干涉雷達(dá)人工角反射器技術(shù)①

趙俊娟，李成范，尹京苑，張桂芳，單新建

（1.上海大學(xué)計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)學(xué)院，上海 200072；2.中國(guó)地震局地質(zhì)研究所地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

0 引言

我國(guó)是地質(zhì)災(zāi)害較為頻繁的國(guó)家，地面沉降和滑坡是以地面形變?yōu)橹苯犹卣鞯牡湫偷刭|(zhì)災(zāi)害。從全國(guó)來(lái)看，傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測(cè)量和GPS技術(shù)尚不能建立高效的地面沉降和滑坡監(jiān)測(cè)體系。應(yīng)用高新技術(shù)降低監(jiān)測(cè)成本、提高監(jiān)測(cè)工作的自動(dòng)化程度成為緩變型地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)的一種現(xiàn)實(shí)需求［1］。自從1993年Massonnet等利用合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（InSAR）技術(shù)成功地提取了1992年Landers地震（M＝7.2）的形變場(chǎng)以來(lái)［2－3］，SAR干涉測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于地球表面形變場(chǎng)探測(cè)領(lǐng)域，其中包括地面沉降、滑坡、地震和火山運(yùn)動(dòng)引起的地表位移等研究領(lǐng)域［4－7］，取得了很多重大的成果。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量（D－InSAR）技術(shù)能以亞厘米級(jí)的精度獲取地表形變信息，其得到的形變結(jié)果彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)量手段點(diǎn)位稀疏的缺點(diǎn)，具有大面積、快速、準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)。

雖然InSAR技術(shù)彌補(bǔ)了以往常規(guī)水準(zhǔn)測(cè)量和GPS測(cè)量的不足，能夠?qū)Φ乇磉M(jìn)行大面積形變監(jiān)測(cè)，但其局限性卻也不容忽略，眾多誤差源的存在影響了相位測(cè)量的質(zhì)量。這些誤差源中，空間去相干和時(shí)間去相干造成的同名圖像對(duì)的相干性下降現(xiàn)象受到了中外學(xué)者較多的關(guān)注［8］?？臻g去相干主要是由于覆蓋同一觀測(cè)區(qū)域的重軌圖像對(duì)的基線距過(guò)長(zhǎng)，即接近臨界基線距或超過(guò)臨界基線距，而造成相干性下降或不相干；時(shí)間去相干主要是由于在獲取覆蓋同一觀測(cè)區(qū)域的重軌圖像系列期間，地表地物的后向散射系數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致相干性變差［9］。

從20世紀(jì)90年代中后期，一些學(xué)者開(kāi)始嘗試?yán)眯录夹g(shù)來(lái)克服常規(guī)InSAR技術(shù)應(yīng)用中的局限性，其中包括人工角反射器（CR）和永久散射體（PS）InSAR技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)CR－InSAR和PS－InSAR。PS技術(shù)主要用于研究地表長(zhǎng)期變化，時(shí)間跨度較長(zhǎng)，整幅圖像相干性較差且只能研究相干性較好的PS點(diǎn)，但是對(duì)于地震斷裂帶和城市地表沉降區(qū)等重點(diǎn)區(qū)域，由于缺少合適的PS點(diǎn)，使得PS－InSAR很難發(fā)揮作用。而CR技術(shù)不僅關(guān)注大面積的地表沉降觀測(cè)，而且更加關(guān)注重點(diǎn)目標(biāo)微量形變監(jiān)測(cè)，這就使得CR技術(shù)具有精度高、長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)。而且CR成本和架設(shè)角反射器的費(fèi)用更加低廉，使得CR－InSAR具有更加廣闊的應(yīng)用前景［10－11］。

1 CR－InSAR技術(shù)

1.1 CR－InSAR的基本概念

從廣義來(lái)說(shuō)，一切能夠產(chǎn)生角反射效應(yīng)的物體都可以稱(chēng)之為角反射器。角反射效應(yīng)是指：無(wú)論光線從哪一個(gè)方向入射，經(jīng)過(guò)幾次反射后都能將入射光線逆原方向反射回去。從CR－InSAR的基本概念上看，CR－InSAR技術(shù)與InSAR技術(shù)最大的不同是它需要在野外架設(shè)角反射器。

