劉斌， 葛大慶， 李曼， 張玲， 王艷， 郭小方， 張曉博

(1.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083)

地基合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)及其應(yīng)用

劉斌1， 葛大慶1， 李曼1， 張玲1， 王艷1， 郭小方1， 張曉博2

(1.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083)

在簡要討論地基合成孔徑雷達(dá)干涉測量(ground-based interferometric synthetic aperture radar，GB InSAR)技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，歸納了常規(guī)地基InSAR形變測量的主要處理流程。全面總結(jié)了地基干涉測量雷達(dá)系統(tǒng)的主要類型及其發(fā)展趨勢，地基InSAR技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域以及目前存在的問題，對比分析了地基和星載InSAR在形變測量上的優(yōu)勢和不足。

地基合成孔徑雷達(dá)干涉測量； 步進(jìn)頻率連續(xù)波； 調(diào)頻連續(xù)波； 噪聲雷達(dá)； 多入多出技術(shù)

0 引言

星載干涉測量雷達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)勢為覆蓋范圍廣、監(jiān)測精度可靠，能以較高頻率和密度獲取觀測區(qū)的變形狀況，適用于具有一定空間尺度的形變場連續(xù)監(jiān)測。針對地面多類型、多尺度形變測量的監(jiān)測技術(shù)需求，星載雷達(dá)系統(tǒng)仍然存在如下缺點(diǎn)： ①觀測實時性受制于衛(wèi)星重訪周期，難以滿足動態(tài)和應(yīng)急監(jiān)測需要； ②雷達(dá)入射角由于衛(wèi)星飛行方向固定(升軌或降軌)，且單一，邊坡觀測存在疊掩、陰影和頂?shù)椎怪玫痊F(xiàn)象，難以滿足邊坡監(jiān)測等觀測需要； ③進(jìn)行山體滑坡、礦山邊坡失穩(wěn)、冰川運(yùn)動等局部變形監(jiān)測時，星載干涉測量雷達(dá)系統(tǒng)的空間分辨率、覆蓋范圍往往難以達(dá)到最佳匹配。

地基干涉測量雷達(dá)系統(tǒng)是利用布設(shè)在監(jiān)測對象附近的地面雷達(dá)測量系統(tǒng)，實現(xiàn)對被觀測對象的近實時動態(tài)連續(xù)監(jiān)測。由于采用的雷達(dá)波長更短，因此測量精度能達(dá)到毫米―亞毫米級，能夠根據(jù)觀測目標(biāo)形變場的演化特征靈活安置，彌補(bǔ)星載雷達(dá)重訪周期固定、入射角度單一等不足。

本文在詳細(xì)討論地基合成孔徑雷達(dá)干涉測量(ground-based interferometric synthetic aperture radar，GB InSAR)技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，歸納常規(guī)GB InSAR形變測量的主要處理流程，并通過總結(jié)地基干涉測量雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，以及GB InSAR技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，對比分析地基和星載InSAR在形變測量上的優(yōu)勢和不足，全面掌握地基干涉測量雷達(dá)系統(tǒng)的實用能力。

1 GB InSAR技術(shù)原理

一般來說，地基雷達(dá)觀測期間的空間基線為0，因此地形相位為0。為了確定地形相位，2次掃描過程中，垂直移動傳感器的位置可以產(chǎn)生空間基線。如圖1(據(jù)文獻(xiàn)[1]修改)所示，輕微平移滑軌，使得2次觀測過程中雷達(dá)傳感器的位置發(fā)生變化(M1→M2)，將2次觀測獲得的復(fù)數(shù)影像共軛相乘，那么得到的干涉相位中就會包含觀測區(qū)域的地形相位。觀測相位與地形的關(guān)系可以表示為

圖1 GB InSAR示意圖(據(jù)文獻(xiàn)[1]修改)

(1)

根據(jù)圖1中的幾何關(guān)系，式(1)可以寫為

(2)

