InSAR技术原理及实践

第1章 绪论
　　近些年发展起来的合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)技术具有全天时、全天候的特点，可以从空间直接获取大范围、高精度的地表高程和形变信息。InSAR技术已经成为目前发展迅速、极具潜力的新型对地观测及测绘技术，成为各国地学界研究的热点之一。本章首先简要回顾合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)技术、InSAR技术的发展现状，*后描述InSAR技术模式和应用现状。
　　1.1 SAR技术发展概况
　　雷达即无线电探测与测距。早期的雷达系统由军方研制，主要用于探测和追踪目标(飞机和船只等)，这些雷达系统不产生影像。20世纪50年代初期，出现了机载侧视雷达(Side-looking Airborne Radar，SLAR)系统，其主要用于军事侦察，直到60年代中期，高分辨率SLAR影像才被解密用于科学研究。
　　SAR技术的研究*早开始于20世纪50年代初，1951年美国Goodyear公司的Carl Wiley提出采用频率分析方法改善雷达的方位向分辨率，为SAR的发展奠定了理论基础。与此同时，伊利诺伊大学控制系统实验室证实了该理论，并于1952年成功研制了第一个实用化的SAR系统，1953年7月采用非聚焦合成孔径方法获取了第一幅机载SAR影像。在此基础上，美国密歇根大学雷达和光学实验室成功研制了第一个X波段的机载SAR系统，并于1957年8月进行了飞行试验，获取了第一幅大面积聚焦的SAR影像。SAR的出现，不仅提高了雷达探测与测距的精度，更为重要的是它提供了目标成像的一种新途径，因而SAR技术广泛地应用到遥感、测绘、林业制图等领域。从此，SAR得到了世界的广泛认可并引起众多学者的关注。
　　1978年，美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Adminis-tration，NASA)发射了世界上第一颗搭载SAR系统的卫星SEASAT-A，空间分辨率为25m，超过了同期专题制图仪(Thematic Mapper，TM)图像的空间分辨率(30m)，不受云雾的影响，具有全天时、全天候的工作能力，引起了遥感领域科研工作者的广泛关注。SEASAT-A的成功发射标志着SAR已进入太空对地面观测的新时代。此后，很多国家相继成功研制了自己的星载SAR系统，表1-1列出了国际上主要的星载SAR系统及其参数。这些SAR系统的成功运营，获取了大量的对地观测数据，在全球范围掀起SAR研究与应用的热潮。
　　表1-1 国际上主要的星载SAR系统及其参数卫星
　　随着SAR理论和技术水平的不断进步，SAR应用技术和应用领域的不断发展与拓宽，星载SAR系统正朝着高分辨率宽幅、多极化、多平台和高维成像方向发展。
　　1)高分辨率宽幅
　　随着科学技术的进步和遥感应用的多样化，人们希望通过SAR系统获取大范围、精细化信息。这就要求SAR系统同时具备高分辨率与宽幅成像的能力。然而，受制于*小天线面积约束，传统单相位中心SAR系统难以实现分辨率与幅宽的同时提升。
　　人们为了满足对SAR影像高分辨率的要求，提出了聚束模式 SAR(Spotlight SAR)成像与滑动聚束模式SAR(Sliding Spotlight SAR)成像，通过控制天线波束的指向增加对目标区域的观测时间，从而提高SAR影像方位向分辨率。然而，高分辨率需要大的脉冲重复频率(Pulse Repetition Frequency，PRF)来避免方位多普勒模糊，从而限制了成像的测绘带宽。因此，这两种成像模式是以减小测绘带宽为代价来提高方位分辨率的。另外，人们为了满足对SAR影像宽幅的要求，提出了扫描模式SAR(ScanSAR)成像与循序扫描地形观测SAR (Terrain Observation by Progressive Scans SAR，TOPS SAR)。然而，这两种间歇性的扫描模式使得方位向的合成孔径时间变短，导致方位向分辨率降低。因此，这两种工作模式是以降低方位分辨率为代价来增加距离测绘带宽的。
　　为解决方位高分辨率与距离宽测绘带之间的矛盾，提出了方位多通道结合数字波束形成 (Digital Beam Forming，DBF)技术，该技术可以有效突破传统单通道 SAR 系统受到的*小天线面积的限制。该DBF技术是利用方位向的空间自由度解决采用低于回波多普勒带宽的PRF造成的多普勒模糊，从而实现高分辨率宽测绘带(High Resolution and Wide Swath，HRWS) SAR 成像。目前，星载HRWS SAR系统有德国的TerraSAR-X、加拿大的RADARSAT-2、日本的ALOS-2和欧洲航天局（European Space Agency，ESA）的Sentinel-1等。
　　2)多极化SAR
