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INSAR的原理与应用领域1. 引言合成孔径雷达干涉测量（Interferometric Synthetic Aperture Radar, INSAR）作为一种重要的遥感技术，具有高分辨率、全天候、全天时等优势，被广泛应用于地表形变、地震监测、冰川变化等领域。
本文将介绍INSAR的原理及其在不同应用领域的应用情况。
2. INSAR的原理INSAR利用雷达观测到的两次干涉图像，通过对比两幅图像的相位差，可以得到地表的形变和变化信息。
INSAR主要包括两个步骤：干涉图像生成和相位解缠。
2.1 干涉图像生成干涉图像生成是指通过两次雷达观测得到的相干图像，计算出相位差的过程。
这可以通过两种方式实现：•单频干涉：使用单个频率的雷达信号进行干涉处理，产生干涉图像。
这种方法简单、成本低，但信噪比较低。
•多频干涉：利用多个频率的雷达信号进行干涉处理，根据不同频率的相干图像计算出相位差，从而生成干涉图像。
这种方法可以提高信噪比，获得更高精度的结果。
2.2 相位解缠相位解缠是指将干涉图像中的相位差转换为地表形变或其他变化量的过程。
由于干涉图像中的相位差通常是在2π范围内变化的，需要进行相位解缠才能得到实际的形变或变化信息。
相位解缠是INSAR中的一个重要挑战，需要使用不同的解缠算法进行处理。
3. INSAR的应用领域INSAR技术在地球科学研究和应用中有着广泛的应用，下面将介绍其在地表形变监测、地震监测和冰川变化等领域的应用情况。
3.1 地表形变监测INSAR技术可以精确测量地表的形变，能够捕捉到毫米级的变化。
它被广泛应用于地质灾害的监测和预警，如地震、火山活动、岩溶塌陷等。
同时，INSAR还可以用于监测沉降、隆起、地下水抽取引起的地表变化，具有重要的地质工程和地下水管理价值。
3.2 地震监测地震是地球上常见的自然现象，INSAR技术可以提供高精度的地震监测能力。
通过不同时间的雷达观测，可以实时监测地震引起的地表位移，为地震研究和预警提供重要数据。
合成孔径雷达⼲涉测量概述合成孔径雷达⼲涉测量（InSAR）简述摘要：本⽂主要介绍了合成孔径雷达⼲涉测量技术的发展简史、基本原理、及其3种基本模式，并且对其数据处理的基本步骤进⾏了概述。
最后，还讲述合成孔径雷达⼲涉测量的主要应⽤，并对其未来发展进⾏了展望。
关键字：合成孔径雷达合成孔径雷达⼲涉测量微波遥感影像1.发展简史合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）是⼀种⾼分辨率的⼆维成像雷达。
它作为⼀种全新的对地观测技术，近20年来获得了巨⼤的发展，现已逐渐成为⼀种不可缺少的遥感⼿段。
与传统的可见光、红外遥感技术相⽐，SAR 具有许多优越性，它属于微波遥感的范畴，可以穿透云层和甚⾄在⼀定程度上穿透⾬区，⽽且具有不依赖于太阳作为照射源的特点，使其具有全天候、全天时的观测能⼒，这是其它任何遥感⼿段所不能⽐拟的；微波遥感还能在⼀定程度上穿透植被，可以提供可见光、红外遥感所得不到的某些新信息。
随着SAR 遥感技术的不断发展与完善，它已经被成功应⽤于地质、⽔⽂、海洋、测绘、环境监测、农业、林业、⽓象、军事等领域。
L. C. Graham 于1974 年最先提出了合成孔径雷达⼲涉测量（InSAR ）三维成像的概念，并⽤于⾦星测量和⽉球观察。
后来Zebker、G. Fornaro及A. Pepe 等做出了进⼀步的研究,以解决InSAR 处理系统中有关基线估计、SAR 图像配准、相位解缠及DEM ⽣成等⽅⾯的问题。
⾃1991 年7 ⽉欧空局发射载有C 波段SAR 的卫星ERS- 1 以来，极⼤地促进了有关星载SAR 的InSAR 技术研究与应⽤。
