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行业动态

InSAR 基本原理及数据处理

来源:本站   发布时间: 2020-10-22 15:20:39   浏览:3331次  字号: [大] [中] [小]

1. SAR影像的特点

1. SAR 影像是复数影像, 包括振幅图相位图影像。

复影像:复影像数据包括雷达波振幅和相位两部分,被称为复数的实部和虚部。SAR 影像的每一像素不仅包含反映地表微波反射强度即所谓的灰度值,而且还包含与雷达斜距有关的相位值,这两个信息分量可用一个复数(a + b·i)来表达。

2. 斑点噪声

雷达记录的信号是不同散射中心回波矢量的叠加,由于散射中心的回波是随机变化的,这种随机变化造成了相干斑噪声。另一方面,相邻像素点的灰度值会由于相干性而产生一些随机变化,在图像中也会产生斑点噪声

原因一:由于 SAR 系统的分辨率是有限的,目标表面相对于系统波长比较粗糙,图像中的每一个分辨率单元都是许多散射点的合成。雷达记录的信号是不同散射中心回波矢量的叠加。由于散射中心的回波是随机变化的,这种随机变化造成了相干斑噪声。

原因二:SAR 成像系统是基于相干原理的,在雷达回波信号中,相邻像素点的灰度值会由于相干性而产生一些随机变化,并且这种随机变化是围绕着某一均值而进行的,在图像中也会产生斑点噪声。 相干斑点噪声是 SAR 图像固有的特征

3. 穿透性

4. 几何特征

纵向:平行于卫星的飞行航线,方位向

横向:垂直于卫星飞行的航线,距离向

SAR 影像几何特点:距离收缩、透视收缩、叠掩和阴影等现象。

5. 多视处理

SAR 影像有两种显示方式:斜距显示和地距显示。

2.SAR干涉测量工作模式

InSAR工作方式

前两种主要用于机载SAR干涉测量;后一种用于星载SAR干涉测量,卫星不受大气影响,轨道和姿态稳定,为重轨干涉测量提供了较好的条件。

1. 交轨干涉测量(XTI

飞行平台上同时装载两个天线,其中一个负责发射并接收雷达波束,另一个则只负责接收,这样基线固定,只要能准确确定平台位置,就有利于获得高质量的干涉测量数据和高程计算结果

航空平台多采用这种方式,航天飞机也实现了这一方式(SRTM

准确确定平台位置 GPS 平台姿态稳定 INS

侧滚的影响和坡度的影响很难区分 相位差由侧滚引起变化

2. 顺轨干涉测量(ATI

双天线,在飞机上一前一后

目前只是在飞机上采用主要用于海流速度制图、运动目标探测、方向波浪谱测量

3. 重复轨道干涉测量(RTI)

只需要一根天线,在尽可能短的时间间隔内,在大致相同的的轨道上,两次获取同一地区的数据。

目前航天INSAR的主要工作方式。航天InSAR具有航高高,姿态稳定的特点,但是需要精确确定平台位置,等效基线必须符合一定的要求, 而目前提供的参数均不精确,所以存在“参数估计问题”

SAR重复轨道干涉条件

 两次观测期间地物没变化

 稳定的观测几何关系,姿态稳定

 作运动补偿后,能保留好内在的相位信息

相位构成:雷达接收信号中的相位由四部分贡献组成:

1) 是往返路径确定的相位;

2) 是地表不同的散射特性造成的随机相位;

3) 大气延迟的影响;

4) 噪声。

3.InSAR成像几何关系

式中,左边表示相邻像元的干涉相位差,右边第一项表示目标高程变化引起的相位,第二项表示平地引起的相位,第二项引起的相位必须消除掉才能得到地形引起的相位,这就是所谓的“去平地”。

去平地相位之后,可以得到相位与高程之间的关系:

 也可表示为

对于雷达干涉测量系统而言,4π是一个参数,雷达波长已知,通过计算每个像元对应的垂直基线分量B⊥ 、入射角θ以及传感器到地物的距离,即可通过高程h 与相位φ 的函数关系求解地表高程,这就是雷达干涉测量的基本原理。

5.InSAR影像相干性估计

相干性:是指两幅图像的相干程度,相干性是衡量InSAR 像对处理效果的指标,相干性的高低决定了干涉条纹的质量,从而决定了干涉处理的结果

SAR 影像干涉处理以影像之间的相干性为基础。相干性是衡量InSAR 像对处理效果的指标,相干性的高低决定了干涉条纹的质量,从而决定了干涉处理的结果,相干性很低的像对很难进行干涉处理,因此,常常利用相干性指标进行干涉像对的选取。

 

 

最大似然法相干估计具有一些优点:

Ø 无需计算干涉相位;Ø 干涉相位误差对其没有影响;Ø 可直接应用于单视图像;

Ø 不受局部干涉条纹频率或相位估计误差影响

去相干分析

去相干源;               原因分析                 补偿策略

几何去相干;            雷达观测视角;          短基线与滤波处理;

多普勒去相干;    不同时相多普勒质心频率;      通过系统参数控制与滤波处理;

系统热噪声;      基线设置参数与地表反射特征;  依靠硬件设置来减少;

体散射特征去相干; 雷达回拨的穿透能力,与波长存在较大系;选择同季节的数据;

地面目标地物变化; 地面目标的物理特性变化;      缩短时间基线;

数据处理;         数据处理过程引入的误差;      选择比较精确的算法;

6. INSAR数据处理基本流程

n复图像配准

•基于精密卫星星历和相干系数的配准 •最大频谱干涉法 •相位差平均梯度函数法

n基线估计

•去平地效应 •高程估算 •地理编码

n干涉图的生成

两复数共轭相乘得到像元干涉后的复数表示形式。

对所有像元进行共轭相乘即可生成干涉图。

n平地效应消除和干涉图的滤波

相位图中高度相同而干涉相位差不同的现象称为平地效应

n相位解缠和相位值向高程值转换

从干涉图上直接获得的相位是值在(-π,π ]之间,相位存在2π 的模糊。为了能够将干涉相位和干涉图的成像几何关系联系起来,获得地形高程和实际的地面距离,需要加上正确的2kπ ,这一过程称为相位解缠

nDEM 生成及地理编码

 

影响InSAR 数据质量的因素

卫星系统:入射角、空间分辨率、系统噪声、影像失配、内部时钟偏差、近似聚焦

轨道:定位精度、基线、重复轨道时间差、不平行轨道

信号:频率、极化、带宽、噪声/斑点

地形地物:体散射、坡向(相位梯度角)、地表物体特征(如冻土)

气候条件:风(造成散射体运动)、雪(造成去相干)

大气层:大气折射

7.InSAR软件简介

GAMMA:该软件分为组件式SAR处理器(MSP),干涉SAR处理器(ISP),差分干涉处理和地理编码(DIFF&GEO),土地利用工具(LAT)和干涉点目标分析(IPTA)五个模块

SARscape:由核心模块、聚焦扩展模块、滤波扩展模块、扫描式干涉雷达处理扩展模块、极化雷达处理扩展模块、干涉叠加扩展模块组成。

8. INSAR技术存在的问题

INSAR技术存在的问题

•单视复数据的高精度配准

•时间基线的去相关现象

散射目标在重复轨道两次观测期间散射特性的变化所导致的时间去相干。主要是指散射体在分辨单元内位置或者自身散射特性随时间的变化,其保持相干时间长短与本身的性质有关。

•空间基线的去相关和参数精确估计

由于入射角的不同,在距离向地物频谱投影到数据频谱时出现偏移

•相位解缠


 

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