星载合成孔径雷达干涉测量的发展1

星载合成孔径雷达干涉测量的发展

合成孔径雷达(SAR)是五十年代末研制成功的一种微波传感器，是微波传感器中发展最为迅速、最有成效的一种对地观测系统[1]。合成孔径雷达干涉测量（InSAR）是SAR应用中较晚出现的一个方向，或者说是一个新的领域。该技术具有测绘带宽，全天候、全天时的特点，获得的地表三维信息具有较高的空间精度和高程精度，是目前雷达遥感研究的热点。

从20世纪90年代中后期开始，合成孔径雷达干涉测量技术逐渐走向成熟，应用的领域不断扩展，成为SAR应用研究的热点之一。合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)是以合成孔径雷达复数据提取的相位信息为信息源获取地表的三维信息和变化信息的一项技术。干涉雷达早在1969年就被用于从地球上观测火星，1972年被用于观测月球的地形。Graham1974年提出用合成孔径雷达干涉测量进行地形测绘。1986年美国喷气推进实验室的Zebker和Goldstein发表了用机载双天线SAR进行地形测绘的结果，真正拉开了干涉合成孔径雷达研究的序幕[2]。

InSAR的飞行平台可以是飞机，称为机载InSAR，也可以是卫星或航天飞机，称为星载InSAR。根据SAR影像对获取方式的不同，主要区分为单航过和双航过两类InSAR系统。按照干涉模式的不同，InSAR主要区分为交轨干涉(XTI)、顺轨干涉(ATI)和重复轨道干涉测量(RTI)三种干涉测量模式。交轨干涉模式是利用图像对的相位差来获取地表的数字高程模型信息；重复轨道干涉测量既可以用于测量地形高程，也可以用于监测地表运动（又称D-InSAR）；顺轨干涉模式是通过测量图像对的相位差来确定目标的运动状况，常用于水流制图、动目标检测以及定向波谱的测量。

目前可提供InSAR数据源的星载SAR系统有：日本的JERS-1、美国的SIR-C/X-SAR、加拿大的RADARSAT-1和欧空局的ENVISAT等，未来计划中的系统如日本的ALOS PALSAR和加拿大的RADARSAT-2等，也都考虑了InSAR的能力，如前文所述。在星载InSAR技术的发展过程中，影响重大的两个系统分别是欧空局的ERS-1/2星对以及美国的SRTM。

欧洲空间局（ESA）于1991年和1995年分别发射了系统参数基本一致的ERS-1和ERS-2。ERS-1与ERS-2构成对同一地面访问时间相差一天的星对（Tandem），使得两次取得的SAR数据之间的相干性得到一定的保障，为InSAR重复轨道干涉测量的研究提供了重要的数据源。

欧洲空间局2002年3月发射了一颗先进的极轨对地观测卫星ENVISAT。它携带有先进合成孔径雷达（ASAR），与ERS-1/2 SAR一样都工作在C波段，右侧视，重复周期也为35天，能继续提供ERS-1/2 SAR IM(成像模式)和WV（波谱模式）的数据。ERS-2/ENVISAT星对的串接飞行,有力地确保了ERS-1/2卫星对地观测任务的延续,保持了对地观测数据的持续性和稳定性，为InSAR重复轨道干涉测量的研究也具有重大的意义。

2000年2月美国“奋进”号航天飞机发射升空，执行耗资3.64亿美元，称之为“航天飞机雷达地形测绘使命”SRTM的空间飞行任务。

“航天飞机雷达地形测绘使命”SRTM是人类历史上真正意义上的第一个航天InSAR测量系统。它所采用的方式为单航过双天线干涉测量，即在航天飞机上构建双天线实施INSAR地形测绘。该任务历经11天顺利完成，共计进行了222小时23分钟的数据采集工作，获取的雷达影像数据达9.8万亿字节，存满了332

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盒高密度磁带，覆盖了全球80%以上的陆地表面，覆盖范围在北纬60度至南纬56度之间，覆盖面积超过1.19亿平方公里。这些原始数据经过两年左右的处理后，可绘制成高精度的全球三维地形图，其精度超过美军现有地图的30倍。 当前获取用于InSAR处理的雷达数据会受到一定的限制：如欧空局ERS-1/2星对，采用的是重复轨道干涉测量模式，获取的SAR数据会受到当时大气的干扰，时效性和获取影像的相干性会受到影响；如美国的SRTM任务，采用的是单航过双天线干涉测量模式，其中硬件设备干涉基线的长度会受到限制，另外系统研制花费资金浩大。为了克服这些限制，法国科学家 D. Massonnet 1998年提出了用被动小卫星与常规的SAR卫星编队来获取干涉数据进行干涉测量的思想，目的是希望构建一个低成本，且高性能的单轨道星载干涉测量系统[3]。

