InSAR系列讲座5:InSAR系统中的误差传播

作为InSAR系列讲座的第五篇，本文介绍InSAR高程与形变测量中的误差来源，对主要误差源（干涉相位、基线参数和地形数据）推导出误差传播模型。此外，还将讨论地形数据误差对干涉形变测量的影响。     

利用地面控制点相位残差定权方法减弱InSAR轨道误差相位

两次SAR图像成像时卫星位置的差异导致即使在平坦地区InSAR干涉图上也会有参考面相位存在。由于定轨精度有限，InSAR数据处理过程中需去除轨道误差相位。目前常用的去除轨道误差的方法为基于轨道状态矢量计算出初始基线，再根据地面控制点信息，利用最小二乘算法得到精密基线；或将初始基线对应的参考面相位去除后，再对剩余相位进行快速傅里叶变换或曲面拟合，得到趋势性相位再去除。由于去除参考面相位在去除大气相位和获取形变相位之前，因而基线精密估计的过程中易受到大气相位和形变相位的影响，影响形变解算结果。在实际应用中发现存在干涉图在去除参考面相位后依然有趋势性相位的现象，本文针对此现象考虑大气相位和形变相位影响，提出了利用地面控制点相位残差定权的基线估计方法，提高了估计形变结果的精度，模拟试验和实际应用表明该方法具有一定的有效性和可行性。     

利用附加系统参数的InSAR轨道误差估计

针对利用小波分析方法联合二次曲面模型改正合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)轨道误差时观测值的系统误差特性,该文在传统二次多项式的基础上建立了一种附加系统参数的轨道误差改正模型。利用小波分析方法可以有效提取干涉相位中的低频部分,二次多项式法计算简便,附加系统参数平差原理顾及了观测值中其它系统误差项的影响,结合3种方法更准确地求解出了改正模型参数,实现了对InSAR轨道误差的有效估计去除。基于伊朗巴姆地区的ENVISAT ASAR数据实验表明:在使用所提算法去除轨道误差相位后的干涉图中,远离形变区域位置的相位值基本趋近于0rad,轨道残差相位也基本得到消除。     

多分辨率分析的InSAR轨道误差去除算法

针对传统的多项式模型去除InSAR轨道误差时,只能去除由于基线不准导致的平地相位残余误差,而对于基线误差引起的与高程相关的地形相位误差仍保留在干涉图中,提出了一种多分辨率分析的干涉相位轨道误差去除方法.从InSAR成像几何结构出发,分析轨道误差的空间特征,推导了由基线误差引起的平地相位误差及地形相位误差;再通过多分辨率分析把轨道误差与对流层延迟误差相位、外部DEM引起的地形误差相位、噪声相位等进行滤除,最后采用最小二乘计算多项式模型参数,可以更精细的估计出轨道误差相位,吸收与地形相关的误差.结果表明,经过改正的干涉图与DEM的相关系数仅0.033 8,相对于线性模型和二次多项式模型的0.165 5和0.071 9,对地形相关轨道误差的去除改善程度达到79.1％和53.0％,能够更好地去除轨道误差,提高了轨道误差估计精度,吸收了与地形相关的误差.     

ScanSAR干涉测量中的关键误差影响

ScanSAR模式具有宽观测带和重访时间短的优点,广泛应用于地表形变监测,在监测缓慢形变领域具有宽广的前景。ScanSAR干涉测量与条带干涉一样,降低基线误差和DEM残差影响是其主要瓶颈。本文分析了ScanSAR的成像原理及误差成因,针对Bam地震的ScanSAR干涉图,比较了SRTM3和GDEM在ScanSAR差分干涉中的影响大小,对采用3种不同精度的ENVISAT轨道数据得到的ScanSAR干涉结果进行了比较研究,研究结果可为相关领域提供参考。     

IPTA监测圣佩德罗湾港口地表时序沉降

常规D-InSAR技术已成功应用于由于火山、地震等引起的地表形变监测,然而受时间失相干和大气延迟等影响,该技术监测地表沉降形变的精度只能达厘米级。本文以美国圣佩德罗湾港口为研究对象,采用干涉点目标分析(IPTA)技术,选用二维线性相位模型对时序差分干涉相位图迭代回归分析,逐次去除大气延迟、DEM误差以及噪声等的影响,最终提取出准确可靠的形变序列相位信息。结果证明IPTA技术对长期微小的地壳累积形变探测具有广阔的应用前景,而且IPTA技术在实现效率和数据存储方面都优于常规的PS-InSAR。     

利用PALSAR数据反演2010年玉树地震断层的同震滑动分布

为深入了解2010年玉树地震引起的地表位移及发震断层的细节情况,对玉树地震震前、震后的PALSAR数据进行干涉处理,并针对轨道不精确引起的相位残差问题,采用最小二乘多项式模型拟合的方法对其进行去除,得到玉树地震地表的同震形变场.结果显示,形变最大地区发生在33.06°N、96.83°E附近,雷达视线方向形变最大值为-0.442 m.通过地质调查结果及合成孔径雷达干涉测量(InSAR)形变场的分析,对断层进行分段,基于弹性半空间位错模型对分段后的断层进行了同震滑动分布反演,并对反演结果的可靠性进行分析.结果表明,断层的最大位移为2.084 m,位于隆宝滩地表以下14 km处,反演结果对应的矩震级为Mw7.0,与地震学和地质调查的情况较吻合,且反演的结果较可靠.     

