章九才

（安徽省第三測(cè)繪院，合肥 230601）

1 引言

最近幾年，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地理國(guó)情在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中越發(fā)重要。做好地理國(guó)情監(jiān)測(cè)，成為各級(jí)政府部門服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，滿足社會(huì)公共服務(wù)需求的一項(xiàng)重要任務(wù)。而在地理國(guó)情監(jiān)測(cè)中，一般都會(huì)用到航空航天遙感技術(shù)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)等，對(duì)自然和人文地理信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)獲取和綜合分析，形成能夠反映各類資源及環(huán)境要素的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，無(wú)人機(jī)機(jī)載微波成像技術(shù)的發(fā)展，使SAR 系統(tǒng)在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，在實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)微型化的同時(shí)，促進(jìn)了圖像分辨率的提高。對(duì)比無(wú)人機(jī)機(jī)載SAR 與光學(xué)成像技術(shù)，無(wú)人機(jī)機(jī)載SAR 具備全天候、全天時(shí)的作業(yè)能力，可以在不同極化作業(yè)方式下，獲取地理國(guó)情監(jiān)測(cè)區(qū)域的高分辨率圖像，能夠很好地滿足地理國(guó)情監(jiān)測(cè)對(duì)于數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求，為地理國(guó)情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取提供了新的技術(shù)手段。

2 相關(guān)概念

2.1 SAR

合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）屬于一種主動(dòng)式對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，可以被設(shè)置在衛(wèi)星、飛機(jī)和無(wú)人機(jī)等平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)全天候觀測(cè)，其在實(shí)際應(yīng)用中，能夠穿透一定厚度的地表，觀測(cè)數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，可以實(shí)現(xiàn)高分辨率微波成像，具備全天候、大幅寬的特點(diǎn)，因此，SAR 系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、資源勘查以及軍事等領(lǐng)域。SAR 最初多被應(yīng)用于機(jī)載或者星載平臺(tái)。隨著技術(shù)的發(fā)展，其平臺(tái)搭載形式變得越發(fā)多樣化，如彈載、地基SAR、無(wú)人SAR 等，其在未來(lái)發(fā)展中有著更加多樣化的方向，如多頻、多極化、超高分辨率、InSAR 技術(shù)、Pol-InSAR 技術(shù)、小衛(wèi)星雷達(dá)技術(shù)等[1]。

SAR 主要是通過(guò)天線向物體發(fā)射能量，同時(shí)也通過(guò)SAR負(fù)責(zé)接收能量，借助電子設(shè)備記錄能量的傳輸情況，最終形成相應(yīng)的圖像。在SAR 中，孔徑指的是天線長(zhǎng)度，系統(tǒng)可以通過(guò)衛(wèi)星、飛機(jī)、無(wú)人機(jī)向前運(yùn)動(dòng)形成合成孔徑，物體返回的能量如果可以達(dá)到孔徑發(fā)射的光束寬度內(nèi)，則物體會(huì)形成圖像并且被保存下來(lái)。SAR 距離分辨率的改善是通過(guò)相應(yīng)的脈沖技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，與發(fā)射信號(hào)的帶寬存在密切關(guān)聯(lián)，帶寬越大，分別率越??；方位分辨率的改善則是通過(guò)合成孔徑技術(shù)實(shí)現(xiàn)，理論上，條帶SAR 能夠達(dá)到天線尺寸的1/2，聚束SAR分辨率更小。

2.2 地理國(guó)情監(jiān)測(cè)

地理國(guó)情監(jiān)測(cè)是借助現(xiàn)代信息技術(shù)如GPS 技術(shù)、GIS 技術(shù)和RS 技術(shù)等，在對(duì)各個(gè)時(shí)期現(xiàn)有測(cè)繪成果進(jìn)行綜合的基礎(chǔ)上，對(duì)地形、水系、地表覆蓋等進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，就其分布特征、變化量、變化頻率、地域差異等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，形成能夠反映環(huán)境、生態(tài)、資源等要素的空間分布數(shù)據(jù)[2]，從而對(duì)地理國(guó)情進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)繪，提供全面、真實(shí)、準(zhǔn)確的地理國(guó)情信息。地理國(guó)情則是從地理的角度，對(duì)國(guó)情信息進(jìn)行分析描述，其基本內(nèi)容是地球表層自然生態(tài)環(huán)境以及人文現(xiàn)象的空間變化等，強(qiáng)調(diào)對(duì)構(gòu)成國(guó)家物質(zhì)基礎(chǔ)的各種因素進(jìn)行整體性調(diào)查，如國(guó)土疆域概況、城市布局、災(zāi)害分布等。地理國(guó)情能夠?qū)⒁粋€(gè)地區(qū)乃至整個(gè)國(guó)家的人地關(guān)系協(xié)調(diào)情況直觀反映出來(lái)，是推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展重要決策的依據(jù)，也是基本國(guó)情的一部分，能夠?qū)⒌乩韰^(qū)域劃分、地形地貌特征、土地利用情況、城市布局等自然和人文地理要素綜合體現(xiàn)出來(lái)。

