GNSS-R形變監(jiān)測(cè)技術(shù)綜述

嚴(yán)頌華，唐鳳雨，陳永謙，李 焱

(武漢大學(xué) 遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

0 引言

山體滑坡和地表沉降是破壞程度嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，每年在世界范圍內(nèi)發(fā)生頻繁且破壞力巨大。在預(yù)警體系中，通過(guò)對(duì)形變量這一直接反映地表穩(wěn)定性以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量進(jìn)行厘米級(jí)甚至毫米級(jí)的監(jiān)測(cè)，得到其發(fā)展過(guò)程，對(duì)科學(xué)研究及防災(zāi)減災(zāi)都具有重要意義。

在形變監(jiān)測(cè)技術(shù)方面，傳統(tǒng)大地測(cè)量方法例如基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS) 直達(dá)信號(hào)的方法已運(yùn)用廣泛，即在建筑物、山坡等形變體上布放多個(gè)GNSS天線，通過(guò)對(duì)天線的高精度差分定位來(lái)實(shí)現(xiàn)形變監(jiān)測(cè)。該技術(shù)屬于點(diǎn)觀測(cè)，只能估算天線所在點(diǎn)的形變參數(shù)，適用于橋梁、大壩等重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大面積觀測(cè)。該方法需要把GNSS天線固定在形變體上，屬于接觸式觀測(cè)，在某些形變危險(xiǎn)點(diǎn)無(wú)法布設(shè)。非接觸測(cè)量方法常被使用但有其缺點(diǎn)，如三維激光掃描法能夠得到形變的三維數(shù)據(jù)，缺點(diǎn)是成本高、容易受天氣影響。地基干涉合成孔徑雷達(dá)(GB-InSAR)也被廣泛用于形變監(jiān)測(cè)，優(yōu)點(diǎn)是分辨率較高，但成本也高。星載SAR作為地質(zhì)災(zāi)害識(shí)別與監(jiān)測(cè)的主力裝備[1]，能夠長(zhǎng)時(shí)間地工作，且具有較大的監(jiān)測(cè)范圍和較高的空間分辨率，但是受到SAR衛(wèi)星較長(zhǎng)重返周期的限制，無(wú)法提供短時(shí)間內(nèi)連續(xù)的形變信息。

隨著GNSS星座的不斷增加和GNSS-R遙感的發(fā)展，研究者們也在前期應(yīng)用的基礎(chǔ)上將該技術(shù)拓展到了形變監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。本文的特色在于主要介紹GNSS-R遙感從海面遙感延伸到陸地遙感和形變的過(guò)程，闡述GNSS-R形變監(jiān)測(cè)的3種典型方法 (基于成像、鏡反射、以及目標(biāo)探測(cè)的監(jiān)測(cè)方法)的由來(lái)、執(zhí)行過(guò)程和優(yōu)缺點(diǎn)。最后總結(jié)出挑戰(zhàn)和未來(lái)可以值得研究之處，期望能為相關(guān)從業(yè)人員提供參考和借鑒。

1 GNSS-R遙感應(yīng)用

GNSS-R技術(shù)的基本思想是利用雙基地雷達(dá)的概念，即GNSS衛(wèi)星持續(xù)不斷地向地面發(fā)射L波段的導(dǎo)航電波信號(hào)，經(jīng)過(guò)地面反射后，被星載/機(jī)載/地基接收機(jī)接收，從這些回波中提取電波的參數(shù)，可以反演或估計(jì)出地面物體的信息。這種技術(shù)也稱為被動(dòng)雷達(dá)或者外輻射源雷達(dá)技術(shù)。

