合成孔径雷达干涉测量(INSAR)技术原理及应用发展

摘 要：合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术近年来得到了较快的发展，这一技术也广泛的应用于国防建设与国民经济建设中。文章结合作者实际研究，从InSAR技术的自身优势与发展潜力出发，分析了其基本技术原理，并就InSAR技术在各个领域的实际应用进行了探讨，最后总结了其未来发展。

关键词：合成孔径雷达；INSAR；技术原理；应用

1 InSAR技术的优势与潜力

合成孔径雷达干涉测量技术是近年来发展起来的空间对地观测新技术，这一技术主要是借助于合成孔径雷达SAR朝目标位置发射微波，之后接收目标反射回波，从而获得目标位置成像的SAR复图像对，如果复图像之间有相干条件，SAR复图像对共轭相乘后能够得到干涉图，结合干涉图相位值可以获得两次成像中存在的微波路程差，进而准确获得目标位置的地形地貌等情况。

利用InSAR技术成像的优势在于连续观测能力强、成像分辨率和精度高、覆盖范围较广、技术成本低等，在各个领域的应用也非常广泛，比如说DEM生成、地面沉降监测、火山或地震灾害监测、海洋测绘、国防军事等。但是InSAR技术测量的精准度往往会受到大气效应的影响，近年来新提出的散射体PS技术逐渐被越来越多的应用到其干涉处理的过程中，PS技术分析能够在长时间内保持相对稳定的散射体相位变化，即便是难以获得干涉条纹的状况下，也可以获得毫米级的测量精度，在很大程度上提高了干涉测量技术的环境适应能力，这也是这一技术研究过程中的一个重大突破，其拥有非常高的开发应用价值[1]。

2 InSAR技术的基本原理分析

合成孔径雷达干涉测量技术是按照复雷达图像的相位值来计算出地面目标空间信息的技术，它的基本思想是：借助两幅天线进行同时成像或者单幅天线间隔一定时间重复成像，进而得到同一位置的复雷达图像对，因为两幅天线和地面目标之间的距离不一致，因此在复雷达图像对同名象点之间出现相位差，进而产生干涉纹图，其中的相位值代表两次成像的相位差测量值，两次成像的相位差和地面目标的空间位置之间的几何关系，结合飞行轨道的具体参数，便能够准确的计算出地面目标的具体坐标，进而让我们获得具有较强精准度的大范围数字高程模型。下面作者以卫星重复轨道干涉模式对其技术原理进行说明，首先我们能够看到其几何示意图（见图1）。

图1 InSAR几何关系示意图

S1、S2代表卫星对同一位置进行两次成像的位置（即是天线位置），S1的轨道高度是H，基线长度是B，基线水平角为α，入射角是θ，地面目标P高度是h，S1到地面目标P的距离是r，S2到地面目标P的距离是r+？啄r。

根据图1，地面目标P的高度能够用以下公式表示：

h=H-r*cos？兹 （1）

由余弦定理得：

（2）

因此： （3）

对上述公式进行整理得 （4）

我们知道，干涉相位即是地面目标P通过r，r+δr，雷达分别于S1和S2处接收到的回波相位差Φ中，而Φ和距离差δr、微波波长λ的关系表达式为：

（5）

因为重复轨道雷达接收的信号基本为通过发射与返回路程的信号，因此可得：

（6）

将公式（6）和公式（4）代入公式（1）我们可以得出：

这一公式即是从干涉相位中获得地面高程的基本原理公式，其具体参数说明：θ，H为己知，H值能够通过卫星雷达高度计算测量获得，基线距B、天线和水平线之间的夹角α能够通过卫星轨道参数来确定，但是其精准度较低，因此一般利用一些地面控制点，结合成像原理，对成像过程中的轨道参数进行计算，从而有效的提升B、α值的精确度。对于Φ的值我们通常采取下面两种办法进行计算：两复值图像相位直接相减或复值图像共扼相乘，两种方法的效果比较相近，但后者的应用更为普遍。

