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地基差分干涉微形變監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

蔡永俊1，2，張祥坤1，姜景山1，朱杰1，2

1.中國(guó)科學(xué)院微波遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，北京100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100190

摘要： 摘利用Agilent矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)測(cè)量S參數(shù)的端口與X波段天線相連，并置于滑軌上合成方位向孔徑，構(gòu)成基于低成本實(shí)驗(yàn)室通用設(shè)備的地基合成孔徑雷達(dá)（Ground Based Synthetic Aperture Radar，GBSAR）系統(tǒng)，且具備和實(shí)際雷達(dá)系統(tǒng)同樣有效的二維成像功能。利用該系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行干涉成像，然后得出兩幅圖像的相位差，結(jié)合相位與形變量之間的幾何模型，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)的形變監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)證明，該地基差分干涉微形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于毫米級(jí)的微形變具有顯著的分辨能力。

關(guān)鍵詞： 差分干涉微形變合成孔徑雷達(dá)

中圖分類號(hào)： TP227
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.09.022

中文引用格式： 蔡永俊，張祥坤，姜景山，等. 地基差分干涉微形變監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(9)：82-84，91.
英文引用格式： Cai Yongjun，Zhang Xiangkun，Jiang Jingshan，et al. Micro-deformation detection experiment system by ground based differential interferometry[J].Application of Electronic Technique，2015，41(9)：82-84，91.

Micro-deformation detection experiment system by ground based differential interferometry

Cai Yongjun1，2，Zhang Xiangkun1，Jiang Jingshan1，Zhu Jie1，2

1.Key Laboratory of Microwave Remote Sensing，Chinese Academy of Sciences， Center for Space Science and Applied Research，Beijing 100190，China； 2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

Abstract： In this paper, the vector network analyzer and X-band antenna are combined to be put on a track to synthesize aperture of azimuth direction, which builds a low-cost laboratorial ground based synthetic aperture radar system which also has the capacity of 2D imaging. Based on this system, the experiment of interference imaging of ground targets is conducted, and then the phase difference of two images is extracted, lastly, the deformation or displacement of targets can be computed based on the geometric modeling between phase difference and deformation quantity. Through the practical experiment, the ground based differential interferometry micro-deformation detection experiment system is demonstrated to be valid to measure millimeter-scale deformation.

Key words : differential interferometry；micro-deformation；synthetic aperture radar

