地基合成孔徑雷達干涉測量技術及其應用

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.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083)

地基合成孔徑雷達干涉測量技術及其應用

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.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083)

在簡要討論地基合成孔徑雷達干涉測量(ground-based interferometric synthetic aperture radar，GB InSAR)技術原理的基礎上，歸納了常規地基InSAR形變測量的主要處理流程。全面總結了地基干涉測量雷達系統的主要類型及其發展趨勢，地基InSAR技術的主要應用領域以及目前存在的問題，對比分析了地基和星載InSAR在形變測量上的優勢和不足。

地基合成孔徑雷達干涉測量； 步進頻率連續波； 調頻連續波； 噪聲雷達； 多入多出技術

0 引言

星載干涉測量雷達系統的優勢為覆蓋范圍廣、監測精度可靠，能以較高頻率和密度獲取觀測區的變形狀況，適用于具有一定空間尺度的形變場連續監測。針對地面多類型、多尺度形變測量的監測技術需求，星載雷達系統仍然存在如下缺點： ①觀測實時性受制于衛星重訪周期，難以滿足動態和應急監測需要； ②雷達入射角由于衛星飛行方向固定(升軌或降軌)，且單一，邊坡觀測存在疊掩、陰影和頂底倒置等現象，難以滿足邊坡監測等觀測需要； ③進行山體滑坡、礦山邊坡失穩、冰川運動等局部變形監測時，星載干涉測量雷達系統的空間分辨率、覆蓋范圍往往難以達到最佳匹配。

地基干涉測量雷達系統是利用布設在監測對象附近的地面雷達測量系統，實現對被觀測對象的近實時動態連續監測。由于采用的雷達波長更短，因此測量精度能達到毫米―亞毫米級，能夠根據觀測目標形變場的演化特征靈活安置，彌補星載雷達重訪周期固定、入射角度單一等不足。

本文在詳細討論地基合成孔徑雷達干涉測量(ground-based interferometric synthetic aperture radar，GB InSAR)技術原理的基礎上，歸納常規GB InSAR形變測量的主要處理流程，并通過總結地基干涉測量雷達系統的發展現狀，以及GB InSAR技術的應用領域，對比分析地基和星載InSAR在形變測量上的優勢和不足，全面掌握地基干涉測量雷達系統的實用能力。

1 GB InSAR技術原理

一般來說，地基雷達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生空間基線。如圖1(據文獻[1]修改)所示，輕微平移滑軌，使得2次觀測過程中雷達傳感器的位置發生變化(M1→M2)，將2次觀測獲得的復數影像共軛相乘，那么得到的干涉相位中就會包含觀測區域的地形相位。觀測相位與地形的關系可以表示為

圖1 GB InSAR示意圖(據文獻[1]修改)

(1)

根據圖1中的幾何關系，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為目標點的高程。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生的時間相位變化；φnoise為噪聲；n為整周模糊數。式(5)左側為觀測干涉相位，而右側含有未知參數。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生空間基線Bs，由于存在時間基線Bt，這樣時間基線相關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，然后估計函數模型中的時間基線相關分量φdisp和φatm。

對于地基雷達形變監測，假定空間基線為0，φdisp可以寫為

φdisp=△φ21-φatm-φnoise+2πn。

(7)

2 常規GB InSAR形變測量處理流程

GBInSAR形變測量數據處理與星載InSAR類似，但其處理流程相對更為復雜。GBInSAR形變測量處理主要流程如圖2所示(據文獻[2]修改)。

圖2 地基InSAR形變測量數據處理流程(據文獻[2]修改)

Fig.2 Displacement process flow of GB InSAR

1)GB InSAR影像配準。影像配準是GB InSAR形變測量的關鍵步驟之一，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生較大變動，一般來說，配準過程能夠高度自動化完成。地基雷達對同一目標區域進行重復觀測時，由于觀測平臺的微小偏移會使地基雷達觀測軌道和觀測視角發生微小改變，造成影像在距離向和方位向發生一定的錯位和扭曲，因此，非連續模式觀測必須進行影像配準。而連續模式觀測時由于軌道固定不動，GB InSAR通常無需進行影像配準。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生畸變，因此部分影像也應進行校正補償[3]。

(8)

由于連續模式觀測的空間基線為0，因此無需進行地形相位補償； 非連續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至真實相位值的過程，是GBInSAR形變測量的重要環節之一。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利用氣象觀測數據(溫度、濕度和壓力)確定大氣相位； ②通過穩定點(地面控制點)估計大氣相位； ③空間插值或濾波。

