一种干涉SAR测量方法及系统与流程

本发明涉及雷达干涉测量，尤其涉及一种干涉sar测量方法及系统。

背景技术：

1、合成孔径雷达(sar)是一种主动式的微波探测设备，它的回波记录了目标的散射强度信息和相位信息，散射强度反映了目标的属性(例如含水量、粗糙度、地物类型等)，相位信息则蕴含了雷达与目标之间的距离信息。

2、星载insar形变监测技术属于主动式微波遥感技术，可通过合成孔径雷达(sar)对同一地区不同时间点观测的两幅sar影像(包括幅值信息和相位信息)数据进行相干处理，以获取地表形变信息。与可见光或红外光不同，雷达波可以穿透大多数云、雾和烟对地表物体进行观测，并且在黑暗中也同样有效。因此，借助insar，即使在恶劣的天气和夜间，也可以监测地表的变形。insar具有覆盖广、全天时和全天候观测、高分辨率、高精度获取地表形变信息的能力，不仅对可见光、近红外被动遥感技术具有很好的补充作用，而且在提取数字高程模型、制图、监测地表形变等方面具有广阔的应用前景，在矿区沉陷监测、城市地表监测、边坡变形监测、重点建筑物形变监测等领域和灾害风险识别提供技术支撑。

3、cn105938193a公开了一种无需地面辅助的升降轨insar监测沉降区绝对地表形变的方法，首先利用升轨和降轨insar数据获取地表在两个不同斜距向上的相对地表形变测量值；然后融合升轨和降轨insar相对形变场估计地表在垂直向和东西向上的相对形变；进而利用东西向相对形变量级小于一定阈值的地面点计算升轨和降轨insar相对形变测量值的绝对偏移量；最后利用经绝对偏移量改正后的升轨和降轨insar形变值估计地表在垂直向和东西向上的绝对形变。

4、cn113091600a公开了一种利用时序insar技术监测软土地基形变的监测方法，利用时序insar技术，结合高速公路软土地基沉降曲线发展规律，将公路沉降预测领域广泛应用的泊松曲线引入时序insar形变模型，建立了一种基于泊松曲线的时序insar形变模型，并提出一种将遗传算法与正则化牛顿迭代法串行的方法对构建的时序insar形变模型参数进行求解，从而估计软土覆盖区域的时序形变结果，可作为软土地基区域长期变形监测的借鉴方法，拓宽了insar技术的应用领域，也可为软土地基工后长期变形分析解译和形变预测提供一种参数估计的新方法。

5、传统星载insar形变监测技术需要采用重复轨道卫星遥感数据，受卫星重轨精度指标高、卫星造价成本高、技术要求高等限制，提高了使用insar技术实现地表微小形变监测的门槛，另外重复轨道卫星重访周期长，无法满足现阶段不同场景地物快速形变监测的需求。

6、cn113189551a公开了基于场景dem的gb-insar重轨误差补偿方法，能够合理推导出重轨误差和斜距r之间的关系，并采用参数建模的方式，纠正多次测量中轨道偏移所带来的相位误差。利用一部观测雷达对待监测场景在不同的时段进行两次观测，得到两幅雷达图像。利用相干系数法选取ps点。利用激光扫描仪在水平维和俯仰维对待监测场景进行扫描，获取到反映待监测场景地表起伏情况的离散点云，即场景dem。构建雷达的二维成像平面与场景dem的三维坐标系的对应关系，将ps点反向映射到场景dem的三维坐标系下，得到ps点的三维坐标。构建重轨误差相位的多项式模型，计算得到重轨误差相位的估计值，将ps点的干涉相位减去重轨误差相位的估计值，实现对重轨误差相位的补偿。即使在现有技术中能够通过补偿由轨道偏移引起的相位误差，以提高形变测量的精度，但仍无法解决上述重轨干涉sar系统在进行微小形变监测时所存在的问题，进而不利于大规模的推广应用。

7、cn112986949a公开的sar角反射器的sar高精度时序形变监测方法，其工作原理主要在于利用幅度信息进行空间位置差值计算来获得地面点的精确位置，其没有采用相位干涉，即，并非干涉sar工作原理，但其分辨率不够高，最多只能达到厘米量级的误差范围。例如其各个角反射器是利用sar图像计算得到的，sar图像确定的角反射器位置本身所蕴含的误差将始终存在，且无法得到克服。由于该测量方式需要解算前后多次拍摄时的角反射器总偏移，其无法利用相位干涉，所以精度有限。