式中：R1和R2分別為第1次和第2次測量距離；λ為波長；b為M1和M2之間的距離(空間基線)；h為目標(biāo)點(diǎn)的高程。假定(b/R)<<1，且R1-R2<

(3)

(4)

按照基線的類型，干涉相位△φ21主要分為4部分，即

(5)

式中：φtopo為空間基線引起的地形相位；φdisp和φatm為形變和大氣影響產(chǎn)生的時間相位變化；φnoise為噪聲；n為整周模糊數(shù)。式(5)左側(cè)為觀測干涉相位，而右側(cè)含有未知參數(shù)。為了求解地形相位，式(5)可寫成

φtopo=△φ21-φdisp-φatm-φnoise+2πn。

(6)

2次掃描期間垂直移動傳感器的位置可以產(chǎn)生空間基線Bs，由于存在時間基線Bt，這樣時間基線相關(guān)分量仍是方程的一部分。采用2個具有一定距離的垂向分布的天線同時接收信號，可以大大簡化方程的計算，然后估計函數(shù)模型中的時間基線相關(guān)分量φdisp和φatm。

對于地基雷達(dá)形變監(jiān)測，假定空間基線為0，φdisp可以寫為

φdisp=△φ21-φatm-φnoise+2πn。

(7)

2 常規(guī)GB InSAR形變測量處理流程

GBInSAR形變測量數(shù)據(jù)處理與星載InSAR類似，但其處理流程相對更為復(fù)雜。GBInSAR形變測量處理主要流程如圖2所示(據(jù)文獻(xiàn)[2]修改)。

圖2 地基InSAR形變測量數(shù)據(jù)處理流程(據(jù)文獻(xiàn)[2]修改)

Fig.2 Displacement process flow of GB InSAR

1)GB InSAR影像配準(zhǔn)。影像配準(zhǔn)是GB InSAR形變測量的關(guān)鍵步驟之一，是將2景影像中代表相同地物的像元匹配到同一位置。影像配準(zhǔn)的步驟主要分為影像匹配、仿射變換和影像重采樣等3步。如果影像間的像元位置沒有發(fā)生較大變動，一般來說，配準(zhǔn)過程能夠高度自動化完成。地基雷達(dá)對同一目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行重復(fù)觀測時，由于觀測平臺的微小偏移會使地基雷達(dá)觀測軌道和觀測視角發(fā)生微小改變，造成影像在距離向和方位向發(fā)生一定的錯位和扭曲，因此，非連續(xù)模式觀測必須進(jìn)行影像配準(zhǔn)。而連續(xù)模式觀測時由于軌道固定不動，GB InSAR通常無需進(jìn)行影像配準(zhǔn)。但對于長距離觀測并且觀測時間較長的情況，由于某些影像獲取期間大氣的變化使得影像發(fā)生畸變，因此部分影像也應(yīng)進(jìn)行校正補(bǔ)償[3]。

(8)

由于連續(xù)模式觀測的空間基線為0，因此無需進(jìn)行地形相位補(bǔ)償； 非連續(xù)模式觀測的空間基線不為0，引入額外的地形相位時需要將干涉圖中的地形相位消除。

3)相位解纏。相位解纏是干涉相位主值恢復(fù)至真實相位值的過程，是GBInSAR形變測量的重要環(huán)節(jié)之一。目前的相位解纏算法通常需滿足

(9)

4)大氣相位校正。解纏相位中包括形變相位、大氣相位和噪聲。噪聲可以通過空間低通濾波削弱，大氣相位主要有3種方法予以消除： ①利用氣象觀測數(shù)據(jù)(溫度、濕度和壓力)確定大氣相位； ②通過穩(wěn)定點(diǎn)(地面控制點(diǎn))估計大氣相位； ③空間插值或濾波。

5)地理編碼。為了解譯觀測數(shù)據(jù)以及與其他觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，需要將雷達(dá)坐標(biāo)系中的結(jié)果投影到地理坐標(biāo)系下，即獲得主影像每一像元的三維位置矢量。

