理论教育 InSAR技术的研究进展

InSAR技术的研究进展

时间:2023-06-18 理论教育 版权反馈
【摘要】:2011年Martinerie和Prescott推出了轮状InSAR计划和星座计划,2001年Ferretti提出了地球同步轨道SAR概念模型。20世纪后期,InSAR在变形监测应用方面表现出其独有的优势,推动了该技术不同搭载装置的成功研制,包括:星载、机载、地面移动平台等。世界各地研发工作站人员分别成立SAR研究小组,大大提高了SAR技术的发展速度。2008年Perna使用机载InSAR实现变形监测。GBSAR监测技术相对较新,主要用于变形监测,用于提取DEM的实验较少。GBSAR的研究近几年在国内才开始发展,GBSAR研究理论

InSAR技术的研究进展

雷达刚开始是服务于军事的,它是以极坐标形式来表示斜距和方位平面的显示器,通过固定天线来探测飞机和船只等目标。侧视雷达(Side Looking Radar,SLR)是将传感器装载到移动平台上,实现对地目标观测成像,分辨率达到数十米级,但其主要服务于军事,限制了其发展。雷达的空间分辨率与雷达的天线成正相关,而真实孔径雷达受到天线尺寸的限制,因此之前雷达的空间分辨率比较低。随着预告科学技术的发展,美国国防部下属的研究机构融合合成孔径和脉冲压缩技术研制出合成孔径雷达,同时也让雷达遥感成为对地观测领域热点之一。在20世纪80年代中后期,随着东西方冷战的结束,主要服务于军事的SAR技术开始渐渐转入民用领域,加速了学者们对其的研究。Cauley等(2014)学者利用SIR-A对埃及和苏丹交界处沙漠的穿透能力进行试验,确定了沙漠覆盖下的古河道,开创了雷达在地质应用的新领域,引起了其他学者对雷达遥感的兴趣。随着SIR-B,SIR-C/X-SAR,Radarsat计划的成功执行,雷达遥感在测绘农业林业、地质等许多领域充分展示了其应用潜力。

雷达干涉测量最初是对行星和月球表面进行测绘,1965年美国喷气推进实验室(JPL)的Goldstein开始对雷达干涉测量进行研究。1969年雷达干涉测量用于对金星的测图计划,1972年成功提取了月球表面的高程面,随着该技术的迅速发展,学者们将其延伸应用于对地观测领域。1974年Graham第一个完成了机载干涉雷达用于地形测绘的实验。1986年Zebker和Goldstein第一次完成了JPL的机载系统实验。一个个实验的成功掀起了学者们对雷达干涉测量的研究热潮。1987年Goldstein提出单轨纵向干涉方案以及对其的实验论证,该技术的天线之间的基线很小,导致获取的两幅影像差别不大,仅有微小的相位差别。然而正是这微小的相位差别引起了广大学者的注意,学者们根据相位在微妙的时间内微小的变化,反演了雷达影像中像素的微小波动,这同时透露了InSAR在目标运动速度中的敏感性。该技术可以被应用于提取海洋洋流的重要信息。传统的雷达干涉影像因其极化方式、波段较少等原因,研究学者们不能通过影像的反射特性探测地表地物的特性,因此发展多波段、多极化的干涉能力是当前雷达干涉测量的发展趋势。1997年Forster利用极化数据推导出地形坡度和高程,1998年Cloud提出极化雷达干涉测量,用于提高雷达干涉测量的性能。2011年Martinerie和Prescott推出了轮状InSAR计划和星座计划,2001年Ferretti提出了地球同步轨道SAR概念模型。