由于有了优质易得的InSAR 数据源，⼤批欧洲研究者加⼊到这个领域，亚洲（主要是⽇本）的⼀些研究者也开展了这⽅⾯的研究。
⽇本于1992 年2 ⽉发射了JERS- 1，加拿⼤于1995 年初发射了RADARSAT，特别是1995 年ERS- 2 发射后，ERS- 1 和ERS- 2 的串联运⾏极⼤地扩展了利⽤星载SAR ⼲涉的机会，为InSAR 技术的研究提供了数据保证。
合成孔径雷达干涉测量中国专利技术分析摘要：合成孔径雷达干涉测量（In-SAR）技术是合成孔径雷达技术的分支技术，它是对同一地区观测的两幅复数值影像数据进行相干处理，以获取地表高程信息的技术，它是实现地表开采沉陷、地表沉降、地壳与构造地质形变监测的主要技术手段，为本文以合成孔径雷达干涉测量技术的中国专利申请作为分析对象，对其国内的申请状况、重点专利技术等进行了详细的介绍。
关键词：合成孔径；干涉；专利申请1、合成孔径雷达干涉测量技术概述干涉合成孔径雷达是利用目标回波的相位表示在雷达视向上目标与雷达之间的距离，利用两次成像的不同位置关系，依据三角关系可以得到目标的第三维信息-高程信息。
采用干涉法进行高程测量而建立地面高度模型的基本过程可以包括以下六个步骤：（1）雷达天线通过空间或时间关联，接收成像数据；（2）将对相同采样目标对应的图像进行配准操作；（3）对图像进行降噪滤波处理；（4）将两幅图像进行干涉获得干涉相位，并对干涉相位进行去平地相位处理；（5）二维相位解缠绕；（6）生成数字高程模型【1】。
2、专利分析前准备专利分析前需要对分析数据进行选取，主要包括数据库的选择、检索式的构建以及检索后对数据目标进行查全查准的核验。
本文选取中文摘要库（CNABS），以合成孔径雷达技术、干涉成像技术构建检索要素，利用关键词-“合成孔径、SAR、干涉、InSAR、分类号-“G01S13/90”进行检索要素表达并构建检索式，之后通过主要申请人的专利情况对命中的专利数据进行查全查准，最终获得对应的中文专利样本共1193项。
3、合成孔径雷达干涉测量技术中国专利申请情况分析3.1申请趋势分析图 1 是InSAR技术中国专利申请的历年情况。
从申请趋势图可以看出，相关技术的专利申请起步于2000年以后，之后整体上呈现出逐年上升的趋势，其中1999-2008年属于技术发展的萌芽期，专利申请量较少，平均每年的专利申请量均处于10件以下；2008-2016年进入技术的缓慢发展期，与萌芽期相比，其专利申请量有了明显的增长，其年申请量维持在50件以下；2016年以后，专利申请呈现出明显增长趋势，在2021年已经达到了227年（由于专利申请需要在 18 个月后公布，因此2022的申请量数据不完整）。
一、概论1、合成孔径雷达干涉测量技术（INSAR）：利用雷达成像传感器获取被测对象具有相干性的复数图像信息，并通过图像配准、干涉图滤波、相位解缠、基线估算、相位高程转换等处理环节，由干涉相位反演地形信息或形变信息的理论和技术。
2、INSAR技术的应用：地形测绘、城市目标显示和城市形态分析、海洋表面状态监测、极地冰况监测（冰川研究）、农业和资源调查、地表变形监测等。
二、合成孔径雷达遥感基础3、平行于飞行方向，也就是沿航线方向上的分辨率称为方位向分辨率。
斜距：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：将斜距投影到地球表面，是地面物体间的真实距离。
4、SAR成像几何的参数：（1）入射角θ：雷达入射波束与当地大地水准面垂线的夹角。
局部入射角θ1：雷达入射波束与地面散射表面法线之间的夹角。
（2）视角φ：天线朝地面的垂直方向与天线朝入射点方向的夹角。
（3)俯角θd：天线沿水平方向与天线朝入射点的方向之间的夹角。
5、SAR影像的主要特性：（1）斑点噪声（2）多视处理（3）穿透性（4）具有几何特征由两个或两个以上频率相同、振动方向相同、相位差恒定的相干电磁波在空间叠加时，合成振幅为各个波的振幅的矢量和。