3 地基干涉測量雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)展和應(yīng)用

3.1 發(fā)展現(xiàn)狀

地基干涉測量雷達(dá)系統(tǒng)目前多采用Ku波段雷達(dá)波，主要包括雷達(dá)傳感器、能量供應(yīng)單元、數(shù)據(jù)采集和存儲單元以及數(shù)據(jù)處理模塊等。按照成像方式的不同可分為2大類： 真實孔徑雷達(dá)(real aperture radar，RAR)和合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar，SAR)。商用型地基干涉測量雷達(dá)系統(tǒng)主要有： IBIS系列地基雷達(dá)系統(tǒng)(IDS，意大利)[4]、GPRI便攜式雷達(dá)干涉儀(GAMMA，瑞士)[5]、FastGBSAR系統(tǒng)(MetaSensing，荷蘭)[6]、ARAMIS系統(tǒng)(ARELECS，意大利)[7]、SSR系統(tǒng)(GroundProbe，澳大利亞)[8]和S-SAR系統(tǒng)(中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院)[9]； 典型的科研型包括： LiSA[10]和MELISSA[11]系統(tǒng)(JRC，歐盟委員會)、RiskSAR系統(tǒng)[12](UPC，西班牙)、GB NW-SAR系統(tǒng)[13](IRPHE，烏克蘭)、ARCSAR系統(tǒng)[14](KNU，韓國)、ASTRO系統(tǒng)[15](中國科學(xué)院電子學(xué)研究所，中國)和超寬帶軌道SAR系統(tǒng)[16](國防科技大學(xué)，中國)。其中，GPRI便攜式雷達(dá)干涉儀和SSR地基干涉測量雷達(dá)系統(tǒng)屬于真實孔徑雷達(dá)范疇。

按照雷達(dá)的工作體制劃分主要包括： 步進(jìn)頻率連續(xù)波(stepped frequency continuous wave，SFCW)[4,9,10,12,16]、調(diào)頻連續(xù)波(frequency modulation continuous wave，F(xiàn)MCW)[5-7]、噪聲雷達(dá)[13-14]以及多入多出技術(shù)(multiple input multiple output，MIMO)[11,15]等雷達(dá)系統(tǒng)。地基干涉測量雷達(dá)系統(tǒng)研制初期，由于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(vectorial network analyzer，VNA)無需復(fù)雜的電子元器件，便可產(chǎn)生類似于SFCW的電磁波，一些地基雷達(dá)傳感器(如IBIS和LiSA)的核心通常采用VNA產(chǎn)生帶通信號、檢波和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換?；赩NA的地基雷達(dá)系統(tǒng)是以連續(xù)波的形式發(fā)射離散的頻率分量，然后在時間域內(nèi)重建電磁脈沖的波形合成一個等效脈沖，因此單景影像的采集時間較長(最短幾min)。較長的掃描時間增加了大氣擾動的可能性，同時由于掃描期間觀測目標(biāo)的不穩(wěn)定也可能會導(dǎo)致影像幅度和相位的失真[17]。近幾年來，科研人員開始利用FMCW雷達(dá)(如FastGBSAR、ARAMIS)取代VNA，F(xiàn)MCW雷達(dá)，這不但可以提高設(shè)備的可操作性，而且能夠減少數(shù)據(jù)采集時間(幾s—幾十s)，降低觀測成本。此外，研究人員還將噪聲雷達(dá)(如GB NW-SAR)和多入多出技術(shù)(如MELISSA)應(yīng)用于地基雷達(dá)系統(tǒng)以獲得更快的數(shù)據(jù)采集時間，如MELISSA系統(tǒng)最短采集時間僅為0.26 s。相對于真實孔徑雷達(dá)，合成孔徑雷達(dá)通過沿較長的軌道運(yùn)動以獲得較大的孔徑，目前除了幾種最新的系統(tǒng)采用弧形掃描(如GB NW-SAR)以及無運(yùn)動掃描(如MELISSA)外，雷達(dá)傳感器沿線性軌道滑動掃描是最常用的掃描方式。

