1 基本原理的推導
本節簡單推導3-Pass型差分干涉系統的相位和形變的關係。依然從公式說起,以重複軌道型干涉系統爲例:
ϕ=4πλ δR≈4πλ B //
上式代表某地面點形變前的干涉相位差,兩天線相位中心分別爲A 1 ,A 2 ,假設形變後又進行了一次觀測,相位中心爲A 3 ,第一、三次的干涉相位差爲:
ϕ ′ ≈4πλ B ′ //
聯合上面兩個公式有:
ϕ/ϕ ′ =B // /B ′ //
這個公式意味着:如果地面沒有形變,則相位的比值等於平行基線的比值,跟地形無關。如果第三次觀測之前,地面表發生形變δρ ,假設這種形變與雷達分辨單元相比很小,仍可認爲雷達信號是相關的,那麼此時相位信息ϕ ′ 中不僅包含地形信息,還包含形變信息:
ϕ ′ ≈4πλ (B ′ // +δρ)
結合以上兩個公式,得:
δρ=(ϕ ′ −B ′ // B // ϕ)λ4π
這裏的B ′ // B // ϕ 是地形因素帶來的相位差。所以,當我們說從一個相位信息裏面減去地形因素的影響的時候,這個“減去”需要仔細的分析,具體情況具體分析,比如2-pass型,減去的是DEM模擬出來的相位。但是,有一些東西是確定的,比如說,距離和相位的關係(不考慮單發雙收的情況):
ϕ(t)=−4πλ r(t)
這裏爲什麼有一個負號呢?是這樣的:
f d =−2λ ∂r(t)∂t
這個式子表示多普勒頻率,裏面的負號符合我們的常識:當聲源和觀測者的距離縮短時,頻率增大,反之,頻率變小。如果你認爲上面的式子理所當然,那麼,若進一步結合f d =12π ∂ϕ(t)∂t ,就會理所當然地理解距離和相位關係中的負號了。
2 干涉圖的解讀
不知道你能不能一下讀懂彩虹色的干涉圖,或者差分干涉圖,反正我不能。
2.1 垂直形變的情況
不妨先從一個小的角度切入:假設地面有兩個點m,n ,分別有相位:
ϕ m1 =−4πλ sm ¯ ¯ ¯ ¯ ¯
ϕ n1 =−4πλ sn ¯ ¯ ¯ ¯
假設一段時間後,又進行了一次觀測,又假設兩次觀測的基線爲零,又假設m 位置沒有發生變化,n 在垂直方向上有形變h ,變成了n ′ ,第二次兩點有相位:
ϕ m2 =−4πλ sm ¯ ¯ ¯ ¯ ¯
ϕ n2 =−4πλ sn ′ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ =−4πλ (sn ¯ ¯ ¯ ¯ −hcosθ)
其中,θ) 表示雷達的側視角,正的h 表示向上,即與相位中心的距離變小。
現在有干涉相位:
ϕ m =ϕ m1 −ϕ m2 =0
ϕ n =ϕ n1 −ϕ n2 =−4πλ hcosθ
進而可以得到m,n 這兩點的干涉相位差:
ϕ=ϕ n −ϕ m =−4πλ hcosθ
現在我們可以回答本節開始的問題了:一個正的h ,即向上的形變,得到的干涉相位差 ϕ 是負的,也就是說從點m 到點n ,干涉相位在減小,如果你用色譜分別對應了不同的相位值,自然也就對應了不同色譜。換一種說法:如果你用紅、黃、綠、藍、紫這樣的色譜代表相位的依次增大,那麼,漸變的紅、黃、綠、藍、紫就意味着地面的沉降,或者說斜距的減小。
這裏有點點繞口,但是,根本不用記,因爲不是固定的,跟兩個因素有關:對色譜所代表的數值的規定;干涉圖生成時候的減數和被減數。
另外:
- 密集的條紋意味着形變的不均勻;
- 同一種顏色表示形變成程度一樣(或者說相對沒有形變);
- 隨機的顏色表示去相干,得不到有價值的信息。
2.2 水平形變的情況
同樣的,仍然以兩個點m,n 爲例,只是此時的兩個點n 不僅僅有垂直方向的形變,兩點的干涉相位差爲:
ϕ=ϕ n −ϕ m =−4πλ (sn ¯ ¯ ¯ ¯ −sn ′ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ )
此時,一個正的相位差意味着 sn ¯ ¯ ¯ ¯ <sn ′ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ,意味着n 點的斜距變大了。
至於這些分析跟升軌、降軌、側視角、側視方向的關係,暫時還沒有搞明白,後面再說。
2.3 無形變的情況
如果沒有形變,需要用到上一篇博客中的公式:
ϕ flat =−4πλ B ⊥ hRsinθ
此時:
ϕ=ϕ n −ϕ m =−4πB ⊥ λRsinθ (h n −h m )
一個正的相位差(相位梯度)意味着 h n <h m (這裏要求)B ⊥ >0 。可以看出,若干涉相位由地形因素引起,則干涉圖跟垂直基線的符號有關,而且干涉條紋圖就類似與等高線,高差就是高程模糊度。
如果你試着接着用前面分析形變情況的思路進行這裏的分析,那麼就會掉進一個陷阱:因爲沒有形變,那麼
ϕ m =ϕ m1 −ϕ m2 =0
ϕ n =ϕ n1 −ϕ n2 =0
那麼:
ϕ=ϕ n −ϕ m =0
所以,兩點高度相同,匪夷所思。
這裏的錯誤是忽略了討論形變時候的假設:基線爲0。容易想象基線爲零的時候是沒有辦法進行干涉測量得到DEM的。上面形變分析之所以成立,正是因爲形變的存在。
這裏的基線爲零,是個極限情況,一般地,基線越短,越有利於形變監測。另外,形變監測的時候,時間間隔要適當長,極端情況,若時間間隔爲零,則無法解算形變。
辯證地來看,如果是用Repeat-Pass獲取DEM,爲了儘量的地去除形變的影響,最好是時間間隔短一些,而且這樣也會減弱去相關的影響。