InSAR 技術(shù)及其在海上平臺(tái)形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

肖家耀

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459）

0 引言

海上平臺(tái)所處環(huán)境惡劣，長(zhǎng)期在風(fēng)、浪、海流、風(fēng)暴、腐蝕侵襲等的作用下，易發(fā)生結(jié)構(gòu)變形。此外，海上油氣開(kāi)采過(guò)程中引起的地層壓實(shí)現(xiàn)象也可能會(huì)導(dǎo)致海上平臺(tái)發(fā)生變形，從而影響其結(jié)構(gòu)完整性。海上平臺(tái)的極端變形可能會(huì)導(dǎo)致人員傷亡、生產(chǎn)設(shè)施受損以及環(huán)境污染。因此，監(jiān)測(cè)海上平臺(tái)的變形對(duì)維持結(jié)構(gòu)完整性具有重要意義。傳統(tǒng)的地面形變監(jiān)測(cè)技術(shù)如精密水準(zhǔn)測(cè)量、GNSS 技術(shù)、土工測(cè)量技術(shù)等雖然可以提供高精度、高可靠性的變形信息，但只能提供特定觀(guān)測(cè)點(diǎn)的變形信息，且需要在監(jiān)測(cè)區(qū)域附近布設(shè)牢固可靠的的參考點(diǎn)。海上平臺(tái)一般離陸地較遠(yuǎn)，無(wú)法在周邊建立固定的參考點(diǎn)，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的絕對(duì)沉降量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）是一種高分辨率雷達(dá)成像系統(tǒng)，它通過(guò)飛機(jī)或星載平臺(tái)的SAR 天線(xiàn)向地面發(fā)射微波信號(hào)，并接收來(lái)自地球表面的后向散射信號(hào)。SAR 天線(xiàn)接收到的后向散射信號(hào)代表了目標(biāo)的特性。后向散射信號(hào)中記錄兩種類(lèi)型的信息，即幅度和相位。相位反映了信號(hào)從發(fā)射到返回的波形變化，而幅度則反映了地表將入射波反射回SAR天線(xiàn)的后向散射能力。通過(guò)精確測(cè)量信號(hào)發(fā)射和接收之間的時(shí)間差，可以確定雷達(dá)天線(xiàn)與目標(biāo)之間的距離，即斜距。地表目標(biāo)隨時(shí)間的變化可以通過(guò)同一區(qū)域在不同時(shí)刻獲取的多幅SAR 圖像來(lái)確定。如果觀(guān)測(cè)的地表目標(biāo)位置未發(fā)生移動(dòng)，則雷達(dá)天線(xiàn)與目標(biāo)之間的距離將保持不變。否則，意味著地表目標(biāo)位置發(fā)生的變化。合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）技術(shù)是基于以上理論發(fā)展起來(lái)的。InSAR 技術(shù)測(cè)量精度僅取決于相干雷達(dá)波的相位信息，因此其計(jì)算地表形變的精度理論上可達(dá)毫米級(jí)，是公認(rèn)的進(jìn)行地表變形調(diào)查和監(jiān)測(cè)的高效手段。隨著InSAR 技術(shù)的日益發(fā)展與成熟，InSAR 技術(shù)已衍生出多個(gè)分支。其中，意大利Ferretti 等提出的永久散射體雷達(dá)干涉（persistent scantter InSAR，PSInSAR）技術(shù)，有效的地解決了InSAR 中時(shí)空失相關(guān)和大氣效應(yīng)等限制測(cè)量精度的問(wèn)題。PSInSAR 技術(shù)主要用于檢測(cè)長(zhǎng)期、緩變的地表形變，目前已廣泛應(yīng)用于大壩、橋梁、鐵路等領(lǐng)域的形變監(jiān)測(cè)。

InSAR 具有全天時(shí)、全天候、精度高及監(jiān)測(cè)范圍廣等優(yōu)勢(shì)，是陸地勘測(cè)領(lǐng)域的重要數(shù)據(jù)來(lái)源和技術(shù)手段。本文詳細(xì)介紹了InSAR 的基本原理，重點(diǎn)介紹了InSAR 技術(shù)在海上平臺(tái)形變監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀。

1 In S AR 技術(shù)

1.1 InSAR 基本原理

SAR 是一種通過(guò)飛機(jī)或星載平臺(tái)的向前運(yùn)動(dòng)構(gòu)成合成孔徑的相干成像雷達(dá)，方位向采用多普勒頻移理論和雷達(dá)相干技術(shù)提高其分辨率，距離向分辨率通過(guò)脈沖壓縮技術(shù)實(shí)現(xiàn)。圖1 為SAR 成像幾何示意圖，沿雷達(dá)視線(xiàn)方向?yàn)椤熬嚯x向”，與距離向正交的方法為“方位向”。雷達(dá)照射的地表區(qū)域，距離雷達(dá)最近的區(qū)域?yàn)椤敖唷保粗疄椤斑h(yuǎn)距”，兩者構(gòu)成刈幅寬度。雷達(dá)視線(xiàn)方向與當(dāng)?shù)卮蟮厮疁?zhǔn)面垂線(xiàn)間的夾角為入射角，與基線(xiàn)間的夾角為基線(xiàn)俯角。

