In SAR角反射器在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的制作與安裝

侯躍強(qiáng)

（廣州亞奧建設(shè)工程咨詢有限公司 廣東廣州 510000）

1 引言

近年來，中國由于地質(zhì)災(zāi)害包括山體崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂縫、地面沉降等與地質(zhì)作用有關(guān)的災(zāi)害造成重大人員傷亡的事件愈發(fā)頻繁。聯(lián)合遙感和合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害隱患普查技術(shù)具有實(shí)時(shí)、高效、覆蓋面積廣的優(yōu)勢(shì)[1-3]，已成為重大自然災(zāi)害調(diào)查分析和災(zāi)情評(píng)估的一種重要技術(shù)手段。然而，在利用InSAR進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害排查時(shí)，由于該技術(shù)生成的干涉點(diǎn)數(shù)量有限[4]，在實(shí)際作業(yè)中存在不能完整覆蓋地質(zhì)災(zāi)害范圍的缺陷，在數(shù)據(jù)采集前需要在樹林覆蓋率較大的山體布設(shè)角反射器以增加其反射效果。因此，如何在監(jiān)測(cè)區(qū)域方便、高效的布設(shè)角反射器成為InSAR監(jiān)測(cè)工序中的關(guān)鍵工作。

下面對(duì)角反射器的技術(shù)安裝需求以及角反射器從機(jī)械設(shè)計(jì)到加工制作、安裝的工藝流程進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

2 角反射器技術(shù)要求

為了對(duì)ALOS-2和Sentinel-1雷達(dá)衛(wèi)星的時(shí)序SAR進(jìn)行分析，對(duì)應(yīng)參數(shù)見表1，需要在目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)布設(shè)角反射器，角反射器安裝必須滿足以下技術(shù)要求[5-7]：

表1 InSAR衛(wèi)星傳感器主要參數(shù)表

（1）角反射器底邊與SAR衛(wèi)星飛行方向平行

根據(jù)訂購的衛(wèi)星數(shù)據(jù)軌道傾角和獲取模式(升降軌)調(diào)整角反射器的朝向和底邊方位角，使角反射器底邊與衛(wèi)星飛行方向平行。升軌時(shí)開口朝北，降軌時(shí)開口朝南，求底邊方位角的公式[7]為：

其中為角反射器底邊與北方向夾角（方位角），為衛(wèi)星軌道傾角，為反射器安裝地點(diǎn)的緯度，顧及外業(yè)操作情況，實(shí)際有效讀數(shù)到0.1°。

（2）SAR衛(wèi)星雷達(dá)波入射方向與角反射器的法線方向平行

布設(shè)的角反射器滿足SAR衛(wèi)星雷達(dá)波入射方向與角反射器的法線方向平行這一條件時(shí)，角反射器的反射截面最大。由于角反射器三面是邊長相等的等腰三角形構(gòu)成，其法線方向與地面夾角可用數(shù)學(xué)方法[7]推算得到一個(gè)固定值35.3°，當(dāng)訂購的SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)確定后，其入射角為固定值，就可根據(jù)其入射角調(diào)整角反射器的仰角。文中用表示衛(wèi)星過境當(dāng)?shù)貢r(shí)的入射角，求取角反射器仰角的公式[5]為：

其中φ為角反射器仰角，ω表示衛(wèi)星過境當(dāng)?shù)厝肷浣?/p>

3 角反射器制作與安裝技術(shù)流程

常用的角反射器包括二面和三面，其中三面包括三個(gè)圓心角為90°的扇形、三個(gè)正方形、三個(gè)等腰直角三角形，文獻(xiàn)[8-9]已對(duì)三角面(三個(gè)等腰直角)反射器做出了具體分析，表明當(dāng)入射角度變化時(shí)，三角面角反射器的雷達(dá)截面積（Radar Cross Section，RCS）減縮速率最小，在較大的角度范圍內(nèi)可以獲得較大的回波功率。顧及到雷達(dá)角反射器制作材料要求多采用金屬材質(zhì)，表面反射性強(qiáng)、平整度好，因此采用鋁合金材料進(jìn)行制作，下文詳細(xì)展示機(jī)械設(shè)計(jì)及外業(yè)安裝流程。

3.1角反射器制作

采用三面型的三角錐型鋁板材質(zhì)作為角反射器材料，具體制作工藝流程如下：

（1）三角錐反射板分別采用直角棱邊長為1米、1.2米、1.5米的等腰直角三角形（如圖1）鋁合金板，厚度為3毫米；

圖1 角反射器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

（2）三塊反射板保持平整，兩兩之間嚴(yán)格垂直；

（3）鋁合金板內(nèi)表面貼上塑料薄膜保持在運(yùn)輸途中內(nèi)表面整潔、光滑，不易被污漬、油漆等物弄臟而影響反射效果；

（4）為了保護(hù)鋁質(zhì)反射板，本次采用6根角鋼鐵焊接為一個(gè)整體，用鉚釘進(jìn)行加固，保證角反射器在野外不會(huì)受大風(fēng)、積雪等破壞。

（5）角反射器底板直角頂點(diǎn)處預(yù)留小孔用于排水。

3.2支架制作

為便于角反射器安裝時(shí)能夠進(jìn)行方位角和仰角調(diào)整，同時(shí)顧及后期在野外仍然需要對(duì)方位角和仰角方向進(jìn)行微調(diào)，并要保證其具有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性，在有大風(fēng)的時(shí)候也不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，本次角反射器支架采用鋼質(zhì)材料進(jìn)行制作，并對(duì)物理設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，具體制作工藝流程如下：

