雷达干涉测量原理与应用.doc

本科学生毕业论文

雷达干涉测量原理与应用

黑 龙 江 工 程 学 院

The Graduation Thesis for Bachelor's Degree

Principles and applications of radar interferometry

Heilongjiang Institute of Technology

The Graduation Thesis for Bachelor's Degree

Principle of Radar Interferometry and Its application

Heilongjiang Institute of Technology

黑龙江工程学院本科生毕业设计

摘 要

本文综述卫星雷达干涉测量和差分干涉测量的基本原理及其应用。介绍各种干涉模式下的雷达干涉测量原理、差分干涉测量原理和数据处理流程。在简要叙述雷达干涉测量应用领域后，重点列出InSAR在地形测量、火山地形测量和D-InSAR在地形沉降监测中的应用。
合成孔径雷达(SAR)是一种微波相干成像方法，应用不同波段的雷达信号可以对地球表面不同的散射特性成像。合成孔径雷达干涉(InSAR)是将两个不同轨道位置或不同时间获得的复数SAR数据进行相位差分处理，从这些差分干涉数据中可以提取特别有用的信息，用于绘制地形图，测量诸如地震、火山、冰川运动等造成的地形变，研究植被覆盖特性、洋流等。介绍了InSAR的基本原理与应用，并对影响干涉结果的一些重要因素进行了分析。
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar， SAR)遥感是近十年来遥感技术发展的前之一，差分干涉测量(D-InSAR)又是SAR遥感技术的一个重要方面，是精密地形测绘、微小地表形变测量的重要手段之一。与传统的光学遥感技术相比较，干涉SAR技术具有不受到云雨天气因素的限制，可以全天时全天候的进行监测的特点，因此，对于云雨天气较多的南方地区，在形变监测方面具有非常重要的科研价值和现实意义。

关键词：雷达干涉测量；雷达差分干涉测量；相位解缠；永久散射体；地表沉降

ABSTRACT

The principles and applications of interferometric SAR anddifferential interferometric SAR are overviewed. Various patterns of principles of interferometric SAR, after briefly introducing the application fields of InSAR, much attention is paid to the applications of InSAR to terrain surveying, volcanic terrain surveying and D-InSAR to monitoring groan.
Synthetic aperture radar (SAR) is a coherent active microwave imaging method. In remote sensing it is used for mapping the scattering properties of the Earth’s surface in the respective wavelength domain. Interferometric SAR (InSAR) exploits the phase differences of at least two single looking complex SAR images acquired from different orbit position and/or at different times. The information derived from these interferonmetric data sets can be used to measure several geophysical quantities,such as topography，deformations caused by earthquake,volcanoes,ice fields,glacier flows and ocean currents,vegetation properties,etc.This paper introduces the basic principles of InSAR and its application. Some factors that affect the quality of interferonmetric products are generally analyzed.
SAR (Synthetic Aperture Radar) remote sensing is one of the most advanced fronts in development of remote sensing technology, in which D-InSAR (difference interferometric SAR) technique plays one important aspect. D-InSAR is one of the most important methods on precise topographical survey small deformation survey, etc. Compared with traditional optical remote sensing method InSAR technology, not limited to influence of weatherfactor can monitor whenever, regardless of the time and the season. Therefore to rainy south areas interferometric SAR technology has special research value and practical significance in the deformation monitor filed.

Key words: SAR interferometric;D-InSAR;Phase Unwrapping;Permanent Scatters;
Land Subsidence
I
黑龙江工程学院本科生毕业设计

目 录

摘要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 1
1.1概述 1
1.2 InSAR技术的发展 1
1.3课题基本内容、拟解决的主要问题 4
1.4课题研究技术路线或研究方法 5
第二章 雷达干涉测量原理 6
2.1 InSAR干涉基本原理 6
2.2 D-InSAR干涉测量原理 9
2.3 PS InSAR技术 12
2.4本章小结 13
第三章 雷达干涉测量技术 14
3.1雷达干涉测量技术 14
3.2 InSAR数据与处理流程 14
3.3差分干涉测量技术 17
3.4本章小结 18
第四章 雷达干涉测量的应用 19
4.1主要应用领域 19
4.2实验区及数据处理 24
4.3本章小结 30
第五章 InSAR测量技术的实用研究 31
5.1工程概述 31
5.2数据处理 32
5.3结论及其将来工作 33
5.4本章小结 34
结论 35
参考文献 37
致谢 38

