文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.09.022
中文引用格式： 蔡永俊，張祥坤，姜景山，等. 地基差分干涉微形變監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(9)：82-84，91.
英文引用格式： Cai Yongjun，Zhang Xiangkun，Jiang Jingshan，et al. Micro-deformation detection experiment system by ground based differential interferometry[J].Application of Electronic Technique，2015，41(9)：82-84，91.
0 引言
地表、建筑物、橋梁等目標(biāo)的形變是由自然或人為引起的一種變形現(xiàn)象，當(dāng)其形變到達(dá)一定程度，會(huì)引起諸如地面沉降、建筑物坍塌等嚴(yán)重后果。常見(jiàn)的形變監(jiān)測(cè)手段按其工作原理和特點(diǎn)可以分為兩類(lèi)：第一類(lèi)是測(cè)量單點(diǎn)的形變，通過(guò)單點(diǎn)的測(cè)量估算整個(gè)目標(biāo)區(qū)域的形變信息。常見(jiàn)的有水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、GPS測(cè)量?jī)x等，這類(lèi)技術(shù)也是目前應(yīng)用最為廣泛的監(jiān)測(cè)手段。第二類(lèi)是直接進(jìn)行平面測(cè)量，這種方法不僅能獲取高精度的目標(biāo)區(qū)域形變量，還可以得到形變趨勢(shì)等信息。這種監(jiān)測(cè)技術(shù)以SAR差分干涉測(cè)量為代表[1]。其相對(duì)于傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法，具有監(jiān)測(cè)范圍更廣、不受大氣條件的影響、采樣率高且監(jiān)測(cè)過(guò)程完全自動(dòng)化等優(yōu)勢(shì)，成為監(jiān)測(cè)冰川、滑坡、大壩等復(fù)雜區(qū)域的重要支撐手段。
SAR差分干涉測(cè)量按平臺(tái)分為星載、機(jī)載和地基（Ground Based）三種，其中GBSAR與前兩者相比，具有以下優(yōu)勢(shì)：(1)提供了一種靈活、可操作性更好的方式來(lái)對(duì)大區(qū)域進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)[2]；(2)GBSAR差分干涉測(cè)量的精度可以達(dá)到毫米級(jí)甚至亞毫米級(jí)，具體取決于回波信號(hào)的強(qiáng)度以及目標(biāo)距離的遠(yuǎn)近[4]；(3)重復(fù)觀測(cè)周期短，可以在幾分鐘甚至幾秒鐘就監(jiān)測(cè)完整個(gè)區(qū)域[2]。在測(cè)量方式上，GBSAR采用零基線重復(fù)軌道干涉測(cè)量，即在同一個(gè)位置對(duì)目標(biāo)進(jìn)行重復(fù)成像[3-5]。
自2003年歐盟綜合研究中心（JRC）利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）搭建出最早的采用步進(jìn)頻連續(xù)波（SFCW）體制的GBSAR系統(tǒng)（LISA系統(tǒng)）以來(lái)[3]，之后的十幾年里，許多公司和大學(xué)也對(duì)GBSAR展開(kāi)了相關(guān)研究[6-9]。
本文首先分析了GBSAR差分干涉測(cè)量的成像幾何，給出了其形變監(jiān)測(cè)模型。在此基礎(chǔ)上利用Agilent矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與滑軌搭建起的系統(tǒng)進(jìn)行了吸波材料的微形變差分干涉測(cè)量實(shí)驗(yàn)。將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量S參數(shù)的接口與X波段天線相連，并通過(guò)其在滑軌上的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)方位向的合成孔徑并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像及差分干涉測(cè)量。通過(guò)對(duì)目標(biāo)的干涉相位進(jìn)行成像，發(fā)現(xiàn)其對(duì)毫米級(jí)的形變有顯著的分辨，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的形變監(jiān)測(cè)能力。
1 GBSAR差分干涉成像幾何
GBSAR通過(guò)天線在方位向的運(yùn)動(dòng)來(lái)合成孔徑，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)局部觀測(cè)區(qū)域的二維分辨成像。通過(guò)對(duì)目標(biāo)的重復(fù)合成孔徑觀測(cè)，取其相位變化，就可以得到其形變值。其基本成像原理如圖1所示。
圖1 GBSAR成像幾何
如圖1，GBSAR的軌道方向?yàn)閥方向，合成孔徑長(zhǎng)度為L(zhǎng)，GBSAR平臺(tái)相對(duì)地面高度為H，觀測(cè)范圍ABDC。
歸一化發(fā)射電場(chǎng)，目標(biāo)散射場(chǎng)可以表示為，
這里![MBDES22B]5ENQGG9%O(301W.png](http://files.chinaaet.com/images/2017/01/12/6361982349593553856732284.png "MBDES22B]5ENQGG9%O(301W.png")
