InSAR图像配准方法研究

硕士学位论文

摘要

合成孔径雷达干涉（InSAR）成像技术是在合成孔径雷达（SAR）技术基础上发展起来的雷达成像技术。它既继承了SAR的全天候、大范围、有一定穿透能力等优点，又具有对目标三维地貌进行高精度成像、对目标地面的慢速动目标和地壳微小移动作高精度检测等的能力。因此，该技术在军事、国民经济建设中，有着极其广泛的应用。

论文首先介绍了SAR数据的特点和数据格式，针对其特殊的数据格式，研究了一种新的快速的InSAR原始数据读取方法和单视复图像的成像方法。

在InSAR数据处理中，由于所获取的是SAR的原始数据，而不是我们肉眼看到的二维图像，又因为对同一地区的两幅或多幅复图像进行精确的配准，提取地面同一点的相位信息，是整个InSAR数据处理流程中一个重要的步骤，同时这一步骤对流程中的后续步骤起着关键的制约作用，通常达到亚像素的配准精度，所以有必要对InSAR解缠前的图像配准进行研究。

论文系统的分析了现有的InSAR复图像配准算法的特点，针对InSAR复图像自身的特点，研究了两种多级配准算法。一种是相关配准和神经网络相结合的多级配准算法，另一种是相关配准和最大谱配准相结合的多级配准算法。在粗配准过程中，两种算法都是利用相关系数法得到像素级的配准结果，为精配准提供了初始点；在精配准过程中，两种算法分别应用神经网络和最大谱配准法得到了亚像素级的配准结果，满足了配准的精度要求。

论文最后给出了两种算法的试验结果，达到了满意的配准效果，证明了两种算法的有效性。

关键字：合成孔径雷达干涉；单视复数；图像配准；神经网络；最大谱

InSAR图像配准方法研究

Abstract

Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) image technique is a new radar image technique developed from Synthetic Aperture Radar (SAR).Carried forward the merit of SAR, InSAR can create high resolution DEM and accomplish change detection, such as slow-moving targets or subtle shift of the earth’s surface. It can be applied to many areas of military and civil.

First the paper introduces the trait and its extra data format of SAR. It researches the new method for data processing.

During the data processing of InSAR,for we get not the images but the raw data of InSAR. Registration of two or more images of the same scene is an important procedure in InSAR image processing that seeks to extract differentiao phase information not obtainable from each one of these images. Meanwhile, the accuracy of this step is crucial to the reliability of subsequent image processing and final resules of the data processing chain, meeting subpixel precision request. So it is necessary to research the images registration before unwrapping.

The paper anaysizes some conventional InSAR registration methods, based on the characteristics of InSAR image the paper presents two multi-step image matching algorithms.One method is integrating correlation-registration and neural network image registration, the other is integrating correlation-registration and spectral maxiumun registration. In coarse registration, the two methods all utilize correlation-registration to obtain pixel accuracy registration results, offering crude control points pairs for the precise matching. In precise image registration, two methods respectively apply neural network and spectral maxiumun to register images, the results of experiment show that the methods was resultful.

Keywords: Synthetic Aperture Radar Interferometry; Single Look Complex; Images registration; Neural network; spectral maxiumun

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目录

摘要

Abstract

第1章绪论 (1)

1.1 引言 (1)

1.2 合成孔径雷达技术的发展与现状 (2)

1.3 InSAR三维成像技术研究现状 (6)

1.4 InSAR成像的应用 (7)

1.4.1 地质灾害研究 (7)

1.4.2 极地监测 (8)

1.4.3 海洋监测 (8)

1.4.4 森林调查与制图 (9)

1.4.5 军事领域 (9)

1.5 本文的主要研究内容 (10)

第2章 InSAR成像原理 (12)

2.1 SAR干涉测量概述 (12)

2.1.1 SAR交轨干涉测量 (12)

2.1.2 SAR顺轨干涉测量 (12)

2.1.3 SAR重复轨道干涉测量 (13)

2.2 InSAR干涉测量基本原理 (13)

2.3 InSAR三维成像技术数据处理流程概述 (16)

2.3.1 单视复数SAR成像 (17)