第一章 绪 论

1.1 概述
20世纪90年代崛起的合成孔径雷达干涉测量是最新的空间对地观测技术，它是利用雷达相干性，即利用地面位置的变化，自动快速准确地获取地面地物的影像，通过数据处理获得地面的DEM(数字高程模型）。它不受日照和天气条件的限制，可全天候观测，对某些地物具有一定的穿透能力，又可提供几天到几年的地形变场信息，而且在测定地形时是以密集的二维空间取样。
近年来空间对地遥感技术特别是卫星雷达测量技术得到迅猛发展，其中卫星雷达干涉测量方法进入到一个新高度，可利用卫星雷达差分干涉测量来探测地表的微小地形变化。差分干涉雷达技术是在雷达干涉测量技术基础上发展起来的迄今为止独一无二的高精度形变监测遥感手段，探测精度可以达到毫米级，已在研究地震变形，火山运动，冰川漂移，山体滑坡，地面沉降等方面表现出良好的应用前景。
1.2 InSAR技术的发展
InSAR技术是以SAR卫星的图像进行干涉处理而发展起来的。该技术起源于美国宇航局(NASA)的喷气推进实验室(JPL)。早在20世纪50年代末就开始研制成功合成孔径雷达，20世纪60年代末就利用InSAR技术观测金星和月球。1978年6月28日第一颗雷达卫星(Seas-1)携带了L波段的合成孔径雷达发射升空，开始了InSAR技术在全球地形制图、环境监测和减轻自然灾害等方面的应用。20世纪90年代后，SAR卫星发展迅猛，以德国、英国、法国、意大利等12个成员国组成的欧洲空间局（ESA)于1991年利用火箭成功地发射了欧洲的地球资源卫星ERS-1为InSAR技术应用及其数据处理等方面的研究提供了可能，尤其是1995年4月发射的ERS-2卫星以及俄罗斯发射的Amaze/A卫星、加拿大发射的RADARSAT卫星(C波段）、日本发射的JERS-1卫星(L波段），为全球提供了丰富的雷达干涉测量数据。
国内有关单位已经对InSAR和D-InSAR技术进行了研究。在影像配准、干涉图形成、相位展开及三维地形图的制作等方面进行合作，开展更全面更深入的研究，将使InSAR技术更好地为我国军事、经济和科技进步服务。
InSAR技术不仅可以利用其基线参数派生大范围的反映地形起伏的数字高程模型，而且还可以使用二次差分干涉相位图及基线数据估计地表形变量，高分辨率、连续空间覆盖能力、高精度等特征已吸引了众多学者。日本、美国、意大利等国的学者已利用InSAR图像成功地进行了火山、地震灾害的形变监测及冰川和冰流运动的地表变化研究。
空间测量技术的组合将使InSAR具有更广阔的应用前景。美、意宇航局联合地形科学工作组通过重新审查地形数据和编算高分辨率地形数据集，得出如下结论：InSAR技术与激光测高仪配合，将是改进地形数据质量最有希望的途径。欧洲空间局在未来InSAR系统实施方案中，采用多波段、多极化、多视角、多传感和串接飞行方式服务，在其长、短期计划中分别列出了35和10项服务功能。美国宇航局的SAR-2000计划将利用InSAR建立一个全球数字高程模型，以毫米级精度探测与地震和火山活动有关的地表形变，测量沿海洋流及冰盖的速度，并将优先进行高分辨率和低分辨率全球制图、环境变化与灾害监测等方面的应用。总之，国内外InSAR技术已从纯理论研究迈向实用研究，一些In-SAR数据处理软件已陆续推向市场，在地学中的许多方面以及军事、减灾等方面得到了应用，并取得了良好的经济和社会效益。
GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。随着GPS接收机硬件性能的提高和软件处理技术的进步，GPS相对定位的精度从以前的10-7提高到10-9量级，其在地面沉降应用中的精度已达到亚毫米级。