5)地理編碼。為了解譯觀測數據以及與其他觀測數據進行對比分析，需要將雷達坐標系中的結果投影到地理坐標系下，即獲得主影像每一像元的三維位置矢量。

3 地基干涉測量雷達系統發展和應用

3.1 發展現狀

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

按照雷達的工作體制劃分主要包括： 步進頻率連續波(stepped frequency continuous wave，SFCW)[4,9,10,12,16]、調頻連續波(frequency modulation continuous wave，FMCW)[5-7]、噪聲雷達[13-14]以及多入多出技術(multiple input multiple output，MIMO)[11,15]等雷達系統。地基干涉測量雷達系統研制初期，由于矢量網絡分析儀(vectorial network analyzer，VNA)無需復雜的電子元器件，便可產生類似于SFCW的電磁波，一些地基雷達傳感器(如IBIS和LiSA)的核心通常采用VNA產生帶通信號、檢波和模擬數字轉換。基于VNA的地基雷達系統是以連續波的形式發射離散的頻率分量，然后在時間域內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的不穩定也可能會導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(如FastGBSAR、ARAMIS)取代VNA，FMCW雷達，這不但可以提高設備的可操作性，而且能夠減少數據采集時間(幾s—幾十s)，降低觀測成本。此外，研究人員還將噪聲雷達(如GB NW-SAR)和多入多出技術(如MELISSA)應用于地基雷達系統以獲得更快的數據采集時間，如MELISSA系統最短采集時間僅為0.26 s。相對于真實孔徑雷達，合成孔徑雷達通過沿較長的軌道運動以獲得較大的孔徑，目前除了幾種最新的系統采用弧形掃描(如GB NW-SAR)以及無運動掃描(如MELISSA)外，雷達傳感器沿線性軌道滑動掃描是最常用的掃描方式。

3.2 應用領域

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

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

從數據處理層面上講，大多數GB InSAR系統采用Ku波段雷達系統，這類系統的硬件性能易于實現，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的微小形變，Ku波段的這種高形變敏感度也會帶來數據處理上的額外負擔，在數據處理過程中，如何消除環境變化引起的目標微小形變的影響至關重要[16]。GB InSAR在2次數據采集間隔大氣條件的差異會產生額外的相位貢獻也不容忽視，研究人員已提出多種大氣模型改進數據處理流程[12,16-17]，然而這些大氣校正模型均是基于均一大氣介質模型的假設，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重，影像失相干可能會使相位產生混疊現象，增加了相位解纏的難度。在觀測區域的某些部位，采用連續觀測模式觀測失相干現象相對容易控制，如果采用非連續觀測模式，這種失相干現象更為明顯。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。地基雷達系統可以完全控制空間基線。對于連續觀測模式形變監測來說，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。地基雷達系統的最短數據采集間隔在亞s到幾min之間，而星載雷達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，甚至無需進行相位解纏。

4)入射角。根據監測目標的形變特征差異，星載雷達和地基雷達各有自己的優勢： 對于地面沉降觀測，星載雷達具有最佳視角； 而地基雷達更適合陡坡形變觀測。

5)觀測范圍。星載雷達可以監測大范圍區域，而地基雷達只能監測幾km2的區域。

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

4 結論

本文簡要討論了地基合成孔徑雷達干涉測量技術原理，歸納了常規地基 InSAR形變測量的主要處理流程； 系統總結了地基干涉測量雷達系統的主要類型、發展趨勢及地基合成孔徑雷達干涉測量技術的主要應用領域，比較了地基和星載InSAR在形變測量上的優勢和不足。

1)地基干涉測量雷達系統經過十幾a的研發，核心傳感器從原來的SFCW雷達發展到目前的FMCW雷達、噪聲雷達、MIMO技術與FMCW雷達耦合技術，數據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”發展到了動態觀測目標區的變形過程。設備可操作性和穩定性越來越高，能在惡劣工作情況下持續觀測； 觀測方式更加靈活，可根據研究區形變特征自由設計最佳觀測方案，能從多個角度觀測和分析目標區的運動特征； 數據處理簡單快速，能在十幾分鐘內處理完幾天的觀測數據； 監測精度更高，觀測目標的微小變化在地基雷達測量結果中均有所反映。

2)地基合成孔徑雷達干涉測量技術應用涵蓋了露天采礦邊坡、崩塌、山體滑坡、火山、橋梁等結構變形、壩體變形、冰川運動、區域數字高程模型(DEM)等十幾個領域，尤其是在露天邊坡穩定性監測領域技術成熟，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警。

3)相位解纏仍然是制約地基合成孔徑雷達干涉測量技術的主要因素。由于采用短波長雷達波，增加了相位解纏的難度。新型雷達傳感器的應用能夠有效提高數據采樣率，通過縮短數據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確度。另外，大氣相位校正也是數據處理的一個難點，目前尚無可靠的大氣校正模型消除大氣相位影響。

[1] Monserrat Hernández O.Deformation Measurement and Monitoring with Ground-based SAR[D].Barcelona:Universitat Politècnica de Catalunya,2012.

[2] R?delsperger S.Real-time Processing of Ground Based Synthetic Aperture Radar(GB-SAR) Measurements[D].Hessen:Technische Universit?t Darmstadt,2011.

[3] Martínez-Vazquez A,Fortuny-Guasch J.A GB-SAR processor for snow avalanche identification[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2008,46(11):3948-3956.

[4] IDS Corporation.Interferometric radar(IBIS) technical papers[EB/OL].https://www.idscorporation.com/georadar/more-information/technical-papers.

