In SAR角反射器在地质灾害监测中的制作与安装

侯跃强

（广州亚奥建设工程咨询有限公司 广东广州 510000）

1 引言

近年来，中国由于地质灾害包括山体崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂缝、地面沉降等与地质作用有关的灾害造成重大人员伤亡的事件愈发频繁。联合遥感和合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)技术的地质灾害隐患普查技术具有实时、高效、覆盖面积广的优势[1-3]，已成为重大自然灾害调查分析和灾情评估的一种重要技术手段。然而，在利用InSAR进行地质灾害排查时，由于该技术生成的干涉点数量有限[4]，在实际作业中存在不能完整覆盖地质灾害范围的缺陷，在数据采集前需要在树林覆盖率较大的山体布设角反射器以增加其反射效果。因此，如何在监测区域方便、高效的布设角反射器成为InSAR监测工序中的关键工作。

下面对角反射器的技术安装需求以及角反射器从机械设计到加工制作、安装的工艺流程进行了详细的介绍。

2 角反射器技术要求

为了对ALOS-2和Sentinel-1雷达卫星的时序SAR进行分析，对应参数见表1，需要在目标监测区布设角反射器，角反射器安装必须满足以下技术要求[5-7]：

表1 InSAR卫星传感器主要参数表

（1）角反射器底边与SAR卫星飞行方向平行

根据订购的卫星数据轨道倾角和获取模式(升降轨)调整角反射器的朝向和底边方位角，使角反射器底边与卫星飞行方向平行。升轨时开口朝北，降轨时开口朝南，求底边方位角的公式[7]为：

其中为角反射器底边与北方向夹角（方位角），为卫星轨道倾角，为反射器安装地点的纬度，顾及外业操作情况，实际有效读数到0.1°。

（2）SAR卫星雷达波入射方向与角反射器的法线方向平行

布设的角反射器满足SAR卫星雷达波入射方向与角反射器的法线方向平行这一条件时，角反射器的反射截面最大。由于角反射器三面是边长相等的等腰三角形构成，其法线方向与地面夹角可用数学方法[7]推算得到一个固定值35.3°，当订购的SAR卫星数据确定后，其入射角为固定值，就可根据其入射角调整角反射器的仰角。文中用表示卫星过境当地时的入射角，求取角反射器仰角的公式[5]为：

其中φ为角反射器仰角，ω表示卫星过境当地入射角

3 角反射器制作与安装技术流程

常用的角反射器包括二面和三面，其中三面包括三个圆心角为90°的扇形、三个正方形、三个等腰直角三角形，文献[8-9]已对三角面(三个等腰直角)反射器做出了具体分析，表明当入射角度变化时，三角面角反射器的雷达截面积（Radar Cross Section，RCS）减缩速率最小，在较大的角度范围内可以获得较大的回波功率。顾及到雷达角反射器制作材料要求多采用金属材质，表面反射性强、平整度好，因此采用铝合金材料进行制作，下文详细展示机械设计及外业安装流程。

3.1角反射器制作

采用三面型的三角锥型铝板材质作为角反射器材料，具体制作工艺流程如下：

（1）三角锥反射板分别采用直角棱边长为1米、1.2米、1.5米的等腰直角三角形（如图1）铝合金板，厚度为3毫米；

图1 角反射器结构设计图

（2）三块反射板保持平整，两两之间严格垂直；

（3）铝合金板内表面贴上塑料薄膜保持在运输途中内表面整洁、光滑，不易被污渍、油漆等物弄脏而影响反射效果；

（4）为了保护铝质反射板，本次采用6根角钢铁焊接为一个整体，用铆钉进行加固，保证角反射器在野外不会受大风、积雪等破坏。

（5）角反射器底板直角顶点处预留小孔用于排水。

3.2支架制作

为便于角反射器安装时能够进行方位角和仰角调整，同时顾及后期在野外仍然需要对方位角和仰角方向进行微调，并要保证其具有相当的稳定性，在有大风的时候也不会发生偏转，本次角反射器支架采用钢质材料进行制作，并对物理设计进行优化，具体制作工艺流程如下：