0 引言
   地表、建筑物、橋梁等目標(biāo)的形變是由自然或人為引起的一種變形現(xiàn)象，當(dāng)其形變到達(dá)一定程度，會(huì)引起諸如地面沉降、建筑物坍塌等嚴(yán)重后果。常見(jiàn)的形變監(jiān)測(cè)手段按其工作原理和特點(diǎn)可以分為兩類：第一類是測(cè)量單點(diǎn)的形變，通過(guò)單點(diǎn)的測(cè)量估算整個(gè)目標(biāo)區(qū)域的形變信息。常見(jiàn)的有水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、GPS測(cè)量?jī)x等，這類技術(shù)也是目前應(yīng)用最為廣泛的監(jiān)測(cè)手段。第二類是直接進(jìn)行平面測(cè)量，這種方法不僅能獲取高精度的目標(biāo)區(qū)域形變量，還可以得到形變趨勢(shì)等信息。這種監(jiān)測(cè)技術(shù)以SAR差分干涉測(cè)量為代表[1]。其相對(duì)于傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法，具有監(jiān)測(cè)范圍更廣、不受大氣條件的影響、采樣率高且監(jiān)測(cè)過(guò)程完全自動(dòng)化等優(yōu)勢(shì)，成為監(jiān)測(cè)冰川、滑坡、大壩等復(fù)雜區(qū)域的重要支撐手段。
   SAR差分干涉測(cè)量按平臺(tái)分為星載、機(jī)載和地基（Ground Based）三種，其中GBSAR與前兩者相比，具有以下優(yōu)勢(shì)：(1)提供了一種靈活、可操作性更好的方式來(lái)對(duì)大區(qū)域進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)[2]；(2)GBSAR差分干涉測(cè)量的精度可以達(dá)到毫米級(jí)甚至亞毫米級(jí)，具體取決于回波信號(hào)的強(qiáng)度以及目標(biāo)距離的遠(yuǎn)近[4]；(3)重復(fù)觀測(cè)周期短，可以在幾分鐘甚至幾秒鐘就監(jiān)測(cè)完整個(gè)區(qū)域[2]。在測(cè)量方式上，GBSAR采用零基線重復(fù)軌道干涉測(cè)量，即在同一個(gè)位置對(duì)目標(biāo)進(jìn)行重復(fù)成像[3-5]。
   自2003年歐盟綜合研究中心（JRC）利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）搭建出最早的采用步進(jìn)頻連續(xù)波（SFCW）體制的GBSAR系統(tǒng)（LISA系統(tǒng)）以來(lái)[3]，之后的十幾年里，許多公司和大學(xué)也對(duì)GBSAR展開(kāi)了相關(guān)研究[6-9]。
   本文首先分析了GBSAR差分干涉測(cè)量的成像幾何，給出了其形變監(jiān)測(cè)模型。在此基礎(chǔ)上利用Agilent矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與滑軌搭建起的系統(tǒng)進(jìn)行了吸波材料的微形變差分干涉測(cè)量實(shí)驗(yàn)。將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量S參數(shù)的接口與X波段天線相連，并通過(guò)其在滑軌上的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)方位向的合成孔徑并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像及差分干涉測(cè)量。通過(guò)對(duì)目標(biāo)的干涉相位進(jìn)行成像，發(fā)現(xiàn)其對(duì)毫米級(jí)的形變有顯著的分辨，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的形變監(jiān)測(cè)能力。
1 GBSAR差分干涉成像幾何
   GBSAR通過(guò)天線在方位向的運(yùn)動(dòng)來(lái)合成孔徑，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)局部觀測(cè)區(qū)域的二維分辨成像。通過(guò)對(duì)目標(biāo)的重復(fù)合成孔徑觀測(cè)，取其相位變化，就可以得到其形變值。其基本成像原理如圖1所示。

圖1 GBSAR成像幾何

    如圖1，GBSAR的軌道方向?yàn)閥方向，合成孔徑長(zhǎng)度為L(zhǎng)，GBSAR平臺(tái)相對(duì)地面高度為H，觀測(cè)范圍ABDC。
   歸一化發(fā)射電場(chǎng)，目標(biāo)散射場(chǎng)可以表示為，
$4(4)N`8SC6IF1{U)`X2U3_6.png$

這里 MBDES22B]5ENQGG9%O(301W.png 是視向形變量，根據(jù)上式可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)兩次測(cè)量的相位變化就可以得到目標(biāo)的視向形變量。接下來(lái)要通過(guò)視向形變量得到目標(biāo)的實(shí)際形變量。如圖2所示，假設(shè)目標(biāo)區(qū)域在方位向形變了微小的距離 4%9LN[V$4RAQTKX7`S]BT_M.png ，則根據(jù)其所在的斜面可以得到其與R1、R2及與R1夾角的幾何關(guān)系如下：
`PZ9B{UQF{56(H@W5FDW{2H.png

圖2 目標(biāo)微動(dòng)成像幾何

    對(duì)于式(8)，它的解一方面可以通過(guò)泰勒展開(kāi)取一階近似，一階近似隨后會(huì)被證明為就是平行幾何近似；另一方面可以求解該二元一次方程得到其精確解。
1.1 平行幾何近似
   首先將式（8）表示為如下形式：
$DLZ7$%9}YCV@0A~I9E_{G)I.png$

考慮到 ACS7D%1}U)UM%`CS)8@[87B.png ，因此在泰勒展開(kāi)時(shí)可以予以忽略，忽略高次項(xiàng)的影響，對(duì)該式進(jìn)行泰勒展開(kāi)得:
AW%GHWM9T)T_})4JSVVL3PV.png

