毫米波干涉合成孔径雷达.pdf

高科技与产业化 . 月刊40 COVER STORY封面专题 与 激 光、 红 外 和 可 见 光 谱 段 相 比， 毫 米 波 段（ Ka 波 段 ） 的 电 磁 波 对 烟 尘、 云雾有较强的穿透能力，毫米波SAR 具 有较强的全天候全天时对地观测性能；由 于 波 长 较 短， 与 厘 米 波 段 相 比， 毫 米 波 SAR 更易于实现超高分辨率成像，在同 样长度的交轨干涉基线下毫米波InSAR 也更容易实现高精度的高程测量；毫米 波对地面目标（如植被）的穿透能力远 小于厘米波，因此特别适于提取观测对 象的表面信息，并形成观测区域的高精 度 数 字 表 面 模 型。 基 于 上 述 特 点， 毫 米 波 InSAR技术及其应用已成为近年来的 研究热点。 国外研究现状 机载毫米波SAR 高分辨率毫米波SAR 一般用于机载 环境，国外在此领域开展研究工作较多的 单 位 有 美 国 Sandia 实 验 室 和 德 国 FGAN 研究所，已形成无人机载系列产品并投 入 实 际 应 用。 图 1 给 出 了 Sandia 实 验 室 Ka 波段和Ku 波段 SAR 对同一场景目标 的成像结果，两个波段SAR 的分辨率均 为 0.1m， 但 Ka 波 段 图 像 的 细 腻 程 度 明 显优于 Ku 波段。 机载毫米波InSAR 随着毫米波SAR 技术水平的不断提 高，毫米波InSAR的研制工作也取得了 毫米波干涉合成孔径雷达 文 / 李道京 合成孔径雷达SAR 是 20 世纪 50 年代初提出一种微波成像技术，它能够 借助平台的运动实现长孔径综合以达到对观测区域的高分辨率成像。作为一 种主动遥感设备，SAR能够实现全天时、全天候、远距离对地观测。干涉合 成孔径雷达InSAR 是在 SAR 基础上发展起来的一项遥感技术。InSAR利用 两部具有一定视角差的天线进行成像，并对获取的两幅复图像数据进行干涉 处理得到干涉相位，经反演得到观测区域的数字高程模型。InSAR 以其独特 的三维信息获取能力，受到了世界各国的高度重视，目前发展出双天线、重轨、 多基线在内的多种干涉工作模式，并覆盖P、L、C、X、Ku等多个波段，已 在地形测绘、形变监测等相关领域取得了重要的应用成果。 41 2013 年 11月号总第210 期 应用领域 很 大 进 展。 在 2008 年 6 月 的 EUSAR年 会上，德国人报道了他们研制的Ka 波段 近程多基线InSAR系统 MEMPHIS及其 试 验 结 果， 图 2 为 该 系 统 获 得 的 二 维 图 像 和 对 应 的 DSM 。该 系 统 获 取 的 DSM 结 果 和 激 光 雷 达 获 取 的 结 果 进 了 比 较， 高程精度达到了2.26m。 毫米波InSAR易于获取观测区域的 高 精 度 DSM 的 特 点， 使 其 在 冰 川 厚 度 探 测 方 面 得 到 应 用。 美 国 JPL 实 验 室 在 2008 年 研 制 了 机 载 Ka 波 段 InSAR系 统 GLISTIN，并在2009 年 1 月结合L 波段 的 UAVSAR针 对 冰 盖 表 面 和 冰 层 厚 度 探测进行了飞行试验，经过数据处理后， 冰 盖 地 区 DSM 高 程 测 量 精 度 在 近 端 为 0.3m，远端为3m 。 星载毫米波InSAR 由于毫米波SAR 天线体积小、重量 轻， 在同等高程精度要求下所需基线较短， 因此容易实现单轨双天线干涉，可避免重 轨时间去相干的问题，近两年来星载毫米 波 InSAR 引起了西方国家的高度重视。 美 国 NASA 为 了 实 现 在 精 确 尺 度 上研究全球海洋和陆地水体的变化和循 环，制定了SWOT （Surface Water Ocean Topography ）计划，其核心手段是利用大 幅 宽 的 星 载 Ka 波 段 InSAR 系 统 KaRIN 获取和监视陆地和海洋水体表面高度。该 毫米波 InSAR 对水体表面的平面二维分辨 率只需要达到十米量级，而高程精度则要 达到厘米级。与此同时，欧空局、德宇航 也将星载毫米波InSAR 列入发展计划，并 提出了多个星载Ka 波段 InSAR 系统的概 念设计。可以预见，在不远的将来，星载 毫米波 InSAR 也会进入实际应用阶段。 国内研究现状 在国家多个科技计划的支持下，近 年来我国的合成孔径雷达技术得到了长 足的发展，已经研制装备了多种星载、机 载和无人机载SAR 系统，其数据产品也 获得了广泛的应用。在机载InSAR方面， 中国科学院电子学研究所研制的X 波段 双天线 InSAR高程精度达到了0.5m，成 功应用于西部1 ：10000 比例尺测图。 图1 Sandia实验室 Ka波段（左）和Ku波段（右）SAR 图像 图2 MEMPHIS获取的二维图像和DSM 高科技与产业化 . 