大孔径静态干涉成像光谱仪图像的条纹消除与配准

大孔径静态干涉成像光谱仪获取的图像是叠加了干涉信息的二维图像,点干涉图的获取需要经过全视场的推扫,平台姿态误差会导致提取的干涉图存在误差,进而影响复原光谱准确性,因此,图像配准是干涉图提取的关键。由于图像受到干涉调制作用,导致传统的图像配准方法在应用于LASIS图像配准时配准精度有限。为了减弱干涉条纹对图像配准的影响,本文提出一种利用条纹模板消除LASIS图像条纹,再结合图像频域配准的方法实现LASIS图像的高精度配准。配准结果表明,本方法很好地消除了干涉条纹对配准精度的影响,配准精度可以达到0.029 4个像素,相对于已开展的LASIS图像配准方法,沿轨方向配准精度提高了45.48%,跨轨方向配准精度提高了52.22%,图像旋转精度提高了39.13%。     

轨道误差对InSAR相位影响的BP神经网络去除法

针对用二次多项式法去除轨道误差对InSAR相位影响时,须对干涉相位其他项分布性质作假设,且自身存在一定的模型缺陷的问题,该文提出用BP神经网络去除轨道误差对InSAR相位影响的方法。研究表明:BP神经网络法在使用时无须对干涉相位其他项分布性质作假设,模型更优。模拟实验中,轨道误差相位拟合残差更小;真实数据实验中,纠正后非形变区相位集中在零值附近,且波动趋势更为平稳。该方法一定程度上降低了传统二次多项式法的应用局限性。     

利用控制点三维信息标定机载双天线干涉SAR参数

采用基于敏感度方程的方法,研究基于三维重建模型下的机载双天线干涉SAR系统的干涉参数定标问题.干涉参数定标是生成高精度数字高程模型的关键.本文修正了Madsen提出的干涉SAR三维重建的视向量正交分解算法,采用电磁波波前的球面波模型,加入了载机的姿态旋转,构建一种新的干涉SAR三维重建模型.利用各干涉参数对控制点三维信息的不同的敏感性,提出分别利用地面控制点三维信息,对各干涉参数进行定标.并利用中国科学院电子学研究所自主设计、研制的机载干涉SAR系统数据,进行定标处理实验验证.     

Reliable estimation of orbit errors in spaceborne SAR interferometry

An approach to improve orbital state vectors by orbit error estimates derived from residual phase patterns in synthetic aperture radar interferograms is presented. For individual interferograms, an error representation by two parameters is motivated: the baseline error in cross-range and the rate of change of the baseline error in range. For their estimation, two alternatives are proposed: a least squares approach that requires prior unwrapping and a less reliable gridsearch method handling the wrapped phase. In both cases, reliability is enhanced by mutual control of error estimates in an overdetermined network of linearly dependent interferometric combinations of images. Thus, systematic biases, e.g., due to unwrapping errors, can be detected and iteratively eliminated. Regularising the solution by a minimum-norm condition results in quasi-absolute orbit errors that refer to particular images. For the 31 images of a sample ENVISAT dataset, orbit corrections with a mutual consistency on the millimetre level have been inferred from 163 interferograms. The method itself qualifies by reliability and rigorous geometric modelling of the orbital error signal but does not consider interfering large scale deformation effects. However, a separation may be feasible in a combined processing with persistent scatterer approaches or by temporal filtering of the estimates.     

粗／精轨道数据对卫星InSAR DEM精度影响的对比分析

本文在介绍InSAR系统中卫星轨道状态矢量内插方法的基础上，从理论和实际两方面分析了轨道数据误差对参考椭球面相位、地形干涉相位和数字高程模型（DEM）精度的影响。以上海局部地区作为实验场，采用ERS-1／2卫星SAR影像数据，分别使用欧洲空间局粗略轨道数据和荷兰Delft大学空间研究中心精密轨道数据进行了干涉处理，生成了两种情况下的DEM，并对相关精度进行了对比与分析。研究结果表明，使用精轨数据建立的DEM的精度明显高于基于粗轨数据建立的DEM的精度。     

