趙俊娟，李成范，尹京苑，張桂芳，單新建

（1.上海大學計算機工程與科學學院，上海 200072；2.中國地震局地質研究所地震動力學國家重點實驗室，北京 100029）

0 引言

我國是地質災害較為頻繁的國家，地面沉降和滑坡是以地面形變?yōu)橹苯犹卣鞯牡湫偷刭|災害。從全國來看，傳統(tǒng)的水準測量和GPS技術尚不能建立高效的地面沉降和滑坡監(jiān)測體系。應用高新技術降低監(jiān)測成本、提高監(jiān)測工作的自動化程度成為緩變型地質災害監(jiān)測的一種現(xiàn)實需求［1］。自從1993年Massonnet等利用合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）技術成功地提取了1992年Landers地震（M＝7.2）的形變場以來［2－3］，SAR干涉測量技術廣泛應用于地球表面形變場探測領域，其中包括地面沉降、滑坡、地震和火山運動引起的地表位移等研究領域［4－7］，取得了很多重大的成果。近年來發(fā)展起來的合成孔徑雷達差分干涉測量（D－InSAR）技術能以亞厘米級的精度獲取地表形變信息，其得到的形變結果彌補了傳統(tǒng)測量手段點位稀疏的缺點，具有大面積、快速、準確的優(yōu)勢。

雖然InSAR技術彌補了以往常規(guī)水準測量和GPS測量的不足，能夠對地表進行大面積形變監(jiān)測，但其局限性卻也不容忽略，眾多誤差源的存在影響了相位測量的質量。這些誤差源中，空間去相干和時間去相干造成的同名圖像對的相干性下降現(xiàn)象受到了中外學者較多的關注［8］?？臻g去相干主要是由于覆蓋同一觀測區(qū)域的重軌圖像對的基線距過長，即接近臨界基線距或超過臨界基線距，而造成相干性下降或不相干；時間去相干主要是由于在獲取覆蓋同一觀測區(qū)域的重軌圖像系列期間，地表地物的后向散射系數(shù)發(fā)生變化，從而導致相干性變差［9］。

從20世紀90年代中后期，一些學者開始嘗試利用新技術來克服常規(guī)InSAR技術應用中的局限性，其中包括人工角反射器（CR）和永久散射體（PS）InSAR技術，簡稱CR－InSAR和PS－InSAR。PS技術主要用于研究地表長期變化，時間跨度較長，整幅圖像相干性較差且只能研究相干性較好的PS點，但是對于地震斷裂帶和城市地表沉降區(qū)等重點區(qū)域，由于缺少合適的PS點，使得PS－InSAR很難發(fā)揮作用。而CR技術不僅關注大面積的地表沉降觀測，而且更加關注重點目標微量形變監(jiān)測，這就使得CR技術具有精度高、長期連續(xù)監(jiān)測的優(yōu)勢。而且CR成本和架設角反射器的費用更加低廉，使得CR－InSAR具有更加廣闊的應用前景［10－11］。

1 CR－InSAR技術

1.1 CR－InSAR的基本概念

從廣義來說，一切能夠產(chǎn)生角反射效應的物體都可以稱之為角反射器。角反射效應是指：無論光線從哪一個方向入射，經(jīng)過幾次反射后都能將入射光線逆原方向反射回去。從CR－InSAR的基本概念上看，CR－InSAR技術與InSAR技術最大的不同是它需要在野外架設角反射器。

CR－InSAR是指通過預先在所關心的區(qū)域（ROI）架設一定數(shù)量尺寸、規(guī)格嚴格統(tǒng)一的人工角反射器。這些角反射器點（CR點）位置穩(wěn)定（年位移量很?。?，對雷達波反射很強，經(jīng)過幾年的時間后它們仍然保持著很高的相干性。于是在被監(jiān)測地區(qū)所獲取的有著較長時間間隔的或基線距較大的雷達影像都可以被利用上，而不必考慮時間變化因素。通過對每個監(jiān)測目標進行時空分析，消除大氣影響因素后便能精確地測量出目標的微量形變（3mm量級）。

1.2 人工角反射器的形狀

目前雷達遙感中所用到的人工角反射器 （CR）主要特指那些利用導電性能和導磁性能良好，電容率大的鋁材料做成幾何形狀規(guī)則，如二面角或三面角，表面為實體或網(wǎng)狀的一種點狀人工地物目標（圖1）。這種角反射器因為幾何形狀規(guī)則，利用角反射效應將接收到的雷達波束經(jīng)過幾次反射后，形成很強的回波信號，在獲得的SAR圖像中形成很亮的星狀亮斑，可以在雷達圖像上被準確地識別出來。

圖1 常見的四種人工角反射器的幾何形狀Fig.1 Geometry of common artificial corner reflectors.

