1. 合成孔徑雷達(dá)
合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）是一種能夠產(chǎn)生高分辨率圖像的雷達(dá)系統(tǒng)。SAR來(lái)源于雷達(dá)，但與雷達(dá)又有所區(qū)別。大家熟知的雷達(dá)一般指地面雷達(dá)，它起源于一戰(zhàn)時(shí)期，可以利用天線對(duì)目標(biāo)發(fā)射和接收脈沖，從而根據(jù)脈沖時(shí)間間隔測(cè)算目標(biāo)距離。這種雷達(dá)可以精確測(cè)距，但是無(wú)法精細(xì)成像。
為了完成對(duì)地觀測(cè)使命，雷達(dá)逐漸發(fā)展出了成像能力。初期的成像設(shè)備使用的是真實(shí)孔徑雷達(dá)，與合成孔徑雷達(dá)不同的是，其孔徑大小即等同于天線長(zhǎng)度。而孔徑大小決定了可以收集的能量大小，孔徑越小，能量越小，分辨率就越差。這也決定了真實(shí)孔徑雷達(dá)的分辨率不會(huì)太高，例如陸地探測(cè)一號(hào)衛(wèi)星，如果達(dá)到3m分辨率，就需要使用數(shù)十公里長(zhǎng)的天線，這顯然不現(xiàn)實(shí)。而9m的天線長(zhǎng)度，僅能達(dá)到數(shù)十公里的分辨率，這種分辨率顯然也無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)地觀測(cè)需求。
合成孔徑雷達(dá)使用了“虛擬”的天線長(zhǎng)度。在衛(wèi)星飛行過(guò)程中，從很遠(yuǎn)處就能探測(cè)到目標(biāo)，而飛行一段時(shí)間后，目標(biāo)才會(huì)從觀測(cè)區(qū)域中徹底離開(kāi)。在這段觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，衛(wèi)星從不同位置發(fā)射一系列脈沖信號(hào)，將這一系列脈沖信號(hào)組合起來(lái)，就相當(dāng)于這些信號(hào)是從一個(gè)很長(zhǎng)的孔徑發(fā)射出來(lái)。這種通過(guò)小天線合成一個(gè)等效“大天線”的過(guò)程就是“合成孔徑”，而合成孔徑雷達(dá)就是把小天線從不同位置接收的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)組合處理，將數(shù)米的真實(shí)天線長(zhǎng)，合成為數(shù)公里的虛擬天線長(zhǎng)，從而獲得較高分辨率成像雷達(dá)（圖1）。
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圖1 合成孔徑雷達(dá)示意圖
2. 合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量
合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)是更具潛力的空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)之一，是對(duì)SAR技術(shù)的一種擴(kuò)展，其工作原理是利用SAR對(duì)相同地區(qū)拍攝兩幅影像（圖2），經(jīng)過(guò)干涉獲得該區(qū)域的干涉條紋圖，干涉條紋圖中則包含該區(qū)域的地形信息。
圖2 InSAR示意圖
干涉的概念來(lái)自于雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。圖3中木板兩條細(xì)縫的間隔如同圖2中兩顆衛(wèi)星的距離，利用同一個(gè)光源照向木板的兩條細(xì)縫，能夠發(fā)現(xiàn)光穿過(guò)木板的兩條細(xì)縫之后會(huì)在光屏上生成許多條紋，并且這些條紋是明暗交替的，我們將這種現(xiàn)象稱(chēng)為干涉現(xiàn)象。因此，兩顆衛(wèi)星對(duì)同一目標(biāo)區(qū)域的拍攝也會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。
圖3 雙縫干涉實(shí)驗(yàn)