2.3.2 复图像的预滤波 (17)

2.3.3 InSAR复图像配准 (18)

2.3.4 生成干涉纹图 (18)

2.3.5 干涉纹图滤波 (18)

2.3.6 干涉纹图相位解缠 (19)

2.3.7 数字高程模型重建 (19)

2.4 本章小结 (19)

第3章单视复数SAR成像 (20)

InSAR图像配准方法研究

3.1 原理简介 (20)

3.2 SAR数据格式 (24)

3.3 CEOS标准数据格式 (25)

3.4 成像方法的研究 (26)

3.5 本章小结 (30)

第4章 InSAR复图像配准方法的研究 (31)

4.1 引言 (31)

4.2 复图像配准方法概述 (31)

4.2.1 图像配准概述 (31)

4.2.2 图像配准一般步骤 (32)

4.3 InSAR复图像对粗配准 (35)

4.3.1 相关粗配准 (37)

4.3.2 最大谱配准法 (38)

4.3.3 相位差影像平均波动函数法 (39)

4.4 InSAR复图像精配准 (41)

4.4.1 相关精配准 (41)

4.4.2 神经网络的精配准 (44)

4.4.3 最大谱图像精配准 (47)

4.4.4 辅图象插值重采样 (49)

4.5 本章小结 (51)

第5章 ERS-1/2串行干涉数据成像实验结果与分析 (53)

5.1 ERS-1/2卫星基本情况 (53)

5.2 喀什市附近地区的InSAR三维成像实验 (53)

5.3 三峡附近地区的InSAR三维成像实验 (59)

5.4 乌鲁木齐附近地区的InSAR三维成像实验 (64)

结论 (71)

参考文献 (73)

致谢 (78)

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录 (79)

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第1章绪论

1.1 引言

遥感（Remote Sensing）一般是指通过某种传感装置，在不与被研究对象直接接触的情况下，获取其特征信息，并对这些信息进行提取、加工、表达和应用的一门科学和技术，根据所采用的电磁波波段不同，遥感可分为可见光遥感、红外遥感和微波遥感三类。与可见光和红外遥感技术相比，微波遥感具有许多优越性：首先，微波可以穿透云层和在一定程度上穿透雨区，以及不依赖于太阳作为照射源的特点，使其具有全天候、全天时的观测能力，这是任何其它遥感手段所不能比拟的；其次，它对地物具有一定的穿透能力，可在一定程度上穿透植被及土壤表层，因此可用于获取地下目标的信息；第三，它对地物表面粗糙度、地物内部结构和复介电常数所具有的敏感性使其能够提供可见光和红外遥感所得不到的某些信息。由于以上优势的存在，微波遥感得到了迅速的发展，在军用和民用方面都具有了广泛的应用。

合成孔径雷达（SAR：Synthetic Aperture Radar）是一种全天候、全天时高分辨率的主动式微波遥感成像雷达，通过综合运用脉冲压缩技术、合成孔径技术和数据处理技术来获得高分辨率的。SAR通过发射宽带信号，并对回波信号进行脉冲压缩，获得距离向高分辨率；利用雷达平台的运动形成大的天线合成孔径，获得方位向高分辨率。由于SAR具有全天时、全天候、高分辨率成像的能力，而且作用距离远，成像范围大，能够穿透植被和地表层，因此，SAR遥感技术受到世界各国的广泛重视，已经被成功应用于地质、水文、海洋、测绘、环境监测、农业、林业、气象、军事等领域。

随着SAR应用范围的不断扩大，人们除了希望得到目标的几何位置和几何形状等二维信息外，还希望能获取目标的高度信息。但是，传统的SAR技术只能获得目标的二维信息，它缺乏获取地面目标三维信息和监测目标微小形变的能力。通过将干涉测量技术与传统SAR技术结合而形成的合成孔径雷达干InSAR （Syntehtic Aperture Radar Interferometry）三维成像技术提供了获取地面目标三维信息的全新方法，它通过两幅天线同时观测或通过一副天线两次平行观测，获取地面同一景观的复图像对（其中包括强度信息和相位信息），根据地面各目标点在两幅复图像中的相位差，得到各点在两次成像中微波的路程差，从而获得地面目标的三维信息，其成像结果可以满足更为广泛应用领域的要求。InSAR三维成像技术的成像示意图如图1.1所示。

