InSAR技术及其在海上平台形变监测中的应用现状

 

 

肖家耀

（中海油田服务股份有限公司，天津 300459）

0 引言

海上平台所处环境恶劣，长期在风、浪、海流、风暴、腐蚀侵袭等的作用下，易发生结构变形。此外，海上油气开采过程中引起的地层压实现象也可能会导致海上平台发生变形，从而影响其结构完整性。海上平台的极端变形可能会导致人员伤亡、生产设施受损以及环境污染。因此，监测海上平台的变形对维持结构完整性具有重要意义。传统的地面形变监测技术如精密水准测量、GNSS 技术、土工测量技术等虽然可以提供高精度、高可靠性的变形信息，但只能提供特定观测点的变形信息，且需要在监测区域附近布设牢固可靠的的参考点。海上平台一般离陆地较远，无法在周边建立固定的参考点，对平台结构的绝对沉降量进行监测。

合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）是一种高分辨率雷达成像系统，它通过飞机或星载平台的SAR 天线向地面发射微波信号，并接收来自地球表面的后向散射信号。SAR 天线接收到的后向散射信号代表了目标的特性。后向散射信号中

两种类型的信息，即幅度和相位。相位反映了信号从发射到返回的波形变化，而幅度则反映了地表将入射波反射回SAR天线的后向散射能力。通过精确测量信号发射和接收之间的时间差，可以确定雷达天线与目标之间的距离，即斜距。地表目标随时间的变化可以通过同一区域在不同时刻获取的多幅SAR 图像来确定。如果观测的地表目标位置未发生移动，则雷达天线与目标之间的距离将保持不变。否则，意味着地表目标位置发生的变化。合成孔径雷达干涉测量（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）技术是基于以上理论发展起来的。InSAR 技术测量精度仅取决于相干雷达波的相位信息，因此其计算地表形变的精度理论上可达毫米级，是公认的进行地表变形调查和监测的高效手段。随着InSAR 技术的日益发展与成熟，InSAR 技术已衍生出多个分支。其中，意大利Ferretti 等提出的永久散射体雷达干涉（persistent scantter InSAR，PSInSAR）技术，有效的地解决了InSAR 中时空失相关和大气效应等限制测量精度的问。PSInSAR 技术主要用于长期、缓变的地表形变，目前已广泛应用于大坝、桥梁、铁路等领域的形变监测。

InSAR 具有全天时、全天候、精度高及监测范围广等优势，是陆地勘测领域的重要数据来源和技术手段。本文详细介绍了InSAR 的基本原理，重点介绍了InSAR 技术在海上平台形变监测领域的应用和研究现状。

1 In S AR 技术

1.1 InSAR 基本原理

SAR 是一种通过飞机或星载平台的向前运动构成合成孔径的相干成像雷达，方位向采用多普勒频移理论和雷达相干技术提高其分辨率，距离向分辨率通过脉冲压缩技术实现。图1 为SAR 成像几何示意图，沿雷达视线方向为“距离向”，与距离向正交的方法为“方位向”。雷达照射的地表区域，距离雷达最近的区域为“近距”，反之为“远距”，两者构成刈幅宽度。雷达视线方向与当地大地水准面垂线间的夹角为入射角，与基线间的夹角为基线俯角。

图1 SAR 成像几何示意图

而InSAR 技术是利用SAR 对同一地区观测的两景图像数据进行相干处理，提取和分离出地表高程或地表形变。狭义上，InSAR 技术仅指上述

，仅用来生成DEM。而广义上，InSAR 技术是以InSAR 为基础发展起来的一系列技术，包括DInSAR、PSInSAR、CRInSAR 和SBAS 等技术。

PSInSAR 技术是InSAR 研究领域最重要的一个分支。它利用大气延迟异常和永久散射体（persistent scantter，PS）后向散射的独特特性，将传统InSAR 变形测量的精度从10～20 mm 提高到2～3 mm。PS 点后向散射信号在频域中具有宽带谱，这意味着与其他散射体相比，PS 点的雷达相位在长的时间间隔和大基线间隔内相关。如果一个像素的后向散射由PS 点控制，则该像素将始终在长时间间隔内相干。因此，在PS 像素处，可以克服传统InSAR 中的去相关的困难。此外，大气效应的影响在空间尺度是平滑的，时间上是不相关的。在PS 像素处，可以利用多幅干涉图识别并去除大气效应对后向散射信号的影响。PSInSAR 处理的最终目标是基于足够数量的PS 上的高信噪比相位数据，采用最小二乘估计和迭代的方法来区分不同影响因素（如地表变形、大气延迟异常、DEM 误差、轨道误差和去相关噪声），在一定范围内得到较理想的结果。在消除由于大气效应、轨道误差和DEM 误差后，PS 点的历史变形精度评估可达毫米级。