GNSS-R技術(shù)已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于地球表面遙感中。楊東凱等[2]構(gòu)建了利用GPS散射信號(hào)的機(jī)載海面風(fēng)場(chǎng)反演系統(tǒng)。嚴(yán)頌華等[3]利用該技術(shù)反演土壤濕度。孫越強(qiáng)等[4]提出了基于樹模型的機(jī)器學(xué)習(xí)方法反演海面風(fēng)速。張?jiān)?、尹聰?shù)萚5-6]在渤海區(qū)域做了多次海冰監(jiān)測(cè)。近些年來(lái)各航天大國(guó)先后發(fā)射搭載反射接收機(jī)的衛(wèi)星，如美國(guó)發(fā)射了CYGNSS星座，歐空局發(fā)射了TDS-1衛(wèi)星，航天五院發(fā)射了“捕風(fēng)”AB星，天津云遙公司發(fā)射了商業(yè)星載GNSS-R海洋反射探測(cè)載荷，GNSS-R技術(shù)進(jìn)一步在時(shí)間和空間維度上得到擴(kuò)展。例如Hammond 等[7]利用TDS-1衛(wèi)星的數(shù)據(jù)得到了3年內(nèi)海面風(fēng)速的時(shí)間變化規(guī)律，Nguyen等[8]基于商業(yè)的Spire星座，在掩星數(shù)據(jù)之外收集了掠入射情況下的GNSS反射事件，從中提取了海面測(cè)高信息，測(cè)高精度達(dá)到3 cm。 Cartwright 等[9]使用33個(gè)月的TDS-1的數(shù)據(jù)研究北極和南極區(qū)域的海冰分布，與歐空局發(fā)布的海冰聚集度產(chǎn)品相比，吻合度超過(guò)96%。Gerlein等[10]利用CYGNSS的數(shù)據(jù)研究了內(nèi)陸水體的變化，反映湖泊和水體的擴(kuò)展和收縮過(guò)程，結(jié)果和MODIS產(chǎn)品相符，由于CYGNSS的全球性和短周期性，能夠在半個(gè)月的時(shí)間間隔內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)水災(zāi)分布產(chǎn)品。這些研究成果極大地鼓舞了GNSS-R研究者拓展該技術(shù)到形變監(jiān)測(cè)應(yīng)用的信心，也提供了技術(shù)積累。

2 GNSS-R形變監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

GNSS-R用于形變監(jiān)測(cè)時(shí)具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1) 導(dǎo)航信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。導(dǎo)航系統(tǒng)由多個(gè)軌道的多顆衛(wèi)星在太空不間斷地運(yùn)動(dòng)，例如2020年7月我國(guó)正式開通的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)目前在軌運(yùn)行的有數(shù)十顆，包括三種衛(wèi)星：靜止軌道(GEO)衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星(IGSO)和中圓地球軌道(MEO)衛(wèi)星，聯(lián)合其他導(dǎo)航系統(tǒng)可以組成一個(gè)探測(cè)網(wǎng)，使地球上任何一點(diǎn)都能夠被覆蓋到，在很大程度上提高了監(jiān)測(cè)區(qū)域的靈活性。GNSS衛(wèi)星、目標(biāo)和接收機(jī)三者構(gòu)成了多基地的雷達(dá)系統(tǒng)，因此可獲得多視角后向散射與非后向散射信息、便于實(shí)現(xiàn)多維形變量觀測(cè)。

(2) 導(dǎo)航衛(wèi)星短的重返周期可以保證地面圖像的相干性。目前GPS與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的IGSO衛(wèi)星和MEO衛(wèi)星的重返周期為一天，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有SAR衛(wèi)星的重返周期，可以避免由于時(shí)間跨度長(zhǎng)而導(dǎo)致的時(shí)間去相干和空間去相干。

(3) 導(dǎo)航衛(wèi)星所使用的頻段為L(zhǎng)波段，該波段對(duì)云層和地表植被具有一定的穿透能力，因此可以克服天氣障礙，全天候工作其波長(zhǎng)為數(shù)十厘米，進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)時(shí)精度可以達(dá)到厘米級(jí)別。此外，導(dǎo)航系統(tǒng)都設(shè)置有雙頻信號(hào)，可以通過(guò)多頻組合的方式來(lái)獲取水汽信息，從而解決水汽引起的相位延遲問(wèn)題，有助于提高形變測(cè)量精度。

(4) 導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)有高精度的原子鐘系統(tǒng)，所以GNSS衛(wèi)星信號(hào)本身具備高精度的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息，因此可以通過(guò)接收導(dǎo)航衛(wèi)星直達(dá)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)收發(fā)兩端的時(shí)間同步。此外，導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的捕獲與跟蹤技術(shù)已經(jīng)非常成熟，能夠確保收發(fā)兩端的相位同步，在實(shí)現(xiàn)相位提取乃至形變測(cè)量上有保證。