3 合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术的应用

3.1 地形图成像

合成孔径雷达干涉测量技术根据SAR复图像中的相位数据，借助于干涉处理的方式来获得地面目标的三维空间信息，因此我们这一技术也更加常见于地形图制作、DEM生成等领域的实际应用中。利用InSAR技术所得到的地形地貌精准度也会受到成像几何以及干涉图像质量等因素的影响。相关实验结果说明，利用干涉测量技术来获取DEM具有非常高的效率和准确度，尤其是在荒无人烟、环境恶劣或者无人区，选择InSAR技术进行测绘是非常普遍的[2]。

3.2 地壳形变研究

借助于InSAR技术所得到的DEM能够直接找出地表变化情况，比如说泥石流沉积、沙丘移动等。差分干涉通过对多次干涉结果实施差分，当我们排除地形干扰之后，能够通过雷达的波长量级来对地表发生的微弱物理变化进行监测。

InSAR技术还能够更加广泛的应用到土地动力学的各个方面，比如说气候地貌学、土壤迁移、火山学、灾害风险评估以及自然灾害监测等。类似于此的地表物理变化通常是因为断层隆起或弯曲、地震灾害导致的位移、地块沉降等引起的，对其进行监测能够帮助我们更加准确的对火山、滑坡、泥石流等自然灾害作出预报，降低自然灾害给我们带来的生命财产损失。

3.3 极地监测

极地冰盖会在很大程度上决定了地球气候环境的变化，所以对极地冰盖体积以及冰川的运动进行监测是十分重要的。和过去的监测方式比起来，InSAR技术能够监测更大范围、更高效率的优势，它能够更加准确的对极地冰盖厚度变化以及冰川移动状态进行监测。1993年歌德斯坦等人首次利用卫星SAR差分干涉技术对冰川运动以及边缘变化实施了监测，相关研究数据说明，利用InSAR技术对极地冰川进行监测具有非常广阔的应用前景。

3.4 其他应用

InSAR技术除了应用于上述领域中，还能够用于陆地植物生长监测、海洋监测等工作。雷达遥感图像能够记录海量的陆地植被信息，能够直接的反映出监测地区植被生长、生物量等情况，能够帮助我们更好的对生态环境进行研究。雷达遥感还能够借助于植被的后向散射系数来对其实际生长情况进行评估等。

我们知道，地球表面的70%都是海洋，海洋中隐藏着我们人类生存所需的珍贵资源，但是海面的天气情况通常比较恶劣，使用光学遥感方式来对海洋状况进行监测是非常困难的。而利用InSAR技术不但能够准确的监测船舶在海洋中的运动方向及速度，同时还能够观测到不同的海洋动力学现象等。另外，InSAR技术还能够广泛的应用于城市三维建模、考古作业、全球气候变化研究、地下水和土壤水分分析研究等各种专业领域[3]。

4 结论和展望

利用合成孔径雷电干涉测量能够帮助我们更加准确的获得地形高度数据，它借助于雷达回波相位信息，不但能够建立大范围高精准度的DEM，同时还能够通过差分干涉技术对地面可能存在的毫米量级位移进行准确监测。随着近年来科学技术的不断发展，合成孔径雷达干涉测量技术已经逐渐成熟且广泛的应用于实践中的各个领域。从我国研究InSAR技术的实际情况来看，虽然我们在此技术上已经取得了一定的成绩，但是依旧还有很多技术问题需要改进和解决，比如说我国尚无星载成像卫星获取InSAR处理数据，机载卫星获取数据依旧处于初级发展阶段，并未形成规模化的程度，因此现阶段依旧是借助于国外提供的数据来进行相关研究。我们必须要认识到，InSAR技术的应用前景和潜力价值是无穷的，我们必须要进一步研发本国的In-SAR系统，从而更好的为国防建设以及国民经济发展作出贡献。

参考文献

[1]张倍倍.合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术在地表沉降监测中的应用[J].西部资源，2014（5）：45.

[2]侯建国，初禹.合成孔径雷达差分干涉测量技术在城市地面沉降监测中的应用[J].测绘工程，2014（8）：22.

[3]何儒云，王耀南，毛建旭.合成孔径雷达干涉测量（InSAR）关键技术研究[J].测绘工程，2007（5）：36.