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InSAR 图像配准方法研究

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InSAR 三维成像技术用于获取地面目标三维信息具有许多优点：首先，InSAR

技术继承了SAR 系统的全天时、全天候和大范围的特点，可以穿透云层或其它遮

挡层，不受气候、昼夜等因素影响进行大范围的三维成像，这是一般方法所无法

相比的；其次，InSAR 技术包含了SAR 系统的波长特性，由于SAR 系统采用的

波长一般为厘米级，因此可以获得很高的测量精度。目前，对于机载InSAR 系统

可以获得1米量级的测量精度，对于星载InSAR 系统可以获得10米量级的测量

精度，利用差分合成孔径雷达干涉D-InSAR （Differential Synthetic Aperture Radar

Interferometry ）成像技术对地表形变监测的检测精度可以达到厘米量级；第三，

InSAR 技术是在SAR 系统的基础上发展起来的，因此它的空间分辨率能达到SAR

系统本身所具有的空间高分辨率；第四，InSAR 技术可以形成数据处理过程的自

动化，从而避免一般光学方法中复杂的人工操作程序。

图1.1 InSAR 三维成像技术的成像示意图

本章首先回顾了InSAR 成像技术的发展研究与现状，然后介绍了论文的主要

研究内容，最后给出了论文的各章内容安排。

1.2 合成孔径雷达技术的发展与现状

合成孔径雷达在最近几十年已被广泛应用于地形制图、资源探测以及灾害检

测等其它遥感领域，它作为一种主动式传感器，具有全天时、全天候地对地观测，

还可以透过地表和植被获取地表以下的信息。因此，这些特点使它在农业、林业、

水文、灾害、地质、环境、气象和军事领域的应用具有独特的优势，特别对于那

些用传统的光学传感器成像比较困难的地区特别有意义，因此，SAR 受到各国政

府的高度重视与支持，得到了迅速发展。

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1951年6月，美国古德依尔宇航公司（Goodyear Aerospace Co.）的卡尔·威利（Carl Wiley）[1,2-4]率先提出可以利用频率分析方法改善雷达的角分辨率（方位向分辨率）。与此同时，伊利诺依大学控制系统实验室独立地用非相参雷达进行实验，证实了频率分析方法的确能够改善雷达的角分辨率。

1952年第一个实用化的SAR系统研制成功。

1953年7月，安装在DC-3飞机上的SAR系统（频率为930MHz）获取了第一幅SAR影像。此时的信号存储介质采用磁带，是合成孔径原理和合成孔径雷达发展的最初阶段。

1957年8月，美国密西根大学雷达和光学实验室研制的SAR系统进行了飞行实验，获得了第一张全聚焦SAR图像[5]。与第一次获得的SAR图像比较，这些图像更清晰、分辨率更高。从此，合成孔径原理和合成孔径雷达被人们所认识，并得到迅速的发展。

20世纪60年代，许多国家开展了大量的机载SAR实验，使得机载系统的理论体系不断完善。SAR应用也从军事领域不断地拓展到民用领域，如地形测绘、海洋研究等。

1972年4月，美国国家航空航天局（NASA）的喷气推进实验室（JPL）进行了机载L波段SAR实验，获得了较好的成果。由此，SAR卫星被列入NASA海洋卫星计划。

1978年6月27日，美国国家航空航天局（NASA）成功发射了载有SAR的海洋卫星SEASAT。该系统SAR为L波段，HH极化，入射角为23°，观测带宽100km，主要任务是监测全球的海面波场和极地海冰的状况。在轨运行105天，收集了42小时数据，获取了大量的海洋、地质和地形方面的信息。SEASAT的发射标志着星载SAR由实验研究向应用研究的转变[6]。