GPS和InSAR起源于大地测量和遥感两个不同的领域，但它们技术上的互补性使得它们可以共同应用于在获得空间三维信息和地表变形监测等领域。目前世界上许多国家建立了CGPS网（Continuous GPS networks），用于连续和动态地监测本地区的地面沉降情况。大部分CGPS网的时间分辨率为30秒，基本满足实时动态监测的要求，而空间分辨率却只有几十公里，不能满足小区域地面沉降监测的要求。而InSAR技术虽然具有很高的空间分辨率，星载SAR已达到约20米，但是雷达卫星因其固有的运行周期，所以时间分辨率还满足不了要求。另外大气参数的变化，卫星轨道误差等问题单纯依靠InSAR数据本身难以解决，必须加入其它的辅助数据和必要的技术手段来加以改善。
由GPS网络得到的数据可以计算出对流层的水蒸气含量和电离层干扰，这些结果可以修正InSAR中的大气模型。由于GPS的坐标系统与大地坐标系统是联系在一起的，所以在这种意义上，GPS获得的坐标系可以认为是“绝对的”。相反，InSAR结果可认为是“相对”测量值。另外，由于InSAR影像的空间高分辨率性，它在空间意义上可以用来加密GPS结果。所以显然两种技术是互补的。
对于地面沉降监测来说，具体的做法如下：第一步，根据GPS数据获得大气模型改正，给出水蒸气可降水量的预测值，从而得出电离层延迟。第二步，以GPS定位结果作为约束条件来减少或消除SAR卫星轨道误差。第三步，进行内插，首先在空间领域利用InSAR结果对GPS网内插，然后在时间领域利用动态模型对加密的网格点进行内插，可以使用自适应滤波的方法建立动态模型。第四步，在双内插结果的基础上，利用卡尔曼滤波往前滤波方法对格网中所有的点进行估计，从而得到某一时刻的变形值，这就达到了时间域和空间域的双估计。由于入射角的关系，InSAR技术对高程信息特别敏感，理论上探测精度可达亚厘米级，上已述及，实际中受各种因素的影响，即使利用常规观测结果进行评价其探测精度只能达到厘米或毫米级。提出用GPS观测数据修正InSAR结果中的诸如对流层、电离层、卫星轨道等误差，必然会提高InSAR技术的实际探测精度，使其接近或达到理论精度
雷达干涉测量对地观测技术的优越性，已被越来越多的人们所认识，成为对地观测中最具竞争力的技术系统之一。雷达干涉（SAR）是正在发展中的极具潜力的微波遥感新技术，1952年，SAR技术由理论走向实践。后来，由Corona领导为美国军方开发一个高性能的战斗监视雷达，开发了第一个实用运动补偿系统，他们使用多普勒导航器来测量远程平均偏移并结合陀螺仪矫正近程飞机偏航。此后许多国家都拥有了自己的机载SAR，SAR应用也从军事领域拓展到广阔的民用领域。由于SAR系统的不断完善和图像处理技术的不断改进，合成孔径雷达对国民经济发挥着越来越重要的作用，尤其在军事领域更居于举足轻重的地位。
通过研究雷达干涉了解其在当今社会所起到的应用作用，学习先进的测绘知识。想通过该毕业设计了解测绘前沿的技术并探究其发展方向，顺便巩固加深我在测绘领域所学的理论基础知识、基本技能和专业知识，培养独立思考和运用所学的知识解决工程技术问题的能力，以及独立获取新知识和创新发明的能力。
InSAR技术是将由雷达影像复数据推导出的雷达信号的相位信息作为数据源，利用这些相位信息提取地表三维信息的一项技术。该技术诞生于20世纪60年代末。1969年，INSAR技术由Rogers首次应用于对金星观测，用来分离来自金星南北半球的雷达模糊回波。1972年，Ingalls用InSAR技术获得了月球表面的地形数据，高程精度优于500m。1974年，在Goodyear宇航中心工作的L.Graham，提出用于干涉合成孔径雷达进行地形测绘的原理和技术，首次岩石了INSAR用于地形测量的可行性，并制作了第一台用于三维地形测绘的机载干涉合成孔径雷达，他的研究成果对SAR应用的发展起着巨大的推动作用，从此，人们对InSAR进行了广泛的研究。