3 無(wú)人機(jī)機(jī)載SAR 在地理國(guó)情監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

為了更加詳細(xì)地對(duì)無(wú)人機(jī)機(jī)載SAR 在地理國(guó)情監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用情況進(jìn)行分析，下文引用他方數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行具體研究。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依照地理國(guó)情監(jiān)測(cè)對(duì)影像數(shù)據(jù)的實(shí)際需求，對(duì)能夠搭載于無(wú)人機(jī)上的Mini SAR 系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，相應(yīng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：

最大成像分辨率：0.5 m；

最大測(cè)繪帶寬：3 000 m；

最大作用距離：6 000 m；

規(guī)格：200 mm×180 mm×90 mm；

工作溫度：-20～50℃；

工作頻率：Ku 波段

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以依照功能劃分子系統(tǒng)，主要包括：（1）電氣系統(tǒng)。為了確保無(wú)人機(jī)的飛行距離和飛行時(shí)間[3]，在系統(tǒng)中設(shè)置了自帶電源，電氣系統(tǒng)供電接口采用的是航空標(biāo)準(zhǔn)。（2）測(cè)控系統(tǒng)。無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈必須能夠很好地滿足遙控、遙測(cè)和光學(xué)視頻傳輸?shù)默F(xiàn)實(shí)需求，而且需要做好電子干擾測(cè)試工作，確保無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)能夠具備良好的抗干擾能力，保證無(wú)人機(jī)飛行安全。（3）飛控系統(tǒng)。飛控系統(tǒng)的軟件和硬件都必須依照導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑?，在Mini SAR 系統(tǒng)中，導(dǎo)航設(shè)備采用的是光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，可以提供姿態(tài)、方位等數(shù)據(jù)信息，GPS 則采用了組合導(dǎo)航設(shè)備來(lái)提供角運(yùn)動(dòng)、線運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)信息，具備較高的精度。將雙天線GPS 作為地面基站，為無(wú)人機(jī)機(jī)載SAR 系統(tǒng)提供相應(yīng)的定位基準(zhǔn)。（4）動(dòng)力系統(tǒng)。在無(wú)人機(jī)上搭載Mini SAR，要求動(dòng)力系統(tǒng)必須能夠滿足至少50 N（5 kg）起飛質(zhì)量的要求，確保無(wú)人機(jī)在飛行時(shí)能夠保持飛行姿態(tài)穩(wěn)定，以獲取較高分辨率的影像數(shù)據(jù)信息[4]。

3.2 飛行試驗(yàn)

試驗(yàn)區(qū)塊的空域海拔高度不能超過(guò)100 m，航向相對(duì)高度為900 m，測(cè)繪幅寬956 m，航線重疊率為40%。依照航線設(shè)計(jì)參數(shù)以及相應(yīng)的雷達(dá)作業(yè)參數(shù)，將測(cè)繪區(qū)域的范圍確定為6 000 m×3 000 m，在分型試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，在一個(gè)飛行架次獲取的圖像條帶內(nèi)，設(shè)置12 個(gè)不同規(guī)格的角反射器作為定標(biāo)點(diǎn)，取角反射器目標(biāo)的分辨率/旁瓣比作為雷達(dá)工作模式下的指標(biāo)測(cè)量值。在第一條航線中，依照從近到遠(yuǎn)的順序，設(shè)置了12 個(gè)定標(biāo)點(diǎn)，結(jié)合測(cè)繪結(jié)果分析，圖像中顯示出了11 個(gè)定標(biāo)點(diǎn)，最遠(yuǎn)的第12 個(gè)定標(biāo)點(diǎn)沒(méi)有顯示出來(lái)，為無(wú)效點(diǎn)位[5]。

