1、關于InSAR和D-InSAR的數(shù)據(jù)處理一、合成孔徑雷達干涉技術(shù)（InSAR）合成孔徑雷達干涉技術(shù)出現(xiàn)于20世紀60年代末.它是SAR與射電天文學干涉測量技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。當SAR掃過地面同一目標區(qū)域時,利用成像幾何關系,通過成像、一些特殊的數(shù)據(jù)處理和幾何轉(zhuǎn)換,即可提取地表目標區(qū)域的高程信息和形變信息。由于InSAR 技術(shù)有效利用了SAR的回波相位信息,測高精度為米級甚至亞米級,而一般雷達立體測量方法只利用灰度信息來實現(xiàn)三維制圖,測高精度僅能達到數(shù)十米,因此該技術(shù)迅速引起了地學界及相關領域科研工作者的極大興趣,現(xiàn)已成為微波遙感領域的研究熱點.干涉合成孔徑雷達利用多個接收天線觀測得到的回波數(shù)據(jù)進行

2、干涉處理，可以對地面的高程進行估計，對海流進行測高和測速，對地面運動目標進行檢測和定位。接收天線相位中心之間的連線稱為基線，按照基線和航向的夾角，人們將InSAR分為基線垂直于航向的切軌跡干涉和沿航向的順軌跡干涉。切軌跡干涉可以快速提取地面的三維信息，順軌跡干涉主要用于動目標檢測和海洋水流與波形測量。二、 InSAR 基本原理InSAR 測量模式主要有兩種:一種是雙天線單軌(Single Pass)模式,主要用來生成數(shù)字高程模型,一般用于機載SAR;另一種是雙軌(Two Pass) 模式,主要用于獲取地表變形,一般用于星載SAR.下面以重復軌道干涉測量為例,簡要介紹InSAR 技術(shù)的基本原理(

3、見圖1).假設衛(wèi)星以一定的時間間隔和軌道偏離(通常為幾十米到1km左右)重復對某一區(qū)域成像,并在兩次飛行過程中處于不同的空間位置和,則空間干涉基線向量為B,長度為B;基線向量B 與水平方向的夾角為基線傾角。和至地面點P的斜距分別為R 和R+R;將基線沿視線方向分解,得到平行于和垂直于視線向的分量、;H為到參考面的高度;從發(fā)射波長為的信號經(jīng)目標點P反射后被接收,得到測量相位, (1)同樣,另一空間位置上測量到相位，（2）式中,arg和arg表示不同散射特性造成的隨機相位.假設兩幅圖中隨機相位的貢獻相同,則和關于目標P點的相位差 （3）也稱為干涉相位,可由經(jīng)過配準的兩幅SAR SLC圖共扼相乘得到

4、.根據(jù)圖1中的幾何關系并利用余弦定理可得:（4）（5）由于且，則（6）(4)、(5) 兩式即為In SAR 確定高程的原理性公式.三、合成孔徑雷達差分干涉測量(D-InSAR)D-InSAR技術(shù)是在主動式微波合成孔徑雷達 SAR 相干成像基礎上發(fā)展起來的,它以合成孔徑雷達復數(shù)據(jù)提供的相位信息為信息源,可從包含目標區(qū)域地形和形變等信息的一幅或多幅干涉紋圖中提取地面目標的微小形變信息。它是迄今為止獨一無二的基于面觀測的形變遙感監(jiān)測手段，可補充已有的基于點觀測的低空間分辨率大地測量技術(shù)如全球定位系統(tǒng)、甚長基線干涉和精密水準等。它具有高靈敏度、高空間分辨率、寬覆蓋率、全天候、幾乎不受云雨天氣制約和空中

5、遙感等突出的技術(shù)優(yōu)勢，在對地震形變、地表沉陷及火山活動等大范圍地表變形的測量研究中迅速得到了廣泛的應用。四、 D-InSAR原理根據(jù)去除地形相位采用的數(shù)據(jù)和處理方法的不同，差分干涉測量技術(shù)可以分為二軌差分、三軌差分和四軌差分。下面以三軌差分為例簡要說明D-InSAR原理。在下圖中，設、分別組成形變前后的兩對主輔影像，、所獲取的影像為地形對，、為形變對。在三角形中有：為地表形變量：因此，由差分相位解纏之后的結(jié)果可求出地表形變量。同三軌差分類似，二軌D-InSAR 首先利用一對跨越形變期的SAR圖像進行干涉處理，得到包含形變信息的干涉相位；然后利用已有的觀測區(qū)數(shù)字高程模型DEM和SAR成像參數(shù)反演

