浅谈星载合成孔径雷达干涉测量技术
Source: | Author:202359609710013 | Published time: 2021-08-19 | 273 Views | Share:

      星载合成孔径雷达(SAR)是一种高分辨率成像雷达,能够在暗夜、云雾遮挡、雨雪等条件下获取类似光学成像的高分辨率雷达图像,具有高分辨率、全天时、全天候对地观测能力。除了在军事方面发挥重要作用外,在民用领域如地形测绘、洪水监测、地质灾害监测、农林管理、海洋渔业管理、城市规划建设等方面也具有较大的应用能力。随着近年来商业航天遥感的兴起,星载SAR已经是各相关商业航天遥感公司重点关注的一类遥感手段。

雷达卫星图像示例

      雷达卫星数据并不仅仅是上图所示的一幅黑白图像,而且还包含着相位信息以及其他丰富的信息。例如,雷达卫星可以用于探测空气以及土壤的含水量,而长波雷达卫星因为波长优势能够打入地下(沙漠地带可到地下20米深,城市硬化地面可到地下5米深),可以探索地下水系、城市自来水探漏等。图1为雷达卫星扫描工作方式示意图。

图1 雷达卫星扫描工作方式示意图


      星载合成孔径雷达干涉测量(InSAR)是一种用于大地测量和遥感的雷达技术。InSAR使用两个或多个合成孔径雷达(SAR)图像,利用合成孔径雷达对同一地区不同时间点观测的两幅复数值影像(既有幅值又有相位的影像)数据进行相干处理,来计算目标地区的地形、地貌以及表面的微小变化,该技术可以潜在地测量几天到几年跨度的毫米级变形。InSAR技术又可以分为三类:D-InSAR,应用于处理2-3期SAR数据;SBAS InSAR,小基线(短基线)InSAR技术,处理7-8期SAR数据;PS InSAR,应用于处理20期以上SAR数据。 


InSAR的位移测量

      卫星测量从地球表面反射的雷达信号的幅度和相位。幅度是所记录信号的强度,相位是到达传感器的完整波周期的一部分。相位测量对于测量位移非常重要。两次连续测量之间的相位差意味着某些变化。图2显示了如何从相位差导出变形。如果地球表面消退,则发射的雷达信号必须传播更远的距离才能到达表面。这导致雷达波的多余部分被反射和记录,称为相位差(以红色显示)。一个完整的波浪周期的长度约为厘米,视卫星的不同而不同。图2、图3给出了星载InSAR基本原理图解。

图2遥感地面沉降前后的InSAR测量示意图


图3 InSAR基本原理图解


InSAR的干涉测量

      雷达卫星干涉图是两个SAR图像相减的结果,这个过程称为差分InSAR(D-InSAR),图4显示了一个干涉图的示例。

图4 干涉图

      相位差由干涉图中像素的颜色表示,上方的干涉图显示重复的颜色循环,在北部清晰可见。由于在雷达波的每个周期中重复相同的相位值,因此颜色会重复。图5放大了该区域。

图5 干涉图中的波周期

      由图5可以看出,相同的颜色循环(从红色到蓝色再到红色)在相位增加的方向上重复了3次。这意味着,相对于用于产生干涉图的两次图像采集之间的南部,北部已经陷落了全波长的三倍。因为我们知道整个波浪周期的确切长度,所以可以得出位移,此过程称为展开。


      星载InSAR目前主要的应用领域是基于InSAR原理,大范围探知地球表面的形变,可以用于地灾早期预警(主要是滑坡)、城市沉降监测、矿区沉降监测、重要基础设施(公路/铁路/地铁/输油管道/大型供水管线等)的早期路线勘测与后期运营维护等方面。InSAR的全天候、全天时、高分辨率、高精度、范围广等优点,不仅对可见光、近红外被动遥感技术具有很好的补充作用,而且在提取数字高程模型、制图、监测地表形变等方面具有广阔的应用前景。