1978年Sea-sat卫星在空间飞行100天，首次从空间获取地球表面雷达干涉测量数据，为开展空间INSAR技术应用研究提供了可能。法国Didier Massenet于1992年用干涉雷达技术研究了同年在加利福尼亚发生的地震，取得了突出的成果，成为应用InSAR技术研究地面位移的最早的成功范例。1991年，NASA/JPL采用带有GPS的机载干涉SAR系统(TOPSAR)对6.5×30km2的地区进行了测试，在确定绝对相位时，采用了多视技术（距离向为4，方位向为32），最后获得了该地区水平误差为10m的地形图。把所获地形结果与DEM进行比较表明：在平坦地区有2m的均方根测量偏差，山区有5－6米的均方根偏差。在1995年举行的国际雷达会议上，NASA/JPL展示了1994年“奋进号”航天飞机上SIR-C/X-SAR的成像结果，给出了1994年SIR-C/L波段获得的SAR图像与1994年4月和10月两次的SAR图像的干涉图像导出的高程叠加数据，所得到的加利福尼亚Long Valley地区的三维成像结果观测精度可达厘米级。
自1991年欧洲空间局(ESA)发射ERS-1卫星，尤其是日本1993年发射JERS-1、ESA与1995年发射ERS-2和加拿大1995年发射Radarsat之后，为全球提供了丰富的干涉雷达数据，InSAR技术开始从纯理论研究迈向使用研究。目前，一些机载SAR系统，入AIRSAR/TOPSAR、DO-SAR、CCRSC/X-SAR，都已拥有InSAR工作模式。一些用于INSAR数据处理的商业软件陆续推向市场。2000年2月11日，美国“奋进”号航天飞机采用INSAR技术，在11天内，成功获取了覆盖地球表面80%的干涉数据，这批数据，将采用INSAR技术生产出全球30m高分辨率的地形数据。目前，国际上SAR技术主要朝着高空间分辨率、多波段、多极化方向发展。德国已经建成的机载SAR系统(Ages－1，2，3)，，其空间分辨率从0.5米到5米，用InSAR生成的DEM高程精度为0.25m到2m。
起初，它主要应用于生成数字高程模型（DEM）和制图，后来很快被扩展为差分干涉技术（differential InSAR， D-InSAR）并应用于测量微小的地表形变，它已在研究地震形变、火山运动、冰川漂移、城市沉降以及山体滑坡等方面表现出极好的前景。目前，欧美国家对这一技术正竞相研究，我国对雷达干涉的研究仍处于起步阶段，但已引起了国内测绘界与地学界同仁们的极大兴趣和广泛关注。国际上在加强干涉理论研究的同时，掀起了干涉应用的高潮。干涉应用可归结为三类:1.地形制图和DEM建立、2.基于D-INSAR 的地球表面进行变形探测、3.基于干涉相关性的土地利用分类。目前，应用最多的是以D-INSAR方法探测大范围的地表形变。
1.3 课题基本内容、拟解决的主要问题
基本内容：
本设计主要是通过了解雷达干涉测量的发展、基本理论、数据处理技术及其在其对地观测中更好的运用，对目前SAR在地形测绘中存在的问题进行了分析，并对应用前景进行展望。
拟解决的主要问题：
失相干问题是合成孔径雷达干涉测量技术应用化的最大障碍之一，尤其是在差分雷达干涉测量处理中，失相干问题更为突出，通过了解对差分干涉测量处理中的各种数据的失相干数据，进行量化计算，提出了减小差分干涉测量在处理中相位失相干的有效方法。
差分雷达干涉测量技术是合成孔径雷达卫星应用的一个扩展，雷达图像的差分干涉图可用于检测到厘米或更微小级别的地面形变，具有全天候、大面积监测地面沉降和矿山沉降的优势，介绍这一新技术在灾害领域中的实际应用。
1.4 课题研究技术路线或研究方法
1.掌握雷达干涉测量技术基础理论；清楚其在对地测量的作业流程，使用方法；
2.获取资料，进一步学习了解该技术的理论应用；
3.通过资料库查阅该项技术在具体实践中的应用；
4.最后总结学习以及该技术的发展前景。
第二章 雷达干涉测量原理

