InSAR 技術及其在海上平臺形變監測中的應用現狀

肖家耀

（中海油田服務股份有限公司，天津 300459）

0 引言

海上平臺所處環境惡劣，長期在風、浪、海流、風暴、腐蝕侵襲等的作用下，易發生結構變形。此外，海上油氣開采過程中引起的地層壓實現象也可能會導致海上平臺發生變形，從而影響其結構完整性。海上平臺的極端變形可能會導致人員傷亡、生產設施受損以及環境污染。因此，監測海上平臺的變形對維持結構完整性具有重要意義。傳統的地面形變監測技術如精密水準測量、GNSS 技術、土工測量技術等雖然可以提供高精度、高可靠性的變形信息，但只能提供特定觀測點的變形信息，且需要在監測區域附近布設牢固可靠的的參考點。海上平臺一般離陸地較遠，無法在周邊建立固定的參考點，對平臺結構的絕對沉降量進行監測。

合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）是一種高分辨率雷達成像系統，它通過飛機或星載平臺的SAR 天線向地面發射微波信號，并接收來自地球表面的后向散射信號。SAR 天線接收到的后向散射信號代表了目標的特性。后向散射信號中記錄兩種類型的信息，即幅度和相位。相位反映了信號從發射到返回的波形變化，而幅度則反映了地表將入射波反射回SAR天線的后向散射能力。通過精確測量信號發射和接收之間的時間差，可以確定雷達天線與目標之間的距離，即斜距。地表目標隨時間的變化可以通過同一區域在不同時刻獲取的多幅SAR 圖像來確定。如果觀測的地表目標位置未發生移動，則雷達天線與目標之間的距離將保持不變。否則，意味著地表目標位置發生的變化。合成孔徑雷達干涉測量（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）技術是基于以上理論發展起來的。InSAR 技術測量精度僅取決于相干雷達波的相位信息，因此其計算地表形變的精度理論上可達毫米級，是公認的進行地表變形調查和監測的高效手段。隨著InSAR 技術的日益發展與成熟，InSAR 技術已衍生出多個分支。其中，意大利Ferretti 等提出的永久散射體雷達干涉（persistent scantter InSAR，PSInSAR）技術，有效的地解決了InSAR 中時空失相關和大氣效應等限制測量精度的問題。PSInSAR 技術主要用于檢測長期、緩變的地表形變，目前已廣泛應用于大壩、橋梁、鐵路等領域的形變監測。

InSAR 具有全天時、全天候、精度高及監測范圍廣等優勢，是陸地勘測領域的重要數據來源和技術手段。本文詳細介紹了InSAR 的基本原理，重點介紹了InSAR 技術在海上平臺形變監測領域的應用和研究現狀。

1 In S AR 技術

1.1 InSAR 基本原理

SAR 是一種通過飛機或星載平臺的向前運動構成合成孔徑的相干成像雷達，方位向采用多普勒頻移理論和雷達相干技術提高其分辨率，距離向分辨率通過脈沖壓縮技術實現。圖1 為SAR 成像幾何示意圖，沿雷達視線方向為“距離向”，與距離向正交的方法為“方位向”。雷達照射的地表區域，距離雷達最近的區域為“近距”，反之為“遠距”，兩者構成刈幅寬度。雷達視線方向與當地大地水準面垂線間的夾角為入射角，與基線間的夾角為基線俯角。

圖1 SAR 成像幾何示意圖

而InSAR 技術是利用SAR 對同一地區觀測的兩景圖像數據進行相干處理，提取和分離出地表高程或地表形變。狹義上，InSAR 技術僅指上述內容，僅用來生成DEM。而廣義上，InSAR 技術是以InSAR 為基礎發展起來的一系列技術，包括DInSAR、PSInSAR、CRInSAR 和SBAS 等技術。

PSInSAR 技術是InSAR 研究領域最重要的一個分支。它利用大氣延遲異常和永久散射體（persistent scantter，PS）后向散射的獨特特性，將傳統InSAR 變形測量的精度從10～20 mm 提高到2～3 mm。PS 點后向散射信號在頻域中具有寬帶譜，這意味著與其他散射體相比，PS 點的雷達相位在長的時間間隔和大基線間隔內相關。如果一個像素的后向散射由PS 點控制，則該像素將始終在長時間間隔內相干。因此，在PS 像素處，可以克服傳統InSAR 中的去相關的困難。此外，大氣效應的影響在空間尺度是平滑的，時間上是不相關的。在PS 像素處，可以利用多幅干涉圖識別并去除大氣效應對后向散射信號的影響。PSInSAR 處理的最終目標是基于足夠數量的PS 上的高信噪比相位數據，采用最小二乘估計和迭代的方法來區分不同影響因素（如地表變形、大氣延遲異常、DEM 誤差、軌道誤差和去相關噪聲），在一定范圍內得到較理想的結果。在消除由于大氣效應、軌道誤差和DEM 誤差后，PS 點的歷史變形精度評估可達毫米級。