(5)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)現(xiàn)在是多顆衛(wèi)星形成多基地發(fā)射，系統(tǒng)有3個(gè)頻段同時(shí)工作，可以利用多角度、多方位、多頻段信號(hào)監(jiān)測(cè)，提高形變測(cè)量精度和空間分辨率。

3 GNSS-R形變監(jiān)測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀

GNSS-R技術(shù)在海面風(fēng)場(chǎng)和土壤濕度應(yīng)用方面已經(jīng)發(fā)展多年，但是在形變方面的應(yīng)用并不成熟。2013年Liu等[11]提出了利用GNSS構(gòu)成的雙基地雷達(dá)實(shí)現(xiàn)SAR成像,并利用這種圖像在2個(gè)連續(xù)時(shí)刻的細(xì)微變化來(lái)測(cè)量地面變化，稱之為CCD(Coherent Change Detection)方法。 2015年Zeng等[12]提出了基于空基表面成像雷達(dá)的沉降監(jiān)視技術(shù)，其基本思路是利用2個(gè)地面站來(lái)接收同一顆衛(wèi)星的信號(hào)，其中一個(gè)作為基準(zhǔn)站來(lái)去掉大氣層和電離層誤差，而另外一個(gè)站則用來(lái)模擬形變，通過(guò)抽取峰值回波信號(hào)的相位來(lái)獲得由于路徑引起的相位差，再根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算形變的大小。2019年 Yang等[13]提出利用坡面反射以及雙通道獨(dú)立處理的軟件接收機(jī)思路來(lái)反演形變。2021年Li等[14]提出利用北斗GEO衛(wèi)星的幾何不變性，以金屬板作為反射目標(biāo)板，結(jié)合多通道接收機(jī)進(jìn)行形變測(cè)量的思路。

由于GPS系統(tǒng)布設(shè)較早，以前的算法大多圍繞該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)衛(wèi)星來(lái)構(gòu)思，由于導(dǎo)航信號(hào)不像SAR信號(hào)專門為高分辨雷達(dá)所設(shè)計(jì)，其頻帶帶寬、發(fā)射功率相比專用雷達(dá)而言存在諸多限制，因此在形變研究方面還處于起步階段。表1給出了目前GNSS-R 形變監(jiān)測(cè)技術(shù)的主要情況。

表1 目前GNSS-R 形變監(jiān)測(cè)技術(shù)的主要情況Tab.1 Main situation of current GNSS-R deformation monitoring technology

4 GNSS-R形變監(jiān)測(cè)的幾種典型方法

4.1 基于成像的形變監(jiān)測(cè)方法

英國(guó)伯明翰大學(xué)和北京理工大學(xué)共同提出了空基雙基地類SAR成像(Space-Surface Bistatic Synthetic Aperture Radars),即SS-BSAR的理論，并進(jìn)一步提出了基于成像圖的形變監(jiān)測(cè)方法。該方法類似于星載SAR數(shù)據(jù)的干涉方法，SS-BSAR理論是其研究基礎(chǔ)。

SS-BSAR的成像結(jié)構(gòu)及圖像序列用于形變監(jiān)測(cè)示意如圖1所示。

(a) SS-BSAR 成像結(jié)構(gòu)

(b) 形變監(jiān)測(cè)圖1 SS-BSAR 成像結(jié)構(gòu)圖及圖像序列用于形變監(jiān)測(cè)示意Fig.1 Schematic diagram of SS-BSAR imaging structure and image sequence for deformation monitoring

該方法包含2個(gè)步驟：第一步，SS-BSAR成像，即處于不同接收平臺(tái)上的反射接收機(jī)(星載/機(jī)載/地基)接收從地表反射的信號(hào)，利用運(yùn)動(dòng)的GNSS衛(wèi)星形成合成孔徑，從而配合后向投影成像算法，形成合成孔徑圖像；第二步，利用以1天為重返周期的合成孔徑圖像序列，檢測(cè)相位的變化，達(dá)到形變監(jiān)測(cè)的目的。

