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科普︱合成孔径雷达干涉——地形及形变的太空量尺

2022-05-03 12:19

来源：澎湃新闻·澎湃号·政务

1. 合成孔径雷达

合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）是一种能够产生高分辨率图像的雷达系统。SAR来源于雷达，但与雷达又有所区别。大家熟知的雷达一般指地面雷达，它起源于一战时期，可以利用天线对目标发射和接收脉冲，从而根据脉冲时间间隔测算目标距离。这种雷达可以精确测距，但是无法精细成像。

为了完成对地观测使命，雷达逐渐发展出了成像能力。初期的成像设备使用的是真实孔径雷达，与合成孔径雷达不同的是，其孔径大小即等同于天线长度。而孔径大小决定了可以收集的能量大小，孔径越小，能量越小，分辨率就越差。这也决定了真实孔径雷达的分辨率不会太高，例如陆地探测一号卫星，如果达到3m分辨率，就需要使用数十公里长的天线，这显然不现实。而9m的天线长度，仅能达到数十公里的分辨率，这种分辨率显然也无法满足对地观测需求。

合成孔径雷达使用了“虚拟”的天线长度。在卫星飞行过程中，从很远处就能探测到目标，而飞行一段时间后，目标才会从观测区域中彻底离开。在这段观测时间内，卫星从不同位置发射一系列脉冲信号，将这一系列脉冲信号组合起来，就相当于这些信号是从一个很长的孔径发射出来。这种通过小天线合成一个等效“大天线”的过程就是“合成孔径”，而合成孔径雷达就是把小天线从不同位置接收的回波信号经过组合处理，将数米的真实天线长，合成为数公里的虚拟天线长，从而获得较高分辨率成像雷达（图1）。

图1 合成孔径雷达示意图

2. 合成孔径雷达干涉测量

合成孔径雷达干涉测量（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)是最具潜力的空间对地观测技术之一，是对SAR技术的一种扩展，其工作原理是利用SAR对相同地区拍摄两幅影像（图2），经过干涉获得该区域的干涉条纹图，干涉条纹图中则包含该区域的地形信息。

图2 InSAR示意图

干涉的概念来自于双缝干涉实验。图3中木板两条细缝的间隔如同图2中两颗卫星的距离，利用同一个光源照向木板的两条细缝，能够发现光穿过木板的两条细缝之后会在光屏上生成许多条纹，并且这些条纹是明暗交替的，我们将这种现象称为干涉现象。因此，两颗卫星对同一目标区域的拍摄也会产生干涉现象。

图3 双缝干涉实验

对比双缝干涉实验可以发现，InSAR与双缝干涉存在极大的相似之处。图3中的两条干涉缝等同于两颗SAR卫星，承影面即为卫星将要拍摄影像的目标区域，两颗卫星分别对同一目标区域发射具有周期性且频率相同的电磁波，经过干涉处理，就会得到包含目标区域地形信息的干涉条纹图（如图4）。通常，原始干涉条纹中的平地效应会掩盖地形信息，去除干涉条纹图中的平地效应便可获得仅包含地形信息的干涉条纹图（图5）。干涉条纹中包含了地形信息，此处一个条纹变化包含了接近50m左右的高程变化。

图4 干涉条纹图

图5 地形条纹图

图6 条纹图对应的真实光学影像

3. 合成孔径雷达差分干涉测量

合成孔径雷达差分干涉测量（Differential InSAR，DInSAR）技术是InSAR技术的延伸，它通过2景SAR影像联合外部地形数据来获取地表的微小形变。差分干涉图是由两景不同时间获取的SAR影像组成，假如在这段时间内地表发生了形变，如图7，差分干涉图中将会记录相关的信息。DInSAR技术对形变极为敏感，对于陆地探测一号卫星来说，一个条纹变化接近12cm左右的形变变化。可见同为条纹，InSAR测地形的条纹，与DInSAR测形变的条纹，对地表信息的刻画程度有着数量级的差异。

图7 差分干涉形变测量示意图

DInSAR技术能够反映地表形变的空间分布特征。发生地震时，地震同震形变就会在差分结果中表现出来（图8），矿区开采过程中也会带来地表形变（图9），同样的，滑坡、泥石流、火山喷发等地表形变信息均会在DInSAR结果中有明显表现。DInSAR的这种能力，使得它在大范围形变监测以及形变信息普查中具有极大优势，可以为地质灾害早期监测、防灾减灾、地震监测等提供可靠的技术支撑。

图8 门源地震形变图(李振洪等，2022)

图9 大同市云冈区矿区形变图

4. 合成孔径雷达时序差分干涉测量

DInSAR处理过程中会受到各种误差的影响，因此虽然可以进行形变普查，但由于形变精度有限，无法细致描绘形变在时间序列上的变化情况，因而在形变的监测预警中存在一定不足之处。为了克服这种缺陷，研究人员提出了时间序列上的多影像建模分析技术，也有人称之为合成孔径雷达时序差分干涉测量，或简称时序雷达干涉(Multi-Temporal InSAR, MTInSAR)技术。这种技术使用极为稳定的永久散射体（Persistent Scatterer, PS）点进行形变信息提取（图10），能够提高形变反演精度。PSInSAR是一种典型的时序InSAR技术，其基本原理如图11所示，是对一系列不同时期、覆盖同一区域的SAR图像进行DInSAR处理，随后利用各种信号处理和差分测量技巧，最终提取到所需的地表形变信息的技术。