合成孔徑雷達干涉測量（INSAR）技術(shù)原理及應(yīng)用發(fā)展

劉曦霞

摘 要：合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）技術(shù)近年來得到了較快的發(fā)展，這一技術(shù)也廣泛的應(yīng)用于國防建設(shè)與國民經(jīng)濟建設(shè)中。文章結(jié)合作者實際研究，從InSAR技術(shù)的自身優(yōu)勢與發(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)在各個領(lǐng)域的實際應(yīng)用進行了探討，最后總結(jié)了其未來發(fā)展。

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

1 InSAR技術(shù)的優(yōu)勢與潛力

合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)是近年來發(fā)展起來的空間對地觀測新技術(shù)，這一技術(shù)主要是借助于合成孔徑雷達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，如果復(fù)圖像之間有相干條件，SAR復(fù)圖像對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)勢在于連續(xù)觀測能力強、成像分辨率和精度高、覆蓋范圍較廣、技術(shù)成本低等，在各個領(lǐng)域的應(yīng)用也非常廣泛，比如說DEM生成、地面沉降監(jiān)測、火山或地震災(zāi)害監(jiān)測、海洋測繪、國防軍事等。但是InSAR技術(shù)測量的精準(zhǔn)度往往會受到大氣效應(yīng)的影響，近年來新提出的散射體PS技術(shù)逐漸被越來越多的應(yīng)用到其干涉處理的過程中，PS技術(shù)分析能夠在長時間內(nèi)保持相對穩(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，也可以獲得毫米級的測量精度，在很大程度上提高了干涉測量技術(shù)的環(huán)境適應(yīng)能力，這也是這一技術(shù)研究過程中的一個重大突破，其擁有非常高的開發(fā)應(yīng)用價值[1]。

2 InSAR技術(shù)的基本原理分析

合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)是按照復(fù)雷達圖像的相位值來計算出地面目標(biāo)空間信息的技術(shù)，它的基本思想是：借助兩幅天線進行同時成像或者單幅天線間隔一定時間重復(fù)成像，進而得到同一位置的復(fù)雷達圖像對，因為兩幅天線和地面目標(biāo)之間的距離不一致，因此在復(fù)雷達圖像對同名象點之間出現(xiàn)相位差，進而產(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)確的計算出地面目標(biāo)的具體坐標(biāo)，進而讓我們獲得具有較強精準(zhǔn)度的大范圍數(shù)字高程模型。下面作者以衛(wèi)星重復(fù)軌道干涉模式對其技術(shù)原理進行說明，首先我們能夠看到其幾何示意圖（見圖1）。

圖1 InSAR幾何關(guān)系示意圖

S1、S2代表衛(wèi)星對同一位置進行兩次成像的位置（即是天線位置），S1的軌道高度是H，基線長度是B，基線水平角為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）

對上述公式進行整理得 （4）

我們知道，干涉相位即是地面目標(biāo)P通過r，r+δr，雷達分別于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λ的關(guān)系表達式為：

（5）

因為重復(fù)軌道雷達接收的信號基本為通過發(fā)射與返回路程的信號，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)說明：θ，H為己知，H值能夠通過衛(wèi)星雷達高度計算測量獲得，基線距B、天線和水平線之間的夾角α能夠通過衛(wèi)星軌道參數(shù)來確定，但是其精準(zhǔn)度較低，因此一般利用一些地面控制點，結(jié)合成像原理，對成像過程中的軌道參數(shù)進行計算，從而有效的提升B、α值的精確度。對于△Φ的值我們通常采取下面兩種辦法進行計算：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 合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）技術(shù)的應(yīng)用

