2012地基SAR干涉测量原理及其形变监测应用研究（可编辑）

2012地基SAR干涉测量原理及其形变监测应用研究（可编辑） 2012地基SAR干涉测量原理及其形变监测应用研究 第 37 卷第4 期 Vo l. 37 No.4 测绘信息与工程 2012 年 8 月 J ournal of Geomatics Aug. 2012 文章编号:1007-3817 2012 04-0022-04 文献标志码:A 地基 SAR 干涉测量原理及其形变监测应用研究 王鹏1，2 周校1，2 1武汉大学测绘学院;2 精密工程与工业测量国家地理信息局 重点实验室，武汉市珞喻路 129 号，430079 摘 要z 详细介绍了地基 SAR 的基本理论，结合建筑物二维和一维的实现l 数据，分析了其在距离向和方位向的分 辨率以及形变的监测精度，说明了地基 SAR 在形变监测中的有效性，并对地基 SAR 今后的应用与发展作了初步 展望。 关键词:地基 SAR; 步进频率连续波;合成.:fL径霄达2 干涉;霄达视线向 中图法分类号 P225.1 星载合成孔径雷达 SAR 综合了脉冲压缩、合 播的波形，雷达传感器可以分为脉冲雷达传感器和 成孔径与数字信号处理等技术以达到高分辨率的成 连续波 CW 雷达传感器。连续波雷达传感器又可 像系统[1J 。尤其在传统光学传感器成像困难的领域 以称作频域雷达传感 器，分为调制频率连续披 FM- 发挥了重要作用。地基 SAR GB-SAR 是近几年发 CW 雷达传感器和步进 频率连续波 SFCW 雷达传 展起来的地面微波定量遥感技术。通过应用步进频 感器。星载 SAR 传感器由于采用了脉冲压缩技术， 率连续波和合成孔径雷达技术获得较高的分辨率， 利用脉冲雷达信号得到距离向的高分辨率，而地面 通常距离向分辨率可达 0.5 m，方位向分辨率 4 SAR 采用了步进频率 连续波技术。 mrad ，监测区域可以达到 4 kmX4 km。对于范围 步进频率连续波雷达传感器运用一个频率调制 较小的区域监测，地基 SAR 比星载 SAR 更加稳定， 系统，采用 N个连续的频率序列，这一频率序列统 它可以专门为监测目标区域建立特定的几何场景， 一按照 e.j 的步长进行频率变动o 向一个目标发送 并根据目标特点选择较为方便的短时间基线。作为 正弦信号序列接收回波信号，通过在频域传播基带 新型的 SAR 系统，地基 SAR 能够监测山体滑 I/Q 信号的振幅Ai 和相位伊z 合成时域的脉冲信号 坡口.3J 、冰川移动、雪崩等灾害，在无法触及或是较 来获取目标属、探测目标距离问。图lCa 为 SFCW 为在险的区域发挥作用，也能够获取大型桥梁、高层 波形在时域的显示，图l b 为 SFCW 波形在时频域 建筑物、大坝等建筑物构筑物的形变场和形变速率， 的二维显示。 PRI 是脉冲重复间隔，即单一频率脉 是星载 SAR 测量技术的有效补充。 冲持续时间，N 为连续脉冲总数。 SFCW 雷达传感器发射 波形的数学 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达为: 1 地基 SAR 基本原理 Xi ωi , t Aicos ωi t 十8 i 式中，ωi 2π f，。十i e.j ， i O ， … ， N-l ， A 8 第 和 i i 1 步进频率连续波信号处理。根据电磁波传 儿 r二:二::TL 川叩内州州 n f 旦主妇 功步进频率连续波时域显示 b 步进频率连续波时频域显示 图 1 步进频率连续波及其合成脉冲信号示意图 z 个发送信号的振幅和相对相位。回波信号可表示 式中 ， Bi 是第i 个回波信号的振幅"是微波双程传 播时间。回波信号通过正交检波器下变频成基带信 为: ri 屿 ， t ， τ Bicos[ωi t - ， 十 8J 号，下变频 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化后的基带复信号同相分量 I 和正 第 4 期 王 鹏等:地基 SAR 干涉测量原理及其形变监测应用研究 23 交分量Q 信号的表达式为: 对于星载 SAR，其方位分辨率是实际雷达天线 孔径的 1/2 ，与斜 距无关[6J 。在在地基 SAR 系统 I c以 ωτ Q 屿，τ sin ωiL Sin?oi 中，雷达始终在 固定线性导轨上重复滑动，空间点 模拟 I/Q 信号通过模数转换器采样至数字 I/Q 信 Cj ， C ，… ， C 是雷达进行微波信号发射和接收的位 2 n 置，经过聚焦过程， 同样可以获得方位向的分辨率。 