目前欧洲欧空局（ESA）和欧洲航天技术中心（ESTEC）、法国空间局（CNES）和德国空间局（DLR）在编队卫星构型方面开展了深入的研究。Manfred Zink (ESA/ESTEC),Gerhard Krieger(DLR),Thierry Amiot(CNES),F.Douchin(CNES) 等学者对轨道构型原理，干涉性能分析，生成DEM精度分析等方面进行了深入的研究[3－6] 。

利用编队卫星技术最主要的任务是进行交轨干涉测量，获取全球陆地和冰面的DEM数据。另外还可以进行顺轨干涉测量制作海洋洋流图以及进行volume scattering 估计。在超分辨率测试和multi-static acquisition方面的应用也是非常值得令人期待的[6]。

法国科学家提出的编队卫星方案－Cartwheel干涉车轮。干涉“车轮”名字来源于轨道的构型。它由3颗SAR接收小卫星和一个主卫星组成，主卫星就是常规SAR卫星，小卫星跟随主星，他们互相环绕着旋转。这个主动卫星发射雷达脉冲信号，经过地面反射后，三个具有接收功能的小卫星编队飞行的同时进行接收。三个小卫星飞行在主动卫星之前或之后约100公里。并且在整个轨道上编队构型保证提供足够的基线来进行交轨干涉测量和顺轨干涉测量[5-6]。考虑的常规SAR卫星有：C波段的ENVISAT中的ASAR、L波段的ALOS中的PALSAR和X/L波段的TerraSAR卫星。CNES考虑采用的小卫星是Myriade小卫星。

Cartwheel干涉车轮的优点有除了能克服当前获取干涉雷达数据的限制外，还具有下列优点：

◆可以获取全球高精度的DEM数据。资料验证利用TerrSAR-L设计的干涉小卫星编队构型的系统可以达到相对高程精度低于1米[3]；

◆由于干涉车轮的垂直基线的稳定性，保证了获得产品精度的稳定性； ◆可以充分利用现有的SAR卫星资源，发射小卫星成本低，发展空间大； Tandem-X任务是利用TerraSAR-X卫星进行编队飞行的一个高精度的雷达干涉测量系统。TerraSAR卫星是德国下一代高分辨率雷达侦察卫星。SAR的波段为X/L。极化方式L波段为全极化，X波段为双极化。计划于2005年发射。Tandem-X卫星设计其SAR系统的工作模式和特点与TerraSAR-X几乎一致，计划于2008年发射。TerraSAR-X卫星的工作模式以及性能指标见表3.

性能指标 SAR倾角 15°～60°可变

重访 周期（d） 2 波段 X,L 极化 X(双极化) L(全极化) 轨道高度 （km） 660 轨道 太阳同步轨道 2

工作模式 模式 点模式 条幅模式 宽扫模式 地面分辨率（m） 1～3 3～15 15～30 幅宽（km） 10 40～60 100～200 表3 TerraSAR-X卫星的工作模式以及性能指标

Tandem-X卫星将与TerraSAR-X卫星构成tandem星对，获取全球高精度数字高程模型数据。设计高程定位精度优于2米，平面定位精度优于12米，使用寿命为5年[7]。

Tandem-X不仅可独立于TerraSAR-X卫星在mono-static（自发自收） 模式下工作，还可以用bi-static mode（一发双收）模式，与TerraSAR-X同步工作。一旦TerraSAR-X卫星使用寿命到期，Tandem-X任务将会发射TerraSAR-X 2卫星。这样，它一方面保证了Tandem-X卫星作为TerraSAR-X卫星的任务的延续；另一方面也保证了与TerraSAR-X卫星形成Tandem星对，进行干涉测量。Tandem-X系统参数[8]如下表4所示。 轨道、星座及运载 正交轨道基线 300m-2km（可调） 顺轨基线 基线测量 轨道 太阳同步轨道 （i=97.4, h=514km） 星座设计 结构可变，低油耗，固定基线，紧密编队控制 系统寿命 >5年 <2km 2-4mm (没（对bi-static 有连接点) InSAR） 200m-2km （对顺轨，可调） 波长 X波段（9.5-9.8GHz） 入射角(度) 25-50 设备以及TTC SAR 模式 条带，宽扫描作为少量 分辨率(m) <6 (对于4干涉视) 像素定位精度(m) <5 幅宽(km ) >=30 数字高程模型（DTED-3） 垂直精度(m) 2-4 (相对) 10 (绝对) 水平精度(m) 10 表4 Tandem-X系统参数

DEM定位间距(m) 12

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交轨迹干涉测量(一发多收模式)（自发自收模式）

图2 Tandem-X系统工作方式

4结束语

世界上许多发达国家都非常重视InSAR技术的研究，国外已经由理论探索阶段发展到了比较成熟的应用研究阶段，美国、加拿大、欧洲在该领域已经处于领先地位。考虑到合成孔径雷达干涉测量的重要的应用能力，我国测绘领域的广大科技工作者应投入更多的精力关注、参与其开发和研究，使该技术为我国的经济建设，环境监测和国防建设作出更大的贡献。

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