合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（INSAR）技術(shù)原理及應(yīng)用發(fā)展

劉曦霞

摘 要：合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（InSAR）技術(shù)近年來(lái)得到了較快的發(fā)展，這一技術(shù)也廣泛的應(yīng)用于國(guó)防建設(shè)與國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中。文章結(jié)合作者實(shí)際研究，從InSAR技術(shù)的自身優(yōu)勢(shì)與發(fā)展?jié)摿Τ霭l(fā)，分析了其基本技術(shù)原理，并就InSAR技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了探討，最后總結(jié)了其未來(lái)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：合成孔徑雷達(dá)；INSAR；技術(shù)原理；應(yīng)用

1 InSAR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與潛力

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的空間對(duì)地觀(guān)測(cè)新技術(shù)，這一技術(shù)主要是借助于合成孔徑雷達(dá)SAR朝目標(biāo)位置發(fā)射微波，之后接收目標(biāo)反射回波，從而獲得目標(biāo)位置成像的SAR復(fù)圖像對(duì)，如果復(fù)圖像之間有相干條件，SAR復(fù)圖像對(duì)共軛相乘后能夠得到干涉圖，結(jié)合干涉圖相位值可以獲得兩次成像中存在的微波路程差，進(jìn)而準(zhǔn)確獲得目標(biāo)位置的地形地貌等情況。

利用InSAR技術(shù)成像的優(yōu)勢(shì)在于連續(xù)觀(guān)測(cè)能力強(qiáng)、成像分辨率和精度高、覆蓋范圍較廣、技術(shù)成本低等，在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也非常廣泛，比如說(shuō)DEM生成、地面沉降監(jiān)測(cè)、火山或地震災(zāi)害監(jiān)測(cè)、海洋測(cè)繪、國(guó)防軍事等。但是InSAR技術(shù)測(cè)量的精準(zhǔn)度往往會(huì)受到大氣效應(yīng)的影響，近年來(lái)新提出的散射體PS技術(shù)逐漸被越來(lái)越多的應(yīng)用到其干涉處理的過(guò)程中，PS技術(shù)分析能夠在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定的散射體相位變化，即便是難以獲得干涉條紋的狀況下，也可以獲得毫米級(jí)的測(cè)量精度，在很大程度上提高了干涉測(cè)量技術(shù)的環(huán)境適應(yīng)能力，這也是這一技術(shù)研究過(guò)程中的一個(gè)重大突破，其擁有非常高的開(kāi)發(fā)應(yīng)用價(jià)值[1]。

2 InSAR技術(shù)的基本原理分析

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)是按照復(fù)雷達(dá)圖像的相位值來(lái)計(jì)算出地面目標(biāo)空間信息的技術(shù)，它的基本思想是：借助兩幅天線(xiàn)進(jìn)行同時(shí)成像或者單幅天線(xiàn)間隔一定時(shí)間重復(fù)成像，進(jìn)而得到同一位置的復(fù)雷達(dá)圖像對(duì)，因?yàn)閮煞炀€(xiàn)和地面目標(biāo)之間的距離不一致，因此在復(fù)雷達(dá)圖像對(duì)同名象點(diǎn)之間出現(xiàn)相位差，進(jìn)而產(chǎn)生干涉紋圖，其中的相位值代表兩次成像的相位差測(cè)量值，兩次成像的相位差和地面目標(biāo)的空間位置之間的幾何關(guān)系，結(jié)合飛行軌道的具體參數(shù)，便能夠準(zhǔn)確的計(jì)算出地面目標(biāo)的具體坐標(biāo)，進(jìn)而讓我們獲得具有較強(qiáng)精準(zhǔn)度的大范圍數(shù)字高程模型。下面作者以衛(wèi)星重復(fù)軌道干涉模式對(duì)其技術(shù)原理進(jìn)行說(shuō)明，首先我們能夠看到其幾何示意圖（見(jiàn)圖1）。