号，目标距离信息可通过 I/Q 信号的相位?oi ωiL SAR，地 基 SAR 每次从导轨上完整的 类似于星载 求得。为了获取双程传播时间，需要用到傅立叶变 滑过获取一幅复数 SAR 影像。由于回波信号相位 换 FT 。结合复矢量形式的数字化 I/Q 信号得到 不同，相邻两次采集的复数 SAR 影像产生了相位 解析信号: 差，形成了干涉图。像素单元 i ， j 由在 t t j 与 时 C Ii +jQi exp 一j?o， 2 i 刻复数 SAR 影像的 相位差是 A何 码 抖，那么 利用离散傅立叶逆变换 IDFT 将复矢量c.从频域 该像素点在雷达视 线向的形变值为: 转换至目标时域一维距离像: M-j d ? ω'S ce.何/ 4πj ij Yn 1/M ~C.exp[ j2πni /M] i O 地基 SAR 中采用累 积干涉图代替通常意义上的干 式中， 0~n~M-1o 步进频率连续波经 IDFT 采样和 涉图。设在 t[ Cl l ， 2 ，… ， N 时间采集的复数 SAR 相关变换后得到合成脉冲的幅度响应如下式所示[曰: 影像数据为 [1， 有 n In Iexp jψ';j , I j , I2 , … , In IYn I Isin aN/2 /sin a/2 I 分别是在时刻tj t2' … ， tn 获取的影像序列。其 α [n 一 2Me.jR / c]2π/M 累积干涉图[7J 定义如下: 阳 川 H Z H Z 式中， O~nζM-l， M是 IDFT 采样点数， N是频率 /L /L -r 步进总数，，1j 是频变步长， R 是目标距离。合成后的 ' , 一 一 一 一 式中， ? *是 取共辄复数，ζCI 件。 k 脉冲信号如图lCb 所示。根据公式合成脉冲信号在 η np+lM时达到峰值，此时α 士2lπ， l 0 ，1， 2 ，... 。 2 地基 SAR 测量精度分析 2 合成孔径雷达干涉测量。合成孔径雷达与 真实孔径雷达 RAR 相对应。为了得到高空间分 1 地基 SAR 的分辨率。正如步进频率连续波 辨率，雷达一边相对观测区域移动，一边发射和接收 信号处理中的描述，地基 SAR 采用步进频率连续波 如图l a 所示的 SFCW 微波信号，再经聚焦等信号 技术通过相关信号处理得到合成的脉冲信号，其距 处理过程就模拟出一幅雷达天线，而天线长度取决 离向分辨率由合成 脉冲的带宽决定。 于雷达移动过的距离，这就是所谓的合成孔径。 e.R c/ 2Ne.j c/ 2B SAR 沿轨道方向由空间 C 点向 C 移动，在 j n 本文试验基于意大 利 IDS 公司的 IBIS-L 和 S 系统 C ， C ，… ， C C. i j 2 发射相干脉冲信号。每个空间点 n 进行，该系统雷达信 号处于 Ku 波段，带宽为 300 1 ， 2 ，… ， n 与目标 A 之间的斜距不同，那么雷达 MHz，所以系统能达到的最大距离向分辨率为 e.R 获取的回被信号的相位也不同。通过对各个空间点 0.5 m。地基 SAR 借助于雷达控制单元在 2m 的相位进行补偿，使他们成为相同相位，再将补偿后 长的轨道上进行滑动，系统采样间隔为 5 mm，即雷 的相位在求和点同相叠加，就形成了聚焦于目标 A 达终端每移动 5 mm 都连续地发射和接收一次雷达 的合成孔径阵列，这就是 SAR 图像的聚焦过程，如 信号，所以每个像素单元都会被进行 400 次采样。 图 2 所示，完全聚焦的合成孔径雷达可以获得极高 地基 SAR 方向的分辨率为: 的方位分辨率町，L是合成孔径的长度。 M ìR / 2L 式中 ， R 是雷达距离观测目标的距离;L 是雷达滑 动的最大距离。对于 IBIS-L 和 S 系统à/ 2L 4.3 mrad。 2 地基 SAR 形变监测的灵敏度。由于地基 SAR 终端始终在线性导轨上滑动，基点未发生变 动，连续采集的 SAR 图像数据的轨道是严格重合 的，也就是说，地基 SAR 不存在空间基线。这样一 图 2 相位补偿与聚焦 来，和星载 SAR 干涉测量有很大不同。这意味着地 24 第 37 卷 测绘信息与工程 基 SAR 的数据处理没有去平地效应，也没有去地 分析这些像素单元在监测时段内的变换。我们也可 形。在没有噪声影响下可以认为地基 SAR 的干涉 以通过一定的投影将雷达视线向的形变值换算到数 相位仅与形变有关。所以，仅有一个固定不变的线 值方向。由于观测时段没有精确获取系统架设基点 性导轨的地基 SAR 系统只能进行相对形变的测量。 