摘要：星載InSAR技術(shù)具有獲取地表大范圍、高精度形變位移信息的能力，已經(jīng)成為對(duì)地形變觀測(cè)的有效技術(shù)手段之一。文章將C波段SAR影像用于越江大橋形變監(jiān)測(cè)，利用角反射器提高監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠性與精度。以上海長(zhǎng)江大橋作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，在大橋主橋和鄰近區(qū)域安裝4臺(tái)角反射器，采用大橋區(qū)域時(shí)間跨度2020年9月至2022年3月的Sentinel-1A衛(wèi)星影像，通過(guò)多時(shí)相InSAR分析技術(shù)，獲得了角反射器所在位置大橋形變速率與時(shí)序變化情況。研究結(jié)果表明，本文提出的基于角反射器的越江大橋InSAR形變監(jiān)測(cè)方法可以實(shí)現(xiàn)越江大橋高精度形變監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：InSAR；角反射器；越江橋梁；形變監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：U446.2" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar， SAR）是自20世紀(jì)50年代開始發(fā)展的一種微波成像遙感技術(shù)。微波遙感可以穿透云雨，不受晝夜和氣候的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)全天時(shí)、全天候觀測(cè)成像，甚至能夠穿透植被和地表獲取信息。另外，合成孔徑技術(shù)極大改善了雷達(dá)成像分辨率，星載SAR衛(wèi)星被廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)距離、大范圍的對(duì)地監(jiān)測(cè)中，尤其在災(zāi)害監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋監(jiān)測(cè)、資源勘查、農(nóng)作物估產(chǎn)、測(cè)繪和軍事等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（Interferometric Synthetic Aperture Radar， InSAR）技術(shù)在近30年內(nèi)發(fā)展迅速，尤其是時(shí)序InSAR技術(shù)的提出，通過(guò)對(duì)永久散射體（Permanent Scatterer， PS）的干涉相位時(shí)序分析，獲取高密度、高精度的地表沉降信息，使得InSAR成為地表形變監(jiān)測(cè)的主要技術(shù)手段之一［1-2］。InSAR形變計(jì)算的精度與可靠性很大程度上取決于PS點(diǎn)的相位相干性和信號(hào)穩(wěn)定性，可以利用散射信號(hào)穩(wěn)定、相干性高的角反射器（Corner Reflector， CR）來(lái)提高PS點(diǎn)密度與InSAR形變監(jiān)測(cè)計(jì)算精度。

本文將對(duì)現(xiàn)有InSAR變形監(jiān)測(cè)技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行闡述與分析，以上海長(zhǎng)江大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，利用越江大橋及周邊區(qū)域布設(shè)的角反射器作為輔助手段，基于星載InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)上海長(zhǎng)江大橋結(jié)構(gòu)變形，并對(duì)角反射器散射效果和越江大橋形變特征進(jìn)行分析。

1 InSAR變形監(jiān)測(cè)技術(shù)原理

InSAR技術(shù)基于時(shí)間測(cè)距成像機(jī)理，通過(guò)衛(wèi)星上裝載的兩副SAR天線同時(shí)觀測(cè)（單軌雙天線模式），或兩次平行的觀測(cè)（重復(fù)軌道模式），獲得同一區(qū)域的重復(fù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，即單視復(fù)數(shù)影像對(duì)。由于兩副天線和觀測(cè)目標(biāo)之間的幾何關(guān)系發(fā)生變化，同一目標(biāo)對(duì)應(yīng)的兩個(gè)回波信號(hào)之間產(chǎn)生相位差，由此得到的相位差影像通常稱為干涉圖，結(jié)合觀測(cè)平臺(tái)的軌道參數(shù)和傳感器參數(shù)等可以獲得地面高程信息［3］。

