基于角反射器的越江大橋InSAR形變監測方法研究

摘要：星載InSAR技術具有獲取地表大范圍、高精度形變位移信息的能力，已經成為對地形變觀測的有效技術手段之一。文章將C波段SAR影像用于越江大橋形變監測，利用角反射器提高監測結果可靠性與精度。以上海長江大橋作為監測對象，在大橋主橋和鄰近區域安裝4臺角反射器，采用大橋區域時間跨度2020年9月至2022年3月的Sentinel-1A衛星影像，通過多時相InSAR分析技術，獲得了角反射器所在位置大橋形變速率與時序變化情況。研究結果表明，本文提出的基于角反射器的越江大橋InSAR形變監測方法可以實現越江大橋高精度形變監測。

關鍵詞：InSAR；角反射器；越江橋梁；形變監測

中圖分類號：U446.2" 文獻標志碼：A

0 引言

合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar， SAR）是自20世紀50年代開始發展的一種微波成像遙感技術。微波遙感可以穿透云雨，不受晝夜和氣候的影響，能夠實現全天時、全天候觀測成像，甚至能夠穿透植被和地表獲取信息。另外，合成孔徑技術極大改善了雷達成像分辨率，星載SAR衛星被廣泛應用于遠距離、大范圍的對地監測中，尤其在災害監測、環境監測、海洋監測、資源勘查、農作物估產、測繪和軍事等方面具有獨特的優勢。合成孔徑雷達干涉測量（Interferometric Synthetic Aperture Radar， InSAR）技術在近30年內發展迅速，尤其是時序InSAR技術的提出，通過對永久散射體（Permanent Scatterer， PS）的干涉相位時序分析，獲取高密度、高精度的地表沉降信息，使得InSAR成為地表形變監測的主要技術手段之一［1-2］。InSAR形變計算的精度與可靠性很大程度上取決于PS點的相位相干性和信號穩定性，可以利用散射信號穩定、相干性高的角反射器（Corner Reflector， CR）來提高PS點密度與InSAR形變監測計算精度。

本文將對現有InSAR變形監測技術特點進行闡述與分析，以上海長江大橋為研究對象，利用越江大橋及周邊區域布設的角反射器作為輔助手段，基于星載InSAR技術監測上海長江大橋結構變形，并對角反射器散射效果和越江大橋形變特征進行分析。

1 InSAR變形監測技術原理

InSAR技術基于時間測距成像機理，通過衛星上裝載的兩副SAR天線同時觀測（單軌雙天線模式），或兩次平行的觀測（重復軌道模式），獲得同一區域的重復觀測數據，即單視復數影像對。由于兩副天線和觀測目標之間的幾何關系發生變化，同一目標對應的兩個回波信號之間產生相位差，由此得到的相位差影像通常稱為干涉圖，結合觀測平臺的軌道參數和傳感器參數等可以獲得地面高程信息［3］。

在此基礎上，若需進一步獲得地面目標幾何位置相對于SAR傳感器發生的變化（即形變），則需要去除干涉相位中平地、地形等因素對相位的影響，這個過程被稱之為差分干涉測量（DInSAR）。根據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。

近年來，越來越多的高分辨率SAR衛星發射并投入使用，InSAR監測領域由宏觀、大尺度的區域地表監測拓展至更微觀、局部的城市基礎設施監測。交通基礎設施是人居環境的重要組成部分，其結構健康問題關乎市民出行安全。多時相InSAR（Multi-Temporal InSAR， MT-InSAR）的出現與發展進一步提高了基礎設施監測的精準化與精細化。時至今日，InSAR已經成為道路設施全天時、全天候、大范圍、高精度變形監測的有效技術手段。

2 基于角反射器的InSAR數據處理流程

2.1 角反射器設計原理

角反射器是SAR定標中使用較為廣泛的無源點目標，一般具有大且穩定的雷達散射截面積（Radar Cross Section， RCS），其RCS遠大于周圍環境的散射，并且表現出與雷達波長和角反射器尺寸無關的3 dB波束帶寬（見圖1）。角反射器一般采用鋁制金屬面板，結構簡單、性能穩定、架設容易、成本低廉，固定安裝于待監測區域。由于角反射器的散射特征和空間位置穩定，不僅可以作為SAR輻射標定參考目標，還可以作為幾何參照物，用于幾何定標和InSAR形變參考。

目前，使用的角反射器大多采用三條棱邊等長的三面角結構形式。常見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（見表1）。相關研究表明，當入射角度變化時，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可以獲得較大的回波功率。在實際定標過程中，角反射器朝向不可避免偏離SAR雷達波入射方向，必須保證角反射器在較寬入射角度范圍內都能取得較大的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進行形變監測解算。

2.2 InSAR數據處理方法

干涉相位是InSAR處理分析的基礎。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。但在實際觀測過程中，兩次觀測期間的目標散射特性、觀測視角、大氣條件等都有可能發生變化，干涉相位受失相干、大氣延遲、地形相位補償誤差、衛星定位誤差、相位解纏誤差等因素綜合影響。為了消除上述誤差對真實形變相位解算的影響，產生了以PS和SBAS技術為代表的MT-InSAR時序分析技術［5-6］。