与监测目标大楼平面的空间位置关系，所以雷达视 由监测目标形变引起的相位差为: 线向的形变值没有归算到竖直方向，但从选择的像 伊 -4π/λl:!.R 素单元干涉相位变化图和雷达视线向的形变图可以 d 那么它对目标形变的灵敏度可以表示为: 看出，建筑结构本身的稳定变化，结构表面的像素区 /al:!.R - 4π/ì. 域表现出较好的一 致性，如图 4 所示。其中， 8ψ d 图 4Ca 为像素单元 干涉相位变化;图 4Cb 为像素单 3 地下施工区域上方建筑物形变监测 元雷达视线向形变曲 线。 1 二维监测试验与结果分析。监测目标某酒店 2 一维监测试验与结果分析。一维监测试验 大楼位于地铁 2 号线施工区域表层，珞喻路北侧，距 的目标 GPS 中心试验大楼同样位于地铁 2 号线施 离 IBIS 系统基点 800 m左右。该试验采用 IBI5-L 进 工区域表层，珞喻路北侧，距离 IBIS 系统基点 40 m 行二维监测，系统从当天 11 h 35 min 开始连续采样， 左右，最远监测距离 100 m。采用 IBIS-S 系统进行 一幅 SAR 图像采样时间 320 s ，系统持续运行 3 h 线形监测，系统从当天 10 h 48 min 开始连续采样， 1 min 7 s ，共得到 34 景 GB-SAR 复图像数据。试 采用动态监测模式，采样频率 200 Hz，持续 18 min 21 s 。设定的距离向分辨率是 0.75 m。在 50 到 80 验中设定的距离向分辨率是 0.77 m，方位分辨率是 4.38 mrad ，距离采样数 2 600 ，方位采样数 401 。 距离单元CRange Bin 每隔一个单元选 1 pixel ，得到 16 pixel 的变化情 况。图 5 为试验中心大楼一维动 酒店大楼表面像素单元如图 3 所示，其中图 3 Ca 和Cb 分别为经后期数据处理得到热信噪比图和 态形变监测图，其中图 5Ca 为雷达视场各距离单元 雷达视线向形变图。依据相位稳定性、连续性在 信噪比;图 5Cb 为选择的监测目标区域内距离单元 SAR 热信噪比图像上选择较为稳定的离散像素点， 信噪比。 MO--E----E-EO: ……-………-畏Tτ~…40 f;2噩噩噩-摩毒望11 j30 与 2:13 .., 800 !!I:3.…理哇JJ ~凶20 "" -20 骂~I??矗-岳重型圃，。全 -40 ~^-O -60 -20 0 20 840 r:户 83M' 820 川， e 810~斗- \B 2队、 800f 790f 7801 ' o 20 40 60 80 xlm b 图 3 酒店大楼表面 图 4 酒店大楼表面像素 图 5 试验中心大楼一 像素单元 点形变分析 维动态形变监ìY!~ 一维动态形变监测稳定距离单元的选择与分析 变大小均在1. 5 mm 以内。 如图 6 所示。其中，图 6Ca ~6Cd 分别为 57 、 71 、 4 结束语 79 号和其余选择的距离单元形变曲线。 57 、 71 号距 离单元的雷达视线向形变非常大，这 2 个距离单元 从上述二维和一维的形变监测试验可见，地基 可能存在着异常干扰，干涉结果不可靠。 79 号距离 SAR 不仅可以监测目标二维区的域微小形变，也可 单元在观测开始后 800 s 开始有轻微的变动，这可 以监测目标一维的实时形变。国内地基 SAR 的应 能是空调塑料管道位置变动等因素所致。其他选择 用尚处于初步阶段， 还有很多值得研究的地方。固 的距离单元均表现出良好的一致性，而且视线向形 定式轨道的地基 SAR 基线是零，不能得到观测区域 王 第 4 期 鹏等z 地基 SAR 干涉测量 原理及其形变监测应用研究 25 ê 吗 I 望。「-..-， r 卖 1 叫飞?二\| 召主 2000~ ………J 飞、、 1 54000l ~ ι----'- sω02doTto 600 800 o 200 400 600 800 1 000 采样时间 f s 采样时间 fs a b 声 叫 以 \ E E \ 帖 E 时 E 旧 2 , llLJA 」 4"""，L， ι 幽..;.....，....""斗」 h p ε 同 、 口 的 莲 0 ………………………… 。 的 :叫灿叫叫 J -21- o 200 400 600 800 I 000 o 200 400 600 800 1 000 采样时间 fs 采样时间 fs c d 图 6 一维动态形变监测稳定 距离单元的选择与分析 工业出版社，2004 的地形信息。