在此基礎(chǔ)上，若需進(jìn)一步獲得地面目標(biāo)幾何位置相對(duì)于SAR傳感器發(fā)生的變化（即形變），則需要去除干涉相位中平地、地形等因素對(duì)相位的影響，這個(gè)過(guò)程被稱之為差分干涉測(cè)量（DInSAR）。根據(jù)地形相位去除方法的不同，DInSAR可以分為二軌法、三軌法和四軌法，其中以二軌法最為常見(jiàn)。

近年來(lái)，越來(lái)越多的高分辨率SAR衛(wèi)星發(fā)射并投入使用，InSAR監(jiān)測(cè)領(lǐng)域由宏觀、大尺度的區(qū)域地表監(jiān)測(cè)拓展至更微觀、局部的城市基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)。交通基礎(chǔ)設(shè)施是人居環(huán)境的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)健康問(wèn)題關(guān)乎市民出行安全。多時(shí)相InSAR（Multi-Temporal InSAR， MT-InSAR）的出現(xiàn)與發(fā)展進(jìn)一步提高了基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)化與精細(xì)化。時(shí)至今日，InSAR已經(jīng)成為道路設(shè)施全天時(shí)、全天候、大范圍、高精度變形監(jiān)測(cè)的有效技術(shù)手段。

2 基于角反射器的InSAR數(shù)據(jù)處理流程

2.1 角反射器設(shè)計(jì)原理

角反射器是SAR定標(biāo)中使用較為廣泛的無(wú)源點(diǎn)目標(biāo)，一般具有大且穩(wěn)定的雷達(dá)散射截面積（Radar Cross Section， RCS），其RCS遠(yuǎn)大于周圍環(huán)境的散射，并且表現(xiàn)出與雷達(dá)波長(zhǎng)和角反射器尺寸無(wú)關(guān)的3 dB波束帶寬（見(jiàn)圖1）。角反射器一般采用鋁制金屬面板，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、架設(shè)容易、成本低廉，固定安裝于待監(jiān)測(cè)區(qū)域。由于角反射器的散射特征和空間位置穩(wěn)定，不僅可以作為SAR輻射標(biāo)定參考目標(biāo)，還可以作為幾何參照物，用于幾何定標(biāo)和InSAR形變參考。

目前，使用的角反射器大多采用三條棱邊等長(zhǎng)的三面角結(jié)構(gòu)形式。常見(jiàn)的角反射器有矩形三面角反射器、扇形三面角反射器和三角形三面角反射器，其性能參數(shù)如表1所示［4］。

三角形三面角反射器的3 dB帶寬大于矩形和扇形三面角反射器，但其RCS值小于另外兩種角反射器（見(jiàn)表1）。相關(guān)研究表明，當(dāng)入射角度變化時(shí)，三角形三面角反射器的RCS值縮減速率最小，在較大的角度范圍內(nèi)可以獲得較大的回波功率。在實(shí)際定標(biāo)過(guò)程中，角反射器朝向不可避免偏離SAR雷達(dá)波入射方向，必須保證角反射器在較寬入射角度范圍內(nèi)都能取得較大的RCS。因此，三角形三面角反射器的使用最為廣泛。本文亦選取三角形三面角反射器作為形變參考點(diǎn)進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)解算。

2.2 InSAR數(shù)據(jù)處理方法

干涉相位是InSAR處理分析的基礎(chǔ)。在理想情況下，兩幅SAR影像的干涉相位只與參考面、地形及地表形變有關(guān)。但在實(shí)際觀測(cè)過(guò)程中，兩次觀測(cè)期間的目標(biāo)散射特性、觀測(cè)視角、大氣條件等都有可能發(fā)生變化，干涉相位受失相干、大氣延遲、地形相位補(bǔ)償誤差、衛(wèi)星定位誤差、相位解纏誤差等因素綜合影響。為了消除上述誤差對(duì)真實(shí)形變相位解算的影響，產(chǎn)生了以PS和SBAS技術(shù)為代表的MT-InSAR時(shí)序分析技術(shù)［5-6］。

