了系統(tǒng)噪聲和相干斑噪聲的影響，使得相位值偏離其所反映物理量的真實(shí)值，這將嚴(yán)重影響下一步相位解纏的準(zhǔn)確性圓周期中值/均值濾波法加權(quán)圓周期中值濾波Goldstein 濾波及其改進(jìn)方法干涉圖濾波原始干涉圖圓周期均值圓周期中值加權(quán)圓周期Goldstein改進(jìn)的Goldstein干涉圖濾波影像 B: 080201影像 A: 07112320080109，西藏改則地震干涉圖 = 相位 A 相位

13、B振幅相位InSAR處理流程1 個(gè)條紋 = 2.83 cm相位解纏InSAR處理流程相位解纏為什么要進(jìn)行相位解纏？ReImInSAR處理流程定義相位解纏：一切將相位由相位差值或主值恢復(fù)為真實(shí)值的過(guò)程數(shù)學(xué)描述給定一個(gè)二維相位矩陣i,j，為了解纏該矩陣，需要對(duì)每個(gè)點(diǎn)(i,j)加上或減去2的整數(shù)倍從而得到一個(gè)連續(xù)的函數(shù)i,j，即解纏條件一致性：任意兩點(diǎn)間的相位差與路徑無(wú)關(guān)精確性：解纏后相位忠實(shí)地恢復(fù)原始相位函數(shù)相位解纏參考書(shū)目舒寧，雷達(dá)影像干涉測(cè)量原理，武漢大學(xué)出版社王超，星載合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量，科學(xué)出版社廖明生，雷達(dá)干涉測(cè)量：原理與信號(hào)處理基礎(chǔ)，測(cè)繪出版社張紅，王超，吳濤，基于相干目標(biāo)的DInSAR方法研究，科學(xué)出版社李平湘，楊