因此，会出现交叠区某些地方振动加强，某些地方振动减弱或完全抵消的现象，称之为干涉。
6、侧视成像的几何特征：阴影、透视收缩、顶底倒置透视收缩：到达斜面顶部的斜距与到达底部的斜距之差△R往往比地距之差（即水平距离之差）△X要小，在影像中斜面的长度被缩短了，这种现象称为透视收缩。
顶底倒置：从底部返回的信号先于顶部的信号部，相互位置互换，称为顶底倒置。
阴影：当雷达波束照射到有起伏的地面时，斜面的背后往往存在电磁波不能到达的区域，传感器也接受不到后向散射信号。
在影像中表现的亮度很低，称为阴影。
三、雷达干涉测量概述1、INSAR的基本原理：通过两幅天线同时观测（单轨道双天线模式），或两次平行的观测（单天线重复轨道模式），获得同一区域的重复观测数据，即单视复数（SLC）影像对；由于两副天线和观测目标之间的几何关系，同一目标对应的两个回波信号之间产生了相位差，由此得到的相位差影像通常称为干涉图，再结合观测平台的轨道参数和传感器参数等可以获得高精度、高分辨率的地面高程信息。
干涉合成孔径雷达工作原理
干涉合成孔径雷达（InSAR）是一种利用雷达技术进行地表测量和监测的方法。
它通过利用两个或多个雷达图像之间的相位差异来测量地表的形变、高度变化和地表沉降等信息。
工作原理如下：
1. 发射与接收，InSAR系统首先发射一束雷达波束，该波束经过大气层并与地表交互后反射回来。
接收器接收到反射回来的雷达信号。
2. 多普勒频移，地表上的目标物体运动会导致雷达波的频率发生变化，这被称为多普勒频移。
InSAR系统通过测量多普勒频移来获取地表目标的速度信息。
3. 干涉，InSAR系统同时接收两个或多个雷达图像，并将它们进行干涉处理。
干涉处理是通过比较不同图像之间的相位差异来获取地表形变和高度变化等信息。
相位差异可以反映目标物体与雷达之间的距离变化。
4. 相位解缠，由于干涉处理中相位差异的存在，相位信息可能
会被包含在一个周期内。
为了解决这个问题，需要进行相位解缠，
将相位信息展开到连续的区间内。
5. 地表测量，通过分析干涉处理和相位解缠后的数据，可以获
得地表的形变、高度变化等信息。
这些信息对于地质灾害监测、地
壳运动研究等具有重要意义。
需要注意的是，干涉合成孔径雷达的工作原理涉及到复杂的信
号处理和数据处理算法，包括相位差分、相位解缠、滤波等。
此外，地表上的大气湿度、地形变化等因素也会对InSAR的结果产生一定
的影响，需要进行相应的校正和修正。
总结起来，干涉合成孔径雷达通过利用多个雷达图像之间的相
位差异来测量地表的形变、高度变化等信息，它是一种非常有用的
地表测量和监测技术。
雷达干涉测量原理
雷达干涉测量（InSAR）是一种基于干涉原理的地面目标测量方法。
在合成孔径雷达成像（SAR）技术中，干涉测量是指将两幅或多幅干涉影像重叠起来，并利用相关技术将它们分离开来。
下面简要介绍 InSAR技术的基本原理。
雷达是一种电磁波，其波长比可见光的波长短得多。
由于波长短，雷达波在大气中传播时所遇到的反射、折射等损耗也很小。
这就使雷达在发射电磁波时，其能量能更集中地传送到地面目标上去，从而提高了雷达在空中发射信号的能量密度，使雷达具有更高的分辨率。
同时，由于它的传播速度较快，从而能缩短测距距离，提高测量精度。
根据干涉测量原理，如果在地面上某一点发射一束雷达波，它穿过空气时的传播速度约为3×108m/s~3×106m/s。
如果地面上某一点存在地面运动目标（例如汽车、飞机等），它发射一束雷达波后将会反射回来。
当这束雷达波和地面上某一点发出的雷达波相遇时，两束雷达波产生干涉（或称干涉），从而获得关于这一点的测量结果。
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sar干涉测高的原理