3 角反射器布設(shè)方式

3.1 上海長(zhǎng)江大橋簡(jiǎn)介

上海長(zhǎng)江大橋位于中國(guó)上海市，東起上海市崇明島，上跨長(zhǎng)江水道，北至長(zhǎng)興島與陳海公路相接后，匯入向化公路跨線橋。大橋于2004年12月28日動(dòng)工興建，于2009年10月31日通車運(yùn)營(yíng)。大橋總面積34.23萬(wàn)平方米，線路長(zhǎng)16.63千米，跨越長(zhǎng)江部分正橋長(zhǎng)9.97千米；橋面為雙向六車道高速公路，設(shè)計(jì)速度100千米每小時(shí)。大橋選擇了獨(dú)特的“人”字形結(jié)構(gòu)斜拉橋造型，相應(yīng)于橋塔構(gòu)型，主梁采用了分離結(jié)構(gòu)，是上海市地標(biāo)性建筑。大橋所處位置與實(shí)景照片，如圖3所示。

3.2 角反射器的安裝

為提高上海長(zhǎng)江大橋InSAR形變監(jiān)測(cè)精度，項(xiàng)目組在上海長(zhǎng)江大橋及附近區(qū)域安裝了4個(gè)三角形角反射器，角反射器直角邊長(zhǎng)為1.2米。其中，一個(gè)布設(shè)于上海市長(zhǎng)興島隧橋管控中心，編號(hào)CRCX，如圖4a所示；另外，3個(gè)角反射器布設(shè)在長(zhǎng)江大橋上，編號(hào)為CR1，CR2和CR3，3個(gè)角反射器的現(xiàn)場(chǎng)安裝情況分別如圖4b，4c和4d所示。

考慮到野外防風(fēng)和防積水，角反射器上安裝了電磁波可穿透的聚乙烯塑料材質(zhì)蓋板。此外，大橋上安裝的角反射器設(shè)計(jì)了專門的固定支架，可在不損害大橋表面結(jié)構(gòu)的情況下，將角反射器平穩(wěn)地固定在橋梁上下行車道中間的隔離帶和疊合梁上。為了達(dá)到對(duì)SAR衛(wèi)星發(fā)射微波脈沖最佳的反射效果，角反射器安裝的朝向垂直于衛(wèi)星航向，并通過(guò)調(diào)整傾角使得角反射器的中心指向線對(duì)準(zhǔn)雷達(dá)微波的入射方向。

4 基于MT-InSAR的上海長(zhǎng)江大橋形變監(jiān)測(cè)

4.1 影像數(shù)據(jù)

為了充分利用上海長(zhǎng)江大橋及周邊區(qū)域安裝的角反射器，本文選用2020年9月—2022年3月覆蓋上海長(zhǎng)江大橋的44景Sentinel-1A衛(wèi)星平臺(tái)升軌SLC單視復(fù)影像為數(shù)據(jù)源，觀測(cè)模式為IW寬幅干涉，分辨率為5米×20米，極化方式為VV極化。選取2021年6月30日的影像為PS處理主影像。

本文采用由歐空局開發(fā)的SAR影像處理軟件（SeNtinel Application Platform， SNAP）進(jìn)行影像數(shù)據(jù)處理，基于USGS發(fā)布的30米分辨率SRTM DEM數(shù)據(jù)去除地形相位并進(jìn)行地理編碼，完成軌道校正、條帶選擇、主影像選取、配準(zhǔn)與干涉圖生成等處理步驟。輻射定標(biāo)前后角反射器所在區(qū)域影像如圖5所示。在強(qiáng)度影像中，角反射器區(qū)域表現(xiàn)為非常明亮的十字光斑，所在區(qū)域信噪比有極大的提升，可以作為穩(wěn)定的干涉測(cè)量形變參考點(diǎn)。