CR－InSAR是指通過(guò)預(yù)先在所關(guān)心的區(qū)域（ROI）架設(shè)一定數(shù)量尺寸、規(guī)格嚴(yán)格統(tǒng)一的人工角反射器。這些角反射器點(diǎn)（CR點(diǎn)）位置穩(wěn)定（年位移量很?。?，對(duì)雷達(dá)波反射很強(qiáng)，經(jīng)過(guò)幾年的時(shí)間后它們?nèi)匀槐３种芨叩南喔尚?。于是在被監(jiān)測(cè)地區(qū)所獲取的有著較長(zhǎng)時(shí)間間隔的或基線距較大的雷達(dá)影像都可以被利用上，而不必考慮時(shí)間變化因素。通過(guò)對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)目標(biāo)進(jìn)行時(shí)空分析，消除大氣影響因素后便能精確地測(cè)量出目標(biāo)的微量形變（3mm量級(jí)）。

1.2 人工角反射器的形狀

目前雷達(dá)遙感中所用到的人工角反射器 （CR）主要特指那些利用導(dǎo)電性能和導(dǎo)磁性能良好，電容率大的鋁材料做成幾何形狀規(guī)則，如二面角或三面角，表面為實(shí)體或網(wǎng)狀的一種點(diǎn)狀人工地物目標(biāo)（圖1）。這種角反射器因?yàn)閹缀涡螤钜?guī)則，利用角反射效應(yīng)將接收到的雷達(dá)波束經(jīng)過(guò)幾次反射后，形成很強(qiáng)的回波信號(hào)，在獲得的SAR圖像中形成很亮的星狀亮斑，可以在雷達(dá)圖像上被準(zhǔn)確地識(shí)別出來(lái)。

圖1 常見(jiàn)的四種人工角反射器的幾何形狀Fig.1 Geometry of common artificial corner reflectors.

角反射器反射光線的原理，不同于一般的發(fā)生在媒質(zhì)介面上的漫反射。二面角反射器是一種典型的散射結(jié)構(gòu)，存在著較強(qiáng)的二次散射，其振幅相互疊加增強(qiáng)（圖1（a））。三面角反射器是立方體角，實(shí)際相當(dāng)于三塊相互垂直或者是呈一定角度的平面鏡（圖1（b）、（c））。無(wú)論是二面角還是三角錐形反射器和正方體三角反射器通常的邊長(zhǎng)都是1m×1m的。對(duì)于長(zhǎng)方體錐形反射器，為了減小對(duì)風(fēng)的阻力，通常采用打孔的鋁板來(lái)制作，由于有空的雷達(dá)散射截面有所降低，就需要增加側(cè)面積，棱長(zhǎng)由1m×1 m增加到1m×1.5m（圖1（d））。

1.3 人工角反射器的散射特性

雷達(dá)遙感中所用到的角反射器是指那些能夠?qū)走_(dá)波束產(chǎn)生強(qiáng)烈反射，并且使雷達(dá)波束能夠逆入射方向反射回去的地物，包括自然地物和人工地物，在地物目標(biāo)分類(lèi)中屬于硬目標(biāo)，即狹義概念上的角反射器。人工角反射器因?yàn)閹缀涡螤钜?guī)則，雷達(dá)散射截面（RCS）可以準(zhǔn)確計(jì)算出來(lái)，所以最早被用于微波散射計(jì)的外定標(biāo)中。這類(lèi)地物在所獲得的SAR圖像中形成很亮的星狀亮斑，可以在雷達(dá)圖像上被準(zhǔn)確地識(shí)別出來(lái)，如圖2所示。

圖2 人工角反射器CR（a）及解譯圖（b）Fig.2 Physical map and interpretation of CR.

1.4 雷達(dá)散射截面RCS特性計(jì)算機(jī)分析

雷達(dá)遙感中所使用的這些角反射器，即永久散射體和人工角反射器，在一個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間間隔內(nèi)，如3～5年的時(shí)間里，位置相對(duì)穩(wěn)定，保持了很高的相干性。而且利用GPS可以精確地定出這些點(diǎn)的位置，所以在干涉測(cè)量中可以利用角反射器點(diǎn)來(lái)提高圖像配準(zhǔn)的精度，提高了長(zhǎng)基線距和較長(zhǎng)時(shí)間間隔圖像對(duì)的利用率。正是因?yàn)榻欠瓷淦骶哂芯雀?、穩(wěn)定性好、相干性強(qiáng)的特點(diǎn)，所以被用來(lái)配合常規(guī)InSAR技術(shù)來(lái)提高監(jiān)測(cè)的精度。

相比永久散射體，人工角反射器應(yīng)用更為廣泛。這是因?yàn)樗哂袠?biāo)準(zhǔn)的幾何形狀和嚴(yán)格的尺寸大小，其雷達(dá)截面是可以精確計(jì)算出來(lái)的。常見(jiàn)的人工角反射器形狀主要有以下幾種：二面角角反射器和三面角角反射器，其中三面角角反射器又可以分為單面形狀為三角錐形和正方體形等。根據(jù)雷達(dá)最大散射截面計(jì)算公式（1）－（3）可模擬得到二面角、三角錐形反射器和正方體三角反射器的RCS模擬值［12-13］，如圖3所示。

式中，λ為波長(zhǎng)；h和l為角反射器的邊長(zhǎng)，單位是cm；ω為載波頻率，單位為GHz；δmax為雷達(dá)散射截面（RCS）的最大值，單位是dBsm。

圖3 雷達(dá)散射截面RCS特性Fig.3 The curves of RCS.