圖1 InSAR幾何關(guān)系示意圖

S1、S2代表衛(wèi)星對(duì)同一位置進(jìn)行兩次成像的位置（即是天線(xiàn)位置），S1的軌道高度是H，基線(xiàn)長(zhǎng)度是B，基線(xiàn)水平角為α，入射角是θ，地面目標(biāo)P高度是h，S1到地面目標(biāo)P的距離是r，S2到地面目標(biāo)P的距離是r+？啄r。

根據(jù)圖1，地面目標(biāo)P的高度能夠用以下公式表示：

h=H-r*cos？茲 （1）

由余弦定理得：

（2）

因此： （3）

對(duì)上述公式進(jìn)行整理得 （4）

我們知道，干涉相位即是地面目標(biāo)P通過(guò)r，r+δr，雷達(dá)分別于S1和S2處接收到的回波相位差△Φ中，而△Φ和距離差δr、微波波長(zhǎng)λ的關(guān)系表達(dá)式為：

（5）

因?yàn)橹貜?fù)軌道雷達(dá)接收的信號(hào)基本為通過(guò)發(fā)射與返回路程的信號(hào)，因此可得：

（6）

將公式（6）和公式（4）代入公式（1）我們可以得出：

這一公式即是從干涉相位中獲得地面高程的基本原理公式，其具體參數(shù)說(shuō)明：θ，H為己知，H值能夠通過(guò)衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)算測(cè)量獲得，基線(xiàn)距B、天線(xiàn)和水平線(xiàn)之間的夾角α能夠通過(guò)衛(wèi)星軌道參數(shù)來(lái)確定，但是其精準(zhǔn)度較低，因此一般利用一些地面控制點(diǎn)，結(jié)合成像原理，對(duì)成像過(guò)程中的軌道參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，從而有效的提升B、α值的精確度。對(duì)于△Φ的值我們通常采取下面兩種辦法進(jìn)行計(jì)算：兩復(fù)值圖像相位直接相減或復(fù)值圖像共扼相乘，兩種方法的效果比較相近，但后者的應(yīng)用更為普遍。

3 合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（InSAR）技術(shù)的應(yīng)用

3.1 地形圖成像

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)根據(jù)SAR復(fù)圖像中的相位數(shù)據(jù)，借助于干涉處理的方式來(lái)獲得地面目標(biāo)的三維空間信息，因此我們這一技術(shù)也更加常見(jiàn)于地形圖制作、DEM生成等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用中。利用InSAR技術(shù)所得到的地形地貌精準(zhǔn)度也會(huì)受到成像幾何以及干涉圖像質(zhì)量等因素的影響。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，利用干涉測(cè)量技術(shù)來(lái)獲取DEM具有非常高的效率和準(zhǔn)確度，尤其是在荒無(wú)人煙、環(huán)境惡劣或者無(wú)人區(qū)，選擇InSAR技術(shù)進(jìn)行測(cè)繪是非常普遍的[2]。

3.2 地殼形變研究

借助于InSAR技術(shù)所得到的DEM能夠直接找出地表變化情況，比如說(shuō)泥石流沉積、沙丘移動(dòng)等。差分干涉通過(guò)對(duì)多次干涉結(jié)果實(shí)施差分，當(dāng)我們排除地形干擾之后，能夠通過(guò)雷達(dá)的波長(zhǎng)量級(jí)來(lái)對(duì)地表發(fā)生的微弱物理變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

InSAR技術(shù)還能夠更加廣泛的應(yīng)用到土地動(dòng)力學(xué)的各個(gè)方面，比如說(shuō)氣候地貌學(xué)、土壤遷移、火山學(xué)、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)等。類(lèi)似于此的地表物理變化通常是因?yàn)閿鄬勇∑鸹驈澢⒌卣馂?zāi)害導(dǎo)致的位移、地塊沉降等引起的，對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)能夠幫助我們更加準(zhǔn)確的對(duì)火山、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害作出預(yù)報(bào)，降低自然災(zāi)害給我們帶來(lái)的生命財(cái)產(chǎn)損失。

3.3 極地監(jiān)測(cè)