對(duì)比雙縫干涉實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，InSAR與雙縫干涉存在極大的相似之處。圖3中的兩條干涉縫等同于兩顆SAR衛(wèi)星，承影面即為衛(wèi)星將要拍攝影像的目標(biāo)區(qū)域，兩顆衛(wèi)星分別對(duì)同一目標(biāo)區(qū)域發(fā)射具有周期性且頻率相同的電磁波，經(jīng)過(guò)干涉處理，就會(huì)得到包含目標(biāo)區(qū)域地形信息的干涉條紋圖（如圖4）。通常，原始干涉條紋中的平地效應(yīng)會(huì)掩蓋地形信息，去除干涉條紋圖中的平地效應(yīng)便可獲得僅包含地形信息的干涉條紋圖（圖5）。干涉條紋中包含了地形信息，此處一個(gè)條紋變化包含了接近50m左右的高程變化。
圖6 條紋圖對(duì)應(yīng)的真實(shí)光學(xué)影像
3. 合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量
合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量（Differential InSAR，DInSAR）技術(shù)是InSAR技術(shù)的延伸，它通過(guò)2景SAR影像聯(lián)合外部地形數(shù)據(jù)來(lái)獲取地表的微小形變。差分干涉圖是由兩景不同時(shí)間獲取的SAR影像組成，假如在這段時(shí)間內(nèi)地表發(fā)生了形變，如圖7，差分干涉圖中將會(huì)記錄相關(guān)的信息。DInSAR技術(shù)對(duì)形變極為敏感，對(duì)于陸地探測(cè)一號(hào)衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，一個(gè)條紋變化接近12cm左右的形變變化。可見(jiàn)同為條紋，InSAR測(cè)地形的條紋，與DInSAR測(cè)形變的條紋，對(duì)地表信息的刻畫(huà)程度有著數(shù)量級(jí)的差異。
圖7 差分干涉形變測(cè)量示意圖
DInSAR技術(shù)能夠反映地表形變的空間分布特征。發(fā)生地震時(shí)，地震同震形變就會(huì)在差分結(jié)果中表現(xiàn)出來(lái)（圖8），礦區(qū)開(kāi)采過(guò)程中也會(huì)帶來(lái)地表形變（圖9），同樣的，滑坡、泥石流、火山噴發(fā)等地表形變信息均會(huì)在DInSAR結(jié)果中有明顯表現(xiàn)。DInSAR的這種能力，使得它在大范圍形變監(jiān)測(cè)以及形變信息普查中具有極大優(yōu)勢(shì)，可以為地質(zhì)災(zāi)害早期監(jiān)測(cè)、防災(zāi)減災(zāi)、地震監(jiān)測(cè)等提供可靠的技術(shù)支撐。
圖8 門(mén)源地震形變圖(李振洪等，2022)
圖9 大同市云岡區(qū)礦區(qū)形變圖
4. 合成孔徑雷達(dá)時(shí)序差分干涉測(cè)量
DInSAR處理過(guò)程中會(huì)受到各種誤差的影響，因此雖然可以進(jìn)行形變普查，但由于形變精度有限，無(wú)法細(xì)致描繪形變?cè)跁r(shí)間序列上的變化情況，因而在形變的監(jiān)測(cè)預(yù)警中存在一定不足之處。為了克服這種缺陷，研究人員提出了時(shí)間序列上的多影像建模分析技術(shù)，也有人稱(chēng)之為合成孔徑雷達(dá)時(shí)序差分干涉測(cè)量，或簡(jiǎn)稱(chēng)時(shí)序雷達(dá)干涉(Multi-Temporal InSAR, MTInSAR)技術(shù)。這種技術(shù)使用極為穩(wěn)定的永久散射體（Persistent Scatterer, PS）點(diǎn)進(jìn)行形變信息提取（圖10），能夠提高形變反演精度。PSInSAR是一種典型的時(shí)序InSAR技術(shù)，其基本原理如圖11所示，是對(duì)一系列不同時(shí)期、覆蓋同一區(qū)域的SAR圖像進(jìn)行DInSAR處理，隨后利用各種信號(hào)處理和差分測(cè)量技巧，最終提取到所需的地表形變信息的技術(shù)。
圖10 PS點(diǎn)示意圖
圖11 時(shí)序InSAR技術(shù)示意圖
PSInSAR技術(shù)使用多景影像進(jìn)行時(shí)間序列建模分析，具有監(jiān)測(cè)精度高、抗相位誤差干擾、能夠揭示監(jiān)測(cè)目標(biāo)時(shí)序形變規(guī)律等特點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于城市地面沉降以及建筑、橋梁、公路、鐵路、地鐵、工廠、機(jī)場(chǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施的形變監(jiān)測(cè)（圖12）。
圖12 PS-InSAR應(yīng)用范圍舉例