2 人工角反射器制作與布設(shè)

在上述四種人工角反射器中，三角錐形反射器和長(zhǎng)方體錐形反射器具有代表性，以下對(duì)其制作和布設(shè)過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

2.1 三角錐形反射器的制作

制作三角錐形反射錐時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）三塊反射板均是直角邊為1.2m長(zhǎng)的等腰直角三角形，材質(zhì)為3mm厚的鋁板；（2）三塊反射板務(wù)必保持平整，兩兩之間嚴(yán)格垂直，誤差小于0.5°；（3）在與兩個(gè)前支柱相連的反射板上，在其直角處打一直徑2cm的孔；（4）鋁質(zhì)反射錐的內(nèi)表面務(wù)必整潔、光滑，不能有污漬、油漆等物；（5）為了加固和保護(hù)鋁質(zhì)三塊反射板，還在每塊反射板的外邊鑲以角鐵。

在對(duì)支架的設(shè)計(jì)與制作上，還要保證以下幾點(diǎn)：（1）三個(gè)支柱所用材料為圓鋼，安裝后三個(gè)支柱與底座垂直；（2）三個(gè)支柱中兩根前支柱較短并且等長(zhǎng)，另一根后支柱較長(zhǎng)，通過(guò)調(diào)節(jié)后支柱與兩根前支柱的長(zhǎng)度差，需使反射錐最低反射板與底座所成二面角為31°；（3）制作支柱的圓鋼直徑為30mm，保證反射器在野外不會(huì)因大風(fēng)等因素而搖晃。

2.2 長(zhǎng)方體錐形反射器的制作

為了使反射器對(duì)自然環(huán)境的適應(yīng)能力更強(qiáng)，一般應(yīng)用打孔的鋁板來(lái)制作長(zhǎng)方體錐形反射器，從而減小其對(duì)風(fēng)的阻力，排除因雨雪而積水的可能，并降低其自身重量。由于采用打孔鋁板制作的長(zhǎng)方體錐形反射器較之無(wú)孔長(zhǎng)方體錐形反射器的雷達(dá)截面積有所降低，為了增大反射器兩個(gè)側(cè)面的面積，最終采用打孔鋁板制作的長(zhǎng)方體錐形反射器尺寸如圖1（d）和圖4所示，底面為1m×1m的正方形，側(cè)面為1m×1.5m的長(zhǎng)方形。

圖4 ACCR反射面板打孔示意圖Fig.4 Perforate chart of ACCR.

圖4顯示了在鋁板上打孔效果，所采用的方案為：孔徑10mm；橫向孔間距10cm；豎向每行孔間距為8.67cm，兩行之間的孔排列呈正三角形。

此外，三個(gè)反射面的背面用角鐵加固，對(duì)兩個(gè)垂直的長(zhǎng)方形反射面之間及它們與底部正方形反射面之間的連接處也予以加固。

2.3 人工角反射器布設(shè)

經(jīng)過(guò)野外實(shí)地踏勘，選定若干處具有代表性的CR點(diǎn)布設(shè)位置，這些位置能保證CR周?chē)?0m左右沒(méi)有對(duì)其干擾的強(qiáng)反射體。為了能使CR的位移能代表位移形變而不是表層松散土壤的形變，布設(shè)中用水泥墩將CR加以固定，盡可能使水泥墩的底部接觸到基巖；但在基巖太深時(shí)，則確保水泥墩埋入地下的深度達(dá)到1m。在地面以上，三角錐形反射器和長(zhǎng)方體錐形反射器的支柱分別插入用磚圍砌的水泥柱中，水泥柱與地下水泥墩為一體。三角錐形反射器和長(zhǎng)方體錐形反射器的支柱埋入水泥柱的深度也達(dá)到40cm。

根據(jù)所采用雷達(dá)的參數(shù)進(jìn)行角度計(jì)算。例如，ENVISAT衛(wèi)星的軌道傾角98.5°，CR點(diǎn)所處的緯度約為31°N，為了接收ASAR IS2模式的降軌數(shù)據(jù)，根據(jù)公式計(jì)算可知，三角錐形反射器底面斜邊與南北向的夾角為北偏東10°，三角錐形反射器開(kāi)口大致朝東，長(zhǎng)方體錐形反射器底座直角邊與正北方向夾角分別設(shè)為55°和35°，圖5顯示了布設(shè)現(xiàn)場(chǎng)三角錐形反射器和長(zhǎng)方體錐形反射器的實(shí)景照片。

圖5 角反射器安裝實(shí)景圖Fig.5 Physical map of corner reflectors.

