InSAR基础知识简介

合成孔径雷达干涉测量
雷达相位
跨轨干涉仪&沿轨干涉仪
地形干涉测量
干涉图解译
相干
- 1.配准
- 2.去除平地相位
- 3.大气延迟相位
- 4.多视和滤波处理、去除散斑
- 5.解缠
- 6.地理编码

合成孔径雷达干涉测量

合成孔径雷达干涉测量（InSAR，Interferometric Synthetic Aperture Radar）是 20 世纪 90
年代末在 SAR 的基础上发展起来的一种新型的空间对地观测技术，它充分利用了 SAR 的相
位信息，成功的解决了 SAR 图像的三维成像问题，而且它能够获取高精度的地形信息，同时
还可以监测地表和冰雪表面的微弱变化，监测时间间隔跨度很大，从几天到几年，可获得全
球高精度的、高可靠性的地表变化信息。
这使得合成孔径雷达干涉测量（InSAR）在监测地表微小形变方面具有独特的优势，成为监测地表变化的新手段。

全分辨率的SAR图像具有一种被称为散斑的颗粒状外观，这是由于SAR成像的相干性而产生的一种现象。
图中，在给定的像素单元内有许多不同的地物对象，它们加起来就是雷达测量值，来自不同物体的反射会影响雷达信号的相位，而相位是干涉测量的关键信息。
图中显示了两个不同的像素及其不同的相位，总相位是所有不同子像素散射体的相干组合。
其中散射元素的数量和排列方式因像素位置和地物状态而异。

雷达相位

雷达相位实际上是对其范围和表面复杂度的测量,
雷达信号的相位是波在雷达和表面之间执行的振荡周期数，也是卫星雷达天线与场景雷达像素中所有物体之间的总距离的测量
总相位是双向范围测量的波周期+表面随机分量，但是随机路径长度的集合混淆了回声的相位，因此，只有干涉测量才能解决这个问题。
相位有数百万个周期波，这取决于波长和卫星与地表的距离。

相位有数百万个周期波，这取决于波长和卫星与地表的距离，但是我们只想测量同一个目标在两个甚至更多SAR图像上的相位差
2π是一个标准的相位圆，传感器发出并接受信号，所以需要乘以2，4π除以雷达波长λ乘以ρ，这是总距离，
“其他常数”不能直接确定，“其他常数”取决于分辨率像素中的散射体分布，这是未知的，并且随像素而变化，观察范围变化的唯一方法是通过干涉测量法（消除“其他常数”）。
干涉测量是一种定量的测量方式

跨轨干涉仪&沿轨干涉仪

根据基线矢量的几何结构，主要分为两类干涉雷达：
当天线在交叉轨道方向上分离时，干涉仪用于地形测量；
当天线在沿轨道方向上分离时，干涉仪用于测量视线运动
一个重复其路径的单一天线可以形成一个干涉仪来测量长期的变形；
跨轨干涉仪；沿轨干涉仪
左边：双天线单通干涉仪，单天线重复通干涉仪==>地形和变形
右边：双天线单通干涉仪，沿轨分离==>径向速度（radial motion-径向移动）

地形干涉测量

图中展示了如何获取地表高程
如图，有两个不同的天线及其位置，A1和A2，这两个天线的相对位置是已知并固定的，天线之间就是基线B，在根据前文提到的距离计算方法，就可以算出ρ和ρ+δρ，
从而用三角测量的方法可以很容易获得Z值。

对于单通干涉测量(SPI)，两个天线都位于同一个平台上，是测量地形的理想选择。通常有两种数据收集方式：
单天线发射模式-一条轨道，一个收发天线，一个接受天线
乒乓模式-一条轨道，两个收发天线

干涉数据也可以在重复通过模式 (RPI) 中收集。
在这种模式下，两个空间接近，同一场景的雷达观测在时间上是分开的。
时间间隔（或者叫时间基线）可以从几秒到几年，时间基线会对相干性造成影响。
在被动模式下，几乎不可能采取重复轨道配置，因为热辐射只有在极短的时间尺度内才是相干的，甚至几分之一秒的时间基线都意味着相干性的丢失，因此不同的测量数据对的相位差就没有任何意义。
而雷达系统利用的是散射辐射而不是发射辐射，在SAR系统中只有各脉冲的发射信号保持相干，才能有效地利用合成孔径技术。
脉冲之间的相干性对于孔径合成和干涉测量来说都是必需的：因此我们要对各脉冲回波进行相干合成。
这种模式是两条或者多条轨道，一副天线。
这两个观测可以使用不同的传感器进行，前提是它们具有几乎相同的雷达系统参数。
这种数据可用于地形或表面变形测量。

• 制图/制图学
– 机载平台的雷达干涉测量通常用于生成地形图作为数字高程模型 (DEM)。
• 2-5 米圆形位置精度
• 5-10 m 柱间距和分辨率
• 1 小时内在微型超级计算机上生成 10 公里乘 80 公里的 DEM
– 雷达图像自动进行地理编码，很容易与其他（多光谱）数据集相结合。
– 干涉式快速映射实现的地形应用
• 土地利用管理、分类、危害评估、情报、城市规划、短期和长期地质、水文
• 变形映射和变化检测
– 来自星载平台的重复通过雷达干涉测量通常用于生成地形变化图作为数字
位移模型（DDM）。
• 0.3-1厘米相对位移精度
• 10-100 m 柱间距和分辨率
• 100 公里乘 100 公里的 DDM 在数据可用后迅速生成
– 应用包括
• 地震和火山监测和建模、滑坡和沉降
• 冰川和冰盖动力学
• 毁林、变化检测、灾害监测