若轨道的位置可以上下变动，形成基 [2J Leva D , Nico G , Tarchi D , et al. Temporal Analysis of 线并获取不同俯视角的目标区域图像，在已知雷达 a Landslide by Means of a Ground-based SAR Interfer- 基点的空间位置的情况下，便可以获取目标的高度 ometer[J]. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens , 2003 , 信息，生成 DEMo 不同区域不同时间的温度、湿度 4 1 4 : 745-752 和气压等外界气象因素不同，需要利用附近较为稳 [3J Pieraccini M , Casagli N , D Gluzi ,et al. Landslide Moni- 定连续的点进行环境改正，现有改正算法的合理性 toring by Ground-based Radar Interferometry: a Field 需要进行研究和讨论。普通的算法采用分布不均匀 Test in Valdarno CItaly [口， Int. J. Remote Sens , 2002 , 的离散的几个控制点进行环境改正很容易将实际的 24 6 : 1385-1391 形变作为环境影响剔除掉。一般算法直接采用临近 [4J Wehner D R. High Resolution Radar [MJ. Norwood , 原则选择控制点，即越近的点与当前像素的环境因 MA , Artech House , 1995 [5J Park J. Development of Microwave and Millimeter-Wave 素越接近，如何依据环境因素进行环境改正控制点 Integrated Circuit Stepped-Frequency Sensors for Sur- 的选取非常重要。 face and Subsurface Profiling[DJ. Texas: Texas A&M 类似于星载 SAR 影像处理技术，基于离散点目 University , 2003 标，或者叫永久散射体，分析技术可以应用于地基 [6J 焦明连，蒋延E 合成孔径雷达干涉测量理论与应用 SAR 进行小区域内的气象改正。对于点目标分析 [MJ. 北京:测绘出版社，2009 技术中 PS 点的提取算法，一般是采用振幅离散指 [7J Teza G , Atzeni C , Balzani M , et al. Groundcbased Mo- 数设定阔值进行选取。这种方法在处理地基 SAR nitoring of High-risk Landslides Through Joint Use of 复数图像中的合理性，以及地基 SAR 系统基于离散 Laser Scanner and Interferometric Radar[口， Int. J. Re 点目标分析技术的能否有效消除区域内的气象扰 mote Sens , 2008 ,29 6 : 4735-4756 动，主要是水汽，都是值得研究的方向。 口 收稿日期 :2011-11-29 。 第-作者简介:王鹏，博士生，主要从事星载 SAR、地基 SAR 干涉 参考文献 测量技术及其形变监测应用研究。 E-mail: geomaticpeter@ [lJ 张直中.星载和机载合成孔径雷达导论[M]. 北京z 电子 Ground-based SAR Interferometry Principles and Its Applications to Displacement Monitoring WANG Peng l ?2 ZHOU Xiao l ?2 1 School of Geodesy and Geomatics ,Wuhan University; 2 Laboratory of Precision Engineering and lndustrial Surveying of National Administration of Surveying , Mapping and Geoinformation ,129 Luoyu Road ,Wuhan 430079 , China Abstract: We describe the basic theoretical principles for ground-based SAR , including stepped- frequency continuous wave , synthetic aperture radar and interferometric measurement. The anal- 下转第 28 页 28 测绘信息与工程 第 37 卷 连续特性。