因此有：
V4V8BE_4N$`85SU0ROJ[HRC.png

圖3 平行幾何近似

可以看到，式(11)與式(12)一致，因此一階近似也就等同于平行近似。當(dāng)目標(biāo)與發(fā)射源距離較遠(yuǎn)時(shí)，可以近似地認(rèn)為兩次雷達(dá)發(fā)射的波互相平行，因此該近似適用于遠(yuǎn)場(chǎng)情形。
1.2 精確幾何
將式(8)表示為：
7[2P)H~NV1RB@FV@5U[IDWI.png

({S7XX0KWQTOLIKT@@0}0VA.png

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)斜距較小時(shí)，平行近似和精確解之間的誤差較大，而當(dāng)斜距逐漸增大時(shí)，兩者之間的誤差逐漸減小。因此平行近似適用于遠(yuǎn)場(chǎng)條件，而精確幾何并不存在條件限制。

圖4 平行幾何與精確幾何之間誤差

2 微形變差分干涉測(cè)量實(shí)驗(yàn)
   成像場(chǎng)景可以描述為：將三塊吸波材料依次放在地面上，首先對(duì)該場(chǎng)景進(jìn)行一次成像；然后，在徑向向相反方向移動(dòng)兩邊的吸波材料5 mm，再次對(duì)其成像。試驗(yàn)參數(shù)為：載頻10 GHz，帶寬4 GHz，步進(jìn)頻率400 kHz，方位采樣間隔5 mm，合成孔徑長(zhǎng)度2.5 m。
   首先對(duì)兩次觀測(cè)的目標(biāo)進(jìn)行合成孔徑成像，其距離向分辨率為：
3YS_(F_VG_`CDS1YSK9DQMT.png

通過(guò)目視很難分辨出兩次吸波材料毫米級(jí)的變化，但是利用差分干涉測(cè)量的手段，首先對(duì)兩個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行合成孔徑成像，并令兩者信號(hào)共軛相乘取其相位，其相位成像結(jié)果如圖5所示。因此可以很好地將兩次吸波材料的位移變化分辨出來(lái)，并且還可以利用相位的變化估計(jì)其精確的形變量。
由圖5可計(jì)算得到相位均值偏移為1.2 rad，因此可以根據(jù)式(7)得到兩次觀測(cè)的視向形變分量為：

圖5 差分干涉測(cè)量的相位圖

_7ZIB(MJ}%I5J_HHMS]8%LS.png

    通過(guò)測(cè)量得到角度?酌=127°，場(chǎng)景的斜距在1.7 m～2.11 m之間，采用平行近似式求得形變量為4.752 mm，而利用二元一次方程精確解式，求得形變量在4.745 mm～4.747 mm之間，通過(guò)相位變化計(jì)算得到結(jié)果和實(shí)際測(cè)量結(jié)果的誤差大約為5%。
   理論上形變量和測(cè)量值應(yīng)該精確符合，而事實(shí)上實(shí)際測(cè)量本身就不能保證吸波材料的偏移精確到5 mm，而且角度的測(cè)量也會(huì)存在些許誤差，綜合考慮之下達(dá)到亞毫米的精度比較困難。而根據(jù)圖5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于5 mm的形變其相位有非常明顯的變化，事實(shí)上也驗(yàn)證了地基差分干涉測(cè)量的有效性和準(zhǔn)確性。
3 結(jié)論
   GBSAR差分干涉測(cè)量技術(shù)具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、范圍廣、重復(fù)觀測(cè)周期短、靈活、可操作性好等優(yōu)點(diǎn)，有著良好的應(yīng)用前景。為了驗(yàn)證GBSAR差分干涉測(cè)量的方法和性能，首先建立了干涉相位和目標(biāo)視向形變分量之間的聯(lián)系，并結(jié)合平行幾何近似和精確幾何近似建立了視向形變分量和實(shí)際形變分量之間的幾何模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了該差分干涉測(cè)量方法的有效性和可行性。
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