干涉雷達與差分干涉雷達課件

2021/3/241雷達干涉測量RadarInterferometry2021/3/241雷達干涉測量RadarInt2021/3/242 InSAR原理單幅SAR影像以場景中目標對于雷達斜距的遠近成像,不能提供高程信息。如圖（1）所示。圖（1）單天線SAR成像幾何關系圖（2）雙天線觀測的幾何關系如圖（2）所示,只要已知兩個天線位置和兩個斜距,結合相位差,就可以依據(jù)幾何結構確定P點高程。2021/3/242 InSAR原理單幅SAR影像以場景中目2021/3/243原理:通過兩副天線同時觀測(單軌道雙天線模式),或兩次平行的觀測(單天線重復軌道模式),獲得同一區(qū)域的重復觀測數(shù)據(jù),即單視復數(shù)(single-look,SLC)影像對;由于兩副天線和觀測目標之間的幾何關系,同一目標對應的兩個回波信號之問產(chǎn)生了相位差,由此得到的相位差影像通常稱為干涉圖(interferogram),再結合觀測平臺的軌道參數(shù)和傳感器參數(shù)等可以獲得高精度、高分辨率的地面高程信息。2021/3/243原理:2021/3/244干涉雷達地形測量斜距方向上的距離差:余弦定理:地面點高程:關鍵影響因素：基線B,，mm級精度相位差，弧度精度需要計算θ。雙天線單軌道干涉測量（機載與航天飛機雷達）單程:r+

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r2021/3/244干涉雷達地形測量斜距方向上的距離差:余弦2021/3/245干涉雷達地形測量Antenna1Antenna2r1r2相位每波長弧度波長數(shù)量雙天線單軌道干涉測量（機載與航天飛機雷達）雙程（兩個分別發(fā)送,分別接收）:單天線重復軌道干涉測量（星載側視雷達）雙程:雙天線單軌道干涉測量（機載與航天飛機雷達）單程模式（一個天線發(fā)送,兩個同時接收）:2021/3/245干涉雷達地形測量Antenna1Ant2021/3/246干涉雷達地形測量:計算

雙天線單軌道干涉測量（機載與航天飛機雷達）單程:r+

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rs2021/3/246干涉雷達地形測量:計算雙天線單軌道干涉2021/3/247干涉雷達地形測量:計算

雙天線單軌道干涉測量（機載與航天飛機雷達）單程:r+

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rs2021/3/247干涉雷達地形測量:計算雙天線單軌道干涉2021/3/248InSAR數(shù)據(jù)處理的基本流程影像配準干涉成像基線估計去除平地效應噪聲濾除SLC影像對輸入相位解纏高程計算基線估算:根據(jù)衛(wèi)星星歷軌道數(shù)據(jù)計算基線2021/3/248InSAR數(shù)據(jù)處理的基本流程影像配準干涉2021/3/249去除平地效應p1p2RA1A2B由圖可知P1、P2點的干涉相位分別是:兩點間的相位差為:由于因此上式變換為從這個結果可以看出,當?shù)孛娴膬蓚€目標點高度相同時,它們的相位差仍然存在,并與ΔR成正比,干涉SAR特有的系統(tǒng)幾何結構導致了平地效應的產(chǎn)生,所以,即使是水平地貌,干涉相位圖也表現(xiàn)與方位向平行的周期性變化的條紋。因此要去除平地效應產(chǎn)生的干涉條紋信息。2021/3/249去除平地效應p1p2RA1A2B由圖可知2021/3/2410影像配準完成以后,INSAR數(shù)據(jù)的處理流程就是生成高質(zhì)量的干涉圖,提取正確的干涉相位以供相位解纏。式中得到相位值實際上是主值,其范圍在（-π,π）之間,要得到真實的干涉相位值必須在這個值的基礎上加上或者減去2π的整數(shù)倍,這個過程叫做相位解纏。此時得到的相位包括以下成分:觀測相位值平地效應相位值地形相位值形變相位值大氣延遲相位值噪聲相位值相位解纏2021/3/2410影像配準完成以后,INSAR數(shù)據(jù)的處理2021/3/2411ImageA-12August1999ImageB-16September1999SARimage2021/3/2411ImageA-12August2021/3/2412The(SAR)dataTheSARrecordstheamplitudeandthephaseofthereturnedsignalamplitudephaseNotethatwhiletheamplitudeimageshowsrecognizabletopographicpattern,thephaseimagelooksrandom.Mt.Etna2021/3/2412The(SAR)dataTheS2021/3/2413InSARprocessing:配準amplitudecoregistrationThetwoimages,i.e.the“slave”andthe“master”,donotoverlap.Soweneedtofigureoutwhichgroupofpixelsinthe“slave”correspondstowhichgroupofpixelsinthe“master”.Thisisdonethroughcross-correlatingsub-areasinthetwoimages.Thissteprequiresahugenumberofoperations,andisbyfarthemosttimeconsumingstepintheprocess.2021/3/2413InSARprocessing:Th2021/3/2414InSARprocessing:phaseinterferogram計算干涉圖Calculatephaseinterferogram,i.e.subtractthephaseofofthe“slave”fromthatofthe“master”.-=phase“master”phase“slave”phaseinterferogramNotethatwhileboththemasterandslaveappearrandom,theinterferogramdoesnot.2021/3/2414InSARprocessing:Ca2021/3/2415InSARprocessing:平地效應去除flat-earthremovalNext,weneedtoremovethephaseinterferogramthatwouldresultfromaflat-earth.-=Afterremovingtheflat-eartheffectweareleftwithaninterferogramthatcontainstopographybetweenthetwoacquisitionsandatmosphericeffect.2021/3/2415InSARprocessing:Ne2021/3/2416InSARprocessing:解纏unwrappingTheinterferogramisamapofanambiguousphaseoffsetbetween-

