圓弧式合成孔徑雷達的精度測試試驗

黃毅，杜年春，沈向前，謝翔，傅泓鑫，朱潔霞

(1.中國有色金屬長沙勘察設計研究院有限公司，湖南 長沙 410007；2.湖南省礦山安全智能化監(jiān)控技術與裝備工程技術研究中心，湖南 長沙 410007；3.長沙市工程災害智能監(jiān)控與防治工程技術研究中心，湖南 長沙 410007)

自然界中存在各種不同的地質構造、特殊的地形地貌和不利的地層性狀等，在自然降雨、地震和人為破壞等因素下，很容易誘發(fā)地質災害；現(xiàn)在地質災害已成為人類生存和生產的威脅因素，為確保人民生命和財產安全，我們應對各種地質災害危險源進行在線安全監(jiān)測，實時反映危險源的安全狀況，及時發(fā)現(xiàn)危險源安全隱患，并及時準確發(fā)布安全預警信息，管理單位能對危險信息進行及時了解，針對危險及時整改處理，將危險扼殺于苗頭，避免危險發(fā)生。切實實現(xiàn)“安全第一、預防為主、綜合治理”的目標。地質災害在線安全監(jiān)測系統(tǒng)是一種有效執(zhí)行預防為主措施的主要手段[1]。

傳統(tǒng)的形變監(jiān)測手段包括全站儀[2]、GNSS衛(wèi)星定位技術[3]、拉線位移計、激光掃描[4]、攝影測量等手段。全站儀的優(yōu)點是測量距離遠、精度高，能準確提供絕對形變信息，但受環(huán)境干擾大，每次只能監(jiān)測一個點，且需要布設光學棱鏡；GNSS也有同樣的問題，每個只能對單點目標進行監(jiān)測，反映的情況過于片面，只能達到管中窺豹的效果；攝影測量和三維激光掃描可以實現(xiàn)全面監(jiān)測，但測量距離短，分辨力隨著距離增加而降低，設備的使用也受氣候環(huán)境等外在因素的影響，很難做到實時在線監(jiān)測。

與傳統(tǒng)測量監(jiān)測手段相比，圓弧式合成孔徑雷達是一種大范圍、高頻次、高精度的表面位移監(jiān)測設備。該系統(tǒng)具有監(jiān)測范圍廣、非接觸式、耐候性強、監(jiān)測距離遠、高精度的特點；完美地適用于通視環(huán)境的大面積采場邊坡、壩體、堆場等大型場景的形變監(jiān)測[5]。

1 圓弧式地基雷達系統(tǒng)

1.1 雷達系統(tǒng)技術原理

圓弧式合成孔徑雷達監(jiān)測形變的兩個主要技術為合成孔徑技術、步進頻率連續(xù)波和差分干涉技術。

圓弧式合成孔徑雷達的擺臂通過旋轉、圓弧運行軌跡，在空間上形成合成孔徑，為提高對監(jiān)測面的分辨能力，聚焦過程中在起始和結束階段都會擴大積累角的運行范圍。該過程會將雷達積累角的回波信號進行聚焦，為后續(xù)分析提供高清晰度的散射圖。

合成孔徑與真實孔徑的區(qū)別在于，合成孔徑能通過雷達與目標的相對運動將尺寸相對較小的真實天線孔徑利用數(shù)據處理的方法合成遠大于真實孔徑的等效天線孔徑，從而提高雷達對目標的分辨率。設電磁波在真空中的傳播速度為c，雷達天線發(fā)射信號的脈沖寬度為B，則在距離向分辨率δr為：

(1)

雷達發(fā)射的電磁波波長為λ，雷達運動的等效孔徑長度為L，則角度向分辨率為：

(2)

通過距離向分辨率和角度向分辨率，將監(jiān)測區(qū)域分割成一個個扇形的監(jiān)測單元，圓弧式雷達的監(jiān)測單元如圖1所示[6]。

圖1 圓弧式雷達的監(jiān)測單元

由式(1)可知，距離向分辨力取決于雷達的脈沖寬度，為提高距離向分辨率，則脈沖寬度需盡可能地短，但短脈沖會導致信號衰減，不能達到理想的回波信號強度。為解決信號衰減不能提供理想回波信號的問題，引進步進頻率連續(xù)波技術，步進頻率連續(xù)波是雷達的發(fā)射波，為一串連續(xù)的窄帶脈沖信號，各個脈沖間的脈沖寬度通過固定頻率增加?；夭ɡ走_信號采用的為各個脈沖的中心頻率速度。對每個脈沖的正交分量進行頻譜分析，相位校正和幅度變化，并進行離散傅里葉變換，形成距離向。對N個脈沖串進行處理即可得到高分辨率的距離向。設雷達連續(xù)發(fā)射N個再帶脈沖τ，步進帶寬為ΔB,則帶寬B如式(3)[7]。

(3)

雷達接收到的信號中每一個點的數(shù)據均為復數(shù)，其中實數(shù)部分為幅度值，可以解譯圖像場景，虛數(shù)部分為相位值，可以獲取形變信息。相鄰兩幅圖像進行復共軛相乘，即可以實現(xiàn)差分干涉處理。理想狀態(tài)下，差分干涉相位Δφ與視線方向的形變量ΔR呈線性相關，其關系可表示為式(4)。設λ為雷達波長，R為雷達到目標的距離[8]，則：

(4)