本文采用StaMPS進(jìn)行時(shí)序分析與形變提取。StaMPS/MTI（Stanford Method for Persistent Scatterers/Multi-Temporal InSAR）方法由英國(guó)利茲大學(xué)Hopper教授等學(xué)者于2004年提出，該方法采用三維時(shí)空解纏算法獲取目標(biāo)的時(shí)序形變信息，同時(shí)支持PS與SBAS處理方法，能提高時(shí)序InSAR在低相干區(qū)的監(jiān)測(cè)能力?；谠摲椒ǎ疚牡玫絽^(qū)域形變速率解算結(jié)果如圖6所示。

4.2 形變監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

在默認(rèn)情況下，StaMPS方法以解算得到的區(qū)域內(nèi)所有PS點(diǎn)的“相位—形變”量平均值作為相對(duì)值，計(jì)算各點(diǎn)的相對(duì)形變量。為了更準(zhǔn)確地獲取越江大橋重點(diǎn)位置真實(shí)形變量，本文將長(zhǎng)興島角反射器作為形變參考點(diǎn)，計(jì)算角反射器所在3處橋梁位置在2020年9月至2022年3月間的絕對(duì)形變量變化情況，結(jié)果如圖7所示。

由形變時(shí)序曲線圖可見(jiàn)，CR1，CR2和CR3在監(jiān)測(cè)期間內(nèi)形變波動(dòng)較小，形變區(qū)間基本處于以形變量0為對(duì)稱軸±10 mm范圍內(nèi)，符合正常運(yùn)行狀態(tài)下越江大橋形變變化特征。其中，CR1，CR2的形變波動(dòng)范圍比CR3更小，其主要原因是CR3安裝于主橋斜拉橋段，相比于非斜拉橋段，斜拉橋形變狀況更容易受溫度、荷載變化影響。因此，利用角反射器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)越江大橋形變的有效、高精度監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，上海長(zhǎng)江大橋主橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，未產(chǎn)生明顯的沉降趨勢(shì)。

5 結(jié)論

本文基于歐空局Sentinel-1A衛(wèi)星平臺(tái)2020年9月至2022年3月共44景SAR影像對(duì)越江大橋變形監(jiān)測(cè)方法開展研究。以上海長(zhǎng)江大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，在大橋主橋和周邊區(qū)域安裝角反射器，采用MT-InSAR時(shí)序分析技術(shù)，得到角反射器位置大橋形變監(jiān)測(cè)結(jié)果，上海長(zhǎng)江大橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，無(wú)明顯沉降位移趨勢(shì)。研究結(jié)果表明，角反射器可以極大地增加監(jiān)測(cè)位置的雷達(dá)反射信號(hào)強(qiáng)度，有助于提高越江大橋InSAR變形監(jiān)測(cè)成果的精度和可靠性。本文提出的基于角反射器的越江大橋InSAR變形監(jiān)測(cè)方法對(duì)于運(yùn)營(yíng)期特大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與安全風(fēng)險(xiǎn)管控相關(guān)工作具有借鑒意義。

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（編輯 何琳編輯）

Abstract：" Spaceborne InSAR technology has the ability to acquire large-scale and high-precision surface deformation and displacement information， and has become one of the effective technical means for terrain deformation observation In this paper， C-band SAR images are used to monitor the deformation of the cross-river bridge， and corner reflectors are used to improve the reliability and accuracy of the monitoring results Shanghai Yangtze River Bridge is used as the monitoring object， and four corner reflectors are installed on the main bridge and around the adjacent area of the bridge Using the Sentinel-1A satellite images of the bridge area with time span from September 2020 to March 2022， the deformation rate and timing changes of the bridge at the position of the corner reflector are obtained based on the multi-temporal InSAR analysis technology The research result shows that the InSAR deformation monitoring method of the cross-river bridge based on the corner reflector proposed in this paper can realize high-precision deformation monitoring of the cross-river bridge

Key words： InSAR; corner reflector; cross-river bridge； deformation monitoring