距以千里、感知毫厘 | 关于卫星InSAR技术，看这篇就够了

InSAR技术背景

InSAR代表干涉式合成孔径雷达。尽管它是一种测量位移的高科技方法，但其原理相当简单。我们来说一下如何测量毫米级的运动以及如何处理数据。

目前有成千上万的卫星绕地球旋转。从这些卫星获得的图像能够提供有关地球表面许多参数的理解。无源卫星系统测量太阳辐射并反射回地球之外的卫星，以记录有关地球的信息，而有源卫星系统（例如雷达）从卫星向地球表面发送信号，并测量反映出来。

从这些活动卫星系统获取的雷达图像提供了用于测量位移的信息。雷达能够通过云传输其信号，并且不受太阳辐射的影响，因此与无源卫星系统相比具有很大的优势。

什么是InSAR？

InSAR（干涉式合成孔径雷达）是一种利用雷达卫星测量值绘制地球表面毫米级位移的技术。考虑到地球表面的不断变化，能够在夜间以及在任何天气条件下进行测量的能力使该技术非常有价值。

测量位移

卫星测量从地球表面反射的雷达信号的幅度和相位。幅度是所记录信号的强度，相位是到达传感器的完整波周期的一部分。相位测量对于测量位移非常重要。两次连续测量之间的相位差意味着某些变化。下图显示了如何从相位差导出变形。如果地球表面消退，则发射的雷达信号必须传播更远的距离才能到达表面。这导致雷达波的多余部分被反射和记录，称为相位差（以红色显示）。一个完整的波浪周期的长度约为厘米，视卫星的不同而不同。

▲沉降前后的InSAR测量

相对测量

参照点

由于InSAR测量的相位精度，获得的位移测量值非常精确。然而，表面变形的绝对距离的测量不太准确。为了解决绝对距离上的不确定性，所有测量均针对参考点进行。然后，我们可以最佳利用InSAR的高精度测量结果，并提供毫米级精度的位移值。参考点通常放置在就位移而言稳定的位置。这使得解释变形图更加容易。但是，由于地球不断变化，因此即使最稳定的位置也可能会发生位移。为克服此问题，应始终相对于测量值进行解释。参考点的任何位移都会影响其他测量点的位移值。例如，如果参考点正在下陷，则所有稳定点都将上升。另一方面，如果在变形图中看不到这种效果，则可能选择了参考点。

相对时间

在变形图中，我们为每个数据点提供时间序列。时间序列的起点的位移值为0。以下所有位移均针对该首次测量给出。

持久散射体和分布式散射体

散射体

数据的分辨率决定了可以执行的测量数量。这可以和照相相机相提并论。在每个像素内，只能获得一个值。然而，在像素内部可能存在多个反射信号的物体，即所谓的散射体。根据每个像素内对象的反射特性，可以使用不同的方法来测量位移。在理想情况下，每个像素仅包含一个散射体，这意味着被测信号几乎不会产生干扰。然而，实际上，像素具有多个散射体。散射体的两种主要类型是持久散射体（PS）和分布式散射体（DS）。

持久散射体（PS）

持久散射体是包含对象的像素，这些对象具有高反射率属性并且是时间相干的，这意味着反射率在整个时间内保持恒定。这些物体反射了卫星从某个像素接收到的大部分信号。持久散射体通常在城市地区发现，例如建筑物或其他人造结构上。当一个像素包含一个比其他像素强得多的散射体时，较弱的散射体对于测量值几乎可以忽略不计。换句话说：信噪比很高。如下图所示，红色信号比其余信号更强。

▲持久散射体 像素包含一个主反射

分布式散射体（DS）

分布式散射体是像素，其中多个对象以相对相似的强度显示较弱的反射。如果像素被归类为分布式散射体，我们的算法将搜索具有相似反射特性的相邻像素。如果多个邻居显示出可比的反射，则相对“较弱”的信号被认为是可信赖的，因为信噪比再次变大。但是，派生的变形不是来自单个反射镜，而是来自更大的均匀区域。这样的例子是一条路或准备好的火车轨道的下部结构。下图显示了一个分散散射像素的示例。

▲分布式散射体，像素包含多个相似的反射

水平/垂直变形

倾斜的卫星视角

卫星以相对于垂直线的角度观察地球，通常在20至40度之间。我们在卫星观察方向上测量地球表面的变形，而实际变形可能同时具有垂直分量和水平分量。根据变形问题的类型，我们通常可以对实际变形的方向进行假设。例如，可以合理地假设街道的变形主要是垂直的。在这种情况下，我们可以重新计算测得的变形，就好像它们是完全垂直的一样。这些和其他假设始终与客户密切协商。

通过使用多个卫星进行分解

由于卫星的轨道，它既从上升轨道（或多或少北向）又从下降轨道（或多或少南向）经过某个位置。这将在“卫星”部分中进一步详细说明。由于其固定的观看方向（通常在右侧），这意味着从西到南和从东到南都获取图像。对于在“上升”和“下降”轨道上均包含多个数据点的大型物体，并结合至少一个独立的假设，可以在垂直和水平方向上对测得的位移进行分解。但是请注意，由于卫星的飞行方向，测量对南北运动的敏感度要低得多。

▲线路基础设施（例如堤坝）的测量信号的水平/垂直分解

左图显示了使用一个卫星轨道时的位移信号。沿绿线的所有“真实”位移矢量可能导致卫星视线（黑色箭头）中测得的位移（假设在堤坝的纵向没有位移）。例如，垂直和水平横向位移用红色显示（箭头）。

右图显示了使用两个卫星轨道（“升序”和“降序”）时的矢量分解。同样，卫星测得的位移用黑色表示。但是，这一次，在相同的假设下，两条绿线之间存在一个相交点，沿着该相交点定位“实际”位移矢量。在此示例中发生的位移不仅是垂直的，而且还具有轻微的水平横向分量，该分量由黄色箭头表示。

干涉图

干涉图是两个SAR图像相减的结果，这个过程称为差分InSAR（D-InSAR）。下图显示了一个干涉图的示例。

▲干涉图

相位差由干涉图中像素的颜色表示。上方的干涉图显示重复的颜色循环，在背部清晰可见。由于在雷达波的每个周期中重复相同的相位值，因此颜色会重复。下图放大了该区域。

▲干涉图中的波周期

产生位移

可以看出，相同的颜色循环（从红色到蓝色再到红色）在相位增加的方向上重复了3次。这意味着，相对于用于产生干涉图的两次图像采集之间的南部，北部已经陷落了全波长的三倍。因为我们知道整个波浪周期的确切长度，所以可以得出位移。此过程称为展开。

但是，如果在用于产生干涉图的一个或两个图像采集过程中存在强烈的大气活动，则位移信号可能会被大气噪声污染。为了解决从大气中的位移，可以使用干涉图的时间序列对大气信号进行建模。关于大气的文章对此作了进一步解释。