圖1 SAR 成像幾何示意圖

而InSAR 技術(shù)是利用SAR 對(duì)同一地區(qū)觀(guān)測(cè)的兩景圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行相干處理，提取和分離出地表高程或地表形變。狹義上，InSAR 技術(shù)僅指上述內(nèi)容，僅用來(lái)生成DEM。而廣義上，InSAR 技術(shù)是以InSAR 為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的一系列技術(shù)，包括DInSAR、PSInSAR、CRInSAR 和SBAS 等技術(shù)。

PSInSAR 技術(shù)是InSAR 研究領(lǐng)域最重要的一個(gè)分支。它利用大氣延遲異常和永久散射體（persistent scantter，PS）后向散射的獨(dú)特特性，將傳統(tǒng)InSAR 變形測(cè)量的精度從10～20 mm 提高到2～3 mm。PS 點(diǎn)后向散射信號(hào)在頻域中具有寬帶譜，這意味著與其他散射體相比，PS 點(diǎn)的雷達(dá)相位在長(zhǎng)的時(shí)間間隔和大基線(xiàn)間隔內(nèi)相關(guān)。如果一個(gè)像素的后向散射由PS 點(diǎn)控制，則該像素將始終在長(zhǎng)時(shí)間間隔內(nèi)相干。因此，在PS 像素處，可以克服傳統(tǒng)InSAR 中的去相關(guān)的困難。此外，大氣效應(yīng)的影響在空間尺度是平滑的，時(shí)間上是不相關(guān)的。在PS 像素處，可以利用多幅干涉圖識(shí)別并去除大氣效應(yīng)對(duì)后向散射信號(hào)的影響。PSInSAR 處理的最終目標(biāo)是基于足夠數(shù)量的PS 上的高信噪比相位數(shù)據(jù)，采用最小二乘估計(jì)和迭代的方法來(lái)區(qū)分不同影響因素（如地表變形、大氣延遲異常、DEM 誤差、軌道誤差和去相關(guān)噪聲），在一定范圍內(nèi)得到較理想的結(jié)果。在消除由于大氣效應(yīng)、軌道誤差和DEM 誤差后，PS 點(diǎn)的歷史變形精度評(píng)估可達(dá)毫米級(jí)。

1.2 SAR 系統(tǒng)介紹

近三十年，美國(guó)、日本、加拿大、歐空局都先后發(fā)展了星載SAR 系統(tǒng)，展示了星載SAR 在對(duì)地觀(guān)測(cè)中的重要影響。美國(guó)NASA 于1978 年6 月28 日發(fā)射的海洋衛(wèi)星（Seasat），是第一顆搭載微波傳感器的民用衛(wèi)星，利用合成孔徑雷達(dá)第一次獲取了海洋和陸地的高分辨率雷達(dá)圖像，驗(yàn)證了SAR 獲取地球表面信息的卓越能力。隨后，1992 年日本發(fā)射了日本地球資源衛(wèi)星1 號(hào)（JERS-1），歐空局于1991 年和1995 年發(fā)射了ERS-1 衛(wèi)星和ERS-2 衛(wèi)星，從滿(mǎn)足對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)日益增長(zhǎng)的需要。1995 年加拿大的Radarsat1 投入運(yùn)行，與以往單一固定角度單側(cè)成像衛(wèi)星相比，不僅可以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)模式、精細(xì)模式、寬幅模式、掃描SAR 模式及擴(kuò)展波束模式獲取數(shù)據(jù)，還能夠進(jìn)行雷達(dá)波束照射“左視”方式工作獲取“右視”工作方式不能照射的南極地區(qū)雷達(dá)成像數(shù)據(jù)。2000 年，NASA 開(kāi)展了雷達(dá)地形測(cè)圖計(jì)劃（SRTM），近11 天的飛行任務(wù)，完成了全球地表80%的面積的高精度地形數(shù)據(jù)，巨大推動(dòng)測(cè)繪的發(fā)展和建設(shè)。隨著SAR 技術(shù)的發(fā)展，ALOS PALSAR、TerraSAR-X、COSMO-SkyMed、Sentinel-1a 等高分辨SAR系統(tǒng)相繼發(fā)射，進(jìn)一步提升了InSAR 的應(yīng)用能力，尤其在地表變形調(diào)查與監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