1981年11月12日，美国“哥伦比亚”号航天飞机搭载成像雷达SIR-A顺利升空，SIR-A是L波段，HH极化，标定入射角50°。在轨工作近3天，获取了1000万平方公里的成像数据。特别的是从SIR-A雷达影像上成功地观测到撒哈拉沙漠的地下古河道，显示了SAR具有穿透地表的能力，引起国际科技界的震动[7]。

1983年，原苏联利用COSMOS雷达卫星进行海洋测绘，同时利用Verena-15和Verena-16宇宙飞船对金星进行雷达测绘[6]。

1984年10月5日，美国“挑战者”号航天飞机搭载成像雷达SIR-B顺利升空，SIR-B是SIR-A的改进型，工作于L波段，可提供不同视角（15°-60°）下目标后向散射系数变化的第一手空间实验数据。为SAR的应用提供了丰富的资料。

1987年7月，原苏联发射的“COSMOS-1870”卫星上搭载了一S波段的SAR 系统，主要任务是对人类无法进入的地区进行雷达成像测绘、鉴别海冰等。

1988年12月2日，美国“长曲棍球”（Lacrosse）新型军事侦察卫星被送入轨

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InSAR图像配准方法研究

道，采用X、L波段和双极化方式，地面分辨率为1米。因此，对侦察全球军事动态具有重要意义[8]。

1991年3月31日，原苏联发射的“钻石”卫星上搭载的S波段SAR系统，可对地球上78°N—78°S间的区域进行成像。

1991年7月，以德国、英国、意大利等12个成员国组成的欧洲空间局（ESA：European Space Agency）通过阿里亚娜-4号运载火箭将欧洲遥感卫星1号ERS-1送入预定轨道[9]。ERS-1的SAR系统采用C波段、垂直极化方式，距离向分辨率为26米，方位向分辨率为28米，观测带宽为100公里。

1992年2月11日，日本发射了JERS-1地球资源卫星。用于收集陆地板块的数据、土地测量、环境保护、自然灾害预防和海岸警戒。JERS-1的 SAR系统工作在L波段，空间分辨率为18米，观测带宽为75公里。

1994年4月和10月，两次装载于奋进号航天飞机的SIR-C/X-SAR系统升空工作，均获得成功，是美国国家航空航天局（NASA）、德国空间局（DLR）和意大利空间局（ASI）的合作项目。SIR-C为双频雷达（L和C波段），采用全极化（HH、HV、VH、VV）方式；X-SAR由DLR和ASI共同建造，为单频雷达（X 波段），采用VV极化方式。SIR-C数据有助于深入开展植被、火山活动、土壤侵蚀等科学研究。

1995年4月21日，ERS-2卫星发射升空，其系统参数与ERS-1基本相同。

1995年11月4日，加拿大成功地发射了其第一颗资源调查卫星RADARSAT-1。1996年4月正式工作，用于监测地球环境的变化和探测地球资源[10]。与其它SAR卫星不同，它首次采用了可变视角的ScanSAR工作模式，分辨率从10米到100米可调。C波段、单极化（HH），重复观测周期为24天，天线视觉在10°到60°之间，观测带宽可达500公里。

1996年，为了观测土卫六土星（Titan）表面的物理状态、地形等，NASA在其发射的Cassini上搭载的SAR工作在Ku波段，HH极化。

2000年2月11日，美国国家航空航天局（NASA）和国家影像与测绘局（NIMA）联合进行了为期11天的航天飞机雷达地形测绘任务。在整个飞行任务中，其观测带为225公里，主要进行的工作有：生成全球80%陆地表面（60°N到56°S）的数字高程模型，绝对的水平和垂直精度分辨率分别为20米和16米；生成经过校正、地形纠正的C波段图像，覆盖全球陆地的80%区域，分辨率为30米[6]。

2002年3月，欧洲空间局成功发射了环境卫星ENVISAT。ENVISAT上搭载的先进合成孔径雷达ASAR系统，C波段、多极化多模式，采用分布式T/R组件和相控阵技术，37天重复全球一次，是目前最先进的星载SAR系统之一。主要的工作任务有：农业和森林制图；土壤湿度监测；冰、雪制图；地质探测；地形