極地冰蓋會(huì)在很大程度上決定了地球氣候環(huán)境的變化，所以對(duì)極地冰蓋體積以及冰川的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)是十分重要的。和過(guò)去的監(jiān)測(cè)方式比起來(lái)，InSAR技術(shù)能夠監(jiān)測(cè)更大范圍、更高效率的優(yōu)勢(shì)，它能夠更加準(zhǔn)確的對(duì)極地冰蓋厚度變化以及冰川移動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。1993年歌德斯坦等人首次利用衛(wèi)星SAR差分干涉技術(shù)對(duì)冰川運(yùn)動(dòng)以及邊緣變化實(shí)施了監(jiān)測(cè)，相關(guān)研究數(shù)據(jù)說(shuō)明，利用InSAR技術(shù)對(duì)極地冰川進(jìn)行監(jiān)測(cè)具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

3.4 其他應(yīng)用

InSAR技術(shù)除了應(yīng)用于上述領(lǐng)域中，還能夠用于陸地植物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)、海洋監(jiān)測(cè)等工作。雷達(dá)遙感圖像能夠記錄海量的陸地植被信息，能夠直接的反映出監(jiān)測(cè)地區(qū)植被生長(zhǎng)、生物量等情況，能夠幫助我們更好的對(duì)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行研究。雷達(dá)遙感還能夠借助于植被的后向散射系數(shù)來(lái)對(duì)其實(shí)際生長(zhǎng)情況進(jìn)行評(píng)估等。

我們知道，地球表面的70%都是海洋，海洋中隱藏著我們?nèi)祟?lèi)生存所需的珍貴資源，但是海面的天氣情況通常比較惡劣，使用光學(xué)遙感方式來(lái)對(duì)海洋狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)是非常困難的。而利用InSAR技術(shù)不但能夠準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)船舶在海洋中的運(yùn)動(dòng)方向及速度，同時(shí)還能夠觀(guān)測(cè)到不同的海洋動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象等。另外，InSAR技術(shù)還能夠廣泛的應(yīng)用于城市三維建模、考古作業(yè)、全球氣候變化研究、地下水和土壤水分分析研究等各種專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域[3]。

4 結(jié)論和展望

利用合成孔徑雷電干涉測(cè)量能夠幫助我們更加準(zhǔn)確的獲得地形高度數(shù)據(jù)，它借助于雷達(dá)回波相位信息，不但能夠建立大范圍高精準(zhǔn)度的DEM，同時(shí)還能夠通過(guò)差分干涉技術(shù)對(duì)地面可能存在的毫米量級(jí)位移進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。隨著近年來(lái)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟且廣泛的應(yīng)用于實(shí)踐中的各個(gè)領(lǐng)域。從我國(guó)研究InSAR技術(shù)的實(shí)際情況來(lái)看，雖然我們?cè)诖思夹g(shù)上已經(jīng)取得了一定的成績(jī)，但是依舊還有很多技術(shù)問(wèn)題需要改進(jìn)和解決，比如說(shuō)我國(guó)尚無(wú)星載成像衛(wèi)星獲取InSAR處理數(shù)據(jù)，機(jī)載衛(wèi)星獲取數(shù)據(jù)依舊處于初級(jí)發(fā)展階段，并未形成規(guī)?；某潭?，因此現(xiàn)階段依舊是借助于國(guó)外提供的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行相關(guān)研究。我們必須要認(rèn)識(shí)到，InSAR技術(shù)的應(yīng)用前景和潛力價(jià)值是無(wú)窮的，我們必須要進(jìn)一步研發(fā)本國(guó)的In-SAR系統(tǒng)，從而更好的為國(guó)防建設(shè)以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]張倍倍.合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（InSAR）技術(shù)在地表沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].西部資源，2014（5）：45.

[2]侯建國(guó)，初禹.合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量技術(shù)在城市地面沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].測(cè)繪工程，2014（8）：22.

[3]何儒云，王耀南，毛建旭.合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（InSAR）關(guān)鍵技術(shù)研究[J].測(cè)繪工程，2007（5）：36.