20.纪中期,USA成功研制出星载SAR技术,该技术开始服务于军方,后面慢慢转为民用,例如:导航定位、空中交通天气预报、地球观测等,拉开了全球学者们研究SAR技术的帷幕。20世纪后期,InSAR在变形监测应用方面表现出其独有的优势,推动了该技术不同搭载装置的成功研制,包括:星载、机载、地面移动平台等。世界各地研发工作站人员分别成立SAR研究小组,大大提高了SAR技术的发展速度。1999年Rudolf,Tarchi研制出地基遥感成像系统,20世纪后期,基于地面移动平台的SAR装置被研制出来,人们开始将其应用到大坝、桥梁、高层建筑物等变形体中来验证该装置的有效性和可靠性。Italy雷达系统研究团队和IDS研发中心共同研发了图像干涉系统(Image by Interferometric System,IBIS),该系统采用高频线性测量,主要适用于建筑物、滑坡、桥梁等变形监测,该系统为GBSAR技术装置的控制中心,可以实时控制监测平台和后续雷达影像数据处理。接着Farrar(2010)利用GBSAR技术中的高采样率、高精度的IBIS-S装置完成对变形体模拟振动试验,同年,该学者将其应用到桥梁的变形监测中,在监测的同时,利用桥梁已有的振动传感器得到振动信息,与其对比结果表明,GBSAR技术在桥梁监测中具有较大的潜力。Tarchi(2000)首次将基于带有轨道的IBIS-L装置用于大片区域滑坡变形监测中,提取了监测区域内的二维位移场。2007年Bernardini通过一个带有主动角反射器的弹簧振动试验验证了IBIS-S的监测精度可达到0.02mm。2008年Carmelo Gentile与Giulia Bernardini在Capriaet大桥安装可以记录速度的传感器,利用IBIS-S系统测量桥梁的振动速度,结果表明两者的速度一致性较高,从而验证了IBIS-S的可靠性。欧洲联合研究中心最早开始研究GBSAR系统的理论、系统设计、系统研发,首次将该技术应用到大坝的变形监测中,将其监测变形值与大坝内部的技术监测成果对比分析,结果表明,GBSAR的监测结果同日常的技术监测结果比较吻合,敏感性更加强烈,是传统测量技术手段的一种有效的补充。2000年Wimmer和Rosen利用星载InSAR数据得到了扫描区域的DEM和变形量。2002年Pieraccini和Tarchi将地基雷达传感器安置在同一位置,以连续模式进行斜率监测,紧接着,学者们开始利用GBSAR来提高其他测量技术(例如,全站仪、三维激光扫描仪)的监测精度。2008年Perna使用机载InSAR实现变形监测。GBSAR监测技术相对较新,主要用于变形监测,用于提取DEM的实验较少。Antonello(2004)、Nico(2005)分别利用GBSAR提取了探测目标的DEM。2008年Lingua第一次提出将三维激光扫描仪和地基雷达数据集成到滑坡监测中。(www.daowen.com)

20.纪70年代,我国开始慢慢重视雷达技术的研究,投入了大量的物力、财力、人力,成立了很多重大的科研院所和研究机构,鼓励国内学者们投入其中,开启了我国雷达事业的大门。经过20多年的努力,我国的雷达遥感研究紧跟世界科技发展的前沿并取得了丰硕的成果,在雷达的穿透性研究、洪水遥感监测和雷达图像纹理信息提取等方面均有较大突破。GBSAR的研究近几年在国内才开始发展,GBSAR研究理论、应用实施等方面尚有欠缺,无法达到国外的研究水平。国内的研究机构和研究团队在做相关实验时常用的是国外的产品,如意大利的IBIS-L,IBIS-S等。通过不懈的努力,国内学者成功开发了移动平台下的SAR装置,并结合干涉测量成像系统(IBIS)说明微变形远程监测技术的应用领域和特点。2010年刁建鹏第一次将IBIS-S架在CCTV新台地,进行了长达1小时的动态监测,实验结果和理论值十分吻合,从而验证了IBIS-S在高层建筑物上的动态监测是可行的。刘德煜(2009)分别将IBIS-S系统和GPS监测技术应用于武汉阳逻长江大桥的监测系统中,结果表明,GPS适用于超大跨度桥梁的监测,而IBIS-S更适用于平面位移较小的桥梁。2011年,河海大学黄其欢利用IBIS-L监测装置对湖北省隔河岩大坝进行了监测分析,结果验证了该系统能够满足大坝监测精度要求,与传统的监测技术实现互补分析,最终实现了大坝的高空间分辨率以及连续的变形监测。2013年,武汉大学的邢诚等人研究了基于地基合成孔径雷达干涉技术的微变形监测系统(IBIS-S)的工作原理及关键技术,通过实验验证了该系统对目标物变形量监测能达到较高的监测精度(0.05mm以下)。2014年,韩贤权等将GBSAR技术应用于大坝监测实验,分析了该技术在大坝安全状态评估中的实际意义。

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