相位干涉測量原理如圖2所示。

圖2 相位干涉測量原理

在實際應用中為排除外部及氣象干擾等因素導致的誤差，還會對數(shù)據進行氣象校正。

1.2 信息處理總體流程

本系統(tǒng)的雷達信息處理流程主要包括原始雷達數(shù)據輸入，脈沖壓縮、實孔徑成像、圖像配準、圖像相干、干涉圖濾波、相位解纏、大氣相位校正、地形高程估計、邊坡形變估計等步驟[9-10]，其流程如圖3所示。

1)脈沖壓縮是本雷達系統(tǒng)信息處理的基礎，通過脈沖壓縮技術將雷達回波信號處理成窄脈沖形式，從而提高回波信噪比，實現(xiàn)更高的距離分辨率。

2)ArcSAR雷達是將雷達置于轉臺上，通過雷達的運動在空間上形成合成孔徑，以提高雷達的方位向分辨能力。聚焦成像過程就是將雷達積累角范圍內的回波信號進行聚焦，形成高分辨的雷達圖像，其過程包括距離維脈沖壓縮、殘余視頻相位補償和方位壓縮。

3)圖像配準是本雷達系統(tǒng)信息處理的關鍵步驟之一，也是生成干涉圖像的基礎。通過將前后兩幅影像中代表相同地物的像元匹配到同一位置，并且利用同一位置處的兩幅圖像重疊的相位信息來計算兩幅圖像的相干值。通常情況下包括圖像匹配、仿射變換和圖像重采樣等步驟。

4)圖像相干是在圖像配準之后利用雷達圖像數(shù)據生成高質量的干涉圖，為之后的相位解纏做準備，具體實現(xiàn)為將配準后的兩幅圖像進行共軛相乘生成干涉圖，根據相干性理論計算生成相干圖。

5)由于噪聲的存在，干涉圖的干涉相位容易出現(xiàn)斑點噪聲，斑點噪聲是一種乘性噪聲，在生成干涉圖后可以通過多種方法來濾除斑點噪聲。

6)相位解纏是根據濾波后的干涉圖來獲取真實的干涉相位的過程，也是本雷達系統(tǒng)信息處理的關鍵步驟之一，其準確性直接影響雷達的形變測量結果。常用的相位解纏方法有路徑跟蹤法、最小二乘法、邊緣分析或區(qū)域分割法以及最優(yōu)估計法等。

7)由于大氣中的不均勻介質對微波的傳播路徑和方向造成干擾，產生大氣相位，該相位誤差會在干涉處理過程中傳播，形成大氣效應，從而對干涉結果造成嚴重的影響，必須對大氣相位進行校正。

8)差分干涉形變測量，對干涉圖兩兩進行差分處理，可以獲得不同時刻距離向變化的相位值，把差分獲得相位轉換為距離值，就可得到位移量。

2 測試與分析

2.1 雷達主要技術指標

本次選用雷達型號為中國有色金屬長沙勘察院自研的Online SAR 2000，雷達布設如圖4所示。

雷達工作波段為Ku波段，工作頻率為24.05～24.25 GHz，設備主要技術指標如表1所示。

2.2 測試場地及布設

本次測試場地選擇石灰石礦采空區(qū)，測試天氣：雨，氣溫為17～20 ℃。選擇地質條件相對穩(wěn)定處安置Online SAR 2000雷達，在監(jiān)測坡面上兩處(設為A、B點)設置連接千分尺的角反射器，連接千分尺的角反射器如圖5所示，角反射器能提供高能量的發(fā)射回波，便于跟蹤點位進行測試。其中千分尺精度為0.000 1 mm，能控制角反射器前后精準移動。

表1 雷達主要技術指標

圖5 連接千分尺的角反射器

2.3 測量方法

A、B角反射器與雷達斜距分別為567 m，495 m。A角反射器每次移動2 mm(因千分尺行程限制，A角反射器采用先前進再后退的方式進行位移，每次轉向停頓一幀測量作為標記)、B角反射器每次移動1 mm，采用Online SAR 2000雷達進行連續(xù)觀測并記錄。通過測量結果與實際角反射器的位移距離進行比較，獲得雷達監(jiān)測精度的實際誤差。

2.4 測量結果

雷達設置角度向掃描范圍為20°～220°，積累角兩邊各50°，掃描頻次2 min/次，距離向掃描范圍為10～800 m?？偣矞y試幀數(shù)為30幀，其中A角反射器獲得有效測量幀為29幀，B角反射器獲得有效測量幀為23幀。

雷達散射如圖6所示，成圖清晰，特征點明顯，能夠全面監(jiān)測被測坡面的整體形變。

圖6 監(jiān)測體散射圖

A角反射器測試單次形變如圖7所示(因千分尺行程限制，A角反射器采用先前進再后退的方式進行位移，每次轉向停頓一幀測量作為標記)，形變誤差如圖8所示。

圖7 A角反射器單次形變

圖8 A角反射器單次形變誤差

B角反射器測試單次形變曲線如圖9所示，單側形變誤差如圖10所示。

圖9 B角反射器單次形變

圖10 B角反射器單次形變誤差

3 結論

通過對地基圓弧合成孔徑雷達Online SAR 2000進行測試，結果顯示該雷達反射回波能反映整體地形輪廓，能實現(xiàn)坡面的整體監(jiān)測；根據統(tǒng)計結果計算，該雷達測量中誤差為：±0.08 mm。相較于傳統(tǒng)手段，該圓弧合成孔徑雷達具有監(jiān)測面廣的優(yōu)點，可實現(xiàn)掃描區(qū)域的全覆蓋、無遺漏；其監(jiān)測精度明顯高于傳統(tǒng)手段；監(jiān)測頻率高；耐候性強，天氣等外在因素對其造成的影響小。