[发明专利]一种基于车载InSAR的道路边坡形变检测系统及方法

权利要求书

1.一种基于车载InSAR的道路边坡形变检测系统，其特征在于，包括一个数据获取平台：该平台安装在车辆顶端，包括一个双天线InSAR系统，两个天线垂直上下排列，排列方向与路面垂直，天线之间相隔设定距离；双天线形成的天线面能够进行方向调整；还包括一套用于平台的姿态测量的POS系统，姿态数据用于后续的SAR成像及InSAR数据处理，平台还包括供电系统及用于平台稳定的辅助设施；具体设备包括：GPS天线一个，POS一台，SAR主机一台，SAR天线两个，POS和SAR主机电源系统两套；连接方式如下：GPS天线通过信号分离器分别接入POS和SAR主机，利用该天线接收的信号进行定位和时间同步；两个SAR天线连接到SAR主机，并且，POS和SAR天线形成刚性连接关系；两套电源系统分别与POS和SAR主机相连，为其供电。

2.一种基于车载InSAR的道路边坡形变检测方法，其特征在于，包括一种数据获取方式：平台通过支架安装在汽车顶端，车载平台沿边坡一侧道路行驶，将SAR天线指向道路边坡一侧，向道路侧方边坡发射微波，用于收集边坡的回波；根据边坡的范围调节SAR的高度及天线面的方向，使波束向车辆侧上方发射和接收，覆盖待测边坡区域；如果道路较窄，则车载平台沿边坡对向的车道行驶，以增大成像距离；利用该数据获取方式可实现任意时刻道路边坡的相对形变检测，为道路安全管理提供科学的数据。

3.一种基于车载InSAR的道路边坡形变检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、车载InSAR平台以设定速度沿着道路匀速行驶，到达待测边坡区域后，开启SAR系统，SAR双天线不断向侧方边坡发射微波并收集回波数据，直至完成边坡数据采集；

步骤2、根据形变检测周期的需要，在设定间隔时间后，再次利用该设备按照步骤1对目标进行同样的数据收集操作，如果要监测边坡形变的变化趋势，在任意时间段内对同一边坡区域进行多次数据采集，获取边坡的形变变化结果，采集方式同步骤1；

步骤3、将两次或多次采集的数据进行配准，将所有采集的数据纳入统一的几何坐标系中，形成精确度几何对应关系；配准包括两个过程，首先是每次采集的双天线SAR数据的配准，其次是不同次采集数据之间的配准；SAR图像配准有基于相干系数法，基于最大频谱法和基于相位差干涉梯度法等三种方法，配准精度必须优于1个像元，对待配准图像进行重采样，得到配准后的数据；配准过程如下：

步骤3.1、待匹配影像粗匹配偏移量计算；车载系统在数据采集过程中，保存了每个成像时刻的空间位置和姿态信息，粗匹配根据待配准图像中心像元对应的传感器空间位置及成像几何关系计算得到两幅影像的粗偏移量，利用成像几何模型，首先计算匹配影像中心点对应的地面坐标p(X_t,Y_t,Z_t)，然后求出p(X_t,Y_t,Z_t)在待匹配图像上的对应点p_sla(m,n)，待匹配图像与匹配图像的粗偏移量，公式如下：

(X_S-X_t)²+(Y_s-Y_t)²+(Z_s-Z_t)²-(ct_r)²＝0

-2λR[(Xs-Xt)Vsx+(Ys-Yt)Vsy+(Zs-Zt)Vsz]=fD]]>

其中：为多普勒频率，为波长，R为斜距，X_s,Y_s,Z_s为天线空间位置坐标，V_sx，V_sy，V_sz为天线的速度矢量；c为电磁波速度，t_r为该点对应的距离向时间；

步骤3.2、像元级配准；像元级配准利用相干系数判决准则实现；其基本思想是根据图像能量互相关函数的统计特性，通过寻找两幅图像互相关函数的最大值来进行配准，当同一目标的SAR复图像之间精确配准时，其互相关函数在该点取得最大值；对于In SAR复图像的配准，定义相干系数为其互相关准则；

相干系数定义如下：

γ=ΣiΣjV1(i,j)·V2*(i,j)ΣiΣj|V1(i,j)|2·ΣiΣj|V2(i,j)|2]]>

其中，V₁(i，j)、V₂(i，j)分别表示两幅复图像窗口内的像素值，*表示复共轭；分别在参考图像和配准图像上选定一定区域，计算该区域内的相干系数，相干系数最大值对应的点即为配准点，通过这一步的处理，可以得到像元级的配准精度；

步骤3.3、子像元级配准；子像元级配准通过相干系数插值法实现；该方法根据像元级配准点周围若干像元的相干系数，通过相干系数拟合，找到最大相干系数对应的像元位置，以之确定更加精确的配准位置，该方法不仅能够得到较高的配准精度，并且计算速度较快；

步骤4、将每次双天线SAR配准后的数据进行干涉处理，生成干涉图，然后进行去平地效应，得到去平之后的干涉图，对两次或多次采集的数据进行相同处理，分别获取每次采集的干涉图；

步骤5、将两次或多次干涉处理的数据进行差分干涉处理，计算待测目标的差分相位；差分相位计算过程如下：

对于每一个地面待求点，其形变前的成像角度对应为θ，由于形变前和形变后成像距离远大于平台基线，成像距离都近似为R，将形变前后的SAR成像做干涉处理，形成三次干涉，由于平台在每次成像期间，高程方向保持不变，因此，成像基线只考虑平面距离的变化，设第一次和第二次成像的干涉基线偏移距离为r，第三次和第一次干涉的基线偏移距离为r₁，经过配准后，对应同名点的三次干涉相位分别为φ₁，φ₂，φ₃；由于成像时对应的角度θ和距离R近似不变，则第一次和第二次干涉相位差的几何关系如下：

φ2-φ1r(φ1+φ2)=-sinθ2R]]>

同理，第一次和第三次干涉相位差的几何关系为：

φ3-φ1r1(φ1+φ3)=-sinθ2R]]>

结合以上两式，可得差分干涉相位差为：

Δφ=r1(φ1+φ3)(φ2-φ1)r(φ1+φ2);]]>

步骤6、对差分相位进行相位解缠，得到解缠后的真实相位；根据成像模式的特点利用支切法进行相位解缠，解缠之后的相位中包含了形变信息；

步骤7、根据基线数据和InSAR成像几何条件，建立基于解缠后相位的形变解算数学模型，形变解算模型建立和计算过程如下：

对步骤5计算形变前后的相位差分干涉图去除固定基线的影响，即为形变引起的干涉相位差，根据相位和距离的关系，即可得到视向形变(LOS)的位移大小为：

ΔR=-λ2π[φ3-φ1-r1(φ1+φ3)(φ2-φ1)r(φ1+φ2)]]]>

其中，ΔR为视向形变，λ为波长，r为第一次和第二次成像的干涉基线偏移量，r₁为第三次和第一次干涉的基线偏移量，φ₁，φ₂，φ₃分别为三次干涉相位。