1.2 SAR 系統介紹

近三十年，美國、日本、加拿大、歐空局都先后發展了星載SAR 系統，展示了星載SAR 在對地觀測中的重要影響。美國NASA 于1978 年6 月28 日發射的海洋衛星（Seasat），是第一顆搭載微波傳感器的民用衛星，利用合成孔徑雷達第一次獲取了海洋和陸地的高分辨率雷達圖像，驗證了SAR 獲取地球表面信息的卓越能力。隨后，1992 年日本發射了日本地球資源衛星1 號（JERS-1），歐空局于1991 年和1995 年發射了ERS-1 衛星和ERS-2 衛星，從滿足對環境監測日益增長的需要。1995 年加拿大的Radarsat1 投入運行，與以往單一固定角度單側成像衛星相比，不僅可以進行標準模式、精細模式、寬幅模式、掃描SAR 模式及擴展波束模式獲取數據，還能夠進行雷達波束照射“左視”方式工作獲取“右視”工作方式不能照射的南極地區雷達成像數據。2000 年，NASA 開展了雷達地形測圖計劃（SRTM），近11 天的飛行任務，完成了全球地表80%的面積的高精度地形數據，巨大推動測繪的發展和建設。隨著SAR 技術的發展，ALOS PALSAR、TerraSAR-X、COSMO-SkyMed、Sentinel-1a 等高分辨SAR系統相繼發射，進一步提升了InSAR 的應用能力，尤其在地表變形調查與監測領域。

2 In S AR 在海上平臺形變監測中的應用現狀

隨著人類對化石燃料能源的需求不斷增加，海洋油氣已成為化石燃料能源的主要增長點。海上平臺是海洋油氣行業的重要資產。海上平臺變形是影響其結構完整性的主要問題之一，它可能由自然過程和人類活動的多種因素引起，包括惡劣環境、極端天氣、淺層氣、儲層壓實、巖土災害、腐蝕、老化等。海上平臺的變形可能會導致生產中斷，甚至可能造成人員傷亡、資產損失和環境污染。因此，監測海上平臺的變形對維持結構完整性具有重要意義。

2.1 國外應用現狀

馬來西亞學者對InSAR 在海上平臺形變監測領域的應用做了大量研究。Abd Nasir Matori 等人使用2012 年8 月至2013 年4 月間TerraSAR-X 衛星采集的11 幅高分辨率SAR 影像數據，采用PSInSAR 技術處理數據，監測到了PETRONAS 海上生產平臺的沉降和隆起。Amir Sharifuddin Ab Latip 等人選取馬來西亞A1 和B1 海上平臺作為研究區域，應用InSAR 技術監測兩個平臺的變形。選用2018 年8 月24 日至2019年8 月22 日期間TerraSAR-X 衛星捕獲的該區域12幅SAR 影像數據，采用PSInSAR 技術處理數據，得出A1 和B1 平臺最大沉降量為-4 mm/year 和-6.3 mm/year。總體來說，國外對InSAR 技術在海上應用尚處于研究探索階段，有待于進一步進行對比論證。

2.2 國內應用現狀

國內學者對InSAR 技術在陸地油田區域形變監測領域的應用做了大量研究工作。胡云亮、王新等人選用2017—2018 年間Sentinel-1A 衛星C 波段30 幅SAR 影像數據，利用GAMMA 軟件，結合自己的圖像處理算法，采用PSInSAR 技術處理數據，得出了塔里木某油田年均沉降速率和特征點時序沉降結果。陳志謀、胡波等人利用TerraSAR 衛星的20 幅SAR 數據獲取某油田的形變場，采用SBAS 方法對影像進行處理，得到了該研究區域的平均形變速率圖、時間序列形變圖和累計形變曲線圖。國內目前對海上平臺形變監測的研究主要集中在光纖光柵等監測手段上，尚無InSAR 技術在海上平臺形變監測領域應用和研究的案例。

3 結語

InSAR 技術具有全天時、全天候、精度高、監測范圍廣等優勢，是地表形變監測的重要數據來源和監測手段。雖然從目前來看，星載InSAR 依舊存在一些不足之處，如衛星重訪周期長，不能對監測對象進行連續觀測。另外，衛星在觀測時，環境條件，如大氣、地物后向散射特性等出現過大的變化，也會影響衛星的觀測。未來，隨著衛星重訪周期越來越短（每天一次或者每天數次的重訪） 以及高分辨率SAR 系統如ALOS PALSAR、COSMO -SkyMed、TerraSAR -X、Sentinel -1a等的投入使用，InSAR 技術在海上平臺形變監測領域中具有巨大的應用潛力。