是視向形變量，根據(jù)上式可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)兩次測(cè)量的相位變化就可以得到目標(biāo)的視向形變量。接下來(lái)要通過(guò)視向形變量得到目標(biāo)的實(shí)際形變量。如圖2所示，假設(shè)目標(biāo)區(qū)域在方位向形變了微小的距離![4%9LN[V$4RAQTKX7`S]BT_M.png](http://files.chinaaet.com/images/2017/01/12/6361982352725753859345870.png "4%9LN[V$4RAQTKX7`S]BT_M.png")
，則根據(jù)其所在的斜面可以得到其與R1、R2及與R1夾角![4%9LN[V$4RAQTKX7`S]BT_M.png](http://files.chinaaet.com/images/2017/01/12/6361982354488453854757700.png "4%9LN[V$4RAQTKX7`S]BT_M.png")
的幾何關(guān)系如下：
圖2 目標(biāo)微動(dòng)成像幾何
對(duì)于式(8)，它的解一方面可以通過(guò)泰勒展開(kāi)取一階近似，一階近似隨后會(huì)被證明為就是平行幾何近似；另一方面可以求解該二元一次方程得到其精確解。
1.1 平行幾何近似
首先將式（8）表示為如下形式：
考慮到
，因此在泰勒展開(kāi)時(shí)可以予以忽略，忽略高次項(xiàng)的影響，對(duì)該式進(jìn)行泰勒展開(kāi)得:
因此有：
圖3 平行幾何近似
可以看到，式(11)與式(12)一致，因此一階近似也就等同于平行近似。當(dāng)目標(biāo)與發(fā)射源距離較遠(yuǎn)時(shí)，可以近似地認(rèn)為兩次雷達(dá)發(fā)射的波互相平行，因此該近似適用于遠(yuǎn)場(chǎng)情形。
1.2 精確幾何
將式(8)表示為：
由圖4可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)斜距較小時(shí)，平行近似和精確解之間的誤差較大，而當(dāng)斜距逐漸增大時(shí)，兩者之間的誤差逐漸減小。因此平行近似適用于遠(yuǎn)場(chǎng)條件，而精確幾何并不存在條件限制。
圖4 平行幾何與精確幾何之間誤差
2 微形變差分干涉測(cè)量實(shí)驗(yàn)
成像場(chǎng)景可以描述為：將三塊吸波材料依次放在地面上，首先對(duì)該場(chǎng)景進(jìn)行一次成像；然后，在徑向向相反方向移動(dòng)兩邊的吸波材料5 mm，再次對(duì)其成像。試驗(yàn)參數(shù)為：載頻10 GHz，帶寬4 GHz，步進(jìn)頻率400 kHz，方位采樣間隔5 mm，合成孔徑長(zhǎng)度2.5 m。
首先對(duì)兩次觀測(cè)的目標(biāo)進(jìn)行合成孔徑成像，其距離向分辨率為：
通過(guò)目視很難分辨出兩次吸波材料毫米級(jí)的變化，但是利用差分干涉測(cè)量的手段，首先對(duì)兩個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行合成孔徑成像，并令兩者信號(hào)共軛相乘取其相位，其相位成像結(jié)果如圖5所示。因此可以很好地將兩次吸波材料的位移變化分辨出來(lái)，并且還可以利用相位的變化估計(jì)其精確的形變量。
由圖5可計(jì)算得到相位均值偏移為1.2 rad，因此可以根據(jù)式(7)得到兩次觀測(cè)的視向形變分量為：
圖5 差分干涉測(cè)量的相位圖
![_7ZIB(MJ}%I5J_HHMS]8%LS.png](http://files.chinaaet.com/images/2017/01/12/6361982390778453858273402.png "_7ZIB(MJ}%I5J_HHMS]8%LS.png")
通過(guò)測(cè)量得到角度?酌=127°，場(chǎng)景的斜距在1.7 m～2.11 m之間，采用平行近似式求得形變量為4.752 mm，而利用二元一次方程精確解式，求得形變量在4.745 mm～4.747 mm之間，通過(guò)相位變化計(jì)算得到結(jié)果和實(shí)際測(cè)量結(jié)果的誤差大約為5%。
理論上形變量和測(cè)量值應(yīng)該精確符合，而事實(shí)上實(shí)際測(cè)量本身就不能保證吸波材料的偏移精確到5 mm，而且角度的測(cè)量也會(huì)存在些許誤差，綜合考慮之下達(dá)到亞毫米的精度比較困難。而根據(jù)圖5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于5 mm的形變其相位有非常明顯的變化，事實(shí)上也驗(yàn)證了地基差分干涉測(cè)量的有效性和準(zhǔn)確性。
3 結(jié)論
GBSAR差分干涉測(cè)量技術(shù)具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、范圍廣、重復(fù)觀測(cè)周期短、靈活、可操作性好等優(yōu)點(diǎn)，有著良好的應(yīng)用前景。為了驗(yàn)證GBSAR差分干涉測(cè)量的方法和性能，首先建立了干涉相位和目標(biāo)視向形變分量之間的聯(lián)系，并結(jié)合平行幾何近似和精確幾何近似建立了視向形變分量和實(shí)際形變分量之間的幾何模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了該差分干涉測(cè)量方法的有效性和可行性。
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