FastGBSAR系統(tǒng)及其形變監(jiān)測(cè)研究

(湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院 湖南 湘潭 411100)

一、引言

地基合成孔徑雷達(dá)(Ground-Based Synthetic Aperture Radar,GBSAR)差分干涉測(cè)量技術(shù)是近20年新發(fā)展起來的極具發(fā)展?jié)摿Φ木植繀^(qū)域地表形變監(jiān)測(cè)技術(shù)，其所使用的測(cè)量原理與星載SAR相似[1]。自1999年來，國(guó)外多家研究機(jī)構(gòu)開展了有關(guān)地基SAR系統(tǒng)的研究，包括歐盟綜合研究中心[2]、意大利的佛羅倫薩大學(xué)[3]、西班牙的UPC[4]、英國(guó)的Sheffield大學(xué)[5]等。其研究成果在實(shí)際變形監(jiān)測(cè)中得到了成功應(yīng)用。

與傳統(tǒng)形變測(cè)量技術(shù)相比，如水準(zhǔn)儀、GPS測(cè)量等，地基SAR系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)對(duì)遠(yuǎn)距離、大范圍、連續(xù)空間覆蓋實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且重復(fù)觀測(cè)周期短，空間分辨率高，測(cè)量精度可達(dá)毫米級(jí)；與星載SAR技術(shù)相比，安裝靈活，具有獲取數(shù)據(jù)的主動(dòng)性，數(shù)據(jù)量充足。

本文主要通過分析地基SAR系統(tǒng)、雷達(dá)圖像以及地形數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系，獲取目標(biāo)區(qū)的三維坐標(biāo)，將沿雷達(dá)視線方向的形變信息進(jìn)行三維可視化。

二、合成孔徑雷達(dá)技術(shù)

只利用單一的距離測(cè)量不可能區(qū)分兩個(gè)位于同一距離處的不同目標(biāo)。但是如果聯(lián)合所有在些許偏差位置獲取的同一場(chǎng)景的具有相干性的距離測(cè)量結(jié)果，組成一個(gè)合成的長(zhǎng)天線就有可能利用合成孔徑雷達(dá)技術(shù)將獲取的數(shù)據(jù)綜合成二維圖像。FastGBSAR系統(tǒng)利用雷達(dá)在平直軌道上滑行并發(fā)射和接收電磁波信號(hào)來合成孔徑，提高了方位向分辨率δa。

(1)

其中，λc為雷達(dá)波長(zhǎng)，L表示滑軌的長(zhǎng)度。根據(jù)方位向分辨率，雷達(dá)影像的交叉距離向分辨率δcr被定義為：

δcr=δαr

(2)

三、形變?nèi)S可視化實(shí)現(xiàn)方法

FastGBSAR系統(tǒng)所觀測(cè)的局部區(qū)域有自己獨(dú)立的二維坐標(biāo)系，數(shù)據(jù)影像中每一個(gè)像素可以由極坐標(biāo)系中的極坐標(biāo)(r,α)定位，坐標(biāo)系的原點(diǎn)是雷達(dá)裝置往返運(yùn)動(dòng)所在軌道的中心，極軸r是目標(biāo)與原點(diǎn)之間的斜距，極角α是雷達(dá)裝置與目標(biāo)之間視線方向上的角度距離，向右為正。如圖1所示：

圖1 圖像坐標(biāo)系

圖2 地基SAR觀測(cè)幾何模型

在不考慮參考趨勢(shì)面及地面起伏影響的基礎(chǔ)上，經(jīng)投影變換將極坐標(biāo)系中的斜距r轉(zhuǎn)化為地距l(xiāng)，使二維斜距平面圖像轉(zhuǎn)換為二維地距平面圖像，由于投影變換不改變角度大小，故二維地距平面圖像的方位角α不變。如圖4所示，O表示地基SAR系統(tǒng)所在位置，P表示目標(biāo)點(diǎn)，OP為斜距，OP’為地距，OF為斜距OP同一方位角方向最短距離，∠POF是地基SAR與P點(diǎn)之間的方位角α，由投影原理可知地距平面圖像的方位角∠P’OF’大小為α，θ為入射角。根據(jù)極坐標(biāo)系與笛卡爾坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系式，將二維地距平面圖像中所有像素的極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為笛卡爾坐標(biāo)，其中坐標(biāo)原點(diǎn)不變。

(3)

在研究區(qū)選擇多個(gè)已知地方坐標(biāo)的控制點(diǎn)，并在二維斜距平面圖像中找到這些控制點(diǎn)相對(duì)應(yīng)像素的極坐標(biāo)，經(jīng)簡(jiǎn)單幾何變換得到在二維地距平面圖像中相應(yīng)的坐標(biāo)值。利用控制點(diǎn)在已知地方坐標(biāo)系XOY平面的坐標(biāo)值和二維地距平面圖像xoy平面的坐標(biāo)值，選擇四參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法，建立坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型，將二維地距平面圖像xoy平面轉(zhuǎn)換到地方坐標(biāo)系的XOY平面。選擇兩個(gè)或多個(gè)已知控制點(diǎn)，驗(yàn)證坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度，從而改進(jìn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型。可以采用投影的方法，即地基SAR高程z坐標(biāo)等于其像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)DEM中的高程值，即可把此高程值作為地方坐標(biāo)系的Z坐標(biāo)，這樣便可得到沿雷達(dá)視線方向形變點(diǎn)的三維地方坐標(biāo)，初步實(shí)現(xiàn)形變信息三維可視化。

四、結(jié)束語(yǔ)

地基合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量技術(shù)是一種新型的對(duì)地微變形監(jiān)測(cè)技術(shù)。與其他地基合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)相比，F(xiàn)astGBSAR系統(tǒng)采樣間隔時(shí)間更短，采樣頻率更高，能夠監(jiān)測(cè)地表更快速的位移形變以及更高頻率振動(dòng)的物體，是極具發(fā)展?jié)摿Φ牡乇硇巫儽O(jiān)測(cè)系統(tǒng)。目前，利用地基合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)獲取的是目標(biāo)沿雷達(dá)視線方向的形變信息，對(duì)于如何獲取地表三維形變信息，實(shí)現(xiàn)形變?nèi)S可視化以及利用該技術(shù)獲取目標(biāo)區(qū)的地形信息等問題還需要進(jìn)一步深入研究。