3 人工角反射器的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，利用人工角反射器技術(shù)進(jìn)行地表沉降和滑坡監(jiān)測(cè)等已進(jìn)行了眾多嘗試，也取得了豐碩的成果。以與中石油勘探開(kāi)發(fā)研究院合作項(xiàng)目“利用D－InSAR和CR－InSAR技術(shù)對(duì)西氣東輸管道工程靖邊—臨汾段子長(zhǎng)縣地區(qū)滑坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究”［14］為例，首先收集研究區(qū)地質(zhì)資料，通過(guò)野外實(shí)調(diào)和遙感解譯確定研究區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造和地質(zhì)災(zāi)害情況，最終確定重點(diǎn)研究區(qū)域；然后基于對(duì)人工角反射器技術(shù)的研究成果，對(duì)人工角反射器后向散射特性及其與衛(wèi)星過(guò)境當(dāng)?shù)厝肷浣堑年P(guān)系進(jìn)行探討，確定人工角反射器的架設(shè)；最后收集SAR影像數(shù)據(jù)資料，通過(guò)干涉形變測(cè)量結(jié)算算法和相關(guān)模型實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)處理。在實(shí)際應(yīng)用中，人工角反射器彌補(bǔ)了自然界中永久散射體存在點(diǎn)位上面的不均衡現(xiàn)象，具有廣闊的應(yīng)用前景。

由于CR－InSAR技術(shù)在很大程度上解決了時(shí)間失相干因素和大氣效應(yīng)這兩個(gè)難題，大大增強(qiáng)了干涉測(cè)量的環(huán)境適應(yīng)能力及其精度，所以人工角反射器技術(shù)已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用，具有巨大的應(yīng)用潛力。目前CR技術(shù)已廣泛應(yīng)用于空間失相關(guān)以及地形不穩(wěn)定的區(qū)域的研究，特別是城市地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)研究等方面。另外在進(jìn)行地殼形變觀測(cè)時(shí)，CR可安裝在活動(dòng)斷層兩側(cè)，作為補(bǔ)充構(gòu)成高精度骨干控制點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。

（1）精準(zhǔn)地震監(jiān)測(cè)

傳統(tǒng)上主要利用大地水準(zhǔn)測(cè)量和跨斷層測(cè)量?jī)x器來(lái)監(jiān)測(cè)斷層形變。近年來(lái)雖然采用高精度的GPS網(wǎng)測(cè)量來(lái)開(kāi)展形變研究，但由于GPS網(wǎng)分布過(guò)于稀疏，很難反映斷層的細(xì)微活動(dòng)。但是通過(guò)CR－InSAR技術(shù)，在重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域布設(shè)人工CR點(diǎn) ，并與天然PS點(diǎn)相配合，從而構(gòu)成高精度的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，并由此獲得大面積、高精度的地殼形變數(shù)據(jù)，從而指導(dǎo)研究人員來(lái)更加準(zhǔn)確地分析斷層的活動(dòng)規(guī)律。

（2）城市地面沉降

世界上許多城市像威尼斯、上海、蘇州等城市受到地面沉降的困擾。城市地區(qū)由于地表相干性較高有利于CR點(diǎn)選取。研究利用InSAR技術(shù)，補(bǔ)充以PS－InSAR，利用長(zhǎng)時(shí)間序列點(diǎn)目標(biāo)分析高精度獲取地表形變場(chǎng)，可應(yīng)用于城市地面沉降的估算和預(yù)測(cè)。研究利用CR－InSAR技術(shù)構(gòu)建地表沉降觀測(cè)網(wǎng)的實(shí)用性、可行性和穩(wěn)健性顯得越來(lái)越重要，但是復(fù)雜的城市環(huán)境使得很多CR點(diǎn)不能夠有效地識(shí)別出來(lái)，制約了CR技術(shù)在城市地表沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

總之，CR技術(shù)因其全天候、穩(wěn)定性、高測(cè)量精度等優(yōu)勢(shì)，必將成為地殼構(gòu)造變形、地面沉降研究的新的強(qiáng)有力工具。相信隨著越來(lái)越多的研究人員的關(guān)注和研究，CR技術(shù)將會(huì)逐步走向成熟，并得到更為廣泛的應(yīng)用。

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