角反射器反射光線的原理，不同于一般的發(fā)生在媒質介面上的漫反射。二面角反射器是一種典型的散射結構，存在著較強的二次散射，其振幅相互疊加增強（圖1（a））。三面角反射器是立方體角，實際相當于三塊相互垂直或者是呈一定角度的平面鏡（圖1（b）、（c））。無論是二面角還是三角錐形反射器和正方體三角反射器通常的邊長都是1m×1m的。對于長方體錐形反射器，為了減小對風的阻力，通常采用打孔的鋁板來制作，由于有空的雷達散射截面有所降低，就需要增加側面積，棱長由1m×1 m增加到1m×1.5m（圖1（d））。

1.3 人工角反射器的散射特性

雷達遙感中所用到的角反射器是指那些能夠對雷達波束產(chǎn)生強烈反射，并且使雷達波束能夠逆入射方向反射回去的地物，包括自然地物和人工地物，在地物目標分類中屬于硬目標，即狹義概念上的角反射器。人工角反射器因為幾何形狀規(guī)則，雷達散射截面（RCS）可以準確計算出來，所以最早被用于微波散射計的外定標中。這類地物在所獲得的SAR圖像中形成很亮的星狀亮斑，可以在雷達圖像上被準確地識別出來，如圖2所示。

圖2 人工角反射器CR（a）及解譯圖（b）Fig.2 Physical map and interpretation of CR.

1.4 雷達散射截面RCS特性計算機分析

雷達遙感中所使用的這些角反射器，即永久散射體和人工角反射器，在一個相對較長的時間間隔內，如3～5年的時間里，位置相對穩(wěn)定，保持了很高的相干性。而且利用GPS可以精確地定出這些點的位置，所以在干涉測量中可以利用角反射器點來提高圖像配準的精度，提高了長基線距和較長時間間隔圖像對的利用率。正是因為角反射器具有精度高、穩(wěn)定性好、相干性強的特點，所以被用來配合常規(guī)InSAR技術來提高監(jiān)測的精度。

相比永久散射體，人工角反射器應用更為廣泛。這是因為它具有標準的幾何形狀和嚴格的尺寸大小，其雷達截面是可以精確計算出來的。常見的人工角反射器形狀主要有以下幾種：二面角角反射器和三面角角反射器，其中三面角角反射器又可以分為單面形狀為三角錐形和正方體形等。根據(jù)雷達最大散射截面計算公式（1）－（3）可模擬得到二面角、三角錐形反射器和正方體三角反射器的RCS模擬值［12-13］，如圖3所示。

式中，λ為波長；h和l為角反射器的邊長，單位是cm；ω為載波頻率，單位為GHz；δmax為雷達散射截面（RCS）的最大值，單位是dBsm。

圖3 雷達散射截面RCS特性Fig.3 The curves of RCS.

2 人工角反射器制作與布設

在上述四種人工角反射器中，三角錐形反射器和長方體錐形反射器具有代表性，以下對其制作和布設過程進行簡單介紹。

2.1 三角錐形反射器的制作

制作三角錐形反射錐時應注意以下幾點：（1）三塊反射板均是直角邊為1.2m長的等腰直角三角形，材質為3mm厚的鋁板；（2）三塊反射板務必保持平整，兩兩之間嚴格垂直，誤差小于0.5°；（3）在與兩個前支柱相連的反射板上，在其直角處打一直徑2cm的孔；（4）鋁質反射錐的內表面務必整潔、光滑，不能有污漬、油漆等物；（5）為了加固和保護鋁質三塊反射板，還在每塊反射板的外邊鑲以角鐵。

在對支架的設計與制作上，還要保證以下幾點：（1）三個支柱所用材料為圓鋼，安裝后三個支柱與底座垂直；（2）三個支柱中兩根前支柱較短并且等長，另一根后支柱較長，通過調節(jié)后支柱與兩根前支柱的長度差，需使反射錐最低反射板與底座所成二面角為31°；（3）制作支柱的圓鋼直徑為30mm，保證反射器在野外不會因大風等因素而搖晃。

2.2 長方體錐形反射器的制作

為了使反射器對自然環(huán)境的適應能力更強，一般應用打孔的鋁板來制作長方體錐形反射器，從而減小其對風的阻力，排除因雨雪而積水的可能，并降低其自身重量。由于采用打孔鋁板制作的長方體錐形反射器較之無孔長方體錐形反射器的雷達截面積有所降低，為了增大反射器兩個側面的面積，最終采用打孔鋁板制作的長方體錐形反射器尺寸如圖1（d）和圖4所示，底面為1m×1m的正方形，側面為1m×1.5m的長方形。

圖4 ACCR反射面板打孔示意圖Fig.4 Perforate chart of ACCR.