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.Inordertorecovertheabsoluteunambiguousphaseoffset,oneneedstounwrapthedata.Phaseunwrappingisatrickybusiness,here’sonealgorithm:2021/3/2416InSARprocessing:Th2021/3/2417Whilethewrappedphaselookslikethis:Theunwrapped解纏后的phaselookslikethis:2021/3/2417Whilethewrappedp2021/3/2418InSARprocessing:geocodingThisfinalstepamountstomappingthephasefromsatellitetogeographiccoordinates.latitudelongitudeazimuthrange2021/3/2418InSARprocessing:Th2021/3/2419InSAR的實際應用高程測量INSAR的技術特點在于它充分利用了雷達波束的相位信息,形成地形的干涉圖,然后通過測定相位差來確定地面點高程,生成DEM。2021/3/2419InSAR的實際應用高程測量2021/3/24202D-InSAR地表形變監(jiān)測如果兩幅天線先后在同一位置以同一視角對地面成像,此時空間基線為零,干涉圖不能反映地形的起伏,但是可以提取瞬間的地面動態(tài)變化信息,但是空間基線為零的干涉圖很難得到。如果空間基線足夠小,利用多次重復觀測可以進行地表微小變形的檢測,這就是差分干涉。rr+

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r2021/3/24202D-InSAR地表形變監(jiān)測如果兩2021/3/2421ViewingPositionSphericalEarthTopographyAtmosphereDeformation引起相位差的原因:實際地表形變引起相位差:2021/3/2421ViewingPositionSph2021/3/2422基于D-InSAR影像進行變形監(jiān)測的方法要獲取地形表面的形變信息,必須消除區(qū)域內(nèi)一定時間內(nèi)的地形信息的影響。一般有四種方法:（1）選取基線距離為0的干涉像對,這時無需考慮地形因素的影響。難以獲取。（2）二軌法。選取變形前后的兩景圖像,生成干涉條紋圖,然后利用原來獲取的DEM數(shù)據(jù)模擬地形條紋圖,從干涉條紋圖中去除地形信息,就可以得到地形表面變化的信息。該方法需要對干涉相位解纏,而不是對差分相位解纏,但需要DEM數(shù)據(jù),引入DEM數(shù)據(jù)可能帶來新的誤差。2021/3/2422基于D-InSAR影像進行變形監(jiān)測的方2021/3/2423二軌法處理流程影像配準生成干涉圖基線估算:根據(jù)星歷數(shù)據(jù)計算基線。去平地效應:去除平地的干涉信息。去除地形相位:從干涉條紋圖中減去DEM模擬的干涉條紋圖計算形變信息,投影到地理坐標系中2021/3/2423二軌法處理流程影像配準2021/3/2424（3）、三軌法（D-InSAR經(jīng)典方法）。采用三景雷達圖像,以其中的一景作為主圖像,另外兩景作為從圖像,分別生成兩景干涉圖。第一景一般相隔時間較短,不包含地面形變信息,其基線長度較長;第二景一般相隔時間較長,包含地面形變信息,基線較短。基于以下假設:只有第二景圖像干涉圖受到形變的影響。在第二景干涉圖中形變影響地面高程從而使相位發(fā)生跳躍。第一景干涉圖可以精確獲取DEM,可以被完全正確的解纏。（4）、四軌法（四景雷達圖像組合）基于D-InSAR影像進行變形監(jiān)測的方法（續(xù)）2021/3/2424（3）、三軌法（D-InSAR經(jīng)典方法2021/3/2425地形引起的相位差地形與形變引起的相位差三軌法處理2021/3/2425地形引起的相位差地形與形變引起的相位差2021/3/24264-軌差分4-軌差分干涉是基于兩個相互獨立的干涉圖像對（4幅SAR圖像）來完成的。4軌差分干涉與3軌差分干涉的方法很相似,唯一的不同點在于,4軌差分干涉時,兩幅干涉圖具有不同的幾何結構（沒有參考圖像）。結果是從參考干涉圖（地形因素引起的干涉圖）生成的干涉產(chǎn)品（包括復數(shù)和實數(shù)數(shù)據(jù)）都需要轉(zhuǎn)換到另一幅干涉圖（包含形變信息的干涉圖）的坐標系。處理流程如下表:處理流程用到的程序配準兩幅干涉圖到相同的幾何結構create_diff_par,init_offsetm,offset_pwrm,offset_fitm,interp_cpx組合復數(shù)干涉圖comb_interfs去除殘差相位趨勢（把差分相位轉(zhuǎn)換為沉降量）base_est_fft,ph_slope_base(partofISP)差分干涉技術（DInSAR）2021/3/24264-軌差分處理流程用到的程序配準兩幅干2021/3/2427實驗數(shù)據(jù):1)ERS-1scene:25394.slc(23May1996)2)ERS-2scene:05721.slc(24May1996)3)ERS-2scene:16242.slc(29May1998)第1和2生成包含地形相位信息的干涉圖,因為它一天的時間間隔,這樣就意味著這期間沒有發(fā)生明顯的地表變形。垂直基線長度是108m,這個基線值適合生成高程的干涉圖。第2和3（相隔2年）,這期間地表發(fā)生了變形,所以用于生成差分干涉圖。處理順序:1）生成第一幅干涉圖（不解纏）2）生成第二幅干涉圖（不解纏）3）配準兩幅干涉圖4）聯(lián)合兩幅干涉圖5）去除殘差相位趨勢差分干涉技術（DInSAR）2021/3