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测绘；海岸带的保护和污染监测；地表形变监测；自然灾害的预测、跟踪和响应

等。

我国从20世纪70年代中期开始了SAR 系统的研制工作，1979年取得突破，

研制成功了机载SAR 原理样机，获得了我国第一批机载SAR 图像[7,11-14]。该SAR

系统工作在X 波段，测绘带宽为9公里，空间分辨率为180×30米，没有采用脉

冲压缩技术。1980年12月，第二台改进的SAR 系统进行了实验，采用了脉冲压

缩技术，并增加了天线稳定伺服平台和运动补偿电路，空间分辨率提高到15×15

米。1983年研制成功单测绘通道单侧视SAR 系统，1987年多测绘通道、多极化

方式SAR 系统研制成功，1990年研制成功SAR 机-地实时传输系统。1994年研

制完成机载实时成像器，系统吞吐量在载机最大飞行速度时成像速度达到1帧/3

分钟，每帧图像成像面积为35公里×35公里。目前，我国正在研制性能更高的机

载SAR 系统。

在星载SAR 系统方面，1987年我国863计划正式提出了星载SAR 系统的研

究任务，计划部署了发展星载SAR 系统的一系列课题，取得了一批研究成果。在

经过星载SAR 系统关键技术攻关后，中国雷达卫星一号已批准列入型号任务，工

作在L 波段（1250MHz ），HH 极化，29天重复全球一次，入射角可调，4视，空

间分辨率20米，观测带宽为100公里[6]，计划几年内发射。

综上所述：随着电子技术和计算机技术的不断发展，SAR 的技术水平和功能

也在不断提高。总体来说，SAR 发展的趋势为[6]：

(1) 提高分辨率，增大幅宽

对军事目标准确侦察分辨率要求小于1米，美国的Startlite 侦察小卫星上搭

载的SAR 系统，其分辨率可达到0.3米（观测范围km km 44×）。法国计划中的军

用雷达卫星Horus ，其X 波段的SAR 系统分辨率可达3～5米。意大利的

SkyMed/Cosmo 小卫星上的X 波段SAR 空间分辨率设计为3米。SAR 图像的观测

带宽越来越受到人们的重视，如RADARSAT-1的最大观测带宽为500公里，

ENVISAT-1上的先进合成孔径雷达（ASAR ）的观测带宽400公里。

(2) 多波段、多极化、多视角和多工作模式

为了改变测绘带宽和分辨率，SAR 在方位向和俯仰方向必须具有扫描能力。

多波段、多极化、不同视角的对地观测，可以全面地定量分析地面目标的雷达散

射特性。SIR-C/X-SAR 实验结果表明：多波段、多极化SAR 在地球科学研究和实

际应用中的重要性。如：频率和极性的多样性对热带和寒带地区的准确分类、植

物生物量的测量、湿地地区的调查、海水厚度的测量、雪和土壤的湿度测量等，

都具有至关重要的作用。

(3) 小型化、轻型化

星载合成孔径雷达体积大、重量、功耗大，影响其推广应用。轻小型SAR 是

InSAR图像配准方法研究

未来一个重要的发展方向。美国Medsat卫星，采用L波段的SAR系统，重约340公斤，观测带宽250公里，全极化。美国JPL正在研制的lightSAR雷达重约250公斤，L波段、多极化。俄罗斯正在研制的L波段小SAR重150公斤，分辨率为2－20米。

1.3 InSAR三维成像技术研究现状

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[15]，它是传统的SAR 遥感技术与射电天文干涉技术相结合的产物。InSAR通过两幅天线同时观测（单轨模式），或一幅天线两次近平行的观测（重复轨道模式），获取地面同一景观的复图像对。由于目标与两天线位置的几何关系，在复图像上产生了相位差，形成干涉纹图。此干涉纹图中包含了地面目标在斜距向上的点与两天线位置之差的精确信息，故利用传感器高度、雷达波长、波束视向及天线基线距之间的几何关系，可以精确地测量出地面目标每一点的三维位置和变化信息。

InSAR技术早在1969年就被Rogers和Ingalls[16]率先用于从地球上观测金星，1972年又被Zisk[17]用于观测月球的地形。1974年Graham[18]首次提出将InSAR 技术用于地球表面的地形测量。