其中第6～9 號(hào)定標(biāo)點(diǎn)采用的是四邊形設(shè)置的方式，邊長(zhǎng)為3 m。各點(diǎn)位之間的距離較近，測(cè)量得到的數(shù)據(jù)信息相似性大，為了避免數(shù)據(jù)冗余問(wèn)題，選擇6 號(hào)定標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)值進(jìn)行測(cè)量，其余3 個(gè)點(diǎn)作為參考。

3.3 結(jié)果分析

借助相應(yīng)的外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量作業(yè)方式，確定測(cè)繪區(qū)域內(nèi)定標(biāo)點(diǎn)的具體坐標(biāo)，依照相應(yīng)的Mini SAR 系統(tǒng)得到高分辨率圖像，對(duì)積分旁瓣比和峰值旁瓣比進(jìn)行計(jì)算。對(duì)照計(jì)算結(jié)果分析，無(wú)論是峰值旁瓣比還是積分旁瓣比，都能夠很好地滿足Mini SAR 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與成像要求，在距離分辨率和方位分辨率上都可以滿足設(shè)計(jì)要求（0.5 m）。

3.4 局限性

SAR 技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，存在一定的局限性。具體如下：

1）時(shí)間失相干。2 幅SAR 影像實(shí)現(xiàn)干涉的一個(gè)重要前提，是在觀測(cè)期間地表地物屬性必須保持一致，若影像相隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，地物屬性變化明顯，則會(huì)導(dǎo)致時(shí)間失相干的問(wèn)題。

2）最大可探測(cè)形變能力。對(duì)于SAR 技術(shù)而言，如果同一個(gè)分辨單元在成像器件視線向發(fā)生的形變超過(guò)半個(gè)波長(zhǎng)，則其無(wú)法在SAR 干涉圖中恢復(fù)。換言之，SAR 技術(shù)存在最大可探測(cè)性變能力，當(dāng)一些地物的形變較大時(shí)，會(huì)在干涉圖中表現(xiàn)為失相干，導(dǎo)致無(wú)法對(duì)其形變進(jìn)行有效恢復(fù)。

3）幾何失相干。在探測(cè)區(qū)域內(nèi)，陰影、疊掩等的失相干與地形條件、SAR 成像幾何存在密切關(guān)聯(lián)。該實(shí)驗(yàn)區(qū)域中地形起伏大，SAR 成像幾何相對(duì)單一，幾何失相干帶來(lái)的影響比較嚴(yán)重。

基于此，想要獲取更加可靠的形變結(jié)果，應(yīng)從數(shù)據(jù)獲取、影像配準(zhǔn)等環(huán)節(jié)做好相應(yīng)的優(yōu)化，對(duì)觀測(cè)方法進(jìn)行改進(jìn)，例如，在一些地表變化較大的區(qū)域，可以設(shè)置反射器來(lái)提升數(shù)據(jù)的相干性[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，將無(wú)人機(jī)機(jī)載SAR 應(yīng)用到地理國(guó)情監(jiān)測(cè)中，選擇實(shí)際飛行作業(yè)區(qū)域，布設(shè)定標(biāo)點(diǎn)，在觀測(cè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行飛行作業(yè)，得到高分辨率的SAR 圖像，再配合定標(biāo)測(cè)量的方式，針對(duì)成像結(jié)果的分辨率進(jìn)行計(jì)算，可以獲取無(wú)人機(jī)機(jī)載SAR 在距離和方位分辨率方面的結(jié)果，為無(wú)人機(jī)機(jī)載SAR 在地理國(guó)情監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用精度指標(biāo)提供相應(yīng)的精度驗(yàn)證。無(wú)人機(jī)機(jī)載SAR 技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，可以很好地滿足地理國(guó)情監(jiān)測(cè)的現(xiàn)實(shí)需求。現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)技術(shù)不斷成熟，無(wú)人機(jī)在續(xù)航時(shí)間、升限高度、飛行速度、載荷重量等方面得到了顯著提升，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的完善使得其在地理國(guó)情監(jiān)測(cè)中得到了有效應(yīng)用，尤其是民用無(wú)人機(jī)的發(fā)展，更是為Mini SAR 系統(tǒng)的應(yīng)用提供了更加廣闊的發(fā)展空間。無(wú)人機(jī)機(jī)載SAR 載荷開(kāi)始朝著微型化、低功率的方向發(fā)展，能夠?yàn)榈乩韲?guó)情監(jiān)測(cè)工作的順利實(shí)施提供新的方案支持。