SS-BSAR成像主要利用IGSO/MEO衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)，研究進(jìn)展迅速。2005年Zeng等[15]給出了不同軌道下衛(wèi)星對(duì)地成像的距離向和方位向分辨率分析。2007年Antoniou 等[16]提出了條帶式合成孔徑成像的算法，之后在文獻(xiàn)[17]中進(jìn)一步提出了一種機(jī)載情況下快速成像的方法。2012年Zhou等[18]給出了一種預(yù)處理方法來(lái)增強(qiáng)成像中同步的效果，Liu 等[19]則研究了采用地基靜態(tài)接收機(jī)在長(zhǎng)相干積累時(shí)間下點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的方位分布。2014年Zhang 等[20]研究了重返情況下2幅影像的空間去相關(guān)情況，2015年Ma等[21]研究了運(yùn)用伽利略衛(wèi)星時(shí)成像分辨率提高的方法。同一年，文獻(xiàn)[22]研究了多角度條件下成像融合的方法。2016年Santi等[23]提出了利用多衛(wèi)星成像提高分辨率的方法。

利用SS-BSAR成像圖,研究者提出了基于干涉的形變監(jiān)測(cè)算法，即針對(duì)成像序列，進(jìn)行同名點(diǎn)匹配，然后計(jì)算匹配圖像對(duì)的相位差別，并與基線結(jié)合進(jìn)行形變測(cè)量。2018年Liu等[24]利用SS-BSAR的概念，提出了一個(gè)3維形變測(cè)量的方法，其基本思路是依據(jù)干涉SAR的方案，利用IGSO衛(wèi)星的周期為1天的重返軌道，在每天近乎同一個(gè)時(shí)刻，采集15 min的數(shù)據(jù)，對(duì)地面反射物進(jìn)行成像，然后尋找永久散射體，求取永久散射體的相位。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，首先利用2行軌道參數(shù)TLE 計(jì)算IGSO衛(wèi)星的軌跡，然后根據(jù)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)軌跡，按照星載GNSS-R的分辨率理論，計(jì)算其在地面的成像分辨率。之后選擇地面成像分辨率較高的下午4點(diǎn)作為實(shí)驗(yàn)時(shí)間段，根據(jù)位置精度強(qiáng)弱度(Position Dilution of Precision，PDOP)理論選擇北斗二代IGSO1，2，4，5衛(wèi)星作為實(shí)驗(yàn)星。最后，根據(jù)后一天和前一天相位的差別來(lái)估計(jì)形變。實(shí)驗(yàn)采用精密度達(dá)到0.01 mm的形變臺(tái)搭載轉(zhuǎn)發(fā)器，利用人工調(diào)節(jié)形變臺(tái)改變轉(zhuǎn)發(fā)器的位置模擬形變，針對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)器實(shí)施成像。在2016年5月—6月間記錄了16組數(shù)據(jù)，其中包含2次10 mm的位移和一次20 mm的位移。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，精度優(yōu)于0.5 cm。

該方法實(shí)施的主要問(wèn)題是需要很強(qiáng)的反射信號(hào)，特別是在3個(gè)維度的方向都具有很強(qiáng)反射的形變體，需要在大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和環(huán)境中去尋找，因此需要進(jìn)行更多的野外現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。

4.2 基于鏡反射的形變監(jiān)測(cè)方法

香港理工大學(xué)提出利用邊坡斜面構(gòu)成的鏡反射現(xiàn)象，通過(guò)軟件接收機(jī)進(jìn)行形變探測(cè)。該方法起源于GNSS-R海面高度探測(cè)技術(shù)，由于海面是大面積的水平面上下移動(dòng)，而形變監(jiān)測(cè)則假設(shè)坡面沿著法向移動(dòng)。利用GNSS衛(wèi)星構(gòu)造鏡面反射測(cè)量坡面位移示意如圖2所示。 利用2個(gè)斜面L1和L2來(lái)表示形變前后的地表，而形變量則用ddif來(lái)表示。GNSS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)在斜面上以鏡反射的方式返回，被反射天線接收，同樣在接收機(jī)中進(jìn)行處理。該方法借鑒了GNSS-R對(duì)海面高度的估計(jì)技術(shù)。