该区域的高程方向数据场比平面方向数 征，将来可考虑选择相对复杂的模型用于高程方向 据场的相对变化更为剧烈和复杂。鉴于这种形态特 的拟合内插。 a b c 图 2 各方向格网可视化圈 [D]. 郑州: 解放军信息工程大学，2009 3 结束语 [3J 姜卫平，马强，刘鸿飞.CORS 系统中坐标移动转换方 法及运用[J].武汉大学学报??信息科学版， 2008 ， 33 将来构建大规模 CORS 甚至是国家级 CORS 8 :775-778 系统[7J 面临着大区域坐标转换问题，本文介绍的格 [4J 杨元喜，刘念.重力异常的一种逼近方法[J].测绘学报， 网转换提供了一种大区域快速高精度的转换方法。 2001 ,30 3 :192-196 针对常规的移动搜索二次曲面加权拟合方法的不 [5J 刘字，熊有 伦.基于有界 K-D 树的最近点搜索算法口]. 华中科技大学学报:自然科学版，2008 ， 36 7 :73-76 足。以基于 TIN 平面辅助近似实际数据场的研究 [6J 王显威，于小平，杨国东.高程异常出面拟合及规则格网 方法，对移动搜索拟合中的边缘点及近临点病态分 内插研究[JJ.城市勘测，2007 2 : 67-69 布问题进行了研究，当然其他函数模型或统计模型 [7J 陈俊勇，张鹏，武军邸，等.关于在中国构建全球导航卫 也可以借鉴优选。 口 星国家级 连续运行站系统的思考[J].测绘学报，2007 ， 参考文献 36 4 : 366-369 [lJ 罗长林.基于改进的高新牛顿法的非线性三维直角坐标 收稿日 期:2011-12-13 。 转换方法研究[J].大地测量与地球动力学， 2007 ， 27 第一作者简介:潘国富，主要从事 GPS 精密定位技术研究与软件 1 : 50-54 开发。 E-mail: blue.pan@163 [2J 郭充.面向 CGCS2000 的格网坐标转换方法及运用研究 Advanced Method for Grid ?ased Coordinate Transformation PAN Guofu BAO Zhixiong Guangzhou Hi-Target Navigation Tech Co. Ltd , 537 North Panyu Avenue , Guangzhou 511400 , China Abstract: A new TIN-bas巳d grid interpolation method is proposed for coordinate transformation of wide-area CORS. The method works well in case of grid edge interpolation or abnormal distri bution of known points. Experiment results show that the coordinate transformation result is ac curate and the improved strategy based on TIN is effective. Key words: CORS; grid coordinate transformation; GPS -?--?--?--?..-?--?--?--?--?--?--?--?--?--?--?--?--?--?-?--?--?--? --?-?--?--?--?--?--?--?--?-?--?--?--?--?--?--?--?--?--?--?--?--?--?..-?--?--?--?- 上接第 25 页 ysis of the measured monitoring data of a building structure in two-dimension and one-dimension shows the validity of ground-based SAR in ground deformation monitoring. We also make some preliminary look in applications and developments of ground-based SAR in future. Key words: ground-based SAR; stepped frequency continuous wave; synthetic aperture radar; in- terferometry; light of sight