合成孔徑雷達干涉測量（INSAR）技術原理及應用發展

劉曦霞

摘 要：合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）技術近年來得到了較快的發展，這一技術也廣泛的應用于國防建設與國民經濟建設中。文章結合作者實際研究，從InSAR技術的自身優勢與發展潛力出發，分析了其基本技術原理，并就InSAR技術在各個領域的實際應用進行了探討，最后總結了其未來發展。

關鍵詞：合成孔徑雷達；INSAR；技術原理；應用

1 InSAR技術的優勢與潛力

合成孔徑雷達干涉測量技術是近年來發展起來的空間對地觀測新技術，這一技術主要是借助于合成孔徑雷達SAR朝目標位置發射微波，之后接收目標反射回波，從而獲得目標位置成像的SAR復圖像對，如果復圖像之間有相干條件，SAR復圖像對共軛相乘后能夠得到干涉圖，結合干涉圖相位值可以獲得兩次成像中存在的微波路程差，進而準確獲得目標位置的地形地貌等情況。

利用InSAR技術成像的優勢在于連續觀測能力強、成像分辨率和精度高、覆蓋范圍較廣、技術成本低等，在各個領域的應用也非常廣泛，比如說DEM生成、地面沉降監測、火山或地震災害監測、海洋測繪、國防軍事等。但是InSAR技術測量的精準度往往會受到大氣效應的影響，近年來新提出的散射體PS技術逐漸被越來越多的應用到其干涉處理的過程中，PS技術分析能夠在長時間內保持相對穩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的環境適應能力，這也是這一技術研究過程中的一個重大突破，其擁有非常高的開發應用價值[1]。

2 InSAR技術的基本原理分析

合成孔徑雷達干涉測量技術是按照復雷達圖像的相位值來計算出地面目標空間信息的技術，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成像，進而得到同一位置的復雷達圖像對，因為兩幅天線和地面目標之間的距離不一致，因此在復雷達圖像對同名象點之間出現相位差，進而產生干涉紋圖，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的空間位置之間的幾何關系，結合飛行軌道的具體參數，便能夠準確的計算出地面目標的具體坐標，進而讓我們獲得具有較強精準度的大范圍數字高程模型。下面作者以衛星重復軌道干涉模式對其技術原理進行說明，首先我們能夠看到其幾何示意圖（見圖1）。

圖1 InSAR幾何關系示意圖

S1、S2代表衛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P高度是h，S1到地面目標P的距離是r，S2到地面目標P的距離是r+？啄r。

根據圖1，地面目標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的關系表達式為：

（5）

因為重復軌道雷達接收的信號基本為通過發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，其具體參數說明：θ，H為己知，H值能夠通過衛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能夠通過衛星軌道參數來確定，但是其精準度較低，因此一般利用一些地面控制點，結合成像原理，對成像過程中的軌道參數進行計算，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：兩復值圖像相位直接相減或復值圖像共扼相乘，兩種方法的效果比較相近，但后者的應用更為普遍。

3 合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）技術的應用

3.1 地形圖成像

合成孔徑雷達干涉測量技術根據SAR復圖像中的相位數據，借助于干涉處理的方式來獲得地面目標的三維空間信息，因此我們這一技術也更加常見于地形圖制作、DEM生成等領域的實際應用中。利用InSAR技術所得到的地形地貌精準度也會受到成像幾何以及干涉圖像質量等因素的影響。相關實驗結果說明，利用干涉測量技術來獲取DEM具有非常高的效率和準確度，尤其是在荒無人煙、環境惡劣或者無人區，選擇InSAR技術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果實施差分，當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生的微弱物理變化進行監測。

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

3.3 極地監測

極地冰蓋會在很大程度上決定了地球氣候環境的變化，所以對極地冰蓋體積以及冰川的運動進行監測是十分重要的。和過去的監測方式比起來，InSAR技術能夠監測更大范圍、更高效率的優勢，它能夠更加準確的對極地冰蓋厚度變化以及冰川移動狀態進行監測。1993年歌德斯坦等人首次利用衛星SAR差分干涉技術對冰川運動以及邊緣變化實施了監測，相關研究數據說明，利用InSAR技術對極地冰川進行監測具有非常廣闊的應用前景。

3.4 其他應用

InSAR技術除了應用于上述領域中，還能夠用于陸地植物生長監測、海洋監測等工作。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測地區植被生長、生物量等情況，能夠幫助我們更好的對生態環境進行研究。雷達遙感還能夠借助于植被的后向散射系數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，海洋中隱藏著我們人類生存所需的珍貴資源，但是海面的天氣情況通常比較惡劣，使用光學遙感方式來對海洋狀況進行監測是非常困難的。而利用InSAR技術不但能夠準確的監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現象等。另外，InSAR技術還能夠廣泛的應用于城市三維建模、考古作業、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領域[3]。

4 結論和展望

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

參考文獻

[1]張倍倍.合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）技術在地表沉降監測中的應用[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在城市地面沉降監測中的應用[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）關鍵技術研究[J].測繪工程，2007（5）：36.