由于形成干涉的技术条件限制，接下来十多年，未见有关InSAR技术较为深入的文献报道。直到1986年，美国喷气推进实验室JPL（Jet Propulsion Laboratory）的Zebker和Goldstein[19]发表了用机载双天线InSAR技术进行地形测绘的结果，才真正拉开了InSAR技术研究的序幕。他们在NASA CV990飞机上以1.1米的间距安装了两幅SAR天线，一副天线发射信号，两幅天线接收信号，经InSAR技术处理后，获取了San Francisco海洋地区的地形图。Hug等人[20]于1986年阐述了使用InSAR技术校正SAR图像失真的方法。1987年Durand[21]讨论了重复轨道干涉的可行性。

1988年Goldstein等人[22]首次利用卫星重复轨道数据进行了InSAR试验，他们利用SEASAT卫星观测的SAR数据获得了Death Valley的Cottonball Basin地形图，论文同时介绍了一种抗噪能力较好的相位解缠方法。随后，Gabriel和Goldstein[23]进一步扩大了利用卫星重复轨道进行InSAR成像的条件，对于飞行轨道存在夹角的SIR-B数据，他们经过对两幅SAR复图像进行图像配准并对其中一幅SAR复图像进行重新采样后，也获得了干涉图像。

此后，许多研究者投入到了InSAR技术的研究当中。1989年，Rodrigue等人[24]分析了InSAR技术获取目标高度信息的系统误差和随机误差。1990年，Li和Goldstein[25]研究了不同观测基线长度对所获得的地形数据精度的影响，Cumming 等人[26]讨论了InSAR系统误差分析方法并研究了大量的误差来源。与此同时，

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Lin和Vesecky等人[27-29]则提出了多种图像配准和相位解缠的新方法。

我国对InSAR技术的研究起步较晚，从20世纪90年代中期开始，一些科研机构和高等院校开展了InSAR技术的研究工作，并且取得了许多科研成果[30-38]。但由于国内尚没有自己的InSAR系统，无法自主地获取InSAR数据，只能从国外购买少量数据或通过仿真进行实验，因此目前主要是进行InSAR数据处理方面的研究。

综上所述，干涉合成孔径雷达成像技术飞速发展，呈现以下发展趋势[6]：

(1) 日益商业化

随着InSAR技术研究的不断深入和完善，已经有商业化和专业化的软件和硬件系统，以适应不同行业和不同领域的需要。如：EnviView、ENVI4.0和IDL6.0等InSAR图像处理软件。

(2) 数据获取更为丰富、快捷

随着各国星载SAR系统上天，各种串接飞行应用的实施，如：ERS-2/ENVISAT、ENVISAT/RADARSAT-2的串接飞行，能够为各国提供丰富的InSAR数据。随着各个地区地面接收站的建立，数据的覆盖和获取更为快速和广泛。同时，由于网络技术的飞速发展，数据传输速度将更快。

(3) 成像精确度不断提高

从理论上分析，InSAR成像技术能够获取毫米级的形变测量精确度。随着SAR 数据的质量、卫星系统稳定性的提高以及InSAR技术的不断完善，将能够获取高精度的全球三维地形图，为形变监测和地形测绘提供丰富的精确数据。

1.4 InSAR成像的应用

InSAR成像技术是利用SAR复图像中含有的相位信息，通过干涉处理来提取目标的三维信息，因此用于制作地形图、生成高精度DEM是自InSAR技术研究和应用以来的主要应用领域。D-InSAR成像技术由于能获得厘米甚至毫米级的形变，因此可应用于地震形变[39]、火山形变、地面沉降、滑坡、冰川移动、军事目标识别等方面。

1.4.1 地质灾害研究

地震、火山喷发等突发性的地质灾害，严重影响着人类的生命和财产安全，研究这些地质灾害的成因及规律已成为地球科学研究者的重要课题。

地震灾害是地壳形变积累的结果，对地壳形变过程的监测和震后测量具有重要的意义。目前，监测地震灾害主要依赖于VLBI技术、SLR技术、GPS技术、水准测量、应力测量和张力测量等传统方法，但这些方法局限于有选择性地监测一些离散站点。D-InSAR技术则有高分辨率、高精度、连续空间覆盖等特点[40-41]，