月刊42 COVER STORY封面专题 基于在机载InSAR 领域坚实的技术 基础，在国家863 计划的支持下，中国科 学院电子学研究所在2011 年研制出我国第 一个机载毫米波三基线InSAR 原理样机， 并于 2011 年 5 月在运12 飞机上完成飞行 试验。图3，4，5 为毫米波 InSAR 原理样 机的装机情况和飞行试验获得的DSM 。 该 机 载 毫 米 波 InSAR原 理 样 机 工 作 在 Ka 波 段， 设 计 三 条 基 线 以 扩 大 不 模糊高程测量范围并使用光学遥感设备 稳定平台，采用毫米波开关完成不同通 道射频信号的切换并使用一路接收机实 现宽带信号接收，使用我国自行研制的 小型位置和姿态测量系统完成成像处理 和 DSM 反 演。 和 德 国 的 近 程 多 基 线 毫 米波 InSAR和美国JPL 的单基线毫米波 InSAR相比，其基于中低空飞行平台的 总体设计和技术实现方案具有一定的先 进性。经初步飞行试验验证，在3km 航 高上的二维成像分辨率优于0.5m，高程 测 量 精 度 优 于 1m 。 机 载 毫 米 波 三 基 线 InSAR 原理样机的研制成功，标志着我 国将 InSAR技术拓展到毫米波段。 毫米波 InSAR的应用方向 毫米波InSAR 的技术特点，使星载 和机载毫米波InSAR的数据都具有良好 图3 毫米波 InSAR 在运 12飞机上的安装情况 图4 对高程起伏地形反演的DSM 和实际场 景标注情况 图 5 对高程突变地物利用单基线（左）和三基线 （右） 反演的DSM 43 2013 年 11月号总第210 期 的应用前景。现阶段看来，除地形测绘外， 毫米波InSAR的一个重要的应用方向就 是植被高度测量。 植被（如森林）作为生物圈重要的 组 成 部 分， 参 与 了 全 球 碳 水 循 环， 对 人 类赖以生存的生态环境起着重要的作用。 植被高度及其主体结构信息等关键参数 的提取，对研究全球生态系统具有重要 的 意 义， 同 时 对 生 物 量 估 计、 农 作 物 产 量预测也具有重要价值，因此该技术在 遥感领域受到了广泛的关注。 目 前， 极 化 干 涉 合 成 孔 径 雷 达 技 术已发展成为一种比较有效的植被高度 估计方法，该方法将极化和干涉技术相 结 合， 采 用 适 当 的 处 理 模 型 如 RVoG 、 ERVoG 、OVoG等， 利 用 波 长 较 长 的 P 或 L 波段信号在穿透植被时的衰减对极 化干涉系数的影响来估计地形相位中心 和植被高度等信息。 加 拿 大 Intermap公 司 研 制 的 机 载 L 波段 POLInSAR实验系统TOPSAR对实 际数据的处理结果显示了该方法的有效 性。 但 是 在 实 际 使 用 中， 由 于 处 理 模 型 及参数的选择和地面植被的类型有较强 关系，不同类型植被的地体幅度比不同， 在缺乏先验知识的情况下，植被高度的 估 计 精 度 会 大 幅 下 降。 经 过 分 析，L 波 段 POLInSAR获取的植被冠层高程精度 低于获取的地面高程精度，为此可考虑 引入毫米波InSAR提高对植被冠层的高 程测量精度，并形成Ka/L双波段InSAR 的植被高度测量方法。 上 述 双 波 段 InSAR系 统 包 括 Ka 波 段 单 极 化 InSAR和 L 波 段 全 极 化 干 涉 SAR ，利用毫米波对植被冠层穿透性较 差 的 特 点， 可 用 Ka 波 段 InSAR获 取 高 精 度 的 植 被 冠 层 DSM ，同 时 利 用 L 波 段极化干涉获取地面相位中心，进一步 反演获得植被覆盖区域的数字地形模型 （Digital Terrain Model, DTM ） ， 将 所 获 取的 DSM 和 DTM进行匹配处理后相减 即可得到植被高度。 一个用于植被高度测量的机载Ka/L 双波段InSAR 可考虑安装在国产的运12 飞机上，其L 波段全极化干涉天线可以吊 舱形式安装在两侧机翼上并形成8m 左右 的基线，其Ka 波段单极化天线可以最长为 1m 的刚性多基线形式通过稳定平台挂接在 机腹下。假定L 波段单极化的高程测量精 度为 1.7m，Ka 波段单极化的高程测量精 度为 0.5m，仿真分析表明，对于1224m 高 的 森 林， Ka/L 双 波 段 InSAR 的 植 被 高 度测量精度可达到树高的15% 左右，并具 有测量精度不依赖处理模型的特点。 作 为 一 种 新 的 植 被 高 度 测 量 方 法， 机 载 Ka/L双 波 段 InSAR不 仅 具 有 明 显 的技术优势，而且具有重要的应用价值， 毫米波InSAR在提高测量精度方面发挥 了重要作用。 毫米波干涉合成孔径雷达是一个典 型的高技术产品，相信它在不远的将来在 对地观测遥感领域会获得广泛的应用。 作者单位 ： 中国科学院电子学研究所微波成像技术重点实验室 在国家多个科技计划的支 持下，近年来我国的合成 孔径雷达技术得到了长足 的发展，已经研制装备了 多种星载、机载和无人机 载 SAR系 统， 其 数 据 产 品也获得了广泛的应用。 应用领域