3.1 地形圖成像

合成孔徑雷達干涉測量技術(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)也更加常見于地形圖制作、DEM生成等領(lǐng)域的實際應(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)實驗結(jié)果說明，利用干涉測量技術(shù)來獲取DEM具有非常高的效率和準(zhǔn)確度，尤其是在荒無人煙、環(huán)境惡劣或者無人區(qū)，選擇InSAR技術(shù)進行測繪是非常普遍的[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，比如說泥石流沉積、沙丘移動等。差分干涉通過對多次干涉結(jié)果實施差分，當(dāng)我們排除地形干擾之后，能夠通過雷達的波長量級來對地表發(fā)生的微弱物理變化進行監(jiān)測。

InSAR技術(shù)還能夠更加廣泛的應(yīng)用到土地動力學(xué)的各個方面，比如說氣候地貌學(xué)、土壤遷移、火山學(xué)、災(zāi)害風(fēng)險評估以及自然災(zāi)害監(jiān)測等。類似于此的地表物理變化通常是因為斷層隆起或彎曲、地震災(zāi)害導(dǎo)致的位移、地塊沉降等引起的，對其進行監(jiān)測能夠幫助我們更加準(zhǔn)確的對火山、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害作出預(yù)報，降低自然災(zāi)害給我們帶來的生命財產(chǎn)損失。

3.3 極地監(jiān)測

極地冰蓋會在很大程度上決定了地球氣候環(huán)境的變化，所以對極地冰蓋體積以及冰川的運動進行監(jiān)測是十分重要的。和過去的監(jiān)測方式比起來，InSAR技術(shù)能夠監(jiān)測更大范圍、更高效率的優(yōu)勢，它能夠更加準(zhǔn)確的對極地冰蓋厚度變化以及冰川移動狀態(tài)進行監(jiān)測。1993年歌德斯坦等人首次利用衛(wèi)星SAR差分干涉技術(shù)對冰川運動以及邊緣變化實施了監(jiān)測，相關(guān)研究數(shù)據(jù)說明，利用InSAR技術(shù)對極地冰川進行監(jiān)測具有非常廣闊的應(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監(jiān)測、海洋監(jiān)測等工作。雷達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)測地區(qū)植被生長、生物量等情況，能夠幫助我們更好的對生態(tài)環(huán)境進行研究。雷達遙感還能夠借助于植被的后向散射系數(shù)來對其實際生長情況進行評估等。

我們知道，地球表面的70%都是海洋，海洋中隱藏著我們?nèi)祟惿嫠璧恼滟F資源，但是海面的天氣情況通常比較惡劣，使用光學(xué)遙感方式來對海洋狀況進行監(jiān)測是非常困難的。而利用InSAR技術(shù)不但能夠準(zhǔn)確的監(jiān)測船舶在海洋中的運動方向及速度，同時還能夠觀測到不同的海洋動力學(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業(yè)領(lǐng)域[3]。

4 結(jié)論和展望

利用合成孔徑雷電干涉測量能夠幫助我們更加準(zhǔn)確的獲得地形高度數(shù)據(jù)，它借助于雷達回波相位信息，不但能夠建立大范圍高精準(zhǔn)度的DEM，同時還能夠通過差分干涉技術(shù)對地面可能存在的毫米量級位移進行準(zhǔn)確監(jiān)測。隨著近年來科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟且廣泛的應(yīng)用于實踐中的各個領(lǐng)域。從我國研究InSAR技術(shù)的實際情況來看，雖然我們在此技術(shù)上已經(jīng)取得了一定的成績，但是依舊還有很多技術(shù)問題需要改進和解決，比如說我國尚無星載成像衛(wèi)星獲取InSAR處理數(shù)據(jù)，機載衛(wèi)星獲取數(shù)據(jù)依舊處于初級發(fā)展階段，并未形成規(guī)模化的程度，因此現(xiàn)階段依舊是借助于國外提供的數(shù)據(jù)來進行相關(guān)研究。我們必須要認識到，InSAR技術(shù)的應(yīng)用前景和潛力價值是無窮的，我們必須要進一步研發(fā)本國的In-SAR系統(tǒng)，從而更好的為國防建設(shè)以及國民經(jīng)濟發(fā)展作出貢獻。

參考文獻

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

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

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