圖2 利用GNSS衛(wèi)星構(gòu)造鏡面反射測(cè)量坡面位移示意Fig.2 Using GNSS satellite to construct specular reflection to measure slope displacement

針對(duì)海面高度的研究由來(lái)已久，2011年Fabra等[25]計(jì)算了同極化和交叉極化反射信號(hào)的差分相位，考慮海冰表面的粗糙度因素，將海冰表面高度估計(jì)的結(jié)果與北極潮位模型AOTIM-5 得到的結(jié)果比較，誤差在10 cm左右。2016年Lestarquit等[26]使用加泰羅尼亞通信中心研究的開源軟件接收機(jī)，采用主從式結(jié)構(gòu)，在生成DDM圖的基礎(chǔ)上提取出反射信號(hào)的相位，然后通過(guò)幾何關(guān)系來(lái)計(jì)算高度。實(shí)驗(yàn)設(shè)備布置于60 m高的燈塔上，通過(guò)在平靜海域的高度測(cè)量，驗(yàn)證了接收機(jī)的可行性，之后的飛行實(shí)驗(yàn)表明均方根誤差在9.47 cm。2017年Liu等[27]分析了海面高風(fēng)速條件下瑞典翁薩拉天文臺(tái)的數(shù)據(jù)，利用載波相位來(lái)去除非相干成分，從而留下相干成分來(lái)觀測(cè)海面高度。2019年Hu等[28]分析了低軌衛(wèi)星攝動(dòng)對(duì)海面高度反演的影響，指出攝動(dòng)會(huì)引起約3.4 m的平均誤差。2020年Wu等[29]利用岸基接收機(jī)分別生成直達(dá)信號(hào)和反射信號(hào)的DDM圖，然后從偽碼延遲和載波相位延遲的角度討論了風(fēng)速小于1.5 m/s時(shí)海面高度值，表明載波相位法的精度遠(yuǎn)高于偽碼測(cè)距法的精度，均方根誤差在8 cm左右。

在此基礎(chǔ)上的GNSS-R形變監(jiān)測(cè)研究方案[30]首先估計(jì)直達(dá)信號(hào)與反射信號(hào)由于距離差引起的額外的載波相位差，然后估計(jì)斜面的位移。具體實(shí)施是通過(guò)直達(dá)天線和反射天線將直達(dá)與反射信號(hào)采集后，在硬件接收機(jī)中完成信號(hào)放大、下變頻和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，得到離散的時(shí)域信號(hào)，送入軟件接收機(jī)。在軟件接收機(jī)中對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行單獨(dú)的跟蹤，通過(guò)調(diào)節(jié)本地鎖相環(huán)路中的數(shù)字控制振蕩器NCO 完成時(shí)間、頻率和相位的同步，通過(guò)相干積分來(lái)得到載波相位。比較直達(dá)信號(hào)與反射信號(hào)的載波相位差得到傳播路徑的延時(shí)，計(jì)算形變量。

該方法的最大特點(diǎn)是需要維持直達(dá)和反射信號(hào)都具有足夠的信噪比，從而保證2個(gè)信號(hào)可以單獨(dú)被跟蹤，如同2個(gè)差分接收機(jī)。同時(shí)，該方法還需要假設(shè)反射面變化發(fā)生在衛(wèi)星信號(hào)的相干時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)衛(wèi)星引起的相位變化趨勢(shì)才會(huì)被去掉。因此該方法只適合于短期內(nèi)快速形變監(jiān)測(cè)，實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景還需要進(jìn)一步拓展。

4.3 基于目標(biāo)探測(cè)的形變監(jiān)測(cè)方法

基于目標(biāo)探測(cè)的形變監(jiān)測(cè)示意如圖3所示。武漢大學(xué)從目標(biāo)探測(cè)的角度出發(fā)，嘗試將形變體看成一個(gè)目標(biāo)，采用雙通道接收機(jī)，但是在信號(hào)處理時(shí)將形變體視為探測(cè)目標(biāo)，首先進(jìn)行距離壓縮，然后在同一距離元內(nèi)進(jìn)行目標(biāo)相位識(shí)別，從而監(jiān)測(cè)形變。

圖3 基于目標(biāo)探測(cè)的形變監(jiān)測(cè)示意Fig.3 Deformation monitoring based on target detection