SAR（Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达）干涉测高原理基于雷达技术，在大范围上实现对地表高程变化的测量。
其原理主要包括以下几个步骤：
1. 雷达发射和接收：SAR雷达在飞行器上或卫星上安装，通过电磁波发射天线向地面发射脉冲信号，然后同时接收反射回来的波束。
2. 脉冲信号处理：接收到的信号经过放大、滤波等处理后，得到有关地表反射率、幅度、相位等信息。
3. 干涉处理：将两次不同时刻的雷达数据进行干涉处理，通过比较两次接收到的信号相位差异，得到地表上目标的高程变化信息。
4. 相位解缠：由于多普勒效应，地面散射体的速度会对相位进行调制，需要对相位进行解缠处理，以获得完整的高程信息。
5. 高程计算：根据解缠后的相位信息，结合雷达的几何参数以及地球自转等因素，计算出地表上的高程信息。
SAR干涉测高原理利用雷达的干涉技术，通过比较两次雷达数据的相位差异，从而实现对地表高程变化的测量。
该原理具有高精度、多时相观测、全天候能力等优点，在地质测绘、城市规划、地质灾害监测等领域具有广泛的应用。
合成孔径雷达干涉测量（InSAR）简述摘要：本文主要介绍了合成孔径雷达干涉测量技术的发展简史、基本原理、及其3种基本模式，并且对其数据处理的基本步骤进行了概述。
最后，还讲述合成孔径雷达干涉测量的主要应用，并对其未来发展进行了展望。
关键字：合成孔径雷达合成孔径雷达干涉测量微波遥感影像1.发展简史合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）是一种高分辨率的二维成像雷达。
它作为一种全新的对地观测技术，近20年来获得了巨大的发展，现已逐渐成为一种不可缺少的遥感手段。
与传统的可见光、红外遥感技术相比，SAR 具有许多优越性，它属于微波遥感的范畴，可以穿透云层和甚至在一定程度上穿透雨区，而且具有不依赖于太阳作为照射源的特点，使其具有全天候、全天时的观测能力，这是其它任何遥感手段所不能比拟的；微波遥感还能在一定程度上穿透植被，可以提供可见光、红外遥感所得不到的某些新信息。
随着SAR 遥感技术的不断发展与完善，它已经被成功应用于地质、水文、海洋、测绘、环境监测、农业、林业、气象、军事等领域。
L. C. Graham 于1974 年最先提出了合成孔径雷达干涉测量（InSAR ）三维成像的概念，并用于金星测量和月球观察。
后来Zebker、G. Fornaro及A. Pepe 等做出了进一步的研究,以解决InSAR 处理系统中有关基线估计、SAR 图像配准、相位解缠及DEM 生成等方面的问题。
自1991 年7 月欧空局发射载有C 波段SAR 的卫星ERS- 1 以来，极大地促进了有关星载SAR 的InSAR 技术研究与应用。
由于有了优质易得的InSAR 数据源，大批欧洲研究者加入到这个领域，亚洲（主要是日本）的一些研究者也开展了这方面的研究。
日本于1992 年2 月发射了JERS- 1，加拿大于1995 年初发射了RADARSAT，特别是1995 年ERS- 2 发射后，ERS- 1 和ERS- 2 的串联运行极大地扩展了利用星载SAR 干涉的机会，为InSAR 技术的研究提供了数据保证。
目前用于InSAR 技术研究的数据来源主要有:ERS- 1/2、SIR- C/X SAR、RADARSAT、JERS- 1、TOPSAR 和SEASAT 等。
1979年9月，我国自行研制的第一台合成孔径雷达原理样机在实验室完成，并在试飞中获得我国第一批SAR影像。
1989年起国家科委设立了“合成孔径雷达遥感应用实验研究项目”，拉开了大规模雷达遥感研究的帷幕。
目前国内外许多部门和科研机构正积极从事着InSAR 技术机理及其应用的研究，已经取得了许多成果，InSAR 技术的前景日益看好。
2.InSAR的基本原理InSAR 技术是一门根据复雷达图像的相位数据来提取地面目标三维空间信息的技术。