相位补偿SAR差分干涉提取山区DEM算法及精度分析

首先,将去平干涉相位和外部DEM模拟的地形相位作差分,以降低干涉图的条纹率。然后,采用模拟的地形相位对差分干涉图的解缠相位进行补偿得到去平干涉图的解缠相位,并用此相位进行基线精化和高程提取。实验结果表明,该算法可得到高程精度更高的山区DEM。与常规干涉算法相比,它不仅可改善解缠精度,还可得到更加真实且相干性明显改善的相干图,减少因相干性低于解缠时设定的相干性阈值而产生的高程空洞区。相比于＂高程补偿＂算法,其可更有效地削弱残余系统相位以及解缠和外部DEM引入的随机相位误差的影响。     

基于平滑样条的PSInSAR大气效应分离研究

永久散射体技术（permanent scatterers interferometric synthetic aperture radar,PSInSAR）通过提取时间维高相干点,根据各类信息的时空统计特性实现PS（persistent scatterers）点相位分量的分离,获得高精度地表形变监测结果。大气效应作为影响干涉测量精度的最主要误差源,可以通过经典滤波器分别在时间维和空间维滤波处理予以消除。在StaMPS（stanford method for persistent scatterers）技术体系中,大气效应分离时还保有全部的沉降信息。当地表形变速率较大时,大气效应和沉降信息的频谱重合度较高,经典滤波器无法将二者有效分离。通过平滑样条滤波分离大气效应和形变信息,采用广义交叉验证方法获取形变信息的最优估计值,可抗拒解缠错误引起的相位跳变干扰。最后根据模拟数据和ASAR（advanced synthetic aperture radar）数据对比分析高斯滤波和平滑样条滤波分离大气效应的效果,验证平滑样条方法的有效性。     

基于相干目标的干涉图叠加方法监测天津地区地面沉降

利用ENVISAT ASAR数据,采用基于相干目标的干涉图叠加方法,对天津地区的地面沉降现象进行了DInSAR监测试验.差分干涉处理采用"两轨法",使用校正了高程异常的SRTM DEM数据消除高程相位.以相干系数为标准选取了相干目标,解缠过程中运用了Delaunay三角剖分和权重最小费用流算法.本文获得的季度平均沉降速率图有效揭示了试验区地面沉降的空间展布及相对形变量,但其获得的绝对形变量尚需地面实测数据校验.     

星载SAR复数图像的配准

星载干涉雷达测量已经被证实用于生成大范围（乃至全球）的DEM或监测地表位移具有广阔的应用前景，其中SAR复数图像序列的精确配准是保证生成有效干涉相位图的重要环节之一。本文分析了卫星InSAR系统中所涉及的几种坐标系统变换问题，并提出了基于此的几何配准方案，即基于卫星轨道状态矢量、SAR成像几何进行配准的算法；同时，还设计了基于几何配准结果和能量影像相关技术的配准算法，最后使用ERS－1／2、JERS－1和RADARSAT卫星获取的3种SAR复数图像对分别做几何配准和相关配准试验和比较，并对卫星SAR图像质量和轨道数据质量作了定性分析。     

Interpolation-free coregistration and phase-correction of airborne SAR interferograms

This letter discusses the detection and correction of residual motion errors that appear in airborne synthetic aperture radar (SAR) interferograms due to the lack of precision in the navigation system. As it is shown, the effect of this lack of precision is twofold: azimuth registration errors and phase azimuth undulations. Up to now, the correction of the former was carried out by estimating the registration error and interpolating, while the latter was based on the estimation of the phase azimuth undulations to compensate the phase of the computed interferogram. In this letter, a new correction method is proposed, which avoids the interpolation step and corrects at the same time the azimuth phase undulations. Additionally, the spectral diversity technique, used to estimate registration errors, is critically analyzed. Airborne L-band repeat-pass interferometric data of the German Aerospace Center (DLR) experimental airborne SAR is used to validate the method.     

一种改进的SAR干涉图综合滤波算法研究

SAR干涉图作为相位信息的载体,其质量直接影响对研究区域形变状况的进一步分析,采取有效的滤波算法能抑制干涉图相位噪声,提高干涉测量精度。在获得的干涉相位图中,由于矿区开采而造成的地表沉降会体现出近环状相位条纹的特征。针对这一特点,对传统的基于梯度的滤波算法做出了改进,并结合Goldstein频域滤波和改进的梯度自适应滤波,提出了一种适用于矿区沉降形成的SAR干涉相位模式滤波方法。选取河北峰峰煤矿的PALSAR干涉相位图作为实验数据,对该滤波方法做出了详细的性能评价和对比。结果表明,采用本文提出的综合滤波方法在显著降低实验区SAR干涉图相位噪声的同时,也很好地保持了相位分辨率,使由于矿区沉降而造成的形变相位环的边缘形态更加清晰。