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
22
2sin()2B B δρραθδρ
-=-- （3）
A 1、A2对P 的测量相位差ϕ为： 2π
ϕδρ
λ= （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 λϕπ
θλϕ
αθπ-=--- （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。
