圆弧式合成孔径雷达的精度测试试验

黄毅，杜年春，沈向前，谢翔，傅泓鑫，朱洁霞

(1.中国有色金属长沙勘察设计研究院有限公司，湖南 长沙 410007；2.湖南省矿山安全智能化监控技术与装备工程技术研究中心，湖南 长沙 410007；3.长沙市工程灾害智能监控与防治工程技术研究中心，湖南 长沙 410007)

自然界中存在各种不同的地质构造、特殊的地形地貌和不利的地层性状等，在自然降雨、地震和人为破坏等因素下，很容易诱发地质灾害；现在地质灾害已成为人类生存和生产的威胁因素，为确保人民生命和财产安全，我们应对各种地质灾害危险源进行在线安全监测，实时反映危险源的安全状况，及时发现危险源安全隐患，并及时准确发布安全预警信息，管理单位能对危险信息进行及时了解，针对危险及时整改处理，将危险扼杀于苗头，避免危险发生。切实实现“安全第一、预防为主、综合治理”的目标。地质灾害在线安全监测系统是一种有效执行预防为主措施的主要手段[1]。

传统的形变监测手段包括全站仪[2]、GNSS卫星定位技术[3]、拉线位移计、激光扫描[4]、摄影测量等手段。全站仪的优点是测量距离远、精度高，能准确提供绝对形变信息，但受环境干扰大，每次只能监测一个点，且需要布设光学棱镜；GNSS也有同样的问题，每个只能对单点目标进行监测，反映的情况过于片面，只能达到管中窥豹的效果；摄影测量和三维激光扫描可以实现全面监测，但测量距离短，分辨力随着距离增加而降低，设备的使用也受气候环境等外在因素的影响，很难做到实时在线监测。

与传统测量监测手段相比，圆弧式合成孔径雷达是一种大范围、高频次、高精度的表面位移监测设备。该系统具有监测范围广、非接触式、耐候性强、监测距离远、高精度的特点；完美地适用于通视环境的大面积采场边坡、坝体、堆场等大型场景的形变监测[5]。

1 圆弧式地基雷达系统

1.1 雷达系统技术原理

圆弧式合成孔径雷达监测形变的两个主要技术为合成孔径技术、步进频率连续波和差分干涉技术。

圆弧式合成孔径雷达的摆臂通过旋转、圆弧运行轨迹，在空间上形成合成孔径，为提高对监测面的分辨能力，聚焦过程中在起始和结束阶段都会扩大积累角的运行范围。该过程会将雷达积累角的回波信号进行聚焦，为后续分析提供高清晰度的散射图。

合成孔径与真实孔径的区别在于，合成孔径能通过雷达与目标的相对运动将尺寸相对较小的真实天线孔径利用数据处理的方法合成远大于真实孔径的等效天线孔径，从而提高雷达对目标的分辨率。设电磁波在真空中的传播速度为c，雷达天线发射信号的脉冲宽度为B，则在距离向分辨率δr为：

(1)

雷达发射的电磁波波长为λ，雷达运动的等效孔径长度为L，则角度向分辨率为：

(2)

通过距离向分辨率和角度向分辨率，将监测区域分割成一个个扇形的监测单元，圆弧式雷达的监测单元如图1所示[6]。

图1 圆弧式雷达的监测单元

由式(1)可知，距离向分辨力取决于雷达的脉冲宽度，为提高距离向分辨率，则脉冲宽度需尽可能地短，但短脉冲会导致信号衰减，不能达到理想的回波信号强度。为解决信号衰减不能提供理想回波信号的问题，引进步进频率连续波技术，步进频率连续波是雷达的发射波，为一串连续的窄带脉冲信号，各个脉冲间的脉冲宽度通过固定频率增加。回波雷达信号采用的为各个脉冲的中心频率速度。对每个脉冲的正交分量进行频谱分析，相位校正和幅度变化，并进行离散傅里叶变换，形成距离向。对N个脉冲串进行处理即可得到高分辨率的距离向。设雷达连续发射N个再带脉冲τ，步进带宽为ΔB,则带宽B如式(3)[7]。

(3)

雷达接收到的信号中每一个点的数据均为复数，其中实数部分为幅度值，可以解译图像场景，虚数部分为相位值，可以获取形变信息。相邻两幅图像进行复共轭相乘，即可以实现差分干涉处理。理想状态下，差分干涉相位Δφ与视线方向的形变量ΔR呈线性相关，其关系可表示为式(4)。设λ为雷达波长，R为雷达到目标的距离[8]，则：

(4)

相位干涉测量原理如图2所示。

图2 相位干涉测量原理

在实际应用中为排除外部及气象干扰等因素导致的误差，还会对数据进行气象校正。

1.2 信息处理总体流程

本系统的雷达信息处理流程主要包括原始雷达数据输入，脉冲压缩、实孔径成像、图像配准、图像相干、干涉图滤波、相位解缠、大气相位校正、地形高程估计、边坡形变估计等步骤[9-10]，其流程如图3所示。