6、干涉相位；最后將干涉處理得到的相位與利用DEM反演得到的干涉相位進行差分處理，從而得到差分相位，解纏之后即可得到地表形變信息。五、合成孔徑雷達干涉測量數(shù)據(jù)處理流程雖然 InSAR 的成像幾何原理較為簡單，但由于 SAR 本身成像的特殊性，在干涉測量過程中噪聲及地形的不連續(xù)性使得具體的實現(xiàn)算法比較復雜。下面描述了具體的處理算法。SAR 干涉數(shù)據(jù)的準備針對不同的干涉應用選取合適的 SAR 干涉相對。成功的進行 InSAR 干涉處理要求 SAR 圖像對必須相干，因此選取圖像對時必須考慮兩個方面，一是臨界基線距的限制，二是時間去相干的影響。將獲得的原始 SAR 信號采用 SAR 成像算法做成像處理，生

7、成兩個地面二維單視復圖像。其目的是實現(xiàn)距離和方位向的二維成像，并得出圖中各點的相位信息。此外，成像過程中對得出的多普勒中心、多普勒帶寬和各次成像斜距 R1 和 R2 的估值，也是成像的重要參數(shù)。SAR 影像的過采樣與預濾波為了避免在形成干涉條紋時出現(xiàn)頻譜卷繞，需要對兩幅 SAR 影像過采樣。在進行干涉測量時，經(jīng)常會出現(xiàn)兩幅圖像的多普勒質(zhì)心不同的情況，也就是說兩幅SAR 影像是在不同方位頻譜采樣。不相干頻譜成分將會在干涉圖上產(chǎn)生噪聲，基于多普勒質(zhì)心和 SAR 系統(tǒng)天線模式的方位濾波能夠增強數(shù)據(jù)的相干性。SAR 影像對的配準在進行 SAR 干涉測量時，SAR 影像對必須進行精細配準以保證輸出的干涉

8、條紋具有良好的相干性。由于兩幅圖像的數(shù)據(jù)幾乎來自于空間的同一位置，兩幅影像的相干像元主要的不同之處是存在一定的偏移、小范圍的拉伸及方位向輕微的旋轉(zhuǎn)。干涉圖受到配準誤差的影響可以通過研究相干強度分析處來。通常，圖像的配準誤差必須為 1/8 個像元以下才對干涉條紋的質(zhì)量沒有明顯的影響。SAR 影像距離向預濾波以區(qū)域干涉條紋具距離向頻率為依據(jù)對 SAR 影像做距離向預濾波，壓縮影像頻譜的不相干部分，通常需要有初始的干涉圖進行多次迭代。比較簡單的方法是通過干涉圖的均值頻率過濾掉頻率過高的或過低的數(shù)據(jù)。生成干涉圖和計算相干系數(shù)配準后的圖像對作復共扼相乘，就生成干涉圖，其相角即為兩次成像的相位差。但由于復

9、數(shù)對其相角的周期性，干涉得出的不是直接兩次成像相位差的原值，而是其被周期折疊后的主值。采用最大似然估算器計算相干系數(shù)。一般情況下，相干系數(shù)存在一定的偏差，通過對相干估算值進行空間平均可糾正這種偏差。去平地效應平地效應是高度不變的平地在干涉圖中所表示出來的干涉條紋隨距離向和方位向的變化而呈周期性變化的現(xiàn)象。平地效應可通過對干涉信號乘以復相位函數(shù)來去除。對干涉紋圖進行去平地處理是基于兩個原因：1）去平地后的相位近似地表示了真實相位與參考面之間的相位差；2）進行去平地處理后相位梯度變化降低，有利于進行相位解纏。干涉圖的降噪濾波和二次采樣干涉得出的相位條紋中存在嚴重噪聲，使相位展開無法進行。通常需要對

10、干涉紋圖進行濾波和二次采樣，以降低噪聲，同時，濾波必須考慮相位主值，要用特殊的方法濾波：1）利用 halfband 濾波消除頂?shù)孜灰茖ο辔粩?shù)據(jù)的影響；2）方位向濾波增加干涉圖的信噪比；3）二次采樣減少后期數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)量。相位解纏相位解纏就是從相位差圖像中恢復真實相位差的過程。相位解纏是 InSAR 數(shù)據(jù)處理中尤為關鍵的一步，相位解纏結(jié)果的好壞直接影響 InSAR 的最終數(shù)據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量。相位解纏方法主要分為兩大類：路徑跟蹤法和和最小范數(shù)法。路徑跟蹤法的基本策略是將可能的誤差傳遞限制在噪聲區(qū)內(nèi)，通過選擇合適的積分路徑，隔絕噪聲區(qū)，阻止相位誤差的全程傳遞。它或是通過識別“殘差”點，設置正確的枝切線