其基本思想是：利用两副天线同时成像或一副天线相隔一定时间重复成像，获取同一区域的复雷达图像对，由于两副天线与地面某一目标之间的距离不等，使得在复雷达图像对同名象点之间产生相位差，形成干涉纹图，干涉纹图中的相位值即为两次成像的相位差测量值，根据两次成像相位差与地面目标的三维空间位置之间存在的几何关系，利用飞行轨道的参数，即可测定地面目标的三维坐标。
InSAR 如同立体摄影测量, 在2个观测点(2个天线的位置)上对目标进行观测。
因此, 如果要通过SAR 影像获得目标点的高程信息, 需要得到同一地区的2幅影像。
下图为InSAR 的一般原理。
其中，A1、A2为天线的位置；H 为A1的高；P 为目标点；h 为P 的高程；θ为A1的入射角；B 为两天线间的距离，即基线；α为基线B 相对于水平方向的夹角；ρ为A1到P 的斜距；ρδρ+为A2到P 的斜距。
地面目标点P 的高程h 为：H-cos h ρθ= （1）由于 222()2sin()B B ρδρρραθ+=++- （2） 所以222sin()2B B δρραθδρ-=-- （3）A 1、A2对P 的测量相位差ϕ为： 2πϕδρλ= （4）式中：λ雷达信号波长。
则2λϕδρπ= （5） 将式（5）代入式（3）后再代入式（1）中，得22()2h cos 2sin()B H B λϕπθλϕαθπ-=--- （6）由于（5），只要天线高度H 、相位差ϕ、基线B 、两天线的相对定向角度α、天线的入射角θ精度可知，就可以计算出地面目标点P 的高程h 。
需要说明，ϕ是解缠后的相位，而干涉雷达测量得到相位值只在主值范围内，即是模糊的，必须经过相位解缠后才能获得真实相位以及目标的高程信息。
3.InSAR 的3种基本干涉模式根据InSAR 平台和使用条件的不同，获取InSAR 数据的干涉模式主要有3 种:单轨双天线横向模式、重复轨道单天线模式、双天线单轨纵向模式。
3.1单轨双天线横向模式单轨双天线横向(cross-track Interferometry ，XTI)模式要求两副天线安装在同一飞行平台上，同时获取数据，因此目前只用于机载SAR 系统，但人们正在研究在将来的卫星上实现这种方法，它的优势在于精度高而且机动性能好。
其干涉几何原理图如图1 所示，从图中可以看出，两副天线的安装位置与飞行方向正交。
在该模式下，干涉相位差是由于地面目标的高度变化引起的，所以主要用于地形制图和地形变化监测。
但这种干涉形式的计算方法存在着难以区分因区域坡度影响产生的误差与飞机滚动产生的误差。
3.2重复轨道单天线模式重复轨道单天线(Repeat-track Interferometry，RTI)模式只要求在飞行平台上安装一副天线，它采用经过几乎相同的轨道以微小的几何视差对同一地区成像两次的方法来获取数据，因此需要对飞行轨道进行精确定位。
由于受大气的影响较小，卫星比飞机具有更准确、稳定的飞行轨道，因此该模式最适合星载SAR 的干涉，它的优势在于能够快速获取大范围或全球范围的干涉数据。
其几何原理图如图2 所示。
3.3双天线单轨纵向模式双天线单轨纵向(along-track Interferometry，ATI)模式也是要求两副天线安装在同一飞行平台上，但是天线顺着平台飞行轨道来安装。
其几何原理图如图3 所示，此时两副天线沿飞行方向相隔一段距离。
采用该模式得到的相应象素的相位差是由于测量时物体的运动产生的，因此它适用于对运动的目标进行监测，如海洋制图、波浪谱测量等。
4.InSAR数据处理的基本步骤从InSAR的原理可知，欲求得高程，一方面要求获得准确的相位差，另一方面也要求能估计出精确的轨道参数等，这些工作在实际的数据处理过程中均非易事。
InSAR数据处理的主要步骤包括：影像配准，干涉图生成，噪声滤除，基线估算，平地效应消除，相位解缠，高程计算等。
根据不同的具体算法，其中有些步骤可能需要通过迭代来精化处理结果。