3.2 應(yīng)用領(lǐng)域

GB InSAR技術(shù)按照數(shù)據(jù)獲取方式的不同分為連續(xù)模式(continuous ground-based interferometric synthetic aperture radar，C-GB InSAR)和非連續(xù)模式(dis-continuous ground-based interferometric synthetic aperture radar，D-GB InSAR)2類[18]。連續(xù)模式觀測通常將設(shè)備安裝在觀測現(xiàn)場，根據(jù)需要合理配置雷達(dá)參數(shù)，長時間持續(xù)采集數(shù)據(jù)(如每隔幾分鐘采集一次)，這種模式允許用戶采用“近似實時”監(jiān)測目標(biāo)區(qū)，適宜觀測快速形變現(xiàn)象(如每天幾cm)。由于設(shè)備安裝在固定觀測站，因此空間基線和地形相位皆為0。非連續(xù)模式觀測通常需在觀測區(qū)建立固定觀測站，根據(jù)形變的運(yùn)動學(xué)特征設(shè)置一定的觀測周期，定期觀測獲取數(shù)據(jù)(如以周、月或年為周期)，非連續(xù)模式一般用來觀測緩慢變形現(xiàn)象。連續(xù)模式和非連續(xù)模式2種類型的GB InSAR數(shù)據(jù)處理策略基本相同，但非連續(xù)模式往往面臨2個難點(diǎn)： 時間失相干和相位混疊現(xiàn)象，觀測點(diǎn)密度、監(jiān)測精度以及形變測量的可靠性有所降低。

目前GB InSAR已在多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如露天采礦邊坡[19]、滑坡[20]、崩塌[21]、火山[22]、單體建(構(gòu))筑物[23]、水壩/堤壩[24]、冰川[25]等地物的變形測量。其中，GB InSAR在露天采礦邊坡穩(wěn)定性、水壩/堤壩形變、單體建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)變形等領(lǐng)域的應(yīng)用最為廣泛和成熟。由于這些目標(biāo)物適宜于雷達(dá)波反射，GB InSAR獲得的相干目標(biāo)數(shù)量多，其信噪比、相干系數(shù)和相位穩(wěn)定性都較高，能夠探測到觀測目標(biāo)的局部微小變形，為工程施工提供早期預(yù)警。對于單體建(構(gòu))筑物的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測，關(guān)鍵是對每一觀測像元進(jìn)行精確的地理編碼，而地理編碼精度取決于所用的DEM質(zhì)量。因此，通常采用激光雷達(dá)獲取精確的地形數(shù)據(jù)，或者利用GB InSAR得到同一區(qū)域的DEM，但后者得到的DEM一般來說遠(yuǎn)不如激光雷達(dá)結(jié)果可靠。與露天采礦邊坡監(jiān)測相比，崩塌、山體滑坡和火山等地質(zhì)災(zāi)害涉及到邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測，多數(shù)情況下觀測區(qū)域植被較為茂密，不利于雷達(dá)回波信號的接收，這些觀測區(qū)域的相干目標(biāo)相對稀少，有的區(qū)域甚至無法獲得相干目標(biāo)，但提取的相干目標(biāo)的測量精度依然可以達(dá)到毫米―亞毫米級。GB InSAR遠(yuǎn)距離、高時空采樣能力，也為冰川運(yùn)動提供了一種新型監(jiān)測工具，利用GB InSAR觀測冰川的應(yīng)用限制主要?dú)w結(jié)于失相干問題： 一方面由于冰川存在積雪覆蓋，不利于雷達(dá)波反射，觀測期間如遇降雪也會影響觀測效果； 另一方面對于SFCW 地基雷達(dá)系統(tǒng)的單景數(shù)據(jù)采集時間較長，相對于冰川局部的移動速度，幾min采集時間內(nèi)冰川局部已發(fā)生明顯變化。因此，對于移動較快的冰川監(jiān)測適宜采用連續(xù)模式觀測。

