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    合成孔徑雷達干涉——地形及形變的太空量尺
    發布時間:2022-05-05     來源:國土衛星遙感應用中心     瀏覽:6954

    1. 合成孔徑雷達

    合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一種能夠產生高分辨率圖像的雷達系統。SAR來源于雷達,但與雷達又有所區別。大家熟知的雷達一般指地面雷達,它起源于一戰時期,可以利用天線對目標發射和接收脈沖,從而根據脈沖時間間隔測算目標距離。這種雷達可以精確測距,但是無法精細成像。

    為了完成對地觀測使命,雷達逐漸發展出了成像能力。初期的成像設備使用的是真實孔徑雷達,與合成孔徑雷達不同的是,其孔徑大小即等同于天線長度。而孔徑大小決定了可以收集的能量大小,孔徑越小,能量越小,分辨率就越差。這也決定了真實孔徑雷達的分辨率不會太高,例如陸地探測一號衛星,如果達到3m分辨率,就需要使用數十公里長的天線,這顯然不現實。而9m的天線長度,僅能達到數十公里的分辨率,這種分辨率顯然也無法滿足對地觀測需求。

    合成孔徑雷達使用了“虛擬”的天線長度。在衛星飛行過程中,從很遠處就能探測到目標,而飛行一段時間后,目標才會從觀測區域中徹底離開。在這段觀測時間內,衛星從不同位置發射一系列脈沖信號,將這一系列脈沖信號組合起來,就相當于這些信號是從一個很長的孔徑發射出來。這種通過小天線合成一個等效“大天線”的過程就是“合成孔徑”,而合成孔徑雷達就是把小天線從不同位置接收的回波信號經過組合處理,將數米的真實天線長,合成為數公里的虛擬天線長,從而獲得較高分辨率成像雷達(圖1)。

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    圖1  合成孔徑雷達示意圖


    2. 合成孔徑雷達干涉測量

    合成孔徑雷達干涉測量(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)是最具潛力的空間對地觀測技術之一,是對SAR技術的一種擴展,其工作原理是利用SAR對相同地區拍攝兩幅影像(圖2),經過干涉獲得該區域的干涉條紋圖,干涉條紋圖中則包含該區域的地形信息。

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    圖2  InSAR示意圖

    干涉的概念來自于雙縫干涉實驗。圖3中木板兩條細縫的間隔如同圖2中兩顆衛星的距離,利用同一個光源照向木板的兩條細縫,能夠發現光穿過木板的兩條細縫之后會在光屏上生成許多條紋,并且這些條紋是明暗交替的,我們將這種現象稱為干涉現象。因此,兩顆衛星對同一目標區域的拍攝也會產生干涉現象。

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    圖3  雙縫干涉實驗

    對比雙縫干涉實驗可以發現,InSAR與雙縫干涉存在極大的相似之處。圖3中的兩條干涉縫等同于兩顆SAR衛星,承影面即為衛星將要拍攝影像的目標區域,兩顆衛星分別對同一目標區域發射具有周期性且頻率相同的電磁波,經過干涉處理,就會得到包含目標區域地形信息的干涉條紋圖(如圖4)。通常,原始干涉條紋中的平地效應會掩蓋地形信息,去除干涉條紋圖中的平地效應便可獲得僅包含地形信息的干涉條紋圖(圖5)。干涉條紋中包含了地形信息,此處一個條紋變化包含了接近50m左右的高程變化。


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    圖6  條紋圖對應的真實光學影像

    3. 合成孔徑雷達差分干涉測量

    合成孔徑雷達差分干涉測量(Differential InSAR,DInSAR)技術是InSAR技術的延伸,它通過2景SAR影像聯合外部地形數據來獲取地表的微小形變。差分干涉圖是由兩景不同時間獲取的SAR影像組成,假如在這段時間內地表發生了形變,如圖7,差分干涉圖中將會記錄相關的信息。DInSAR技術對形變極為敏感,對于陸地探測一號衛星來說,一個條紋變化接近12cm左右的形變變化?梢娡瑸闂l紋,InSAR測地形的條紋,與DInSAR測形變的條紋,對地表信息的刻畫程度有著數量級的差異。

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    圖7  差分干涉形變測量示意圖

    DInSAR技術能夠反映地表形變的空間分布特征。發生地震時,地震同震形變就會在差分結果中表現出來(圖8),礦區開采過程中也會帶來地表形變(圖9),同樣的,滑坡、泥石流、火山噴發等地表形變信息均會在DInSAR結果中有明顯表現。DInSAR的這種能力,使得它在大范圍形變監測以及形變信息普查中具有極大優勢,可以為地質災害早期監測、防災減災、地震監測等提供可靠的技術支撐。

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    圖8  門源地震形變圖(李振洪等,2022)

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    圖9  大同市云岡區礦區形變圖

    4. 合成孔徑雷達時序差分干涉測量

    DInSAR處理過程中會受到各種誤差的影響,因此雖然可以進行形變普查,但由于形變精度有限,無法細致描繪形變在時間序列上的變化情況,因而在形變的監測預警中存在一定不足之處。為了克服這種缺陷,研究人員提出了時間序列上的多影像建模分析技術,也有人稱之為合成孔徑雷達時序差分干涉測量,或簡稱時序雷達干涉(Multi-Temporal InSAR, MTInSAR)技術。這種技術使用極為穩定的永久散射體(Persistent Scatterer, PS)點進行形變信息提。▓D10),能夠提高形變反演精度。PSInSAR是一種典型的時序InSAR技術,其基本原理如圖11所示,是對一系列不同時期、覆蓋同一區域的SAR圖像進行DInSAR處理,隨后利用各種信號處理和差分測量技巧,最終提取到所需的地表形變信息的技術。

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    圖10  PS點示意圖

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    圖11  時序InSAR技術示意圖

    PSInSAR技術使用多景影像進行時間序列建模分析,具有監測精度高、抗相位誤差干擾、能夠揭示監測目標時序形變規律等特點,目前已經廣泛應用于城市地面沉降以及建筑、橋梁、公路、鐵路、地鐵、工廠、機場等基礎設施的形變監測(圖12)。

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    圖12  PS-InSAR應用范圍舉例





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