InSAR（Interferometric synthetic aperture radar, InSAR）结合了合成孔径雷达成像技术和干涉测量技术，利用传感器的系统参数和成像几何关系等精确测量地表某一点的三维空间位置及微小变化（见图1）。

图1：InSAR原理图

从历史上来看，InSAR技术的发展起源于Thomas Yong 于1801年所做的“杨氏双缝干涉实验（见图2，图3）。”InSAR正是受这一实验启发发展而来。InSAR技术是近二十年发展起来的极具潜力的微波遥感新技术，它利用两副天线同时观测（单轨双天线模式）或两次近平行观测（重复轨道模式）获得同一地区的两景数据，通过获取同一目标对应的两个回波信号之间的相位差并结合轨道数据来获取高精度、高分辨率的地面高程信息。

　　　　　　  图2:杨氏双狭缝干涉实验 　　　　　　　　　　　　 　图3：点源干涉实验

Roger和Ingalls（1969）率先将无线电波干涉测量技术应用到金星和月球表面的观测，成功提取了月球表面的高程信息。Graham（1974）首次提出了InSAR在地形制图方面应用的设想，并利用机载合成孔径雷达数据获取了能满足1：25万地形图精度要求的高程数据，开创了InSAR技术在对地观测中获取地表三维信息的先河。Goldstein（1988）利用Seasat雷达数据获取了死亡谷Cottonball盆地的地形图，与出版的USGS的地形图很吻合。近十年来，欧美一些发达国家对机载和星载（包括航天飞机）的合成孔径雷达的理论和应用做了大量的研究，获取了大量的商用SAR图像，其中以欧洲空间局（ESA）的ERS1/2、ENVISAT ASAR,日本的JERS-1，ALOS PALSAR,德国的TerraSAR-X和加拿大的RADARSAT-1, RADARSAT-2 ,意大利的COSMO-SkyMed等星载SAR图像为代表。

InSAR最初设计是用来对地球表面测图，目前InSAR技术的应用已不仅仅涉及地形测图，还广泛应用在数字高程模型、洋流、水文、森林、海岸带、变化监测、地面沉降、火山灾害、地震活动、极地研究等诸多领域。其主要应用领域包括以下四大方面：

1.数字高程模型（DEM）的获取。InSAR技术可以全天候、全天时、大面积、高精度、快速准确地获取覆盖全世界的数字高程图，特别是在某些困难地区用传统测量方法无法涉及的地方，优势更为明显。最早利用机载系统获取DEM的代表是美国国家航空航天局，从1991年开始开展了一系列利用TOPSAR在不同环境下获取DEM的研究工作，获得了大量的研究成果。利用星载系统获取DEM的研究始于ERS卫星的发射，2000年2月11日NASA和美国国家影像与测绘局（NIMA）联合进行的为期11天的航天飞机雷达地形测绘任务，获得了地球北纬60度至南纬56度之间，面积超过1.19亿平方公里的雷达影像数据，数据覆盖全球陆地表面80%以上地区（见图4）。

图4： SRTM数据覆盖范围（深色区域）（JPL网站）

2.地图测绘。利用传统测绘方法测图不仅费时费力，而且高程精度不高。利用InSAR技术可以解决这一问题，现在利用InSAR技术在平坦地区可以取得2m左右的高程精度，地形起伏较大的地区高程精度可以达到5m左右，完全可以满足实际需要（见图5）。

图5：InSAR提取的DEM（每个干涉条纹代表160m高程）

3.海洋应用。利用InSAR可以测量海浪方向和海表面流速，还可测量海面高度，进而计算海浪高度，此外，InSAR还可用于舰船监测、海岸线的动态监测。

4.地球动力学应用。InSAR技术在地球动力学方面的应用最令人瞩目，主要包括以下几个方面：

（1）地震形变研究，包括同震、震间、震后的机理研究。Massonnet（1993） 等人率先将InSAR技术引入地震形变测量中，开创了该技术应用于地表形变场观测的先河。此后各国研究人员开展了一系列的地震形变场的研究工作，取得了许多重要的科研成果，涉及的地震主要包括Landers（1992）地震、加利福尼亚州的Eureka地震（1993）、加利福尼亚州的Northridge地震（1994）、希腊的Grevena地震（1995）、土耳其的Dinar地震（1995）日本的Kagoshima-Kenhokuseibu地震和Iwate地震（1997）、中国西藏的玛尼地震（1997）、中国张北地震（1998）、中国汶川大地震（2008）、海地地震和智利大地震（2010）、中国玉树地震（2010）等。这些研究均主要利用InSAR技术获取同震位移和震后形变，分析由于地震的主震所造成的地表形变，结合形变模型模拟结果，分析形变场，推算震源参数，解释发震机理，从而分析地震周期及演化过程。