1)脉冲压缩是本雷达系统信息处理的基础，通过脉冲压缩技术将雷达回波信号处理成窄脉冲形式，从而提高回波信噪比，实现更高的距离分辨率。

2)ArcSAR雷达是将雷达置于转台上，通过雷达的运动在空间上形成合成孔径，以提高雷达的方位向分辨能力。聚焦成像过程就是将雷达积累角范围内的回波信号进行聚焦，形成高分辨的雷达图像，其过程包括距离维脉冲压缩、残余视频相位补偿和方位压缩。

3)图像配准是本雷达系统信息处理的关键步骤之一，也是生成干涉图像的基础。通过将前后两幅影像中代表相同地物的像元匹配到同一位置，并且利用同一位置处的两幅图像重叠的相位信息来计算两幅图像的相干值。通常情况下包括图像匹配、仿射变换和图像重采样等步骤。

4)图像相干是在图像配准之后利用雷达图像数据生成高质量的干涉图，为之后的相位解缠做准备，具体实现为将配准后的两幅图像进行共轭相乘生成干涉图，根据相干性理论计算生成相干图。

5)由于噪声的存在，干涉图的干涉相位容易出现斑点噪声，斑点噪声是一种乘性噪声，在生成干涉图后可以通过多种方法来滤除斑点噪声。

6)相位解缠是根据滤波后的干涉图来获取真实的干涉相位的过程，也是本雷达系统信息处理的关键步骤之一，其准确性直接影响雷达的形变测量结果。常用的相位解缠方法有路径跟踪法、最小二乘法、边缘分析或区域分割法以及最优估计法等。

7)由于大气中的不均匀介质对微波的传播路径和方向造成干扰，产生大气相位，该相位误差会在干涉处理过程中传播，形成大气效应，从而对干涉结果造成严重的影响，必须对大气相位进行校正。

8)差分干涉形变测量，对干涉图两两进行差分处理，可以获得不同时刻距离向变化的相位值，把差分获得相位转换为距离值，就可得到位移量。

2 测试与分析

2.1 雷达主要技术指标

本次选用雷达型号为中国有色金属长沙勘察院自研的Online SAR 2000，雷达布设如图4所示。

雷达工作波段为Ku波段，工作频率为24.05～24.25 GHz，设备主要技术指标如表1所示。

2.2 测试场地及布设

本次测试场地选择石灰石矿采空区，测试天气：雨，气温为17～20 ℃。选择地质条件相对稳定处安置Online SAR 2000雷达，在监测坡面上两处(设为A、B点)设置连接千分尺的角反射器，连接千分尺的角反射器如图5所示，角反射器能提供高能量的发射回波，便于跟踪点位进行测试。其中千分尺精度为0.000 1 mm，能控制角反射器前后精准移动。

表1 雷达主要技术指标

图5 连接千分尺的角反射器

2.3 测量方法

A、B角反射器与雷达斜距分别为567 m，495 m。A角反射器每次移动2 mm(因千分尺行程限制，A角反射器采用先前进再后退的方式进行位移，每次转向停顿一帧测量作为标记)、B角反射器每次移动1 mm，采用Online SAR 2000雷达进行连续观测并记录。通过测量结果与实际角反射器的位移距离进行比较，获得雷达监测精度的实际误差。

2.4 测量结果

雷达设置角度向扫描范围为20°～220°，积累角两边各50°，扫描频次2 min/次，距离向扫描范围为10～800 m。总共测试帧数为30帧，其中A角反射器获得有效测量帧为29帧，B角反射器获得有效测量帧为23帧。

雷达散射如图6所示，成图清晰，特征点明显，能够全面监测被测坡面的整体形变。

图6 监测体散射图

A角反射器测试单次形变如图7所示(因千分尺行程限制，A角反射器采用先前进再后退的方式进行位移，每次转向停顿一帧测量作为标记)，形变误差如图8所示。

图7 A角反射器单次形变

图8 A角反射器单次形变误差

B角反射器测试单次形变曲线如图9所示，单侧形变误差如图10所示。

图9 B角反射器单次形变

图10 B角反射器单次形变误差

3 结论

通过对地基圆弧合成孔径雷达Online SAR 2000进行测试，结果显示该雷达反射回波能反映整体地形轮廓，能实现坡面的整体监测；根据统计结果计算，该雷达测量中误差为：±0.08 mm。相较于传统手段，该圆弧合成孔径雷达具有监测面广的优点，可实现扫描区域的全覆盖、无遗漏；其监测精度明显高于传统手段；监测频率高；耐候性强，天气等外在因素对其造成的影响小。