2.1 InSAR干涉基本原理
InSAR（Interferometric synthetic aperture radar， InSAR）结合了合成孔径雷达成像技术和干涉测量技术，利用传感器的系统参数和成像几何关系等精确测量地表某一点的三维空间位置及微小变化（见图2.1）。

图2.1InSAR原理图
从历史上看，InSAR技术的发展起源于Thomas Yong 于1801年所做的“杨氏双缝干涉实验（见图2.2，图2.3）。”InSAR正是受这一实验启发发展而来。InSAR技术是近二十年发展起来的极具潜力的微波遥感新技术，它利用两副天线同时观测（单轨双天线模式）或两次近平行观测（重复轨道模式）获得同一地区的两景数据，通过获取同一目标对应的两个回波信号之间的相位差并结合轨道数据来获取高精度、高分辨率的地面高程信息。

图2.2杨氏双狭缝干涉实验 图2.3点源干涉实验
合成孔径雷达干涉测量技术是以合成孔径雷达复数据提取的相位信息为信息源获取地表的三维信息和变化信息的一项技术。该方法基于时间测距的成像机理，充分利用了雷达回波信号所携带的相位信息来提取地表高程信息。InSAR技术原理是通过两副天线同时观测（单轨双天线模式）或两次近平行的观测（重复轨道模式），获取地面同一景观的复数图像对（重复观测数据）。由于目标与两天线位置的几何关系，在复图像上产生了相位差（同一目标对应的两个回波信号之间存在相位差），形成干涉纹图。干涉条纹包含了斜距向上的点与两天线位置之差的精确信息。因此，利用传感器高度、雷达波长、波束视向及天线基线距离之间的几何关系，可以精确地测量出图像上每一点的三维位置和变化信息。

图2.4为InSAR技术的基本原理图所示
假设飞行平台上同时架设了两部天线，，若由发射信号，和同时接收从目标T返回的信号，由式
（2.1）
（可知，或接收到的从目标T返回的信号之相位可以表示为
（2.2）
式中，下标t，r分别表示发射和接收信号的相关参数；为波长；r为从天线到目标的斜距。两幅天线所接收到的信号之相位差为
（2.3）
式中，P为系数，若是一幅天线用于发射信号，在干涉图上只反映出单程（信号的返程）的相位差（单轨双天线模式）；若是两幅天线都发射和接收信号，则P=2，即反映出往返双程的相位差（单天线重复轨道模式）。
当两幅天线所形成的复数影像精确配准后，相应像素值的共轭相乘就可以在每个像素上得到如式（2.3）所示的相位差，形成通常我们所说的干涉图或干涉条纹图，即
复数影像1： （2.4）
复数影像2： （2.5）
干涉图： （2.6）
相位差为
（2.7）
从（2.7）式中可以看出，由复数影像求得的相位差，实际上只是[0，2π]区间的主值，即对2π取模的值。确切地说式（2.7）应写成
（2.8）
这种现象称为相位解缠（Phase wrapping）。那么从主值推算出的绝对的相位差φ的过程称为相位解缠或相位展开（Phase unwrapping）。由上图所示的几何关系模型，有
（2.9）
式中B为天线之间的距离，称为空间基线（spatial baseline），简称基线。设α=，称为水平方向基线角，则有
（2.10）
式（2.10）的近似将各变量之间的关系表达的更加简明直观。由于通常，可以得出
（2.11）
（2.12）
（2.13）
式（2.11）、（2.13）和（2.13）揭示了干涉相位差φ和高程h之间的关系。也就是说，如果天线位置（参数H、B、α）和雷达成像系统参数（θ）等，就可以从φ计算出地表的高程值h。
2.2 D-InSAR干涉测量原理
InSAR 技术进一步发展为差分合成孔径雷达干涉技术(differential synthetic aperture radar interferometer ，D-InSAR)，它可以用来监测地表目标的水平和垂直运动，目标相对位移量的测量精度可达到厘米甚至毫米级。常用的D-InSAR 数据处理方法有三轨道法、四轨道法和已知DEM的双轨道法。
如前面提到，实际上两次重复观测（或成像）在技术上不可能达到完全重复的轨道和其他参数。通过比较两幅SAR影像的相位变化（干涉图）还不足以求出地表的形变，但是可以有干涉图导出视差的变化，从而反推出地形信息。本文以三轨道法为例，其成像几何示意图如图2.5所示。