該方法的基礎(chǔ)是目標(biāo)探測(cè)，是GNSS-R雙基地雷達(dá)的一個(gè)典型應(yīng)用。2017年Ma 等[31]利用GNSS機(jī)會(huì)信號(hào)構(gòu)造雙基地雷達(dá)探測(cè)海洋表面目標(biāo)，發(fā)展了信號(hào)處理算法，并通過(guò)海邊船只實(shí)驗(yàn)證明了該算法的正確性。2018年P(guān)astina等[32]指出增加相干積累時(shí)間才能夠得到足夠的信噪比來(lái)檢測(cè)目標(biāo)，并給出了一種幀間補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)累積長(zhǎng)相干積累時(shí)間內(nèi)的能量。同年，Ma等[33]提出了一種利用多顆衛(wèi)星和單個(gè)接收機(jī)對(duì)反射目標(biāo)定位的理論框架，表明即使發(fā)射衛(wèi)星在移動(dòng)，該方法仍然能夠適用。2019年Santi等[34]提出了一種利用多顆衛(wèi)星的被動(dòng)多站雷達(dá)系統(tǒng)，即利用空間多樣性和長(zhǎng)相干積分時(shí)間提高信噪比，同時(shí)也增加定位的精度，利用伽利略衛(wèi)星和萊茵河上的船只進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一想法。2020年Gu等[35]將超分辨率分析方法結(jié)合GEO衛(wèi)星用于GNSS-R目標(biāo)探測(cè)。

GNSS-R形變量監(jiān)測(cè)實(shí)際上是檢測(cè)目標(biāo)在同一距離元內(nèi)相位的變化。文獻(xiàn)[14]主要利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的GEO衛(wèi)星，這種衛(wèi)星相對(duì)觀測(cè)者具有固定的仰角和方位角，因此幾何結(jié)構(gòu)固定，可以避免由于衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的相位變化，從而很好地反映形變引起的相位變化規(guī)律。其方案是針對(duì)斜坡形變體，同時(shí)考慮到發(fā)射衛(wèi)星、形變體和固定接收機(jī)的幾何構(gòu)型，將雙基地雷達(dá)盡量構(gòu)造成一種準(zhǔn)單站雷達(dá)的形式，然后采集信號(hào)。在下變頻處理得到中頻信號(hào)后，首先進(jìn)行距離壓縮，在距離上將形變體目標(biāo)和其他目標(biāo)區(qū)分開，然后針對(duì)形變體進(jìn)行信噪比增強(qiáng)處理，之后進(jìn)行相位抽取。沒(méi)有發(fā)生形變的時(shí)，這個(gè)相位維持不變，而當(dāng)發(fā)生形變時(shí)，這個(gè)相位會(huì)隨之變化。通過(guò)相位和形變的幾何轉(zhuǎn)換關(guān)系可以將形變量估計(jì)出來(lái)。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要設(shè)置轉(zhuǎn)發(fā)器在形變體上，克服了轉(zhuǎn)發(fā)器需要供電的問(wèn)題。該方法的難點(diǎn)是需要尋找合適的反射體，能夠具有較強(qiáng)的反射信號(hào)，從而保證反射信號(hào)的相位測(cè)量具有一定的穩(wěn)定度和精度。

5 GNSS-R 形變測(cè)量面臨的挑戰(zhàn)

綜合目前研究可見，在利用導(dǎo)航反射信號(hào)進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)時(shí)面臨著以下挑戰(zhàn)：

(1) 導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的反射功率比較弱。導(dǎo)航衛(wèi)星距離地面遙遠(yuǎn)，信號(hào)到達(dá)地面時(shí)強(qiáng)度在-160 dBW 左右，經(jīng)過(guò)地面目標(biāo)散射之后，信號(hào)會(huì)變得更加微弱。陸地反射與海面反射還存在較大區(qū)別，因?yàn)楹Ｃ婵臻g尺度大，而地面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造成接收機(jī)直接獲得信號(hào)的信噪比不高，后續(xù)處理存在難度，需要深入研究。