[5] GAMMA Corporation.GAMMA Portable Radar Interferometer[EB/OL].http://www.gamma-rs.ch/rud/microwave-hardware/gpri.html.

[6] R?delsperger S,Coccia A,Vicente D,et al.Introduction to the new metasensing ground-based SAR:Technical description and data analysis[C]//Proceedings of 2012 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium(IGARSS).Munich,Germany:IEEE,2012:4790-4792.

[7] ARELECS Corporation.ARAMIS applications[EB/OL].http://www.arelecs.com/wordpress/?page_id=166.

[8] Groundprobe Corporation.Products and services[EB/OL].http://www.groundprobe.com/products-and-services.

[9] 趙東寅,申其鴻,馬海濤,等.國產地基合成孔徑雷達監測預警系統在紫金山金銅礦露天采場邊坡位移監測的應用[J].中國安全生產科學技術,2015,11(4):54-58. Zhao D Y,Shen Q H,Ma H T,et al.Application of domestic ground based synthetic aperture radar monitoring and warning system in slope displacement monitoring on open pit of Zijinshan gold/copper mine[J].Journal of Safety Science and Technology,2015,11(4):54-58.

[10]Martínez-Vázquez A.Snow Cover Monitoring Techniques with GB-SAR[D].Barcelona:Universitat Politècnica de Catalunya,2008.

[11]Broussolle J,Kyovtorov V,Basso M,et al.MELISSA,a new class of ground based InSAR system.An example of application in support to the Costa Concordia emergency[J].ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing,2014,91:50-58.

[12]Iglesias González R.Orbital and Ground-based Differential SAR Interferometry for the Monitoring of Slow-Moving Landslides[D].Barcelona:Universitat Politècnica de Catalunya,2013.

[13]Lukin K,Mogyla A,Palamarchuk V,et al.Monitoring of St. Sophia Cathedral interior using Ka-band ground based noise waveform SAR[C]//Proceedings of the European 6th Radar Conference.Rome,Italy:IEEE,2009:215-217.

[14]Lee H,Lee J H,Kim K E,et al.Development of a truck-mounted arc-scanning synthetic aperture radar[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2014,52(5):2773-2779.

[15]曲世勃,王彥平,譚維賢,等.地基SAR形變監測誤差分析與實驗[J].電子與信息學報,2011,33(1):1-7. Qu S B,Wang Y P,Tan W X,et al.Deformation detection error analysis and experiment using ground based SAR[J].Journal of Electronics & Information Technology,2011,33(1):1-7.

[16]張祥,陸必應,宋千.地基SAR差分干涉測量大氣擾動誤差校正[J].雷達科學與技術,2011,9(6):502-506,512. Zhang X,Lu B Y,Song Q.Atmospheric disturbance correction in ground-based SAR differential interferometry[J].Radar Science and Technology,2011,9(6):502-506,512.

[17]Lglesias R,Fabregas X,Aguasca A,et al.Atmospheric phase screen compensation in ground-based sar with a multiple-regression model over mountainous regions[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2014,52(5):2436-2449.

[18]Monserrat O,Crosetto M,Luzi G.A review of ground-based SAR interferometry for deformation measurement[J].ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing,2014,93:40-48.

[19]楊紅磊,彭軍還,崔洪曜.GB-InSAR監測大型露天礦邊坡形變[J].地球物理學進展,2012,27(4):1804-1811. Yang H L,Peng J H,Cui H Y.Slope of large-scale open-pit mine monitoring deformations by using ground-based interferometry[J].Progress in Geophysics,2012,27(4):1804-1811.

[20]Del Ventisette C,Casagli N,Fortuny-Guasch J,et al.Ruinon landslide(Valfurva,Italy) activity in relation to rainfall by means of GB InSAR monitoring[J].Landslides,2012,9(4):497-509.

[21]Gischig V,Loew S,Kos A,et al.Identification of active release planes using ground-based differential InSAR at the Randa rock slope instability,Switzerland[J].Natural Hazards and Earth System Sciences,2009,9(6):2027-2038.

[22]Nolesini T,Di Traglia F,Del Ventisette C,et al.Deformations and slope instability on Stromboli volcano:Integration of GBInSAR data and analog modeling[J].Geomorphology,2013,180-181:242-254.

[23]Pieraccini M.Monitoring of civil infrastructures by interferometric radar:A review[J].The Scientific World Journal,2013,2013:786961.

[24]Mao W J,Chang W L.Deformation monitoring by ground-based SAR interferometry(GB-InSAR):A field test in dam[J].Advances in Information Sciences and Service Sciences,2015,7(2):133-140.

[25]Strozzi T,Werner C,Wiesmann A,et al.Topography mapping with a portable real-aperture radar interferometer[J].IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,2012,9(2):277-281.

(責任編輯： 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.地基合成孔徑雷達干涉測量技術及其應用[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

國家自然科學基金項目“基于改進的高分辨率時序InSAR技術研究Khash Mw7.7地震震后形變機制”(編號： 41504048)和中國地質調查局計劃項目“地基雷達干涉測量系統與邊坡穩定性監測示范”(編號： 12120114036401)共同資助。

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

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A

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