图2.5 D-InSAR 的成像几何示意图
设天线和分别接收到的信号的传播路径，的差为，这里设定由获得的影像为主影像，由获得的影像为从影像。由几何关系可得

于是得到
（2.14）
由于B<<，通常为了简单起见，让等式右边的第二项近似为零，此时对最终结果的影响在1cm之内。这样就可以得到
（2.15）
式中为基线B在视线方向的分量，即
（2.16）
综合式（2.15）和式（2.16）以及式
（2.17）
表明：用干涉方式所量测得到的相位差（或干涉相位）与视线方向基线分量成正比。
在重复轨道干涉成像模式下，式（2.17）中的P=2即有
（2.18）
考虑在同一区域先后形成的两幅干涉图的情形。如果在同一地区再一次成像得到第三幅SLC影像。如上图所示，传感器的位置为，信号的传播路径为。与第一对干涉影响中的主影像形成第二幅干涉条纹图，那么两幅干涉条纹图的相位就可以相互比较。形成第二幅干涉图的基线距（和之间的基线），基线与水平方向的夹角为，相位差为，θ不变。由式（2.18）可得
（2.19）
由式（2.18）和式（2.19）可以得
（2.20）
即相位的比值等于基线距水平分量的比值，与地形本身无关。注意这里的相位是指未缠绕的实际相位值。
如果在第三次成像之前，地表发生形变，并假设这种形变与雷达分辨率单元相比很小，可以认为雷达信号仍是相关的。那么这时相位信息除了与地形信息有关，还包含了雷达视线方向的形变量。
第二幅干涉图的相位可以表示为
（2.21）
同理考虑到式（2.18）也可以将视线方向的形变量的表达式写为：
（2.22）
根据式（2.16），基线的比值还可以表示为
（2.23）
由式（2.22）和式（2.23）就可算出地面形变。
D-InSAR技术可以达到毫米级别，相对InSAR技术来说具有更高的观测精度。但是D-InSAR技术实施过程中，受到时间、空间去相关和大气效应等因素的影响，存在测量范围减小和精度减弱等问题。
2.3 PS InSAR技术
PS(Permanent Scatters，又称永久散射体)技术是20世纪末由意大利学者A. Fer2retti，C. Party和F. Rocha首先提出的，以解决常规干涉中大气影响、失相干、DEM误差等问题，极大地拓展了InSAR技术的应用前景，导致对地观测技术发生了又一次革命性的飞跃，为精确研究地壳形变提供了强有力工具。
所谓永久散射体， 即是指在相当长的时间内仍然保持稳定反射特性的散射体。PS技术是D-InSAR技术不断创新的结果，其主要目标就是研究某一区域内地表长期缓慢变形的过程及变化规律。我们知道，InSAR技术通过比较相位差测量地形和形变， 但形变测量值对大气造成的相位延迟也相当敏感，大气误差极大影响了InSAR测量的精度。同时，当两次成像时间间隔比较长时，或是成像季节差异比较大时，地表的反射特性可能会发生很大的变化这，势必会造成图像的严重时间失相干，导致干涉处理无法进行。而PS技术作为对D-InSAR技术的创新，在解决时间失相关的同时，计算并消除大气影响，保证干涉处理的正常进行。
PS InSAR的基本原理是：在给定的一组雷达干涉图像中，按照某种准则选择相位稳定的一系列点作为永久散射体，也就是PS点，并且根据给定的相位模型，去除这些PS点的大气附加相位，DEM误差和其他噪声，进而得到准确的地表升降变化值。通常，PS技术需要处理同一地区30以上的干涉图，以选取一组反射特性强、时间上稳定的地物目标作为PS点，保证计算结果的精确性。
最早利用PS-InSAR技术进行的研究有，法国学者对巴黎市区因地铁建设造成的沉降研究，美国洛杉矶盆地的沉降研究等，研究甚至观测到博物馆建筑上金属结构的季节性热胀冷缩现象。F. Rocha于2002年将PS-InSAR技术用于监测城市大面积，长时间，小幅度沉降(可监测到的年沉降速度为几毫米)。德国GFZ的夏耶最早将人工角反射器应用于研究三峡滑坡监测， 虽然在三峡地区由于各种原因一时还无法得到最终结果，但该方法已显示出强大的生命力，国内许多应用研究部门对此表现出浓厚兴趣。由中国科技部、欧空局等单位合作的“龙计划”，在三峡库区安装了角反射器，用于监测三峡地区泥石流、滑坡等地质灾害；中国地震局地壳应力研究所张景发、英国伦敦大学学院Peter等研究人员在西藏当雄活动断裂带区域安装了角反射器，用于监测地壳运动形变。
与常规InSAR技术相比，PS技术具有以下几个优势：
(1) 长期监测。
(2) 精确基线计算。
(3) 大气相位估计。
(4) 单个散射体高度和运动量计算。
PS InSAR技术的特点是可以长时间对一个地区进行地面沉降的监测，并且测量的精度非常高，缺点是数据处理特别复杂。该技术主要用于城市的地面沉降，机场等大建筑物的沉降监测、采矿区的开采沉陷监测。
2.4 本章小结
本章从雷达干涉的由来分别叙述了InSAR干涉基本原理理干涉测量、差分雷达干涉测量和永久散射体的基本概念与其原理。并对PS InSAR 与常规InSAR 技术在应用领域的优缺做了相应比较。