11、阻止積分路徑穿過，或在相位質(zhì)量圖的幫助下，從高相位質(zhì)量數(shù)據(jù)開始積分。與路徑跟蹤法不同的是，最小范數(shù)法將相位解纏問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學上的最小范數(shù)問題，目前使用較廣泛是最小二乘法，即利用最小二乘法逼近己知的水平方向和垂直方向的相位差來進行相位估值。除了這兩大類算法以外，還有一些其它算法，如條紋檢測、網(wǎng)絡自動化、知識介入、基于模型等，近年來還提出了一些混合算法以及基于圖論的網(wǎng)絡規(guī)劃算法等。干涉測量幾何參數(shù)校正和解纏相位到高程數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換為了實現(xiàn)解纏相位到高程的轉(zhuǎn)換，需要有精確的基線參數(shù)，所以必須精確估計干涉測量所需的幾何參數(shù)。利用下面公式可以實現(xiàn)解纏相位到高程數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。其中，R 是參考斜距，a是衛(wèi)星平臺距

12、地心的高度， 是基線與參考斜距的夾角，B 是基線距， R 是斜距差。SAR 圖像到地理坐標系InSAR DEM 所處的坐標系是 SAR 系統(tǒng)的斜距方位坐標系，為了將 DEM 提供給最終用戶使用，DEM 必須轉(zhuǎn)換到通用的地理坐標系中。SAR 干涉測量的處理流程下圖所示。六、 合成孔徑雷達差分干涉測量數(shù)據(jù)處理流程D-InSAR技術(shù)通過差分干涉雷達技術(shù)獲取地表的形變信息，主要有 3 種方法即已知DEM的雙軌道法、三軌法和四軌法。 （1）已知 DEM的雙軌法。又稱“二軌法”。它是利用試驗區(qū)地表變化前后兩幅影像生成干涉紋圖，再利用事先獲取的 DEM數(shù)據(jù)模擬紋圖，從干涉紋圖中去除地形信息就得到地表變化信息

13、。其優(yōu)點是無須進行相位解纏，減少了工作量。缺點是對于無 DEM 數(shù)據(jù)的地區(qū)無法采用上述方法，另外在引入 DEM 數(shù)據(jù)的同時有可能帶入新的誤差。（2）三軌法。它是利用三景影像生成兩幅干涉條紋圖，一幅反映地形信息一幅反映地表形變信息，進行平地效應消除后，分別進行相位解纏，最后利用差分干涉測量原理計算得到地表信息。其主要優(yōu)點是無需地面信息，數(shù)據(jù)間的配準容易實現(xiàn)。缺點是相位解纏的好壞將影響最終結(jié)果。（3）四軌法。選擇用四幅SAR 圖像進行差分干涉處理，即:選擇兩幅適合生成DEM 的SAR 圖像，另外選擇兩幅適合做形變的SAR 圖像，而后與三軌法相同，分別進行平地效應消除和相位解纏，最后利用差分干涉測量

14、原理計算得到的地表信息。下面我們分別介紹二軌法和三軌法的具體處理步驟。二軌法是利用其他的地形數(shù)據(jù)消除干涉紋圖中的地形因素的影響，從而得到形變信息。二軌法主要有以下 5 個關鍵性步驟：步驟 1：干涉影像對的精確配準。步驟 2：基于局部地形坡度對干涉影像對進行濾波處理，然后生成干涉圖。步驟 3：計算 DEM 的點間距與干涉圖像元間隔之間的比值，對 DEM 點進行過采樣，基于多普勒方程、斜距方程和橢球方程，利用軌道參數(shù)將 DEM 轉(zhuǎn)換到雷達坐標系統(tǒng)，將 DEM 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相位值。步驟 4：從干涉圖中減去利用 DEM 模擬的干涉圖。步驟 5：將干涉紋圖投影至地理坐標系。與二軌法不同的是，三軌法利用三幅影像實現(xiàn)形變監(jiān)測，它不需要其他的輔助 DEM 數(shù)據(jù)，對于一些無地形數(shù)據(jù)的變形監(jiān)測尤為重要。如下圖所示，其基本步驟為：步驟 1：兩幅干