图6：Landers地震（1992）

图7：加利福尼亚地震（1993）

图8：汶川地震（2008）

（2）火山的下陷与抬升研究，通过对火山的运动规律分析，进行火山爆发的预测研究，目前研究人员已成功地利用InSAR技术研究了大量火山形变情况。主要包括意大利的Ena火山、美国夏威夷的火奴鲁鲁美国阿拉斯加州的几个活火山、冰岛的断裂火山、日本伊豆半岛火山、美国黄石国家公园活动的火山口等。

　　　 

　　　　  图9：InSAR监测Ena火山运动　　　　　　　  图10：InSAR监测Kilauea volcano, Hawaii 火山运动

图11：InSAR监测Sierra Negra,Isabela Island火山运动

（3）冰川研究，通过InSAR技术获取完整的、高分辨率的、高精度的地形数据，并测量冰流和其他变化。GoldStein（1993）首次在没有控制点的情况下直接测得冰流速度开始，研究人员利用InSAR技术从冰川变形、冰流速度、温带冰川以及冰川学应用等多个方面对冰川进行全面系统的研究。　

图12：InSAR技术监测南极冰川运动

（4）细微地形变化，主要包括滑坡、地面沉降等地表形变。Fruneau等（1996）通过对法国阿尔卑斯地区滑坡体进行研究，首次论证了InSAR技术具有确定中等滑坡体运动的能力。Refice通过对意大利南部滑坡进行研究，指出植被覆盖、大气影响及实验区小尺度等因素的影响，导致干涉处理中相位失相干、分辨率及时间不一致等问题。对于地面沉降，主要是由于过量开采承压含水层中的水而引起的地质灾害，此外由于开采煤矿和石油，地热及人工建筑也会造成地面沉降，与前面的地震、火山形变不同，这种地面沉降一般为缓慢，时间跨度数年，因此时间去相干及大气影响成为限制InSAR应用于地面沉降的主要因素。

　　　　  图13：InSAR技术监测山体滑坡　　　　　　　  图14：InSAR技术监测地下采矿引起的地表沉降

图15：InSAR技术监测San Francisco Bay Area 地表沉降

DInSAR：合成孔径雷达差分干涉测量技术（Differential InSAR, DInSAR）是以合成孔径雷达复数影像的相位信息获取地表变化信息的技术，是合成孔径雷达卫星应用的一个拓展。雷达图像的差分干涉图可用于监测厘米级或更微小的地球表面形变。Grabriel（1989）等首次论证了DInSAR技术可用于探测厘米级的地表形变，并用Seasat L 波段SAR数据测量美国加利福尼亚州东南部的英佩瑞尔河谷( Imperial Valley) 灌溉区的地表形变。但他的工作没有得到足够的重视, 直到Massonnet（1993） 等人利用ERS1/2 SAR数据采集了Landers地震(M =7.2，1992) 的形变场,并将DInSAR 的测量结果与其它类型的测量数据以及弹性形变模型进行比较,结果相当的吻合,研究成果发表在《Nature》上,引起了国际地震界的震惊，DInSAR 技术在探测地表形变方面的能力才被大家所认识。DInSAR从此发展成为一种专门监测地表形变的新技术，可高精度地监测大面积的微小地面形变。