2 In S AR 在海上平臺(tái)形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著人類(lèi)對(duì)化石燃料能源的需求不斷增加，海洋油氣已成為化石燃料能源的主要增長(zhǎng)點(diǎn)。海上平臺(tái)是海洋油氣行業(yè)的重要資產(chǎn)。海上平臺(tái)變形是影響其結(jié)構(gòu)完整性的主要問(wèn)題之一，它可能由自然過(guò)程和人類(lèi)活動(dòng)的多種因素引起，包括惡劣環(huán)境、極端天氣、淺層氣、儲(chǔ)層壓實(shí)、巖土災(zāi)害、腐蝕、老化等。海上平臺(tái)的變形可能會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)中斷，甚至可能造成人員傷亡、資產(chǎn)損失和環(huán)境污染。因此，監(jiān)測(cè)海上平臺(tái)的變形對(duì)維持結(jié)構(gòu)完整性具有重要意義。

2.1 國(guó)外應(yīng)用現(xiàn)狀

馬來(lái)西亞學(xué)者對(duì)InSAR 在海上平臺(tái)形變監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用做了大量研究。Abd Nasir Matori 等人使用2012 年8 月至2013 年4 月間TerraSAR-X 衛(wèi)星采集的11 幅高分辨率SAR 影像數(shù)據(jù)，采用PSInSAR 技術(shù)處理數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)到了PETRONAS 海上生產(chǎn)平臺(tái)的沉降和隆起。Amir Sharifuddin Ab Latip 等人選取馬來(lái)西亞A1 和B1 海上平臺(tái)作為研究區(qū)域，應(yīng)用InSAR 技術(shù)監(jiān)測(cè)兩個(gè)平臺(tái)的變形。選用2018 年8 月24 日至2019年8 月22 日期間TerraSAR-X 衛(wèi)星捕獲的該區(qū)域12幅SAR 影像數(shù)據(jù)，采用PSInSAR 技術(shù)處理數(shù)據(jù)，得出A1 和B1 平臺(tái)最大沉降量為-4 mm/year 和-6.3 mm/year?？傮w來(lái)說(shuō)，國(guó)外對(duì)InSAR 技術(shù)在海上應(yīng)用尚處于研究探索階段，有待于進(jìn)一步進(jìn)行對(duì)比論證。

2.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)InSAR 技術(shù)在陸地油田區(qū)域形變監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用做了大量研究工作。胡云亮、王新等人選用2017—2018 年間Sentinel-1A 衛(wèi)星C 波段30 幅SAR 影像數(shù)據(jù)，利用GAMMA 軟件，結(jié)合自己的圖像處理算法，采用PSInSAR 技術(shù)處理數(shù)據(jù)，得出了塔里木某油田年均沉降速率和特征點(diǎn)時(shí)序沉降結(jié)果。陳志謀、胡波等人利用TerraSAR 衛(wèi)星的20 幅SAR 數(shù)據(jù)獲取某油田的形變場(chǎng)，采用SBAS 方法對(duì)影像進(jìn)行處理，得到了該研究區(qū)域的平均形變速率圖、時(shí)間序列形變圖和累計(jì)形變曲線(xiàn)圖。國(guó)內(nèi)目前對(duì)海上平臺(tái)形變監(jiān)測(cè)的研究主要集中在光纖光柵等監(jiān)測(cè)手段上，尚無(wú)InSAR 技術(shù)在海上平臺(tái)形變監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用和研究的案例。

3 結(jié)語(yǔ)

InSAR 技術(shù)具有全天時(shí)、全天候、精度高、監(jiān)測(cè)范圍廣等優(yōu)勢(shì)，是地表形變監(jiān)測(cè)的重要數(shù)據(jù)來(lái)源和監(jiān)測(cè)手段。雖然從目前來(lái)看，星載InSAR 依舊存在一些不足之處，如衛(wèi)星重訪(fǎng)周期長(zhǎng)，不能對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行連續(xù)觀(guān)測(cè)。另外，衛(wèi)星在觀(guān)測(cè)時(shí)，環(huán)境條件，如大氣、地物后向散射特性等出現(xiàn)過(guò)大的變化，也會(huì)影響衛(wèi)星的觀(guān)測(cè)。未來(lái)，隨著衛(wèi)星重訪(fǎng)周期越來(lái)越短（每天一次或者每天數(shù)次的重訪(fǎng)） 以及高分辨率SAR 系統(tǒng)如ALOS PALSAR、COSMO -SkyMed、TerraSAR -X、Sentinel -1a等的投入使用，InSAR 技術(shù)在海上平臺(tái)形變監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中具有巨大的應(yīng)用潛力。