合成孔径雷达干涉（InSAR）的原理及应用简述摘要：本文主要对合成孔径雷达干涉（InSAR）的发展，原理及应用做了简单的介绍，大致为合成孔径雷达干涉（InSAR）相关文献的简要综述，在上课时对合成孔径雷达干涉（InSAR）的相关知识有了一些了解，所以这次作业选择对InSAR做一个相对整体的简述，即从合成孔径雷达干涉（InSAR）的发展开始到现在的应用及将来发展的展望。

关键词：合成孔径雷达干涉（InSAR）一、合成孔径雷达干涉（InSAR）测量的发展雷达干涉测量最初是用于行星和月球表面测绘，JPL 的Goldstein 在1965 年就开始致力于这方面的研究。

最早的实验是1969 年用于对金星的测图计划。

利用雷达干涉技术成功地提取了月球表面的高程面，后来对相关的技术又进行了改进,并延伸到对地观测。

Graham 于1974 年率先报告了机载干涉雷达用于地形测绘的实验。

他是用Goodyear 公司的机载双天线SAR 系统获取雷达数据，用光学方法进行干涉处理。

随后Zebker 和Goldstein 将其引入JPL 的机载系统实验，此时，首次采用了数字信号处理技术直接用两幅复数影像形成干涉。

INSAR 实验也相继由数个实验室实现, 掀起的INSAR 研究热潮至今不息。

Seasat数据解密后，进行了数天间隔的重复轨道INSAR 实验。

相位缠绕问题的初步解决方案也相继提出，Gabriel 等人的研究证实了差分干涉可以用于检测和估计地表的微小变化，精度可达数个毫米。

此后，在许多的星载遥感实验中都把INSAR 技术作为一项重要的研究内容，如SIR-B，SIR-C/X-SAR，ERS-1/2，Radarsat，JERS-1，ENVISAT和未来的Radarsat-Ⅱ，ALOS，Light SAR 及EOS 计划等。

INSAR 在军事领域和社会经济持续发展领域的潜力日益明显。

另一个重要的进展，是单轨纵向干涉方案的提出和实验论证。

该项技术可以提取海洋洋流的重要信息。

在这种情形下，天线之间的基线很小（近似为零），同时获取的两幅影像几乎是一模一样的，只是相位有微小的差别。

正是这微小的差别可以反映出在这非常短时间间隔内每一个分辨单元内的微小变化，这是一种对目标运动速度非常敏感的INSAR 模式。

传感器方面，发展多波段、多极化的干涉能力是当前的发展趋势，多个通道数据源的信息融合是提高精度和可靠性的重要手段。

由于传统的INSAR 成像方式是单极化，单波段（频率）的方式，无法提供足够的信息用于描述地物散射的过程，极化干涉测量概念的提出试图揭示出极化与干涉之间的关系，用于提高INSAR 性能。

极化数据本身也可以推导出地形坡度和高程，在意大利Mt. Etma 地区则使用航天飞机的L、C、X 波段的干涉数据的集成，来生成较高质量的DEM 的数据，尤其为解决植被覆盖地区DEM 提取问题提供了一条潜在的途径。

为了提高INSAR技术的可应用性，新的星载SAR遥感计划也在孕育之中。

例如，为了克服时间去相关（Temporal De-correlation）的问题，美国在SMTR计划中推出了双天线SAR 系统取得成功。

相继又推出了轮状InSAR 计划和星座计划。

二、合成孔径雷达干涉（InSAR）的基本原理机载或星载SAR系统所获取的影像中每一像素既包含地面分辨元的雷达后向散射强度信息，也包含与斜距（从雷达平台到成像点的距离）有关的相位信息。

将覆盖同一地区的两幅雷达图像对应像素的相位值相减可得到一个相位差图，即所谓干涉相位图(Interferogram)。

这些相位差信息是地形起伏和地表形变(如果存在)等因素贡献和的体现。

InSAR正是利用这些具有高敏感特性的干涉相位信号来提取和分离出有用信息（如地表高程或地表形变）的，这一点与摄影测量和可见光、近红外遥感主要利用影像灰度信息来重建三维或提取信息是完全不同的。