　　多极化SAR系统通过测量目标场景中每个分辨单元内的散射回波，获取该单元内可以用来完全描述目标散射特性的回波的幅度和相位信息，通过调整收发电磁波的极化组合形式获取场景目标的全部极化散射特征，极大地提高了成像雷达对目标信息的获取能力，在灾害评估、国民经济发展及军事等众多领域都有广阔的应用前景。自2007年以来，德国的TerraSAR-X、加拿大的RADARSAT-2、日本的ALOS-2、意大利的COSMO-SkyMed和中国的高分三号等新型全极化SAR系统出现，为多极化SAR的发展带来了新的机遇。一方面，全极化方式能够大大提高地物检测与识别能力；另一方面，极化干涉技术可以同时获取观测目标的空间三维信息和散射信息，可以分解处于不同高度上的散射机制类型，在获取森林地形和树木高度等方面具有重要的应用价值。
　　3)多平台SAR
　　传统单一平台SAR电磁波的发射与接收由同一部雷达完成，多平台SAR是指电磁波的发射和接收由位于不同空间位置的两部或者两部以上的雷达完成，也称为分布式SAR。与单一SAR系统相比，多平台SAR系统具有隐蔽性好、安全性高、抗干扰能力强的特点，而且系统的灵活性好，在高分辨率宽幅成像、干涉测量和动态目标检测等方面具有明显的优势。通过多个SAR系统，可以缩短重访周期，提高SAR数据获取的时效性；另外，还可以联合不同视角的SAR系统获取地表三维形变信息。双站SAR系统作为多平台SAR系统的一种*简单形式，成为近年来SAR领域研究的热点。目前，德国的TanDEM-X和TerraSAR-X为双站SAR系统。
　　4)高维成像能力
　　InSAR技术在SAR基础上利用两副天线从不同角度对同一地区进行成像，根据得到的两景SAR图像相位差来提取地表高程信息，实现对地表物体的三维成像。但InSAR系统获取的三维图像实际上是三维表面图像，无法确定同一距离-方位单元内的不同散射点的高度分布，不具有高度维几何分辨率，只能用来测量高程。近些年发展起来的多基线层析SAR是单基线InSAR技术的延伸，垂直于视线的方向上依次增加多个基线，在层析向上合成一个大孔径，其具有高度维几何分辨率，从而实现目标高精度三维成像。随着SAR三维成像技术的不断发展与完善，多基线层析SAR在国防军事、自然环境监测和国民经济等很多领域发挥着越来越重要的作用。
　　1.2 InSAR技术发展概况
　　InSAR技术是利用同一地区的两景SAR数据中的相位信息来提取地表三维信息，其*初用于对金星和月球的地形观测中(Rogers and Ingalls，1969)。1974年，Graham提出运用InSAR技术进行地形测量的技术原理，首次演示了InSAR用于地形测量的可行性，并制作了第一台用于三维形变测绘的机载InSAR系统。此后未见有关InSAR技术的报道，直到1986年喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）的Zebker和Goldstein首次利用航空侧视雷达获取了旧金山地区的数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）。1988年，Goldstein等把机载InSAR技术用在SEASAT卫星观测数据处理中，以死亡谷（Death Valley）地区为例，得到的地形图和美国地质调查局发布的结果非常一致。同年，Gabriel和Goldstein等又将该技术进行修正用到SIR-B数据处理中。
　　1989年，喷气推进实验室的Gabriel等首次提出差分合成孔径雷达干涉测量(Differential Interferometric SAR，D-InSAR)技术，并将其用于监测地表微小形变，采用SEASAT L波段SAR数据获取了美国加利福尼亚东南部的因皮里尔河谷（Imperial Valley）灌溉区的地表形变。1993年，Massonnet等利用ERS-1 SAR数据成功获取了1992年Landers地震的形变场，并取得与地震模型一致的结果，相关研究成果发布在Nature上，引起国际地震界的关注。这些早期的研究成果极大地鼓舞和推动了InSAR技术的发展。随后国际上诸多学者在D-InSAR原理、模型试验、计算方法、软件开发和实际应用等方面开展了大量的工作，并取得了重大进展，D-InSAR技术被广泛地应用于地震、火山、滑坡及地表沉降等方面的监测与物理模型反演中。
　　2000年2月11日，美国“奋进”号航天飞机搭载雷达地形测绘(Shuttle Radar Topography Mission，SRTM)系统获取了60°N～56°S的SAR数据。该系统通过加载一个60m可伸缩长臂将一部X波段和一部C波段天线伸出舱外，和舱内的主天线构成了双天线InSAR系统，如图1-1所示，采用InSAR技术生产出覆盖全球陆地表面80%的DEM产品，该产品平面分辨率30m×30m，相对高程精度为6m，绝对高程精度16m，被誉为是与“建立人类基因库相并列的伟大工程”。
　　图1-1 SRTM系统结构
　　大量研究表明，在利用D-InSAR技术进行长时间的地表微小形变监测中，受时间和空间失相干及大气延迟等因素干扰，该技术适合在特定区域监测大形变(如同震形变场、油田形变等)。随着SAR系统的发展，同一地区积累了大量的SAR数据，对这些数据进行研究发现，某些点(人工建筑、裸露岩石等)的观测值在长时间序列中仍能保持高相干性，利用这些高相干点的干涉信息，国内外学者开展了时间序列InSAR技术的研究。