要从包含形变信息的干涉相位中获取地表形变量，需要从干涉相位中去除参考面相位和地形相位的影响。参考面相位一般利用干涉几何和成像参数，通过多项式拟合得以去除。对于地形相位，需要利用多余的SAR观测数据或已知的DEM，通过二次差分处理消除。根据去除地形相位采用的数据和处理方法，可将差分干涉测量分为二轨法、三轨法、四轨法，不同方法的数据处理过程不相同。二轨法是利用研究区域地表形变发生前后的两幅SAR影像生成干涉图，然后利用外部DEM数据模拟该区域的地形相位，并从干涉图中剔除模拟的地形相位得到研究区域的地表形变相位信息。三轨法是利用研究区域三幅SAR影像，其中两幅为形变前或形变后获取，另一幅要跨越形变期获取。选其中一幅为公共主影像，余下两幅为从影像分别与选定的主影像进行干涉，生成两幅干涉图：一幅反映地形信息，一幅反映地形和形变信息。最后再将两幅干涉图进行再次差分，就获得了只反映地表形变的信息。四轨法同三轨法类似，四轨法是利用四幅SAR影像，其中两幅在形变前获取，两幅在形变后获取。其中两幅进行干涉形成地形对，另两幅进行干涉形成地形和形变对，同样对这两幅干涉图进行再次差分处理，得到形变相位。

尽管DInSAR技术在形变监测方面表现出极大的应用潜力，并取得一些成功的应用，但该技术要完全走向实用化，还受到多方面因素的影响和制约，其中时空失相关和大气效应是该技术的瓶颈。

(1)时间失相关

时间基线是DInSAR应用于区域地表形变探测的一个重要限制，尤其在植被覆盖地区，时间间隔稍长就可能引起相位严重失相关而无法获得可靠的干涉测量结果。

(2)空间失相关

空间失相关是由于不同雷达侧视角导致雷达散射信号的差异。一般情况下，单通双天线系统几乎不存在空间失相关，而星载重复单天线系统受基线失相关的影响较为显著。获取两幅SAR图像的轨道空间间隔越大，干涉相位噪声水平也会越高，大大限制了有效干涉对的可用数量，使得干涉测量只能局限在部分满足基线条件的SAR影像上进行，这对于那些长期累计的微小地表形变监测来说，监测工作变得异常困难甚至不可能。

(3)大气延迟

易变的大气条件可能导致不同的相位延迟，这种不一致性既表现在时间尺度上，也表现在空间尺度上。严重的大气延迟会模糊甚至掩盖感兴趣的信号，若不能完整地提取或剔除大气相位分量，则大气相位分量很容易被误认为是地形起伏或地表形变，这极大降低了InSAR技术提取地面高程或地表形变的可靠性。

(4)无法监测单个目标的变形

受雷达空间分辨率的影响，该技术只能监测大面积的地表形变，要监测单个目标（如某个建筑物）的变形，对雷达差分干涉来说还是个极大的挑战。

要解决DInSAR中的失相关和大气效应问题，只有通过数据处理的手段来解决。到目前为止，已发展了两种方法：数据融合法和永久散射体法。不过，数据融合的方法只能在一定程度上降低大气延迟的影响，还不能解决失相关问题。永久散射体法同时解决了差分干涉测量中的大气效应、时间失相关和基线失相关问题，是目前差分干涉测量中解决上述问题的最好方法。

PSInSAR:针对常规DInSAR相位失相关和大气延迟影响，Ferretti提出了仅仅跟踪成像区域内雷达散射特性较为稳定的目标而放弃那些失相关严重的分辨单元的方法PSInSAR（permanent Scatterer InSAR）。这些目标(如地面建筑物的墙角或者屋顶，也可能是裸露的岩石)几乎不受失相关噪声影响，即使在多年时间间隔的干涉对中仍然保持较高的干涉相关性，把这些稳定的目标称之为永久散射体（PS，permanent Scatterers）。由于永久散射体可在很长时间间隔内保持高相干，并且在空间基线距超过临界基线距的情况下，也能够保持高相干性，这样便可充分利用长基线距的干涉图像对，最大限度地提高数据的利用率；因此，可找出研究区域内的PS点，通过对这些PS点进行时间序列分析，消除大气的影响，便能准确测量到PS点的形变量，从而监测到地面的运动，并精确地反映出所监测区域的相对位移。PSInSAR方法类似于控制测量，它通过点上的可靠信息获得整个区域的信息，即使整个研究区内不能形成干涉条纹，也能用PSInSAR方法探测地表的形变。

 

　　　  图16：PSInSAR技术监测Etna山区变形　　　　　  图17：PSInSAR技术监测法国巴黎城市地面沉降

目前除了PSInSAR方法外，最新的研究方法还有最小二乘法（LS）、小基线集方法（SBAS）和相干目标方法（CT），高级PS方法。

 

(胡波供稿)