從數(shù)據(jù)處理層面上講，大多數(shù)GB InSAR系統(tǒng)采用Ku波段雷達(dá)系統(tǒng)，這類系統(tǒng)的硬件性能易于實現(xiàn)，可以獲得高空間分辨率影像，而且Ku波段對地物的微小變化比較敏感。但溫度、濕度等外界觀測條件的變化都可能會引起觀測目標(biāo)的微小形變，Ku波段的這種高形變敏感度也會帶來數(shù)據(jù)處理上的額外負(fù)擔(dān)，在數(shù)據(jù)處理過程中，如何消除環(huán)境變化引起的目標(biāo)微小形變的影響至關(guān)重要[16]。GB InSAR在2次數(shù)據(jù)采集間隔大氣條件的差異會產(chǎn)生額外的相位貢獻(xiàn)也不容忽視，研究人員已提出多種大氣模型改進(jìn)數(shù)據(jù)處理流程[12,16-17]，然而這些大氣校正模型均是基于均一大氣介質(zhì)模型的假設(shè)，對于非均一大氣的影響，目前還沒有一種可靠的方案消除大氣相位影響。另外，波長越短失相干越嚴(yán)重，影像失相干可能會使相位產(chǎn)生混疊現(xiàn)象，增加了相位解纏的難度。在觀測區(qū)域的某些部位，采用連續(xù)觀測模式觀測失相干現(xiàn)象相對容易控制，如果采用非連續(xù)觀測模式，這種失相干現(xiàn)象更為明顯。為了提高相干性，一種較為有效的方法就是采用較短的滑軌，但這種做法勢必會降低觀測精度和空間分辨率。

3.3 地基與星載 InSAR形變測量比較

1)零空間基線。地基雷達(dá)系統(tǒng)可以完全控制空間基線。對于連續(xù)觀測模式形變監(jiān)測來說，空間基線為0，零空間基線干涉測量無需DEM參與，因此它是最理想的干涉測量形變獲取方式。

2)軌道控制。由于觀測設(shè)備位置固定，因此干涉測量處理沒有軌道誤差。

3)時間采樣率。地基雷達(dá)系統(tǒng)的最短數(shù)據(jù)采集間隔在亞s到幾min之間，而星載雷達(dá)的重訪周期通常為幾d—幾十d。高時間采樣率在很大程度上簡化了相位解纏，甚至無需進(jìn)行相位解纏。

4)入射角。根據(jù)監(jiān)測目標(biāo)的形變特征差異，星載雷達(dá)和地基雷達(dá)各有自己的優(yōu)勢： 對于地面沉降觀測，星載雷達(dá)具有最佳視角； 而地基雷達(dá)更適合陡坡形變觀測。

5)觀測范圍。星載雷達(dá)可以監(jiān)測大范圍區(qū)域，而地基雷達(dá)只能監(jiān)測幾km2的區(qū)域。

6)測量精度。地基和星載InSAR的觀測精度都取決于目標(biāo)的散射特征以及與參考點(diǎn)的距離。GB InSAR的觀測精度往往與設(shè)備和目標(biāo)間的距離有關(guān)，由于波長更短(如Ku波段)，監(jiān)測精度一般在亞mm到幾個mm之間。

4 結(jié)論

本文簡要討論了地基合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)原理，歸納了常規(guī)地基 InSAR形變測量的主要處理流程； 系統(tǒng)總結(jié)了地基干涉測量雷達(dá)系統(tǒng)的主要類型、發(fā)展趨勢及地基合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域，比較了地基和星載InSAR在形變測量上的優(yōu)勢和不足。