实际处理时，往往还需要一定的地面控制点来计算有关的参数。
下面图为InSAR数据处理基本流程图。
影像配准。
由于两幅SAR 图像成像轨道、视角或时间的偏差,在距离向和方位向都会存在一定的错位和扭曲，生成干涉图之前必须使同一场景的两幅复图像精确地对准使复，图像对中同一位置的像素对应地面上的同一回波点。
完成配准后，主图像和重采样后的辅图像共轭相乘,生成干涉图和相关系数图，干涉图的幅度图可以辅助DEM 的生成，相关系数图可以作为相位解缠的质量图，指导相位解缠的路径或权值设置。
基线估计。
基线是决定干涉系统成败的重要因素,基线估计误差是造成最后地形高度误差的主要原因之一。
目前基线估计的主要方法有基于星历参数或GPS 参数的基线估计方法和基于地面控制点及干涉条纹的估计方法。
去平地效应。
干涉图随距离向位置的不同而引起相位变化，它不反映目标的高度变化,称为平地效应。
由于平地效应常常会造成干涉条纹过密,给相位解缠带来困难，因此，在相位解缠前,需要先消除平地效应，得到反映地形高度变化的稀疏干涉条纹。
噪声滤波。
干涉图中的噪声主要来源于地形、时间或基线失相关、热噪声、数据处理噪声等。
噪声的存在使得干涉图信噪比降低,从而严重影响相位解缠的精度。
最常用干涉图滤波方法有:多视平均法或中值滤波法、自适应滤波算法、圆周期中值滤波法等等。
相位解缠。
由于复数对相位的周期性，干涉图中各点的相位值只能落入主值的范围内，只是真实相位的主值,要得到反映高程信息的真实相位值必须对每个相位值加上整数倍，将由相位主值得到真实相位值的过程统称为相位解缠。
高程计算。
相位解缠得到反映地形高度的真实相位后，根据InSAR 成像基本原理及坐标转换可计算得高程。
5.InSAR的应用InSAR 典型的应用领域有:生成高精度数字高程模型DEM ，地震灾害检测，地面变形和位移的监测，火山监测与灾害评估，地面沉降监测，农作物生长监测与生物量统计以及林业、冰川、海洋等领域。
5.1地形测绘InSAR 技术利用SAR 复图像中含有的相位信息，通过干涉处理来提取目标的三维信息，因此用于制作地形图、生成DEM是自INSAR 技术研究和应用以来的主要应用领域。
InSAR 技术所测地形地貌的精度由于成像几何和干涉图像质量不同而有较大的波动，精度好的可达米级。
研究结果表明，InSAR 技术用于获取DEM 是非常有效的，特别是在人烟稀少、环境恶劣的地区，InSAR 技术更是一种有效的测绘手段。
5.2地表变形监测利用InSAR 获得的DEM本身就能发现地表的变化，如泥石流的沉积、三角洲的演变，大沙丘的移动等。
差分干涉技术利用多次干涉的结果进行差分，在去除地形的影响后，可以以雷达波长量级来测量微弱的地表物理运动。
InSAR 还可以更深入地应用于土地动力学的其它方面，如火山学、气候地貌学、沙漠地形和土壤迁移、海岸过程和侵蚀、灾害风险估计和自然灾害监测（如地震、滑坡）等。
这些地表物理运动有可能是断层地区的隆起和弯曲、地震引起的残余位移、地块的沉降等，对于它们的观测可为地震、火山爆发、山体滑坡等灾害发生做出事先预报，减小灾害给人们生命财产带来的损失。
5.3极地冰况监测极地冰盖对地球气候的变化起着极其重要的作用，因此对极地冰盖体积和冰川运动的监测具有非常重要的意义。
与传统的监测手段相比，InSAR 技术具有大范围、高效率等特点，它可以精确快速地测量极地冰盖厚度的变化和冰川的移动情况。
1993 年Goldstein 等人率先使用卫星SAR 差分干涉技术对Rulford 冰川运动速度和其边缘变形进行了监测，Kwok 和Fahnestock 使用四个依次间隔3 天的ERS- 1 SAR 图像序列对Greenland 的东北部生成了高分辨率的DEM和冰川位移图。
类似的研究表明，RRS- 1/2, Tandem方式为使用差分InSAR 技术监测极地冰川位移提供了极好的机会。