第三章 雷达干涉测量技术

3.1雷达干涉测量技术
表给出了SAR系统中影响SAR干涉测量精度的一些主要参数。
3.1影响SAR干涉数据质量的参数

卫星系统
入射角
空间分辨率
内部时钟漂移（外来的相位）
近似聚焦
图像配准误差
系统噪声
轨道
测定精度（精度距离及距离变化率测定装置，如装在ERS-2上的PRARE）
基线（相干性，几何去相关）
重复周期（时间去相关）
非平行轨道（距离迁移）
信号
频率
极化（后向散射特征）
带宽（平均处理）
噪声/斑点
地形
相位差（体散射）
坡向（相位梯度角）
表面特征（如冻土）
大气状况
风（后向散射特征）
雪覆盖（去相关）
大气
SAR干涉测量与云层有关
3.2InSAR数据与处理流程
干涉雷达提取DEM一般可分为以下几步:高精度配准、干涉条纹图生成、去平地效应、滤除相位噪 声、相位解缠、相高转换、地理编码等几个步骤。
高精度配准:用于干涉的两幅InSAR复合数据可能不是同时得到，它们之间的象素点不对应，必须首先对两幅图像进行高精度复配准，需要达到1 /8个 像元精度，一般采用基于窗口的自动匹配技术。
去平地效应：InSAR干涉生成的相位由两部分组成，一是地形的高度变化引起的。二是平地随距离向位置的改变所引起的，即平地在干涉条纹图中 所表现出来的距离向和方位向的周期性变化，InSAR 提取DEM的高程只与第一部分相位有关，所以在相位解缠前先要把平地相位去掉，这个过程称为平地相位的去除。
相位噪声滤除:干涉条纹图中存在着大量的噪声，它严重干扰了二维相位解缠算法的效率和精度，甚至影响了提取高程信息的精度。因此，必须有效地去除各类噪声的影响，提高获得相位信息的准确性，提高二维相位解缠算法的效率和精度。
相位解缠：由干涉得出的相位是以2n为模的不足一个周期内的相位差，它包含了 2nrc的模糊度，为了计算准确的地形高程，必须在相位测量值加上2irn的相位周期，求解出真实相位差值，这种求解2n模糊度的技术称之为相位解缠，它类似于GPS中的整周模糊度问题。相位解缠结果的好坏直接影响 InSAR最终的DEM的质量。相位解缠的主要分为两大类:一类是基于识别残差点的枝切法，另一类是基于最小二乘法。枝切法通过识别残差点，设置正确 的枝切线阻止积分路径穿过，选择合适的积分路径， 隔绝噪声，阻上相位误差的全程传递:最小二乘法的解缠是比较全面的一种优化，它利用最小二乘法逼近已知水 平方向和垂直方向的相位差来进行相位估计。