干涉图解译

如何解译这张干涉图–n. 加拉帕戈斯群岛
两次干涉图之间的阶段性变化产生彩色条纹。
条纹 = 从紫色到红色的光谱颜色的一个周期。
= 对应于半个波长的位移距离
总位移：条纹数 x 半波长
为了确定形变方向，我们看一下颜色序列：

如果颜色序列 = 紫色到红色，则地面远离卫星（地表下降）
如果颜色序列 = 红色到紫色，则地面靠近卫星（地表升高）
在这个例子中，颜色顺序 = 紫到红 => 靠近卫星
此外，在运动开始和顶部之间有 7-8 个条纹，sentinel-1是c波段
火山，所以总形变应该在 21-23 厘米左右。

相干

首先要介绍一下相干，可以把相干理解为可估计程度的度量——两列波的相干性越强，在得知其中一列波的信息时，我们就能更加容易地估计另一列波的性质（woodhouse微波遥感导论3.3.1相干性[P36]）。
相干系数用以评价评价两幅SAR影像的干涉质量。相干系数γ是一个0-1的数值，γ值越大表示两幅影像的相干性越好，噪声也越小。
主要分为时间去相干和几何去相干（林珲，马培峰城市基础设施健康InSAR监测方法与应用2.2[P17]）。
相位差（ΔΦ）干涉测量相位是多种因素的组合
地表位移（表面形变）+地球曲率对平地相位的影响+地形的影响+大气的影响(不同的湿度、温度、两次采集之间的气压）+散射体的时间变化、不同的视角等
首先要影像配准，主影像与配准重采样后的副影像做干涉即可得到干涉图。
干涉图上任一像素的相位是主副影像相应像素的相位差，也可以用主影像的复数乘以副影像的共轭复数表示，使计算更为简便。
此时，影像中包含了平地相位、地形相位、形变相位、大气延迟相位以及噪声。
相干系数用以评价两幅SAR影像的干涉质量。

1.配准

使两个图像中相应的图像像素映射相同的场景特征，
有了振幅和相位信息，就可以生成干涉图

2.去除平地相位

接下来，我们需要去除由一个平地所产生的相位干涉图。
在去除平地效应后，得到了包括地形变形、大气效应和散斑的干涉图。

InSAR处理：去除地形相位
通过减去DEM来得到差分干涉图

3.大气延迟相位

大气延迟相位，这里面影响最大的包括电离延迟和非电离延迟
重复轨道干涉测量在两次成像时大气条件通常不一致，因此差分干涉图中也有两次大气延迟差异引起的相位
无论是否有云，SAR卫星都能对地表进行观测，如同GPS测量中存在的对流层与电离层延迟，雷达干涉测量在信号延迟上也收到大气条件的影响。
电离层位于大气层顶部，高度范围为60-2000km及以上，充斥着由太阳辐射产生的带电粒子，因此影响载波信号的传播。
电离层对载波信号延迟的影响不仅取决于带电粒子浓度，也取决于载波频率。
电离层延迟与总电子含量（total electron content TEC）成正比，与雷达信号载波频率的平方成反比，
因此对于C波段和X波段等波长较短的影像干涉测量，电离层延迟并无明显影响，但是对于L波段和P波段等波长较长的影像干涉测量，电离层延迟的影响昂就比较大了。
非电离延迟的差异由干部与湿部组成。其中，干部来源于大气中非水汽造成的部分。在天顶方向，干分量延迟大约2.3m，其季节变化数十厘米。
尽管干部占据总非电离延迟的大部分，但是由于该部分通常在空间上具有很大的尺度，另外尽管两次成像时干部延迟也存在差异，但是干涉测量通常为相对测量，所以通常可以忽略。
但对于扫描宽度较大影像或对长条带影像考察时，或者/且影响覆盖范围内高程存在较大起伏时，需要考虑干部延迟的影响。
另一部分由水汽分布不均造成，大气层中的水汽有99%分布于对流层且存在空间异质性。
水汽引起微波信号出现折射现象，使得传播路径长度增加，同时使SAR测量到的斜距存在误差，从而降低了地物目标几何定位精度。
湿部延迟由微波传播路径上的水汽决定，总数值为2-30cm

•对大气的影响通常是可以忽略不计的（C/X等短波），特别是当预期的位移很高时（例如地震，火山爆发），
存在一些校正技术，例如https://github.com/dbekaert/TRAIN

4.多视和滤波处理、去除散斑

对相位图进行多视和滤波处理，去除散斑

5.解缠

InSAR系统获得的相位是绝对相位2π模糊之后得到的，即绝对相位除以2π后的余值，也称之为缠绕相位。
要使得系统得到准确的地表高程或形变，就必须将缠绕相位恢复出绝对相位。这中去除模糊的技术就称之为相位解缠技术，也称为相位展开技术。
一般有单基线相位解缠、多基线相位解缠和单基线与多基线相位解缠结合技术。

缠绕的干涉图显示变形为多个颜色序列。对于这张照片中的这两座火山，颜色的光谱从红色到紫色，表明地面正在向卫星移动（向上形变）。中央的火山膨胀了大约12厘米。
解缠的干涉图显示了变形的总位移。
通过将缠绕的干涉图中的条纹加在一起，可以创建一个解缠的干涉图。中央火山的总向上形变量大约为12厘米，与缠绕起来的干涉图中显示的一致。

6.地理编码

最后一步是把相位解缠后相位转换成米为单位的形变图
这一步可以参考这个公式

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