　　1999年意大利Usai和Klees利用时间序列SAR数据集，依据短时空基线组合原则，获取高相干点的干涉相位，构建时间和干涉相位的函数模型，采用*小二乘方法求解形变信息，获得了和地面监测手段一致的结果。该方法中的函数模型没有估计DEM误差和大气延迟相位的影响，得到的是一个整体意义上的*优解，得到的结果精度有限。但是该方法是永久散射体合成孔径雷达干涉测量(Permanent Scatterers InSAR，PSInSAR)技术和小基线集(Small Baseline Subsets，SBAS)技术等时间序列InSAR的理论基础。
　　2001年，Ferretti等提出了PS-InSAR技术，对同一地区的时间序列SAR数据通过统计分析探测出高相干点(即PS点)，通过离散PS点建模分析，可以减弱大气延迟的影响，并精确分离出地表形变和高程信息。
　　2002年，Berardino等提出了SBAS技术，通过选取短时空基线干涉对，限制了长时空基线导致的失相干问题，与PS-InSAR技术相比，SBAS技术选取更多的干涉对参与计算，依据时间序列中的高相干点的干涉相位，建立形变模型。由于干涉相位中存在相干观测，故采用奇异值分解(Singular Value Decomposition，SVD)方法求解形变信息和高程改正量。该方法需要对SAR数据进行多视处理，故多用于大范

《InSAR技术原理及实践》总结了国内外相关的研究成果，采取理论分析、实验分析与软件实习相结合的形式，系统陈述了InSAR及时序InSAR的理论、模型和数据处理方法与实践。《InSAR技术原理及实践》分13章，主要内容包括：绪论、SAR基本理论、InSAR技术基本原理、InSAR技术数据处理方法、干涉相位相干性分析、InSAR干涉基线、D-InSAR技术原理、永久散射体识别方法、时间序列InSAR分析方法、高分辨率时间序列InSAR技术、InSAR形变监测精度评定、地基干涉雷达测量技术和GAMMA软件操作指南。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 SAR技术发展概况 1
1.2 InSAR技术发展概况 4
1.3 InSAR技术模式 7
1.4 InSAR技术应用领域 9
第2章 SAR基本理论 11
2.1 雷达概述 11
2.2 侧视雷达 15
2.3 星载SAR成像模式 20
2.4 SAR影像的几何特征 26
2.5 SAR影像的统计特征 29
第3章 InSAR技术基本原理 33
3.1 InSAR技术的物理背景 33
3.2 InSAR技术基本原理 35
3.3 干涉相位成分分析 37
第4章 InSAR技术数据处理方法 45
4.1 影像配准 45
4.2 干涉图和相干图生成 52
4.3 干涉图滤波 53
4.4 相位解缠 62
4.5 地理标码 74
第5章 干涉相位相干性分析 76
5.1 相干性及相干分解分析 76
5.2 大气效应及其相位特性 82
第6章 InSAR干涉基线 91
6.1 基线的概念及不同表达形式 91
6.2 极限基线和*优基线 93
6.3 InSAR基线计算方法 94
6.4 InSAR基线误差 102
第7章 D-InSAR技术原理 113
7.1 二轨法差分干涉测量 113
7.2 三轨法差分干涉测量 114
7.3 四轨法差分干涉测量 115
7.4 D-InSAR案例分析 116
第8章 永久散射体识别方法 120
8.1 时间序列SAR强度影像的辐射校正 121
8.2 时间序列相干系数阈值法 124
8.3 振幅离差指数阈值法 126
8.4 StaMPS永久散射点选择方法 129
8.5 基于子视光谱属性的相干目标点探测方法 131
8.6 本章小结 139
第9章 时间序列InSAR分析方法 140
9.1 Stacking技术 140
9.2 *小二乘法 141
9.3 PS-InSAR技术 142
9.4 SBAS技术 156
第10章 高分辨率时间序列InSAR技术 159
10.1 PS点抽稀方法 159
10.2 改进的高分辨率时间序列InSAR技术 168
10.3 案例分析 174
10.4 本章小结 182
第11章 InSAR形变监测精度评定 183
11.1 内符合精度评定 183
11.2 外符合精度评定 184
11.3 案例分析 186
11.4 本章小结 188
第12章 地基干涉雷达测量技术 190
12.1 引言 190
12.2 地基雷达系统 190
12.3 地基干涉雷达技术原理 196
12.4 地基干涉雷达误差源 202
12.5 多基线获取地形原理 214
12.6 时间序列地基干涉雷达影像处理方法 216
第13章 GAMMA软件操作指南 225
13.1 GAMMA软件介绍 225
13.2 GAMMA软件安装 225
13.3 认知SAR影像 233
13.4 地理编码 245
13.5 D-InSAR获取地震形变 252
13.6 SBAS技术获取郑州市地表形变 263
13.7 IPTA技术获取滑坡形变 278
参考文献 297