本文是针对重复轨道横跨轨道工作模式的描述。

1.干涉相位信号地面目标的SAR回波信号不仅包含幅度信息A，还包括相位信息Φ，SAR图像上每个像元的后向散射信息可以表示为复数Ae iΦ。

相位信息包含SAR系统与目标的距离信息和地表目标的散射特性，即：Φ=−4πλR+Φobj（1）式（1）中，4π为双程距离相位；R为SAR与目标之间的斜距；R为SAR与目标之间的斜距；Φobj为地面目标为地面目标的散射相位。

设地面目标点P两次成像时的图像分别为:C 1=A1e iΦ1,C2=A2e iΦ2 (2)式中，C1为主影像，C2为辅影像。

且有：Φ1=−4πλR+Φobj1；Φ2=−4πλR+Φobj2(3)通过主辅图像的共轭相乘，可得复干涉图为：I=C1·C2*=A1A2e i（Φ1-Φ2）(4)式中*表示取共轭。

涉Φ为干涉相位，则有：Φ=Φ1−Φ2=−4πλR1−R2+(Φobj1−Φobj2) (5)如果两次成像时,地面目标的散射特性不变，即Φ1=Φ2，斜距差ΔR=R1-R2，则干涉图的相位仅与两次观测的路程差有关，即：Φ=−4πλΔR（6）这里的Φ是真实干涉相位。

实际处理中得到得到的相位整周数是未知的，即缠绕相位，为了得到真实相位必须对缠绕相位进行解缠操作。

对干涉相位进一步分解得：ϕ=ϕearth+ϕtop+ϕdef+ϕatm+ϕnoise（7）式中ϕearth；ϕtop；ϕdef；ϕatm；ϕnoise分别表示由地球形状，地形起伏，地表形变，大气以及噪声引起的干涉相位。

2.InSAR高程测量通常重复轨道InSAR观测的几何关系如图所示。

S1和S2分别表示主辅图像传感器，B为基线距，α为基线距与水平方向倾角，θ为主图像入射角，H为主传感器相对地面高度，R1和R2分别为主辅图像斜距，P为地面目标点，其高程为h，P为P在参考平地上的等斜距点。

为讨论方便，假设主从相对获取期间无地表形变，且无大气影响。

InSAR高程测量原理图将基线沿着入射方向和垂直于入射方向进行分解，可以得到垂直基线斜距B⊥和平行基线斜距B//:B⊥=B·cos(θ−α)，B//=B·sin（θ−α）（8）在远场情况下，可以假设ΔR= B//，则可表示为：Φ=−4πλ B·cos(θ−α) （9）在参考面为平地的条件假设下，根据三角关系，有h=H-R1cosθ (10)分别对式(9)和式(10)的两边取微分,可得Δϕ=−4πλB·cosθ−α·Δθ，Δh=R1sinθ·Δθ−ΔR1cosθ（11）将（11）带入可得：Δφ=−4πB⊥λR1sinθ·Δh−4πB⊥λR1tgθ·ΔR1（12）式中，左边表示临近像素的干涉相位差；右边第一项表示目标高程变化引起的相位，右边第二项表示无高程变化的平地引起的相位，称之为平地相位。

为了反演高程，需要去除平地相位，直接建立干涉相位与高程之间的关系。

去除平地相位后，可以得到高程与相位之间的直接关系，即ϕ=−4πBcos（θο−α）λR1sinθο·h=4πB⊥λR1sinθο·Δh（13）其中θο=θ−Δθ，表示平地上的等斜距点P0的主图像入射角。