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InSAR 图像配准方法研究

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它通过对卫星获得的震前和震后的SAR 复图像进行干涉处理，可以提供有关地震

的震源位置、震源机制和地震滑动分布等信息，为地震研究提供可靠和宝贵的数

据。

InSAR 技术也可用于检测与火山喷发有关的地面形变模式。从由InSAR 技术

获得的火山的高分辨率DEM ，可以估计火山熔岩流场的结构和形态的细节。它不

仅可以作为这些火山将来由于喷发而引起变化的检测基准，而且也可用于估计未

来的熔岩流、泥流和火山碎屑流所引起的灾害[42]。如图1.2所示。

地质构造、板块运动和人为因素（如城市发展、地下水抽取等）都会导致地

面的沉降。城市地面沉降问题一直受到各国政府的高度重视，采用D-InSAR

技术

取代常用的水准测量方式实现对城市沉降速度的测量，不仅可以节省费用，而且

可以提高测量的效率。

图1.2 InSAR 用于地质灾害研究

1.4.2 极地监测

极地冰盖和冰川对地球气候的变化起着极其重要的作用，因此对极地冰盖体

积和冰川运动及其边缘位置变化的监测具有非常重要的意义。冰川的运动速度一

般相对较高（一般平均每天几十厘米），因此，监测时间间隔不能太长。与传统的

监测手段相比，D-InSAR 技术具有大范围、高效率等特点，它可以精确快速地测

量极地冰盖厚度的变化和冰川的移动情况[43]。主要进行冰川地形测量、冰速测量

等研究工作。

1.4.3 海洋监测

海洋占据地球表面的70%，蕴藏着人类赖以生存的重要资源。而海面上的天

气状况往往非常恶劣，给光学遥感手段监测海况带来极大困难。SAR 是进行海洋

观察的最理想工具之一，通过InSAR 技术，不仅可以探测到海面上船舶的运动方

向和速度[44-46]，而且可以观察到多种海洋动力学现象以及由于海底地形变化而引

起的海面波浪的差异等。

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1.4.4 森林调查与制图

森林是人类生存环境中极其重要的因素之一，对森林的调查和监测有利于保

护人类生存环境。采用InSAR 技术可以进行树高的测量、林区地形的测量和分类

制图等方面[47-49]。如图1.3所示。

图1.3 InSAR 应用于森林火灾监测

1.4.5 军事领域

InSAR 可用于获取战略、战术机动和定期威胁军事目标（如：船舰、飞机、

机动雷达站、机动导弹和发射设施等）及识别军事伪装目标等。美国的预警飞机

E-8A 上装备的联合监视目标攻击雷达系统（JS-TARS ）具有InSAR 功能[50]，在

对地面动目标检测和成像上显示了巨大的能力，在军事侦察中发挥了重要作用受

到世界各国军事首脑和研究人员关注。图1.4为InSAR 用于军事目标识别和军用

机场识别。

a) 坦克的跟踪 b) 军事目标的识别

InSAR 图像配准方法研究

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c) 战争引起的建筑物损坏情况

d) 美国亚利桑那州图森市南部的B52轰炸机停机场

图1.4 InSAR 应用于军事领域

总之，经过十几年来的发展，InSAR 成像技术和D-InSAR 成像技术的研究与应用正在不断地完善与深入。我们相信，随着这项新技术的不断发展，它必将给人类带来巨大的经济和社会效益。

1.5 本文的主要研究内容

本论文的研究工作是在国家自然科学基金（编号：60375001）、湖南省自然科学基金（编号：04JJ40042）和德国科学联合研究基金（DFG ）的资助下，从星载合成孔径雷达干涉测量系统的数据处理过程入手，首先对几个地区的原始数据进行解码并生成幅度图像，然后在此基础上重点研究了复图像的配准方法，最后生成了干涉条纹图和相关系数图，为以后的数据处理和研究工作奠定了基础。

