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SAR基础知识 技术支持邮箱 ENVI IDL 技术支持热线 400 819 2881 5官方技术博客 1 SAR基础2 InSAR基础3 InSAR技术与地表形变 主要内容 1 SAR基础 Radar概念 Radar RadioDetectionAndRanging 一个Radar系统主要包括三个功能 发射微波信号到场景接收从场景中传回的部分后向散射能量观测返回的强度 检测 和延时 测距 信号 RAR 真实孔径雷达成像分辨率雷达天线长度 SAR SyntheticApertureRadar 合成孔径雷达用一个小天线作为单个辐射单元 将此单元沿一直线不断移动 在不同位置上接收同一地物的回波信号并进行相关解调压缩处理的侧视雷达 可以获取高分辨率的地球表面图像 是目前广泛使用的雷达系统 SAR 合成孔径雷达 几个波的概念 SAR参数 波长 雷达遥感使用的微波部分的电磁频谱 频率 从0 3GHz至300GHz 波长从1米到1毫米 微波中常用的波段有 P band 65cmAIRSARL band 23cmJERS 1SAR ALOSPALSARS band 10cmAlmaz 1C band 5cmERS 1 2SAR RADARSAT 1 2 ENVISATASAR RISAT 1X band 3cmTerraSAR X 1 COSMO SkyMedK band 1 2cm军事领域波长越长穿透能力就越强 如波长大于2cm的雷达系统不会受到云的影响 SAR参数 波长 雷达频率的应用 冰雪识别 小型特征 使用X band地质制图 大型特征 使用L band叶面渗透 最好使用低频率 如P band一般情况 C band是折中波段 波段名称的字母是早起军事应用遗留下来的 SAR参数 极化 极化 电磁波振动的矢量方向 即电场的方向 SAR参数 极化 特点当雷达作用于地球表面时 其极化方式可能改变 产生随机极化反射信号 其中包含水平和垂直两种分量极化方式是否改变取决于目标的物理和电特性雷达可以接收反射信号的水平和垂直极化分量四种模式 HH VV HV VH对于同一区域 不同极化方式获取的图像不同 SAR参数 极化 美国航天飞机SAR获取的XVV CHV LHV的图像不同波长 不同极化的散射机理差异 SAR参数 入射角 视角 入射角是雷达波束与垂直表面直线之间的夹角 微波与表面的相互作用复杂 不同的角度区域会产生不同的回波 小入射角通常返回较强的信号 随入射角增加 返回信号逐渐减弱根据雷达距离地表高度的情况 入射角会随着近距离到远距离的改变而改变 从而影响成像几何 SAR参数 入射角 反射率随着入射角的增大而减小 不同地物随入射角变化的反射率变化情况入射角与雷达后向散射的关系不同的应用选择相应装置的依据 距离向 Range 像平面内垂直于飞行方向斜距 Slantrange 雷达到目标的距离方向 雷达探测斜距方向的回波信号地距 Groundrange 将斜距投影到地球表面 是地面物体间的真实距离方位向 Azimuth 平行于飞行方向 SAR的观测几何 SAR图像几何分辨率 距离分辨率Range侧视方向上的分辨率称为距离分辨率包括斜距分辨率和地距分辨率方位分辨率Azimuth沿航线方向上的分辨率 也称沿迹分辨率 SAR图像几何特征 雷达图像的构像几何学属于斜距投影类型斜距投影是以天线为中心 以斜距为半径的同心圆在像面空间上的投影方位向的比例尺是个常量距离向的比例尺由地面目标的位置由该目标到雷达天线的距离决定 斜距影像 地距影像 SR GR sin SAR图像几何特征 在雷达成像中 地物目标的位置在方位向是按飞行平台的时序记录成像的在距离向上是按照地物目标反射信息的先后记录成像的在高程上即使微小变化都可造成相当大范围的扭曲这些诱导因子包括透视收缩 叠掩 阴影 SAR图像几何特征 透视收缩 透视收缩山上面向雷达的一面在图像上被压缩 这一部分往往表现为较高的亮度 SAR图像几何特征 需要提供高分辨率的DEM数据 透视收缩可通过几何校正和辐射定标进行校正 用DEM校正 不用DEM校正 SAR图像几何特征 叠掩 叠掩当面向雷达的山坡很陡时 出现山顶比山底更接近雷达 因此在图像的距离方向 山顶与山底的相对位置出现颠倒 SAR图像几何特征 叠掩 叠掩 SAR图像几何特征 阴影 阴影地面上雷达信号照射不到的部分 SAR图像几何特征 在地形起伏的区域一般迎面坡是前向收缩坡度较大时 顶底叠置背面坡坡度较大时出现阴影 SAR散射机制 