一种基于车载InSAR的道路边坡形变检测系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种道路边坡的形变检测系统及方法。包括一个数据获取平台以及一套用于平台的姿态测量的POS系统，本发明专利技术实现了InSAR的高精度形变检测能力与道路形变检测的时间要求有机结合，为道路边坡监测这一亟待解决的道路安全重要问题提供一种快捷、方便、精确的新方法，利用本发明专利技术，可以根据监测的需要随时开展道路边坡的高精度检测，在道路安全监控方面具有非常广阔的推广前景。

A road slope deformation detection system and method based on vehicle InSAR

The invention relates to a deformation detection system and method for a road slope. Includes a data acquisition platform and a platform for the attitude measurement of POS system, the invention realizes high precision deformation detection capability and road deformation detection InSAR time requirements of organic combination, provide a new method for fast, accurate and convenient for the road slope monitoring this urgent road safety important problems. The invention can carry out high precision detection of road slope monitoring at any time according to need, has a very broad application prospect in road safety monitoring.

【技术实现步骤摘要】
一种基于车载InSAR的道路边坡形变检测系统及方法
本专利技术涉及地表形变检测领域，特别是涉及一种道路边坡的形变检测系统及方法。
技术介绍
道路边坡的形变可能会造成塌方，引起道路阻塞，如果形变导致突发塌方还可能会引发交通事故，特别是我国东南沿海地区，由于经常受到台风影响，灾害天气影响前后的形变监测变得非常重要和紧迫。目前的形变检测采用的主要是利用GNSS技术、测量机器人等常规测量设备进行外部监测，或者埋设一些内观设备，目前这些技术在不断的进行试验和应用。但是由于其前期建设和后期维护成本高昂，并且内观设备一旦失灵，就很难继续监测，这些技术的推广和应用受到了极大的制约。InSAR技术在地表微小形变检测方面达到了厘米甚至毫米级的精度，成为当前地表形变检测的重要手段之一，其中基于星载的InSAR技术在道路形变监测方面也进行了一些应用，但是远远不能满足道路边坡形变灾害监测的需要。第一，数据源问题。利用高分辨率星载SAR数据进行InSAR形变监测，通常需要多景数据，特别对于道路系统条带状的监测范围，由于存在着条带区域与影像范围占比小的矛盾，数据利用率非常低，导致数据成本急速加剧；第二，时间分辨率问题。道路边坡的形变与恶劣天气有较大的相关性，通常需要根据天气状况确定监测时间，但是星载平台有固定的运行周期，很难满足灾害监测数据采集的时间要求，并且无法满足监测频率的变化要求；第三，时间去相干问题。星载InSAR大部分采用重轨干涉模式，这种模式需要利用不同时间的两次成像进行干涉处理，而时间差会产生时间去相干问题，影响数据处理的效果和结果；第四，大气影响。星载InSAR进行干涉测量数据采集时，不同时间采集的大气条件也不同，而不同的大气条件对InAR数据处理产生一定的误差，影响最终的形变结果精度。本专利技术提出一种利用车载双天线InSAR技术进行沿路边坡形变监测方法，该方法能够解决目前InSAR技术在道路形变监测中的存在的主要问题，在保持InSAR高精度形变检测优势的前提下，克服地基SAR观测区域局限以及机载InSAR高风险问题，提高了监测灵活性，降低了监测成本。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题是提供一种道路边坡形变检测的方法，能够方便、高效解决道路边坡微小形变检测问题。不同于以往利用InSAR进行形变检测的方法，本专利技术将常规的自上向侧下的InSAR数据采集模式改变为由下向侧上方数据采集模式，相应的数据采集和数据处理方法也发生变化，每次采集时，双天线同时获取一对图像，避免了目标的时间去相干影响；本专利技术避免了常规InSAR自上向下的成像模式导致的树木遮挡产生的目标相干性降低问题；本专利技术采用的成像模式，入射角变小，对SAR成像更有利，能够更好地获取边坡表面形变；本专利技术使用车辆作为InSAR平台，可以根据需要随时采集数据，解决了常规InSAR的数据源问题和时间分辨率问题；另外，本专利技术通过设计不同的采集路线，减少InSAR数据处理中多个因素的影响，降低InSAR数据处理的难度，提高数据处理精度和效率；而且本专利技术由于成像距离短，大气影响可以忽略不计，消除了InSAR数据处理中大气误差影响。为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是：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。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。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(Xt,Yt,Zt)，然后求出p(Xt,Yt,Zt)在待匹配图像上的对应点psla(m,n)，待匹配图像与匹配图像的粗偏移量，公式如下：其中：为多普勒频率，为波长，R为斜距，Xs,Ys,Zs为天线空间位置坐标，Vsx，Vsy，Vsz为天线的速度矢量。c为电磁波速度，tr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InSAR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：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，然后进行去平地本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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(Xt,Yt,Zt)，然后求出p(Xt,Yt,Zt)在待匹配图像上的对应点psla(m,n)，待匹配图像与匹配图像的粗偏移量，公式如下：(XS-Xt)2+(Ys-Yt)2+(Zs-Zt)2-(ctr)2＝0其中：为多普勒频率，为波长，R为斜距，Xs,Ys,Zs为天线空间位置坐标，Vsx，Vsy，Vsz为天线的速度矢量；c为电磁波速度，tr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InSAR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：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘斌，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42