1.2 SAR 系统介绍

近三十年，美国、日本、加拿大、欧空局都先后发展了星载SAR 系统，展示了星载SAR 在对地观测中的重要影响。美国NASA 于1978 年6 月28 日发射的海洋卫星（Seasat），是第一颗搭载微波传感器的民用卫星，利用合成孔径雷达第一次获取了海洋和陆地的高分辨率雷达图像，验证了SAR 获取地球表面信息的卓越能力。随后，1992 年日本发射了日本地球资源卫星1 号（JERS-1），欧空局于1991 年和1995 年发射了ERS-1 卫星和ERS-2 卫星，从满足对环境监测日益增长的需要。1995 年加拿大的Radarsat1 投入运行，与以往单一固定角度单侧成像卫星相比，不仅可以进行

模式、精细模式、宽幅模式、扫描SAR 模式及扩展波束模式获取数据，还能够进行雷达波束照射“左视”方式工作获取“右视”工作方式不能照射的南极地区雷达成像数据。2000 年，NASA 开展了雷达地形测图计划（SRTM），近11 天的飞行任务，完成了全球地表80%的面积的高精度地形数据，巨大推动测绘的发展和建设。随着SAR 技术的发展，ALOS PALSAR、TerraSAR-X、COSMO-SkyMed、Sentinel-1a 等高分辨SAR系统相继发射，进一步提升了InSAR 的应用能力，尤其在地表变形调查与监测领域。

2 In S AR 在海上平台形变监测中的应用现状

随着人类对化石燃料能源的需求不断增加，海洋油气已成为化石燃料能源的主要增长点。海上平台是海洋油气行业的重要资产。海上平台变形是影响其结构完整性的主要问题之一，它可能由自然过程和人类活动的多种因素引起，包括恶劣环境、极端天气、浅层气、储层压实、岩土灾害、腐蚀、老化等。海上平台的变形可能会导致生产中断，甚至可能造成人员伤亡、资产损失和环境污染。因此，监测海上平台的变形对维持结构完整性具有重要意义。

2.1 国外应用现状

马来西亚学者对InSAR 在海上平台形变监测领域的应用做了大量研究。Abd Nasir Matori 等人使用2012 年8 月至2013 年4 月间TerraSAR-X 卫星采集的11 幅高分辨率SAR 影像数据，采用PSInSAR 技术处理数据，监测到了PETRONAS 海上生产平台的沉降和隆起。Amir Sharifuddin Ab Latip 等人选取马来西亚A1 和B1 海上平台作为研究区域，应用InSAR 技术监测两个平台的变形。选用2018 年8 月24 日至2019年8 月22 日期间TerraSAR-X 卫星捕获的该区域12幅SAR 影像数据，采用PSInSAR 技术处理数据，得出A1 和B1 平台最大沉降量为-4 mm/year 和-6.3 mm/year。总体来说，国外对InSAR 技术在海上应用尚处于研究探索阶段，有待于进一步进行对比论证。

2.2 国内应用现状

国内学者对InSAR 技术在陆地油田区域形变监测领域的应用做了大量研究工作。胡云亮、王新等人选用2017—2018 年间Sentinel-1A 卫星C 波段30 幅SAR 影像数据，利用GAMMA 软件，结合自己的图像处理算法，采用PSInSAR 技术处理数据，得出了塔里木某油田年均沉降速率和特征点时序沉降结果。陈志谋、胡波等人利用TerraSAR 卫星的20 幅SAR 数据获取某油田的形变场，采用SBAS 方法对影像进行处理，得到了该研究区域的平均形变速率图、时间序列形变图和累计形变曲线图。国内目前对海上平台形变监测的研究主要集中在光纤光栅等监测手段上，尚无InSAR 技术在海上平台形变监测领域应用和研究的案例。

3 结语

InSAR 技术具有全天时、全天候、精度高、监测范围广等优势，是地表形变监测的重要数据来源和监测手段。虽然从目前来看，星载InSAR 依旧存在一些不足之处，如卫星重访周期长，不能对监测对象进行连续观测。另外，卫星在观测时，环境条件，如大气、地物后向散射特性等出现过大的变化，也会影响卫星的观测。未来，随着卫星重访周期越来越短（每天一次或者每天数次的重访） 以及高分辨率SAR 系统如ALOS PALSAR、COSMO -SkyMed、TerraSAR -X、Sentinel -1a等的投入使用，InSAR 技术在海上平台形变监测领域中具有巨大的应用潜力。

 

-全文完-