（1）为便于安装和加工，支架加工规格相同，均采用钢质材料，确保角反射器安装后能长期稳固。

（2）为实现方位角调整，底部采用直径16mm的圆钢制作直径分别为1.7m、1.4m的两个圆环，在圆环的四分之一处进行焊接，使得圆环可以在相邻焊接区间内进行水平方位角90°范围内调整。

（3）为实现仰角调整，支架设置三个竖向支柱，其中两个长度固定，第三个支柱对应角反射器的直角顶点处，该处采用活动开口设计，可实现自由伸缩，然后以铆钉加垫片方式保证固定螺丝稳定，这样可实现两端固定第三个支架自由活动的联动设计，本次设计预留4个活动开口，可实现角反射器在垂直方向15°范围内调整，整个支架的机械设计图如图2所示：

图2 机械设计图

3.3角反射器安装

角反射器需要安装在固定的基座上，基座采用现场浇筑成方形水泥基座的形式，角反射器安装在此基座上。为能够尽可能精确调整角反射器方位角和仰角，采用经出厂检验合格的数字显示量角器对角度进行调整。具体安装步骤如下：

（1）利用指北针确定北方向在水泥底座表面画黑线标记；

（2）利用数字显示量角器调整到需要旋转的角度，在水泥底座表面画线标记，保证数字显示量角器使用前严格置零；

（3）将角反射器支架和角反射器半固定，转动角反射器支架直至角反射器棱边与预先标记位置完全重合，紧固预埋件螺丝，方位角调整完毕；

（4）利用角反射器底面直角顶点支柱伸缩进行仰角调整，使角反射器开口等边三角形所在面与铅锤方向夹角为“90°+设计仰角”；

（5）检查螺丝固定情况，完成外业安装。

4 角反射器外业应用

根据项目实施方案，计划布设适用ALOS-2和Sentinel-1雷达卫星的角反射器共计80个，其中升轨42个，降轨38个。对80个点位进行实地踏勘，其中有33个点由于设计范围内无法安装或者存在较大安全隐患，故扩大设计范围进行安装，其余47个点全部安装在设计范围内，由于篇幅限制，仅列举其中的5个角反射器方位角和仰角参数，如下表2所示：

表2 角反射器安装主要参数表

外业实际操作中，先后进行底座浇筑、固定支架、角反射器安装、入射角调整、固定整个角反射器等步骤，过程照片如图3所示。其中图3（a）为底座浇筑照片，其中的4个固定螺丝需根据支架底座圆环预先设计好位置，支架底座的双圆环可嵌套在其中90°范围内自由旋转，本次根据设计的角反射器朝向转动支架使之满足要求即可；图3（b）为角反射器入射角调整照片，根据点位设计的入射角值，使量角器的两边分别平行于垂线与角反射器开口面斜线方向，再调整角反射器直角顶点处的的活动螺丝孔位置，重复多次后可使角度达到要求参数值；图3（c）为安装完成后的角反射器照片，通过一系列的部件固定安装、参数调整后，完成角反射器外业安装的整个流程。

图3 角反射器外业安装示意图

5 结束语

角反射器的正确安装，不仅可以增强SAR卫星的数据利用率，还能提高对地面目标的辨识度。本文对InSAR角反射从机械设计到现场安装进行了详细的介绍，通过外业实际摸索，探索出如何能在外业快速安装角反射器，并满足其能随着SAR卫星入射角的变化对地面的角反射器进行方位角和俯仰角调整的工艺流程。设计的角反射器能够满足在水平方向90°、垂直方向15°范围内的灵活调整，这一设计基本可以满足大部分SAR卫星的入射角调整的应用需求，该工艺流程可以很好地为今后的工作提供借鉴和帮助。