InSAR提取DEM技术已经成为DEM数据采集的最快速、精度相对较高、几乎不需人工的一种有效实用方法。与传统的光学摄影测量方法相比，InSAR技术，特别是星载InSAR是进行大面积快速地形测绘的一种比较经济的手段，它不受天气和时间的影响，无需进行特别的人工编辑，也不需要花费大量的时间寻找地面控制点。目前，利用InSAR技术进行地形测绘的应用已经逐步走向工程化。
InSAR技术在测绘方面的应用主要体现在以下几个方面：（1)大规模的数字高程模型（DEM)的建 立和地形制图；（2)地球表面形变的监测，包括地震位移测量、地表沉降、山体滑坡等。
图3.1是从接收雷达信号到产生数字高程模型的典型处理流程图。干涉数据的处理一般包括如下工作：
(1) 干涉SAR 数据的特殊要求
①基线的长度要满足相干的要求，基线的长度超过一定的值则两幅图像不相干。
要获得好的干涉效果，两幅图像间的垂直基线（基线是两遥感平台间的矢量距离）最好在100 m到300 m之间；而监测地表变化，垂直基线最好在50 m到100 m之间；检测如海浪运动等的微小变化，最好小于5 m。
②相干图像获取期间成像区域下垫面变化要小，这样才能使图像相干并满足精确几何配准时对光谱相似性的要求。
③处理成SLC(single look complex)格式数据。这要求专门的处理软件来完成。

图3.1 SAR干涉测量流程

在数据处理方面，需要研制专门用于地形测绘 的一整套软件，以方便用户对SAR数据的处理。由于处理的是海量数据，除需要利用传统的数字图像处理技术，还需要用到小波技术、人工智能与模式识别技术、神经网络等先进处理技术，提高SAR在地形 测绘领域的应用。
InSAR技术的两个最主要的应用是地形测绘和地球表面形变的监测研究。地形测绘一直是InSAR的研究重点，而在地球表面形变监测方面，从初期的地震、火山运动等比较明显的形变的监测研究到目前的地面沉降、山体滑坡等引起的细微持续的地表位移的监测
合成孔径雷达卫星在灾害监测、环境监测、海洋 观测、资源勘查、农作物调查估产、森林调查、地形测绘和军事等方面具有独特的应用效果，空间对地观测正在向雷达与光学相结合的方向发展。未来的SAR的发展方向是多波段、多极化、多视角、多工作模式、高分辨率、增大测绘带宽、重复周期短，这必将为SAR在地形测绘提供有力的保证和基础，合成孔径雷达必将为地形测绘谱写新篇章。
3.3差分干涉测量技术
差分干涉测量技术（Differentiae InSAR，D