圖4顯示了在鋁板上打孔效果，所采用的方案為：孔徑10mm；橫向孔間距10cm；豎向每行孔間距為8.67cm，兩行之間的孔排列呈正三角形。

此外，三個反射面的背面用角鐵加固，對兩個垂直的長方形反射面之間及它們與底部正方形反射面之間的連接處也予以加固。

2.3 人工角反射器布設

經(jīng)過野外實地踏勘，選定若干處具有代表性的CR點布設位置，這些位置能保證CR周圍30m左右沒有對其干擾的強反射體。為了能使CR的位移能代表位移形變而不是表層松散土壤的形變，布設中用水泥墩將CR加以固定，盡可能使水泥墩的底部接觸到基巖；但在基巖太深時，則確保水泥墩埋入地下的深度達到1m。在地面以上，三角錐形反射器和長方體錐形反射器的支柱分別插入用磚圍砌的水泥柱中，水泥柱與地下水泥墩為一體。三角錐形反射器和長方體錐形反射器的支柱埋入水泥柱的深度也達到40cm。

根據(jù)所采用雷達的參數(shù)進行角度計算。例如，ENVISAT衛(wèi)星的軌道傾角98.5°，CR點所處的緯度約為31°N，為了接收ASAR IS2模式的降軌數(shù)據(jù)，根據(jù)公式計算可知，三角錐形反射器底面斜邊與南北向的夾角為北偏東10°，三角錐形反射器開口大致朝東，長方體錐形反射器底座直角邊與正北方向夾角分別設為55°和35°，圖5顯示了布設現(xiàn)場三角錐形反射器和長方體錐形反射器的實景照片。

圖5 角反射器安裝實景圖Fig.5 Physical map of corner reflectors.

3 人工角反射器的應用現(xiàn)狀

目前，利用人工角反射器技術進行地表沉降和滑坡監(jiān)測等已進行了眾多嘗試，也取得了豐碩的成果。以與中石油勘探開發(fā)研究院合作項目“利用D－InSAR和CR－InSAR技術對西氣東輸管道工程靖邊—臨汾段子長縣地區(qū)滑坡進行監(jiān)測研究”［14］為例，首先收集研究區(qū)地質資料，通過野外實調和遙感解譯確定研究區(qū)的地質構造和地質災害情況，最終確定重點研究區(qū)域；然后基于對人工角反射器技術的研究成果，對人工角反射器后向散射特性及其與衛(wèi)星過境當?shù)厝肷浣堑年P系進行探討，確定人工角反射器的架設；最后收集SAR影像數(shù)據(jù)資料，通過干涉形變測量結算算法和相關模型實現(xiàn)影像數(shù)據(jù)處理。在實際應用中，人工角反射器彌補了自然界中永久散射體存在點位上面的不均衡現(xiàn)象，具有廣闊的應用前景。

由于CR－InSAR技術在很大程度上解決了時間失相干因素和大氣效應這兩個難題，大大增強了干涉測量的環(huán)境適應能力及其精度，所以人工角反射器技術已經(jīng)獲得了廣泛應用，具有巨大的應用潛力。目前CR技術已廣泛應用于空間失相關以及地形不穩(wěn)定的區(qū)域的研究，特別是城市地區(qū)地質災害監(jiān)測研究等方面。另外在進行地殼形變觀測時，CR可安裝在活動斷層兩側，作為補充構成高精度骨干控制點的網(wǎng)絡。

（1）精準地震監(jiān)測

傳統(tǒng)上主要利用大地水準測量和跨斷層測量儀器來監(jiān)測斷層形變。近年來雖然采用高精度的GPS網(wǎng)測量來開展形變研究，但由于GPS網(wǎng)分布過于稀疏，很難反映斷層的細微活動。但是通過CR－InSAR技術，在重點監(jiān)測區(qū)域布設人工CR點 ，并與天然PS點相配合，從而構成高精度的監(jiān)測網(wǎng)絡，并由此獲得大面積、高精度的地殼形變數(shù)據(jù)，從而指導研究人員來更加準確地分析斷層的活動規(guī)律。

（2）城市地面沉降

世界上許多城市像威尼斯、上海、蘇州等城市受到地面沉降的困擾。城市地區(qū)由于地表相干性較高有利于CR點選取。研究利用InSAR技術，補充以PS－InSAR，利用長時間序列點目標分析高精度獲取地表形變場，可應用于城市地面沉降的估算和預測。研究利用CR－InSAR技術構建地表沉降觀測網(wǎng)的實用性、可行性和穩(wěn)健性顯得越來越重要，但是復雜的城市環(huán)境使得很多CR點不能夠有效地識別出來，制約了CR技術在城市地表沉降監(jiān)測中的應用。

總之，CR技術因其全天候、穩(wěn)定性、高測量精度等優(yōu)勢，必將成為地殼構造變形、地面沉降研究的新的強有力工具。相信隨著越來越多的研究人員的關注和研究，CR技術將會逐步走向成熟，并得到更為廣泛的應用。

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