干涉測(cè)量合成孔徑雷達(dá)技術(shù)原理及其在測(cè)量地震形變場(chǎng)中的應(yīng)用

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1、地震學(xué)報(bào)ACTASEISMOLOGICASINICA第20卷第6期1998年11月(647～655)Vol.20,No.6Nov.,1998干涉測(cè)量合成孔徑雷達(dá)技術(shù)原理及Ξ其在測(cè)量地震形變場(chǎng)中的應(yīng)用單新建葉洪(中國(guó)北京100029中國(guó)地震局地質(zhì)研究所)摘要介紹了雷達(dá)遙感技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀及應(yīng)用前景;較詳細(xì)地論述了干涉測(cè)量合成孔徑雷達(dá)INSAR(interferometricsyntheticapertureradar,簡(jiǎn)稱:干涉雷達(dá))技術(shù)的原理,并給出了在測(cè)量地震位錯(cuò)中的幾個(gè)應(yīng)用;最后指出,INSAR在觀測(cè)地表垂直形變中具有不可替代的應(yīng)用潛

2、力,它將為監(jiān)測(cè)地震動(dòng)態(tài)場(chǎng)的變化提供全新的手段和方法,對(duì)今后地震預(yù)測(cè)工作將起到極大的推動(dòng)作用.關(guān)鍵詞雷達(dá)遙感INSAR技術(shù)垂直形變引言遙感技術(shù)經(jīng)過30多年的發(fā)展,已與全球定位系統(tǒng)(GPS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)等學(xué)科相互滲透、相互融合,形成了新型的對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng),是當(dāng)代最具革命性的科學(xué)技術(shù),為地學(xué)研究提供了全新的方法和技術(shù)手段,從而使地學(xué)的研究范圍、內(nèi)容和方法發(fā)生了重大變化(徐冠華等,1996;李德仁,1996).1978年L波段星載雷達(dá)衛(wèi)星SeasatSAR的發(fā)射,揭開了星載雷達(dá)遙感技術(shù)的新篇章.之后,美國(guó)“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)于1981

3、年載合成孔徑雷達(dá)SIR2A升空;“挑戰(zhàn)者”號(hào)航天飛機(jī)于1984年載SIR2B升空;“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)于1994年載SIR2C升空;1991年歐空局發(fā)射試驗(yàn)性載SAR遙感衛(wèi)星ERS21(C波段,VV極化,分辨率為30m);1992年日本JERS21(L波段,HH極化,分辨率為18m)發(fā)射;到1995年加拿大的商業(yè)雷達(dá)衛(wèi)星RADARSAT(C波段,HH極化,最優(yōu)分辨率10m,重復(fù)周期24d)的發(fā)射,再一次將星載雷達(dá)推向高潮,使合成孔徑雷達(dá)SAR(syntheticapertureradar)技術(shù)得到了廣闊的應(yīng)用.在所獲取的SAR圖像中,且還記

4、錄了相位信息,具有光學(xué)遙感無法相比的優(yōu)勢(shì).不但記錄了地物的強(qiáng)度信息,而在眾多的雷達(dá)遙感技術(shù)中,干涉測(cè)量合成孔徑雷達(dá)(INSAR)技術(shù)取得了令世人矚目的成績(jī),它與GPS、VLBI和SLR等空間技術(shù)一道,構(gòu)成了空間測(cè)地技術(shù)的主體.INSAR技術(shù)利用相位信息,通過干涉處理獲得數(shù)字地面模型(Graham,1974;Rogers,1969)和地表Ξ國(guó)家自然科學(xué)基金(49802027)資助項(xiàng)目.1998204206收到初稿,1998208218收到修改稿并決定采用.綜述形變信息(Kwok,于初步應(yīng)用階段,Fahnestock,1996).雖然INSA

5、R技術(shù)沒有像GPS技術(shù)那樣成熟,還處但隨著雷達(dá)遙感系統(tǒng)的飛速發(fā)展,可以預(yù)計(jì),在近年內(nèi)INSAR技術(shù)將起到與GPS同等重要的作用.INSAR技術(shù)與GPS技術(shù)在內(nèi)容上相互補(bǔ)充、相互依托.IN2SAR技術(shù)可獲取高精度的活動(dòng)斷層垂直形變信息,GPS可獲取高精度的活動(dòng)斷層水平形變信息,利用兩者都具備的準(zhǔn)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、全天候的特點(diǎn),在時(shí)間軸上把水平位移與垂直位移作矢量疊加,便可得出活動(dòng)斷層的三維動(dòng)態(tài)形變場(chǎng).因此,INSAR技術(shù)的應(yīng)用,將使我們重新認(rèn)識(shí)地殼形變位移場(chǎng)和速率場(chǎng)的動(dòng)態(tài)過程,從孕震環(huán)境、活動(dòng)構(gòu)造和介質(zhì)特性方面為地震的中期、短期和臨震預(yù)報(bào)提供可靠

6、的前兆信息,從而推動(dòng)地球動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、地震預(yù)測(cè)等學(xué)科的發(fā)展.1合成孔徑雷達(dá)SAR技術(shù)我們知道,衛(wèi)星雷達(dá)天線越長(zhǎng),對(duì)地物的觀測(cè)分辨率就越高.SAR技術(shù)正是利用這一原理,靠有限的天線長(zhǎng)度來提高分辨率.它的基本原理是:衛(wèi)星在軌道飛行中,在不同位置上定時(shí)地對(duì)同一地物發(fā)射電磁波脈沖信號(hào),然后接收回波信號(hào),在某種意義上,可以認(rèn)為是延伸了雷達(dá)天線的長(zhǎng)度,從而大大提高了分辨率.SAR的分辨率包括距離分辨率和方位分辨率.距離分辨力是在脈沖發(fā)射的方向上,能分辨出兩個(gè)目標(biāo)的最小距離,與脈沖寬度有關(guān),目前是采用脈沖壓縮技術(shù)實(shí)現(xiàn)的.方位分辨率指相鄰的兩束脈沖之間

7、,能分辨兩個(gè)目標(biāo)的最小距離,它是利用回波信號(hào)的多普勒頻移實(shí)現(xiàn)的.方位分辨率與波長(zhǎng)Κ、斜距R成正比,與天線孔徑d成反比.目前經(jīng)常使用的成像雷達(dá)衛(wèi)星參數(shù)如表1所示.表1幾個(gè)星載SAR的參數(shù)雷達(dá)ERS21SARJERS21SARSIR2C?X2SARRADARSATEOSSAR發(fā)射國(guó)家發(fā)射時(shí)間飛行高度?km軌道傾角?(°)波段極化方向歐空局199178598CVV日本199256898LHH加拿大199579298.6CHH美國(guó)2歐空局2日本預(yù)計(jì)199962098L,C,XQuad(L)Dual(C,X)15～4030～50020～250美國(guó)1

8、99621557L,C,XQuad(C,L)VV(X)15～6010～1502525數(shù)字入射角?(°)輻照寬度?km距離分辨率?m方位分辨率?m記錄方式23(中心區(qū))100<33<30數(shù)字35