1.星載InSAR技術簡介
星載合成孔徑雷達干涉測量(InSAR)是一種用於大地測量和遙感的雷達技術。InSAR使用兩個或多個SAR圖像,利用返回衛星的波的相位差來計算目標地區的地形、地貌以及表面的微小變化,該技術可以潛在地測量n天到n年跨度的毫米級變形。
與可見光或紅外光不同,雷達波可以穿透大多數雲、霧和煙對地表物體進行觀測,並在黑暗中也同樣有效。因此,借助InSAR,即使在惡劣的天氣和夜間,也可以監測地表的變形。此外,InSAR的全天候、全天時、高分辨率、高精度、范圍廣等優點,不僅對可見光、近紅外被動遙感技術具有很好的補充作用,而且在提取數字高程模型、制圖、監測地表形變等方面具有廣闊的前景。
常用的星載SAR及InSAR衛星系統參數
SAR 、InSAR、D-InSAR的區別:
SAR
合成孔徑雷達技術是干涉雷達和差分干涉雷達技術的基礎,而干涉雷達和差分干涉雷達技術則是合成孔徑雷達技術的應用延伸和擴展。
InSAR
干涉雷達測量技術(INSAR)是以同一地區的兩張SAR圖像為基本處理數據,通過求取兩幅SAR圖像的相位差,獲取干涉圖像,然后經相位解纏,從干涉條紋中獲取地形高程數據的空間對地觀測新技術。
D-InSAR
差分干涉雷達測量技術(D-INSAR)是指利用同一地區的兩幅干涉圖像,其中一幅是通過形變事件前的兩幅SAR獲取的干涉圖像,另一幅是通過形變事件前后兩幅SAR圖像獲取的干涉圖像,然后通過兩幅干涉圖差分處理(除去地球曲面、地形起伏影響)來獲取地表微量形變的測量技術。
2.InSAR技術相關原理
將在不同時間從同一區域的相位位置獲取兩個雷達圖像進行比較,可以測量地面朝向或遠離衛星的任何運動,並將這些變形運動表達為雷達干涉圖,從干涉圖里得出兩幅雷達圖像在相隔的時間間隔內地形表面移動多少。
微波被反射后,衛星接收目標反射的回波,可以得到同一目標區域成像的SAR復圖像對,若復圖相對之間存在相干條件,則SAR復圖像對共軛相乘可以得到干涉圖。根據干涉圖的相位值,得到兩次成像中的微波相位差,從而計算出目標區域地區的地形、地貌以及表面的微小變化。
為了生產干涉圖,可以利用雷達向目標區域發射微波,微波被地面反射,會記錄下兩個信息:振幅和相位,振幅是返回信號的強度,受表面物理特性的影響。從衛星到地面再返回的往返距離以雷達波長為單位進行測量,收集到的兩幅雷達圖像之間的距離變化表現為相位差。干涉圖是兩幅SAR圖像相減的結果,這個過程為差分InSAR(D-InSAR)。
相位測量對測量變形非常重要,如果地形表面因為一些因素發生沉降,則發射的雷達信號必須要傳播更遠的距離才能到達地面,這些雷達波的變形部分被記錄下來,就是相位差。
3.InSAR技術應用
雷達衛星圖像並不僅僅是一張黑白圖像,而且還包含着相位信息以及其他豐富的信息;比如說:雷達衛星可以用於探測空氣以及土壤的含水量,而長波雷達衛星因為波長優勢能夠打入地下(沙漠地帶可到地下20米深,城市硬化路面可到地下5米深)可以探索地下水系、城市自來水探涌等方面。
由於SAR技術具有全天時全天候的觀測能力,除了廣泛應用於惡劣天氣和夜間成像觀測外,還可以用來測量土壤濕度、雪被深度和地質構造等,非洲撒哈拉沙漠地下古河道的發現正是依賴於這個特殊能力。
星載InSAR技術因其范圍廣、精度高、全天候等技術優勢,既能快速響應地震、火山等地質災害,又能廣泛應用於地表運動、冰川、滑坡、城市與礦區地面沉降和人工建築物的穩定性等長期監測,使其在防災、地質調查、工程建設、精確制圖等方面的作用突出。
常見的應用:
1.生成中等至超高分辨率的數字高程模型
2.監測城市地表沉降
3.監測滑坡
4.輔助監督分類(地物提取)
4.InSAR基本流程
5.SAR圖像的幾何特性與圖像特性
5.1幾何特性
雷達圖像是距離投影,幾何特征上與光學影像(中心投影)有很大差異。
雷達圖像壓縮規律:
距離向
1.距離壓縮是斜距成像的雷達影像在距離向呈圖像壓縮的幾何失真現象。
2.入射角處處不相等,則距離向目標分辨率處處不同
3.靠近星下點的目標壓縮現象嚴重,遠離星下點的目標壓縮現象較輕微。
4.山地必有幾何變形。
方位向
固定的,取決於平台飛行速度和曝光時間。
地形起伏區域幾何變形:
透視收縮:
當雷達波束照射到位於雷達天線同一側的斜面時,雷達波束到達斜面頂部的斜距和到達底部的斜距之差要比斜面對應的地面距離小。
頂點位移:
當雷達波束到斜面頂部的時間比雷達波束到斜面底部的時間短時,頂部影像先記錄,底部影像后記錄,這種斜坡頂部影像和底部影像被顛倒顯示的現象稱頂點位移。
雷達陰影:
在斜坡的背部有一段雷達波束不能到達,因此地面上該部分沒有回波返回到雷達天線,從而在圖像上形成陰影。
5.2圖像特征
SAR數據信息
SAR圖像的每個像素不僅包含反映地表對雷達波束的反射強度,還包括與雷達斜距有關的相位值。因此,SAR數據由實部和虛部構成復數距。雷達波束的反射強度可以用振幅、強度或者功率表示,有相應的轉換公式。SAR常以單視復數據(SLC)提供。
2.斑點噪聲
SAR是想干系統,斑點噪聲是其固有特性。