FastGBSAR系统及其形变监测研究

(湖南科技大学资源环境与安全工程学院 湖南 湘潭 411100)

一、引言

地基合成孔径雷达(Ground-Based Synthetic Aperture Radar,GBSAR)差分干涉测量技术是近20年新发展起来的极具发展潜力的局部区域地表形变监测技术，其所使用的测量原理与星载SAR相似[1]。自1999年来，国外多家研究机构开展了有关地基SAR系统的研究，包括欧盟综合研究中心[2]、意大利的佛罗伦萨大学[3]、西班牙的UPC[4]、英国的Sheffield大学[5]等。其研究成果在实际变形监测中得到了成功应用。

与传统形变测量技术相比，如水准仪、GPS测量等，地基SAR系统优势对远距离、大范围、连续空间覆盖实时监测，而且重复观测周期短，空间分辨率高，测量精度可达毫米级；与星载SAR技术相比，安装灵活，具有获取数据的主动性，数据量充足。

本文主要通过分析地基SAR系统、雷达图像以及地形数据之间的相互关系，获取目标区的三维坐标，将沿雷达视线方向的形变信息进行三维可视化。

二、合成孔径雷达技术

只利用单一的距离测量不可能区分两个位于同一距离处的不同目标。但是如果联合所有在些许偏差位置获取的同一场景的具有相干性的距离测量结果，组成一个合成的长天线就有可能利用合成孔径雷达技术将获取的数据综合成二维图像。FastGBSAR系统利用雷达在平直轨道上滑行并发射和接收电磁波信号来合成孔径，提高了方位向分辨率δa。

(1)

其中，λc为雷达波长，L表示滑轨的长度。根据方位向分辨率，雷达影像的交叉距离向分辨率δcr被定义为：

δcr=δαr

(2)

三、形变三维可视化实现方法

FastGBSAR系统所观测的局部区域有自己独立的二维坐标系，数据影像中每一个像素可以由极坐标系中的极坐标(r,α)定位，坐标系的原点是雷达装置往返运动所在轨道的中心，极轴r是目标与原点之间的斜距，极角α是雷达装置与目标之间视线方向上的角度距离，向右为正。如图1所示：

图1 图像坐标系

图2 地基SAR观测几何模型

在不考虑参考趋势面及地面起伏影响的基础上，经投影变换将极坐标系中的斜距r转化为地距l，使二维斜距平面图像转换为二维地距平面图像，由于投影变换不改变角度大小，故二维地距平面图像的方位角α不变。如图4所示，O表示地基SAR系统所在位置，P表示目标点，OP为斜距，OP’为地距，OF为斜距OP同一方位角方向最短距离，∠POF是地基SAR与P点之间的方位角α，由投影原理可知地距平面图像的方位角∠P’OF’大小为α，θ为入射角。根据极坐标系与笛卡尔坐标系之间的转换关系式，将二维地距平面图像中所有像素的极坐标转换为笛卡尔坐标，其中坐标原点不变。

(3)

在研究区选择多个已知地方坐标的控制点，并在二维斜距平面图像中找到这些控制点相对应像素的极坐标，经简单几何变换得到在二维地距平面图像中相应的坐标值。利用控制点在已知地方坐标系XOY平面的坐标值和二维地距平面图像xoy平面的坐标值，选择四参数坐标转换法，建立坐标转换模型，将二维地距平面图像xoy平面转换到地方坐标系的XOY平面。选择两个或多个已知控制点，验证坐标转换精度，从而改进坐标转换模型。可以采用投影的方法，即地基SAR高程z坐标等于其像素点对应DEM中的高程值，即可把此高程值作为地方坐标系的Z坐标，这样便可得到沿雷达视线方向形变点的三维地方坐标，初步实现形变信息三维可视化。

四、结束语

地基合成孔径雷达差分干涉测量技术是一种新型的对地微变形监测技术。与其他地基合成孔径雷达系统相比，FastGBSAR系统采样间隔时间更短，采样频率更高，能够监测地表更快速的位移形变以及更高频率振动的物体，是极具发展潜力的地表形变监测系统。目前，利用地基合成孔径雷达干涉测量技术获取的是目标沿雷达视线方向的形变信息，对于如何获取地表三维形变信息，实现形变三维可视化以及利用该技术获取目标区的地形信息等问题还需要进一步深入研究。