雷达图像表示的是地面雷达后向散射的估算值主要可分为5种散射 表面和体散射双回波 DoubleBounce 组合散射穿透散射介电属性散射 SAR散射机制 表面和体散射粗糙的表面能得到更高的后向散射 平整表面在雷达图像上经常表现暗区域 双回波 SAR散射机制 组合散射一般发生在低频SAR系统 如L P波段 包括表面 体散射 双回波等 森林的组合散射 上 林冠层 中 树干层 下 地面层 SAR散射机制 穿透散射根据极化方式和波长情况 微波可以透入植被 裸土 干雪或沙地 一般情况 波长越长 穿透能力越强 交叉极化 VH HV 相比同极化 HH VV 的渗透能力弱 SAR散射机制 SAR穿透地表 可以清晰的看到沙漠下的地下河道 SAR图像的理解 图像亮度代表后向散射强度像元内表面越粗糙 后向散射越强 光滑表面镜面反射 后向散射很弱与散射体的复介电常数有关含水量越大 后向散射越强 水面上的溢油 SAR图像的斑点噪声 SAR是相干系统 斑点噪声是其固有特性均匀的区域 图像表现出明显的亮度随机变化 与分辨率 极化 入射角没有直接关系 属于乘机噪声多视和滤波可以抑制斑点噪声 SAR数据类型 单视复数 SingleLookComplex SLC SAR数据由实部和虚部构成相位分布在 之间InSAR处理必须采用这种数据振幅 Amplitude 强度 Intensity 数据对单通道SAR系统来说 相位没有提供任何信息 振幅 或强度 能量 是唯一有用的信息 In Phase 同相分量Quadrature 正交相位分量 SAR数据类型 强度数据对经过聚焦处理的SAR数据进行多视处理 多视得到的强度图像是距离向和 或方位向像元分辨率的平均值一个L视数的图像 本质上是L的指数分布 星载SAR获取模式 条带模式 Stripmap当运行StripmapSAR时 雷达天线可以灵活的调整 改变入射角以获取不同的成像宽幅 最新的SAR系统都具有这种成像模式 包括RADARSAT 1 2 ENVISATASAR ALOSPALSAR TerraSAR X 1 COSMOSkyMed和RISAT 1 星载SAR获取模式 扫描模式 ScanSAR扫描模式是共享多个独立sub swaths的操作时间 最后获取一个完整的图像覆盖区域 星载SAR获取模式 聚束模式 Spotlight当执行聚束模式采集数据时 传感器控制天线不停向成像区域发射微波束 与条带模式主要区别为 在使用相同物理天线时 聚束模式提供更好的方位分辨率 在可能成像的以一个区域内 聚束模式在单通道上的提供更多的视角 聚束模式可以更有效的获取多个小区域 主要星载SAR系统 主要星载SAR系统 其他 RiSAT 1 印度C波段 Kompsat 5 韩国X波段 SAR特性 与光学遥感相比 SAR具有如下特性 全天候 不受云雾雪的影响 雨的影响有限全天时 主动遥感系统对地表有一定的穿透能力 与土壤含水量有关 依赖于波长对植被有一定的穿透能力 依赖于波长和入射角高分辨率 分辨率与距离无关独特的辐射和几何特性干涉测量能力多极化观测能力 雷达的应用 雷达数据合成孔径雷达 SARSAR图像基本应用雷达可以进行全天候观测 并且可以透过云层覆盖 自然应急救灾 农业估产 森林资源调查 军事应用 干旱监测InSAR 干涉SAR 合成孔径雷达干涉测量 InSAR 及差分InSAR D InSAR 技术是近十几年来发展非常迅速的微波遥感技术 由于它具有全天候 全天时 覆盖面广和高精度获取地表形变信息的能力 能达到厘米级精度 采用短基线干涉像对序列 能达到毫米级精度 InSAR两个方面应用 DEM提取和地表形变监测 2 InSAR基础 InSAR SyntheticApertureRadarInterferometryInSAR技术是利用雷达系统获取同一地区两幅SAR影像所提供的相位信息进行干涉处理 来获取地表的三维信息 InSAR 合成孔径 雷达干涉测量 InSAR技术 基本原理 计算每次观测的相位 通过相位干涉求解相位差 进而反算地形及其地表形变信息 inSARimage 1 1 R inSARimage 2 2 R R InSAR测量获取DEM时实际上假设地表没有变化 干涉相位组成 InSAR技术获取地表形变信息 D InSAR 雷达两次不同位置获取同一监测区域的相位 差分干涉得到形变信息 地表形变 diff Rmov N A 大范围DEM数据获取30 90米SRTMDEM 覆盖全球80 陆地Tandem X全球覆盖的5米高分辨率DEM数据获取高精度地表形变监测InSAR技术应用最为广泛且最能发挥优势的领域缓慢微小形变与突发形变大覆盖范围短周期 