(2) 導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的帶寬比較窄，導(dǎo)致空間分辨率差，給形變監(jiān)測(cè)帶來(lái)很大的困擾。傳統(tǒng)的SAR成像在形變測(cè)量上能達(dá)到毫米級(jí)的分辨率，是因?yàn)槠湫盘?hào)具有300 MHz以上的帶寬。而目前在軌運(yùn)行的導(dǎo)航系統(tǒng)所發(fā)射的信號(hào)帶寬只有20.46 MHz，因此其成像在理論上能獲得的最佳距離分辨率為幾米。這種距離分辨率只適用于分辨率要求不高的場(chǎng)合，需要解決。

(3) 導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的體制與普通SAR不同。導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)實(shí)際上是一種脈沖體制雷達(dá)的變形，其信號(hào)是偽隨機(jī)編碼的連續(xù)波信號(hào)，因此處理上與線性調(diào)頻體制的雷達(dá)存在區(qū)別。

(4) 成像處理方式上不同。雙基地雷達(dá)的成像體制與SAR衛(wèi)星相對(duì)于地面的直線運(yùn)動(dòng)方式不同，導(dǎo)航衛(wèi)星在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)相對(duì)于地面為曲線運(yùn)動(dòng)，只能在數(shù)十秒的時(shí)間內(nèi)軌道認(rèn)為近似直線，若要獲得更高的增益，必須考慮衛(wèi)星軌道的曲線而采用分段采集的方法進(jìn)行接收。

6 結(jié)束語(yǔ)

GNSS-R形變研究是導(dǎo)航反射信號(hào)遙感研究領(lǐng)域中具有發(fā)展?jié)摿Φ难芯繜狳c(diǎn)，本文對(duì)近年來(lái)公開發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分析和總結(jié)以供借鑒。得益于各國(guó)蓬勃發(fā)展的導(dǎo)航星座系統(tǒng)和導(dǎo)航接收機(jī)硬軟件的發(fā)展，GNSS-R形變研究沿著多條技術(shù)路線展開，采用的衛(wèi)星從IGSO/MEO到GEO等不同軌道衛(wèi)星變化，設(shè)備也從純粹硬件到軟硬件結(jié)合。后續(xù)應(yīng)加強(qiáng)針對(duì)形變需求的算法研究，提高該技術(shù)的實(shí)用性和魯棒性。

目前，GNSS-R形變監(jiān)測(cè)技術(shù)才剛剛起步，本文認(rèn)為其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)和需要努力的方向如下：

(1) 推進(jìn)測(cè)量精度由厘米級(jí)向毫米級(jí)發(fā)展

目前GNSS-R形變監(jiān)測(cè)給出的測(cè)量精度都在厘米級(jí)，而且還取決于信號(hào)相位的穩(wěn)定性和接收系統(tǒng)對(duì)于相位的辨識(shí)度。未來(lái)若建立物理模型，在考慮地表因素對(duì)形變測(cè)量結(jié)果的影響，如植被覆蓋、地面高程、地表坡度的情況下，測(cè)量精度將會(huì)有望逐漸由厘米級(jí)精度提高到毫米級(jí)。

(2) 提高地表形變監(jiān)測(cè)的時(shí)間連續(xù)性和空間分辨率

目前都是針對(duì)局部區(qū)域、短時(shí)間內(nèi)的形變進(jìn)行GNSS-R研究。未來(lái)在條件具備后，該技術(shù)將有可能提供針對(duì)大區(qū)域或全球范圍的形變監(jiān)測(cè)，在時(shí)間上也將能夠提供連續(xù)不斷的數(shù)據(jù)，確保對(duì)不同形變速度的形變體進(jìn)行時(shí)間無(wú)縫的監(jiān)測(cè)。

(3) 搭載平臺(tái)由地基向機(jī)載和星載發(fā)展，提高其易用性

目前GNSS-R形變實(shí)驗(yàn)主要還在地面進(jìn)行，采用的接收機(jī)都放置在地面，實(shí)際監(jiān)測(cè)是小范圍的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足未來(lái)大范圍形變監(jiān)測(cè)的需要。未來(lái)接收機(jī)搭載在更高的平臺(tái)上顯然會(huì)增加形變探測(cè)的距離，如機(jī)載和星載平臺(tái)，這樣監(jiān)測(cè)會(huì)更靈活高效。