8、此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

技术实现思路

1、针对现有技术之不足，本发明旨在提出一种干涉sar测量方法及系统，以实现对地表微小形变的影像测量，其中，影像数据各类指标要求较低，且通过卫星协同规划可实现对地物高频次形变监测。通过本发明的方法及系统，既可以实现同轨道倾角拍摄，也可以实现不同轨道倾角拍摄，突破了现有技术被局限于需要重轨拍摄条件的限制，同时针对不同应用场景可选用相应的且仍按照特定规则布设的反射单元(如角反射器)，以实现高频次、高精度的地表微小形变测量。

2、本发明公开了一种干涉sar测量方法，该测量方法包括如下步骤：

3、确定若干目标的先验位置，并将其提供给地面处理单元；

4、利用sar卫星拍摄若干目标所在的区域，并将拍摄后的数据发送给地面处理单元；

5、针对目标单次拍摄来确定目标之间的相位差；

6、根据上述步骤确定的相位差和sar载荷波长，利用地面处理单元计算目标间的斜视距离；

7、根据该斜视距离与卫星轨道信息，利用地面处理单元确定目标间的位置关系，其中，在单次测量时，确定目标间的一维位置关系，以得到目标间的相对距离信息；在多次测量时，确定目标间的三维位置关系。

8、优选地，本发明的sar卫星通常指代低轨sar卫星。进一步地，单次拍摄是由低轨sar卫星来执行的，即，当sar卫星经过目标可视范围时，执行拍摄。

9、根据一种优选实施方式，“针对目标单次拍摄来确定目标之间的相位差”包括：

10、由地面处理单元处理“针对目标所在区域所拍摄的sar回波数据”，以形成单视复型影像产品，其中包含所拍摄的区域幅值和相位信息；

11、在单视复型影像产品中采用sinc插值方法计算获得各个目标的幅值最大值所在坐标点的相位信息；

12、根据各个目标的相位信息，利用地面处理单元计算目标间的相位差。

13、如此设置可使得本发明的地面处理单元无需知道幅值最大值的坐标点的绝对位置，而是提取该幅值最大值的坐标点的“相位信息”。

14、根据一种优选实施方式，“各个目标的幅值最大值所在点”为sinc插值之后的相应目标先验位置附近的幅值最大值的坐标点，以便从sinc插值之后的单视复型影像产品中确定出各个目标的相位信息。

15、根据一种优选实施方式，“根据该斜视距离与卫星轨道信息，利用地面处理单元确定目标间的位置关系”包括：

16、在借助低轨sar卫星“在指定时间段内的至少一次”拍摄的情况下，通过分析至少两组拍摄之间的一维位置关系差值，以得到一维形变信息；

17、在借助低轨sar卫星“在指定时间段内的至少两次”拍摄的情况下，通过分析至少两组拍摄之间的两维位置关系差值，以得到两维形变信息；

18、在借助低轨sar卫星“在指定时间段内的至少三次”拍摄的情况下，通过分析至少两组拍摄之间的三维位置关系差值，以得到三维形变信息，

19、其中，指定时间段是指待监测区域在此期间形变可以忽略不计的时间范围。

20、传统测量方法(例如cn112986949a)仅针对各个点，分析其两次拍摄之间的位置差异，无法消除两次拍摄之间的气候条件引发的误差。而本发明通过单次拍摄至少两个点的信息，由此确定“点与点之间的线段”。这样使得本发明获得的一维形变信息已经通过“将同时拍摄两个点相互计算差值来抵消共同误差”，由此得到某个监测区域的消除了气候干扰的形变指标。当抵消气候干扰后的一维形变信息超出一定阈值时，才安排人员进行现场复核，大幅度减少了因气候干扰所引发无谓的沉降报警，减少了人工成本，同时也大量减少了运算数据，使得单个卫星能够服务更多的监测区域。

21、而在指定时间段内的两次拍摄的η相同的情况(即同轨道倾角的情况)下，由于η角相同，即可得到二维位置。在单颗卫星非重轨拍摄，就可以实现高精度测量，避免了重轨的卫星轨道维持代价。优选地，重轨是指两次拍摄的η与θ均相同，其属于同轨道倾角的特例。