（1）為便于安裝和加工，支架加工規(guī)格相同，均采用鋼質(zhì)材料，確保角反射器安裝后能長期穩(wěn)固。

（2）為實(shí)現(xiàn)方位角調(diào)整，底部采用直徑16mm的圓鋼制作直徑分別為1.7m、1.4m的兩個(gè)圓環(huán)，在圓環(huán)的四分之一處進(jìn)行焊接，使得圓環(huán)可以在相鄰焊接區(qū)間內(nèi)進(jìn)行水平方位角90°范圍內(nèi)調(diào)整。

（3）為實(shí)現(xiàn)仰角調(diào)整，支架設(shè)置三個(gè)豎向支柱，其中兩個(gè)長度固定，第三個(gè)支柱對(duì)應(yīng)角反射器的直角頂點(diǎn)處，該處采用活動(dòng)開口設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)自由伸縮，然后以鉚釘加墊片方式保證固定螺絲穩(wěn)定，這樣可實(shí)現(xiàn)兩端固定第三個(gè)支架自由活動(dòng)的聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)預(yù)留4個(gè)活動(dòng)開口，可實(shí)現(xiàn)角反射器在垂直方向15°范圍內(nèi)調(diào)整，整個(gè)支架的機(jī)械設(shè)計(jì)圖如圖2所示：

圖2 機(jī)械設(shè)計(jì)圖

3.3角反射器安裝

角反射器需要安裝在固定的基座上，基座采用現(xiàn)場(chǎng)澆筑成方形水泥基座的形式，角反射器安裝在此基座上。為能夠盡可能精確調(diào)整角反射器方位角和仰角，采用經(jīng)出廠檢驗(yàn)合格的數(shù)字顯示量角器對(duì)角度進(jìn)行調(diào)整。具體安裝步驟如下：

（1）利用指北針確定北方向在水泥底座表面畫黑線標(biāo)記；

（2）利用數(shù)字顯示量角器調(diào)整到需要旋轉(zhuǎn)的角度，在水泥底座表面畫線標(biāo)記，保證數(shù)字顯示量角器使用前嚴(yán)格置零；

（3）將角反射器支架和角反射器半固定，轉(zhuǎn)動(dòng)角反射器支架直至角反射器棱邊與預(yù)先標(biāo)記位置完全重合，緊固預(yù)埋件螺絲，方位角調(diào)整完畢；

（4）利用角反射器底面直角頂點(diǎn)支柱伸縮進(jìn)行仰角調(diào)整，使角反射器開口等邊三角形所在面與鉛錘方向夾角為“90°+設(shè)計(jì)仰角”；

（5）檢查螺絲固定情況，完成外業(yè)安裝。

4 角反射器外業(yè)應(yīng)用

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)施方案，計(jì)劃布設(shè)適用ALOS-2和Sentinel-1雷達(dá)衛(wèi)星的角反射器共計(jì)80個(gè)，其中升軌42個(gè)，降軌38個(gè)。對(duì)80個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行實(shí)地踏勘，其中有33個(gè)點(diǎn)由于設(shè)計(jì)范圍內(nèi)無法安裝或者存在較大安全隱患，故擴(kuò)大設(shè)計(jì)范圍進(jìn)行安裝，其余47個(gè)點(diǎn)全部安裝在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，由于篇幅限制，僅列舉其中的5個(gè)角反射器方位角和仰角參數(shù)，如下表2所示：

表2 角反射器安裝主要參數(shù)表

外業(yè)實(shí)際操作中，先后進(jìn)行底座澆筑、固定支架、角反射器安裝、入射角調(diào)整、固定整個(gè)角反射器等步驟，過程照片如圖3所示。其中圖3（a）為底座澆筑照片，其中的4個(gè)固定螺絲需根據(jù)支架底座圓環(huán)預(yù)先設(shè)計(jì)好位置，支架底座的雙圓環(huán)可嵌套在其中90°范圍內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)，本次根據(jù)設(shè)計(jì)的角反射器朝向轉(zhuǎn)動(dòng)支架使之滿足要求即可；圖3（b）為角反射器入射角調(diào)整照片，根據(jù)點(diǎn)位設(shè)計(jì)的入射角值，使量角器的兩邊分別平行于垂線與角反射器開口面斜線方向，再調(diào)整角反射器直角頂點(diǎn)處的的活動(dòng)螺絲孔位置，重復(fù)多次后可使角度達(dá)到要求參數(shù)值；圖3（c）為安裝完成后的角反射器照片，通過一系列的部件固定安裝、參數(shù)調(diào)整后，完成角反射器外業(yè)安裝的整個(gè)流程。

圖3 角反射器外業(yè)安裝示意圖

5 結(jié)束語

角反射器的正確安裝，不僅可以增強(qiáng)SAR衛(wèi)星的數(shù)據(jù)利用率，還能提高對(duì)地面目標(biāo)的辨識(shí)度。本文對(duì)InSAR角反射從機(jī)械設(shè)計(jì)到現(xiàn)場(chǎng)安裝進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，通過外業(yè)實(shí)際摸索，探索出如何能在外業(yè)快速安裝角反射器，并滿足其能隨著SAR衛(wèi)星入射角的變化對(duì)地面的角反射器進(jìn)行方位角和俯仰角調(diào)整的工藝流程。設(shè)計(jì)的角反射器能夠滿足在水平方向90°、垂直方向15°范圍內(nèi)的靈活調(diào)整，這一設(shè)計(jì)基本可以滿足大部分SAR衛(wèi)星的入射角調(diào)整的應(yīng)用需求，該工藝流程可以很好地為今后的工作提供借鑒和幫助。