连续监测高精度 低成本 InSAR技术应用 1960s InSAR概念提出 1974 Graham最早提出应用InSAR测量地形 1986 Goldstein等首先获得机载InSAR的结果 1989 Gabriel等获得土壤表面形变结果 1993年 Massonet首先得到Landers地震的星载差分干涉结果 1995年 ERS2发射并与ERS1 1991 组合运行 提供了大量高质量InSAR数据 全球范围内掀起了InSAR研究热潮 1994 1996年SIRC都进行了重复轨道干涉试验 2000年 美国SRTM项目的成功 2001年 Envisat卫星发射 2006年 ALOS卫星发射 2007年 TerraSARX COSMOSkyMed RADASAT2 星载SAR进入米级分辨率时代 2010年 TanDEM X 创新型雷达干涉仪 InSAR技术发展历程 以前 专家系统开源软件非图形化界面 现在 未来工具软件简化操作 商业化软件的发展 长弓 1 2年才能掌握 滑膛枪 1 2月才能掌握 自动来复枪 几小时内掌握 3 InSAR技术与地表形变 常规D InSAR技术单时相差分干涉处理获取地表形变信息主要用于突发形地表形变 如地震形变场分析监测等干涉叠加技术基于时序分析方法 可以获得形变速率 达到毫米精度主要用于缓慢地表形变 如地面沉降主要包括PS SBAS角反射器InSAR人工目标网络 形变体上不存在或存在较少相干目标的情况需要地表安装角反射器山体滑坡监测等 空间监测范围较小 形变体变形幅度较小 地表形变测量的主要InSAR技术 重复轨道InSAR测量DEM时实际上假设地表没有变化 实际上在发生地震 火山活动或者地壳运动的情况下 地表会有或大或小的形变 在InSAR技术的基础上 如果重复进行干涉成像或结合已有的精细DEM数据来消除干涉图中地形因素的影响 可以检测出地表的微小形变 这是D InSAR的技术基础三种技术方法 双过差分 三过差分 四过差分 从可靠性上讲 双过差分干涉最可靠 而且目前全球大部分地区都有免费的SRTM3的DEM 可以满足很多应用需求 D InSAR 地形信息来自已有的高精度DEM假设两幅SAR图像获取的时间段中存在SAR观测斜距方向的形变 r 干涉位相 1可表示为 D InSAR的方法 双过 2 pass 差分 0是由DEM按照干涉基线和入射角模拟的位相差分干涉结果只与波长有关 与基线无关实际差分干涉处理时 干涉位相仍然经过去平 而模拟位相只需模拟地形位相即可 需要三幅SAR图像 其中两幅应该是在事件发生前 其中一幅作为公共主图像 其干涉结果得到本底DEM信息 公共主图像与事件后的图像进行干涉 再与得到DEM的干涉图进行差分 得到形变 其原理与二过差分干涉基本相同 但是处理流程有一些不同 D InSAR的方法 三过差分干涉 四过差分干涉的数据要求较高 时空基线对适合的情况比较少 4幅SAR图像中3幅是事件发生前的 1幅是事件发生后的 但是无法找到公共主图像 只能分二组 一组生产DEM 一组包含事件形变信息 差分干涉流程类似于二过差分干涉 不同的是DEM是由另一组干涉生成 D InSAR的方法 四过差分干涉 SLC1data SLC2data SLC3data SLC4data 干涉图 干涉图 差分干涉 相干变化 技术特点算法简单 参数较少成本低 最少2景SAR图像即可可监测较大的地表形变 在LOS方向上能探测的SAR图像相邻分辨单元之间的最大形变值不大于 2 如C波段为2 8cm L波段为12cm 可连续 大范围监测可以监测突发性质的地表形变滑坡 地震 冰川移动 火山活动 矿区塌陷等制约因素相干条件 时间基线和空间基线限制了可进行InSAR处理的数据量 以及地表覆盖物如浓密植被容易造成失相干轨道误差 依赖于精密轨道数据大气影响 非均一大气延迟对大区域处理的影响 D InSAR应用特点 干涉叠加技术 InterferometricStacking D InSAR技术适用于大范围地表形变监测单次测量对大的型变量监测有效 厘米级的 测量瞬间变化 时相上的失相干减少干涉相位精度大气影响解决方案 干涉叠加技术挖掘时间序列SAR图像可以识别区域 像素 范围内 一定时间内地面位移表现在信号相关和一致性 获取地表毫米级的形变信息 主要包括两个应用方向 PS PersistentScatterers 永久散射体 点目标特征 较合适监测SBAS SmallBaselines 短基线 分布式特征 PS技术将InSAR技术扩展到多时相的数据 假设研究区内有N 1副SAR图像