3 角反射器布設方式

3.1 上海長江大橋簡介

上海長江大橋位于中國上海市，東起上海市崇明島，上跨長江水道，北至長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日動工興建，于2009年10月31日通車運營。大橋總面積34.23萬平方米，線路長16.63千米，跨越長江部分正橋長9.97千米；橋面為雙向六車道高速公路，設計速度100千米每小時。大橋選擇了獨特的“人”字形結構斜拉橋造型，相應于橋塔構型，主梁采用了分離結構，是上海市地標性建筑。大橋所處位置與實景照片，如圖3所示。

3.2 角反射器的安裝

為提高上海長江大橋InSAR形變監測精度，項目組在上海長江大橋及附近區域安裝了4個三角形角反射器，角反射器直角邊長為1.2米。其中，一個布設于上海市長興島隧橋管控中心，編號CRCX，如圖4a所示；另外，3個角反射器布設在長江大橋上，編號為CR1，CR2和CR3，3個角反射器的現場安裝情況分別如圖4b，4c和4d所示。

考慮到野外防風和防積水，角反射器上安裝了電磁波可穿透的聚乙烯塑料材質蓋板。此外，大橋上安裝的角反射器設計了專門的固定支架，可在不損害大橋表面結構的情況下，將角反射器平穩地固定在橋梁上下行車道中間的隔離帶和疊合梁上。為了達到對SAR衛星發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星航向，并通過調整傾角使得角反射器的中心指向線對準雷達微波的入射方向。

4 基于MT-InSAR的上海長江大橋形變監測

4.1 影像數據

為了充分利用上海長江大橋及周邊區域安裝的角反射器，本文選用2020年9月—2022年3月覆蓋上海長江大橋的44景Sentinel-1A衛星平臺升軌SLC單視復影像為數據源，觀測模式為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的SAR影像處理軟件（SeNtinel Application Platform， SNAP）進行影像數據處理，基于USGS發布的30米分辨率SRTM DEM數據去除地形相位并進行地理編碼，完成軌道校正、條帶選擇、主影像選取、配準與干涉圖生成等處理步驟。輻射定標前后角反射器所在區域影像如圖5所示。在強度影像中，角反射器區域表現為非常明亮的十字光斑，所在區域信噪比有極大的提升，可以作為穩定的干涉測量形變參考點。

本文采用StaMPS進行時序分析與形變提取。StaMPS/MTI（Stanford Method for Persistent Scatterers/Multi-Temporal InSAR）方法由英國利茲大學Hopper教授等學者于2004年提出，該方法采用三維時空解纏算法獲取目標的時序形變信息，同時支持PS與SBAS處理方法，能提高時序InSAR在低相干區的監測能力。基于該方法，本文得到區域形變速率解算結果如圖6所示。

4.2 形變監測結果分析

在默認情況下，StaMPS方法以解算得到的區域內所有PS點的“相位—形變”量平均值作為相對值，計算各點的相對形變量。為了更準確地獲取越江大橋重點位置真實形變量，本文將長興島角反射器作為形變參考點，計算角反射器所在3處橋梁位置在2020年9月至2022年3月間的絕對形變量變化情況，結果如圖7所示。

由形變時序曲線圖可見，CR1，CR2和CR3在監測期間內形變波動較小，形變區間基本處于以形變量0為對稱軸±10 mm范圍內，符合正常運行狀態下越江大橋形變變化特征。其中，CR1，CR2的形變波動范圍比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現對越江大橋形變的有效、高精度監測。監測結果表明，上海長江大橋主橋結構穩定，未產生明顯的沉降趨勢。

5 結論

本文基于歐空局Sentinel-1A衛星平臺2020年9月至2022年3月共44景SAR影像對越江大橋變形監測方法開展研究。以上海長江大橋為研究對象，在大橋主橋和周邊區域安裝角反射器，采用MT-InSAR時序分析技術，得到角反射器位置大橋形變監測結果，上海長江大橋結構穩定，無明顯沉降位移趨勢。研究結果表明，角反射器可以極大地增加監測位置的雷達反射信號強度，有助于提高越江大橋InSAR變形監測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變形監測方法對于運營期特大型橋梁結構健康監測與安全風險管控相關工作具有借鑒意義。

參考文獻

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［2］李振洪，朱武，余琛，等雷達影像地表形變干涉測量的機遇，挑戰與展望［J］測繪學報，2022（7）：1485-1519

［3］朱茂，沈體雁，黃松，等基于COSMO-SkyMed數據的水庫邊坡InSAR形變監測應用［J］水力發電學報，2018（12）：11-21

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［5］路聚峰時間序列高分辨率COSMO-SkyMed影像地表形變監測研究［D］阜新：遼寧工程技術大學，2017

［6］潘超，江利明，孫奇石，等基于Sentinel-1雷達影像的成都市地面沉降InSAR監測分析［J］大地測量與地球動力學，2020（2）：198-203

（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