B、α和H可从轨道姿态数据推求得到，而R1可根据SAR图像头文件中有关雷达参数推算出来。

如果选择参考椭球体和球体作为参考面时，可以分别得到不同参考面下的去平地效应后的干涉相位分别为：ϕ=−4πB⊥λ 1+H（r H/r h）Rsinθοh参考椭球体模型（14）ϕ=−4πB⊥λ(1+H/r)Rsinθοh球体模型（15）式中，H为卫星平台高度；r H、r h分别为星下点、目标点处地球半径；R为斜距。

3.InSAR地表形变测量（DInSAR）卫星InSAR系统在地表形变探测中得到了较广泛的应用。

为分离出形变信息，具有显著影响的地球形状和地形因素必须从初始干涉相位中去除，于是有了差分干涉测量（DInSAR）方法。

1989年Gabriel最早介绍了差分干涉测量的概念，所谓差分干涉测量是指利用同一地区的两幅干涉图像，其中一幅是形变前的干涉图像，另一幅是形变后获取的干涉图像，然后通过差分处理来获取地表形变的测量技术。

传统的DInSAR方法主要有两轨法（Massonnet et al.,1993)和三轨法(Zebkeretal.,1994)及四轨法。

为计算方便，下面的讨论不考虑大气及噪声影响。

（1）两轨法两轨法的基本思想是利用实验区地表变化前后的两幅影像生成干涉纹图，从干涉纹图中去除地形信息，即可得到地表形变信息。

这种方法的优点是无需对干涉图进行相位解缠，避免了解缠的困难。

其缺点是对于无DEM数据的地区无法采用上述方法；在引起DEM数据的同时，可能引起新的误差，如DEM本身的高程误差、DEM模拟干涉相位与真实SAR纹图的配准误差等。

两轨法处理流程图如图3.2所示：由（7）式可得：ϕdef=ϕ−ϕearth−ϕtop（16）其中：ϕearth=4πλB∥，ϕtop=4πB⊥hλR1sinθο分别表示地球形状及地形起伏引起的干涉相位。

反映地表形变的斜距变化量可经如下计算得到：Δr=−λ4π·ϕdef（17）（2）三轨法三轨法基本原理是利用三景影像生成两幅干涉纹图，一幅反映地形信息，一幅反映地形形变信息。

三轨法的主要优点是无需辅助DEM数据，对于一些无地形数据的变化监测尤为重要，而且数据间的配准较易实现；缺点是相位解缠的好坏将影响最终结果。

下图是三轨法测量的几何模型图，其中S1和S2是在没有地形位移情况下SAR 系统两次对同一地区成像的位置，所获得的干涉相位中仅仅包含地形信息；S3是地表形变后SAR系统的观测位置。

由S1和S3所获得的干涉相位不仅包含地形相位，还记录地表形变的相位贡献。

两次的干涉相位分别为：ϕ12=−4πB·sin ⁡（θ−α1）λ=−4πB ∥λ（18） Φ13=−4πB 丿sin θ−α2 λ+4πλΔD =−4π(B 丿∥−ΔD)λ（19） 式中，ϕ12仅仅包含地形信息；Φ13包含地形信息和形变信息；B ∥、B 丿∥ 分别为S 1S 2和S 1S 3的水平基线，θ为图像视角；α1α2分别为基线B 、B'与水B 丿平方向的夹角；ΔD 为地表在卫星视线LOS 方向上的形变位移。

因此由地表在LOS 方向上位移引起的相位Φd 为：Φd =Φ13−Φ12B ∥B 丿∥=−ΔD λ4π（20）地表位移形变表示为：ΔD =−Φd 4πλ（21） 三轨法处理流程如下图所示四轨法类似于“三轨法”，只是地形干涉图与形变干涉图相互独立。

三、合成孔径雷达干涉（InSAR）的应用及展望InSAR 技术的应用主要体现在以下几个方面: (1) 大规模的数字高程模型(DEM) 的建立和地形制图; (2) 地球表面形变场的探测,包括地震位移测量、火山运动监测、冰川漂移、地表沉降与山体滑坡等引起的地表位移监测: (3) 森林调查与制图; (4) 海洋测绘以及土地利用与分类等。