本文的主要研究工作可以归纳如下：

（1） 对InSAR 三维成像技术的原理进行了完整、详细的描述；

（2）

对

InSAR 原始数据进行了详细的研究，并生成单视复图像；

硕士学位论文

（3）重点研究了InSAR的图像配准方法，在现有的多种配准方法的基础上研究了两种InSAR影像的多级配准算法，从配准的精度、可靠性和效

率等方面集中分析和比较了算法的性能。

本文从InSAR的基本原理出发，以ERS1/2的数据为试验，实现了InSAR原始数据的解码与单视复图像的生成，并选取我国喀什、三峡和乌鲁木齐地区的数据进行配准算法的试验，进行进一步的讨论和研究。

本文共分五章，各章的内容安排如下：

第一章概述了合成孔径雷达成像技术的发展历史和现状，以及合成孔径雷达干涉测量成像技术研究现状，重点介绍了合成孔径雷达干涉测量复图像的配准的国内外研究现状，总结了本文的主要研究工作和创新点，并给出了本文各章节的内容安排。

第二章合成孔径雷达干涉测量成像原理。详细讨论了合成孔径雷达干涉测量的成像原理，从理论上分析了合成孔径雷达干涉测量系统模型。完整的给出了星载InSAR获取地形信息的数据处理流程，最后，概括了合成孔径雷达干涉测量的应用。

第三章单视复数SAR成像研究。对SAR原始数据格式进行了详细的说明，并针对合成孔径雷达干涉复图像配准之前的原始数据读取和处理生成单视复图像技术是提高InSAR复图像配准精度的重要工作之一，本文研究了一个切实可行的数据读取和处理成像的新方法，实验证明了该方法的有效性。

第四章 InSAR复图像配准方法的研究。给出了图像配准的概念和配准的一般步骤，分析了现有的配准方法。针对InSAR图像的特点，研究了两种从粗配准到精配准的多级配准方法和实施方案。

第五章 InSAR数据实验结果与分析。介绍了ERS-1/2卫星的基本情况，对德国ESA提供的我国喀什市附近地区、三峡附近地区和乌鲁木齐附近地区的串行数据进行了配准实验，给出了实验结果。相应的实验结果包括：形成SAR原始数据的幅度图、干涉图像的相关系数图、干涉图像的干涉条纹图。

结论中对全文的研究共作进行了总结，并对今后进一步的研究工作进行了展望。

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InSAR 图像配准方法研究

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第2章 InSAR 成像原理

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。其原理是通过两幅天线同时观测（单轨模式）或两次近平行的观测（重复轨道模式），获得同一景观的观测数据（复数影像对），综合起来形成干涉纹图，得到相应的相位差，结合观测平台的轨道参数等提取高程信息，可以获得高精度、高分辨率的地面高程信息，而且进一步利用差分干涉技术可以精密测定地表沉降，下面介绍其基本原理和数据处理过程。

2.1 SAR 干涉测量概述

获取SAR 干涉数据主要有三种方式：SAR 交轨干涉测量（XTI ）、SAR 顺轨干涉测量（ATI ）、SAR 重复轨道干涉测量（RTI ）[6]。

2.1.1 SAR 交轨干涉测量

SAR 交轨干涉测量（Across-track Interferometry ）是利用一副天线发射雷达波，再利用两幅相隔一定距离的天线同时接收回波，两幅天线安装位置与天线的飞行方向垂直，从而获取SAR 数据的测量方式。如图2.1所示。由于SAR 交轨干涉测量需要同时安装两幅SAR 天线，因此通常应用于机载SAR

系统或航天飞机任务。该模式常用于获取地面目标的高程信息。

图2.1 SAR 交轨干涉测量的几何示意图

2.1.2 SAR 顺轨干涉测量

1987年Goldstein 和Zebker [51]提出了另一种SAR 干涉测量技术，即SAR 顺轨干涉测量（Along-track Interferometry ），在不同时间对同一地区进行成像。与交轨模式不同的是相隔一定距离的两副天线沿着飞行方向，在不同的时间对同一