全息摄影和InSAR技术中的干涉测量原理-袁志辉

2021-04-07

全息摄影是一种不用透镜而能记录和再现物体三维(立体)图像的照相技术,它能把来自物体的光波波阵面的振幅信息和相位信息都记录下来,并能在需要的时候再现这种光波信息。光波是一种电磁波,它在传播过程中带有振幅信息和相位信息。普通照相技术以感光材料(如照相底片)为记录介质,利用透镜成像系统(如照相机)使物体在感光材料上成像。该技术所能记录的信息只有来自物体的反射光波对应的强度分布信息,也就是振幅信息,而没有对应的相位信息,这使得普通照相技术只能得到物体的二维(平面)图像,而无法获取它的三维(立体)图像。为了能够同时记录光波的振幅信息和相位信息,可借助于一束相干的参考光,利用物光和参考光的光程差来确定该两束光波之间的相位差,这样便得到了能够借助参考光记录物光振幅信息和相位信息的全息摄影技术。

典型的全息摄影光路布局如图1所示。其中,由激光器发出的光束被分光镜分成两束:一束经过左下角的全反镜反射后通过扩束镜直接投射于布满高分辨率感光材料的全息干板上,称为参考光;另一束则通过右上角的全反镜和扩束镜照射物体,并通过物体表面反射(或透射)到全息干板上,称为物光。物光和参考光在全息干板上相互干涉,当两光波同相时光线增强,反相时光线减弱,从而构成一幅非常复杂而又精细的干涉条纹图。这些干涉条纹以其幅度强弱和位置的变化来反映物光的振幅信息和相位信息。

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图1 全息摄影光路布局图

如果将全息干板替换为全息底片,则可对全息底片进行常规的显影和定影处理,从而可以得到一张经过了数字编码的全息图。全息图的外观和原物体的外形似乎毫无联系,但它却以光学编码的形式记录下了物光的全部信息。

而合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR)则是一种应用于测绘和遥感的雷达技术,它结合了合成孔径雷达(SAR)成像技术和干涉测量技术,利用SAR对同一地区观测的两幅复数值影像(既有幅值又有相位的影像)数据进行干涉处理,以获取地表高程信息。在数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)重建和地表形变监测等方面具有快速、高精度、全天时、全天候、大区域等突出优势,已成为最具潜力的对地观测新技术之一。利用InSAR技术进行干涉测量的基本原理是利用具有干涉成像能力的两部SAR天线(或一部天线重复观测)来获取同一地区具有一定视角差的两幅具有相干性的单视复数(SLC)图像,并由其干涉相位信息获取地表高程信息,从而重建地表的DEM。其示意图如图2所示,其中左边是几何结构示意图,右边是通过干涉测量后获得的干涉图。


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图2 InSAR干涉测量示意图


其实,不管是全息摄影还是InSAR,它们的工作原理从本质上来说都是一样的,都起源于托马斯•杨(Thomas Yong)于1801年所做的“杨氏双缝干涉实验”。相信干涉测量的基本原理在未来的日子里还会得到越来越广泛的应用。