多基地地基差分干涉MIMO雷达: 滑坡三维形变测量的火眼金睛

原创中国科学信息科学中国科学杂志社

形变测量是预测自然或工程滑坡灾害的关键技术之一。地基差分干涉雷达(GB-DInRad)采用相位差分干涉技术实现地表形变测量，具有全天时、全天候和非接触的测量优势。然而，现有技术只能测量沿雷达视线(LOS)的一维形变。相对于传统的扫描式GB-DInRad系统，其测量速度受天线机械运动的限制，且复杂的环境干扰也会严重影响其测量精度。

北京理工大学胡程教授、曾涛教授带领的研究团队研制了一种应用于三维形变测量的新型多基地地基MIMO(GB-MIMO)雷达，能够实现快速图像采集和高测量精度，首次实现了基于地基差分干涉雷达的三维形变测量。

图 1. 三维形变的几何测量

系统概述

GB-MIMO雷达采用MIMO电扫描技术以获得高方位分辨率。它使用16个发射天线构成两个密集发射子阵列，32个接收天线构成一个稀疏接收阵列(图2)。可以合成具有512个方位采样和2.37米长的等效大孔径。其方位分辨率为3.78 mrad，距离分辨率可达0.15 m。常规的地基合成孔径雷达(GB-SAR)通过天线沿着线性轨道或绕着旋转臂的机械运动实现大孔径，而GB-MIMO雷达则采用特殊的多天线结构。相比于GB-SAR，GB-MIMO雷达具有更快的图像采集速度和更好的重轨能力。通过采用MIMO电扫描技术代替机械扫描合成孔径技术，GB-MIMO雷达的图像采集速率可以从分钟级显著地提升到秒级。

图 2. GB-MIMO雷达

GB-MIMO雷达采用先进的电扫描成像技术，与传统的GB-DInRad系统相比，具有小型化、便携性和快速测量的优势，能够满足滑坡灾害快速监测和应急监测的需求，已成功应用于矿山、铁路、电力、大坝、滑坡监测等领域。

关键技术

阵列误差校正

由于GB-MIMO雷达采用多天线结构，其成像质量受阵列误差影响严重，包括发射和接收天线的通道间误差和位置误差。针对阵列误差引起的图像散焦问题，作者所在研究团队提出了一种基于多显著目标的宽带GB-MIMO雷达校准方法。以四个信号转发器为成像目标，使用该方法校正后的雷达图像的峰值旁瓣比可以达到-12.99 dB ，栅瓣可以降低到-40 dB左右。

动态永久散射体(PS)选择

干涉相位是决定形变测量精度的最重要因素。干涉图中相位质量低的像素点不适合进行相位分析。合适的筛选高质量像素点的方法对于干涉测量至关重要。研究团队提出了一种具有自适应阈值调整的动态PS选择方法，适用于长期的实时监测。数据分析结果表明，在不同干涉组中，PS的数量和质量可以保持高度稳定，为高精度形变测量奠定了坚实的基础。

复杂大气相位(AP)补偿

AP是影响GB-DInRad测量精度的主要误差源。为了补偿时变天气导致的复杂AP，研究团队提出了一种基于路径积分模型的网格划分方法。通过将一幅干涉相位图均匀地划分为足够数量的小网格，将AP补偿问题转化为受约束的线性最小二乘问题进行求解。对于时序干涉相位图，采用不同方法进行AP补偿的结果表明，网格划分方法可以达到最佳的补偿效果，一维形变测量精度可以从0.1毫米提高到0.05毫米。

优化几何设计

当采用多部GB-MIMO雷达联合测量三维形变时，测量精度与这些雷达构造的测量几何密切相关。理论分析证明，对于单个目标，当这些雷达的单位测量矢量构成一个特定的正棱锥构型时，可以得到最优观测几何。对于一个三维场景，可以视为很多个目标的集合，其最优构型问题可以转化为带边界约束的目标函数极小化问题，通过遗传算法求解。

三维形变测量

三维形变测量有助于识别形变特征和实现滑坡警报。为了实现三维形变测量，研究团队研制了国内首个基于三部GB-MIMO雷达的多基地系统，解决了多基地测量的多个关键问题，包括多基地图像配准、三维形变反演等。基于位移角反射器的实验结果表明，三维形变测量精度可以达到毫米级，这是首次在GB-DInRad领域实现。

应用

该成果已应用于河北省迁安市露天开采矿(N40°06′44′′,E118°36′23′′)，采用3部 GB-MIMO雷达从不同角度进行联合测量。