22、当需要三维位置关系时，可利用多卫星联合监测，以实现高频拍摄，缩短监测周期。因为本发明可以利用从不同轨道倾角的sar卫星获取的sar图像来完成测量，其中，不同轨道倾角是指两次拍摄的η不同的情况，例如两颗卫星拍摄或同一卫星升轨和降轨拍摄的情况。

23、根据一种优选实施方式，利用sar卫星拍摄的区域中至少包括若干以特定规则排布的目标，至少部分目标的布设位置相互关联，以使得由该部分目标构成的特定几何形状具有相应的几何特征点。

24、如此设置使得本发明可以规避现有技术中难以应对的整周模糊问题，例如利用先验知识计算整周数的方法过于复杂，不利于便捷计算斜视距离上的形变值。而本发明以特定规则排布的角反射器可以形成至少一个几何重叠点(中心点)，而根据几何重叠点(中心点)的整周数为零的特性，可以快速测量得到两两角反射器之间在斜视距离上的形变值。

25、本发明还公开了一种干涉sar测量系统，该测量系统至少包括用于处理数据的地面处理单元和配置于sar卫星上的采集单元，其中，

26、地面处理单元能够接收若干目标被确定的先验位置；

27、sar卫星上的采集单元拍摄若干目标所在的区域，并将拍摄后的数据发送给地面处理单元；

28、地面处理单元能够针对目标单次拍摄来确定目标之间的相位差；

29、地面处理单元根据确定的相位差和sar载荷波长计算目标间的斜视距离；

30、地面处理单元根据该斜视距离与卫星轨道信息来确定目标间的位置关系，其中，在单次测量时，确定目标间的一维位置关系，即目标间的相对距离信息；在多次测量时，确定目标间的三维位置关系。

31、根据一种优选实施方式，地面处理单元在确定目标之间的相位差时能够处理针对目标所在区域所拍摄的sar回波数据，以形成单视复型影像产品，其中包含所拍摄的区域幅值和相位信息；

32、地面处理单元在单视复型影像产品中采用sinc插值方法计算获得各个目标的幅值最大值所在坐标点的相位信息；

33、地面处理单元根据各个目标的相位信息来计算目标间的相位差。

34、根据一种优选实施方式，地面处理单元所确定的“各个目标的幅值最大值所在点”为sinc插值之后的相应目标先验位置附近的幅值最大值的坐标点，以便从sinc插值之后的单视复型影像产品中确定出各个目标的相位信息。

35、根据一种优选实施方式，在借助sar卫星上的采集单元“在指定时间段内的至少一次”拍摄的情况下，地面处理单元通过分析至少两组拍摄之间的一维位置关系差值，以得到一维形变信息；

36、在借助sar卫星上的采集单元“在指定时间段内的至少两次”拍摄的情况下，地面处理单元通过分析至少两组拍摄之间的两维位置关系差值，以得到两维形变信息；

37、在借助sar卫星上的采集单元“在指定时间段内的至少三次”拍摄的情况下，地面处理单元通过分析至少两组拍摄之间的三维位置关系差值，以得到三维形变信息，

38、其中，指定时间段是指待监测区域在此期间形变可以忽略不计的时间范围。

39、根据一种优选实施方式，测量系统包括若干以特定规则排布的反射单元，以作为采集单元拍摄的目标，其中，至少部分反射单元的布设位置相互关联，以使得由该部分反射单元构成的特定几何形状具有相应的几何特征点。

40、本发明相比于现有技术的有益技术效果至少在于：本发明提供一种干涉sar测量方法及系统，对待监测对象或其所在区域的合成孔径雷达影像进行收集，根据拍摄时间进行排序；选取不同时间段sar影像目标区域几何特征点(中心点)相位形变值计算，得到间隔期间内的地表形变量结果图。本发明提供的技术方案可实现在非重轨条件下，通过高频监测，快速获取研究区目标区域的形变信息，有利于不同场景地物形变隐患区域的快速识别，可定期为客户提供高频次目标影像和相位形变数据，对于基础设施形变监测与预警具有积极作用。本发明提供的技术方案能够实现对大范围的地表形变的快速检测，快速提取形变范围，极大提高局部形变值的计算效率。与cn112986949a相比，本发明采用了相位干涉原理，通过一次测量来确定两个位置已知的角反射器之间的相对距离。相位干涉原理决定了，本发明精度能够达到毫米级，显著优于cn112986949a的厘米级。