1)地基干涉測量雷達(dá)系統(tǒng)經(jīng)過十幾a的研發(fā)，核心傳感器從原來的SFCW雷達(dá)發(fā)展到目前的FMCW雷達(dá)、噪聲雷達(dá)、MIMO技術(shù)與FMCW雷達(dá)耦合技術(shù)，數(shù)據(jù)采集頻率由原來的幾分鐘縮短為幾秒鐘，甚至亞秒級，二維成像觀測由“近似動態(tài)”發(fā)展到了動態(tài)觀測目標(biāo)區(qū)的變形過程。設(shè)備可操作性和穩(wěn)定性越來越高，能在惡劣工作情況下持續(xù)觀測； 觀測方式更加靈活，可根據(jù)研究區(qū)形變特征自由設(shè)計最佳觀測方案，能從多個角度觀測和分析目標(biāo)區(qū)的運(yùn)動特征； 數(shù)據(jù)處理簡單快速，能在十幾分鐘內(nèi)處理完幾天的觀測數(shù)據(jù)； 監(jiān)測精度更高，觀測目標(biāo)的微小變化在地基雷達(dá)測量結(jié)果中均有所反映。

2)地基合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)應(yīng)用涵蓋了露天采礦邊坡、崩塌、山體滑坡、火山、橋梁等結(jié)構(gòu)變形、壩體變形、冰川運(yùn)動、區(qū)域數(shù)字高程模型(DEM)等十幾個領(lǐng)域，尤其是在露天邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測領(lǐng)域技術(shù)成熟，能探測到邊坡的局部極其微小的變形，為工程施工提供早期預(yù)警。

3)相位解纏仍然是制約地基合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)的主要因素。由于采用短波長雷達(dá)波，增加了相位解纏的難度。新型雷達(dá)傳感器的應(yīng)用能夠有效提高數(shù)據(jù)采樣率，通過縮短數(shù)據(jù)采集時間間隔以降低形變梯度，從而可以提高相位解纏的準(zhǔn)確度。另外，大氣相位校正也是數(shù)據(jù)處理的一個難點(diǎn)，目前尚無可靠的大氣校正模型消除大氣相位影響。

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(責(zé)任編輯： 李瑜)

Ground-based interferometric synthetic aperture radar and its applications

LIU Bin1, GE Daqing1, LI Man1, ZHANG Ling1, WANG Yan1, GUO Xiaofang1, ZHANG Xiaobo2

(1.ChinaAeroGeophysicalSurveyandRemoteSensingCenterforLandandResources,Beijing100083,China;2.CollegeofGeoscienceandSurveyingEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing100083,China)

On the basis of a detailed discussion on the principle of GB InSAR, the main data processing and analysis stages for estimating deformations starting with the GB InSAR observations are described. This paper gives a review of the main types and development trend of ground-based radar system, the main application domain and some existent problems of GB InSAR, and then summarizes the pros and cons of ground-based and space-borne InSAR for deformation monitoring.

ground-based interferometric synthetic aperture radar; stepped frequency continuous wave(SFCW); frequency modulation continuous wave(FMCW); noise radar; multiple input multiple output(MIMO) technology

10.6046/gtzyyg.2017.01.01

劉斌，葛大慶，李曼,等.地基合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)及其應(yīng)用[J].國土資源遙感,2017,29(1):1-6.(Liu B,Ge D Q,Li M,et al.Ground-based interferometric synthetic aperture radar and its applications[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(1):1-6.)

2015-07-22；

2015-10-28

國家自然科學(xué)基金項目“基于改進(jìn)的高分辨率時序InSAR技術(shù)研究Khash Mw7.7地震震后形變機(jī)制”(編號： 41504048)和中國地質(zhì)調(diào)查局計劃項目“地基雷達(dá)干涉測量系統(tǒng)與邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測示范”(編號： 12120114036401)共同資助。

劉斌(1982-)，男，博士，主要從事星載和地基InSAR技術(shù)理論與應(yīng)用研究。Email： lbin0226@163.com。

TP 79

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1001-070X(2017)01-0001-06