基于轻小型无人机载SAR系统的断层形变测量方法及系统与流程

基于轻小型无人机载sar系统的断层形变测量方法及系统
技术领域
1.本发明涉及断层形变测量技术领域，更为具体而言，涉及一种基于轻小型无人机载合成孔径雷达(synthetic aperture radar，sar)系统的断层形变测量方法及系统。


背景技术：

2.断层形变测量是对断层两盘间的相对升降量和相对水平扭动量进行测量，是重要的地震前兆监测手段和地震危险性评估手段之一。断层形变通常每年只有几个毫米，而同震造成的断层形变可瞬时达到几厘米至几米量级，现有的断层形变测量方法包括构造地质法、跨断层测量法、航空摄影测量法、航空激光雷达(lidar)测量法、合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar，insar)。
3.其中，insar作为一种主动式空间对地微波遥感技术，少受云雨等条件影响，可以大范围、低成本及高空间分辨率获取地面高程或形变信息，在过去近30年间得到迅猛发展。根据sar载荷平台的不同可分为星载insar、机载insar和地基insar，不同载荷平台也存在各自的局限性。
4.机载insar相对于地基insar部署更加灵活，但由于insar系统的自重和供电要求，使得现有机载insar系统都是搭载在大型有人机上，其单次使用成本远高于地基和星载insar。


技术实现要素：

5.针对现有大型有人机载insar的缺陷，本发明提供了一种基于轻小型无人机载sar系统的断层形变测量方法及系统。
6.在本文中，“轻小型无人机”一般指空机重量不超过约15千克或者最大起飞重量不超过约25千克的遥控航空器或者自主航空器。微型sar(minisar)系统一般指重量小于约5千克主动微波雷达探测器。
7.在本发明的实施方式中，一种基于轻小型无人机载sar系统的断层形变测量系统包括：
8.轻小型无人机，其包括垂直起降固定翼无人机，并且具有内置任务仓；
9.x波段微型sar系统，其安装在所述无人机的内置任务仓中，在结构上包含电子组合单元、扫描模块、天线三大部分；所述x波段微型sar系统被配置成适于对地面目标区域进行成像和形变探测；
10.伺服系统，其包括控制器、功率驱动电路、俯仰传感器、方位传感器、俯仰传动组件、以及方位传动组件，其中，所述控制器和功率驱动电路集成于所述sar系统的电子组合单元，并且与所述内置任务仓刚性连接；所述俯仰传感器、方位传感器、俯仰传动组件、以及方位传动组件集成于所述sar系统的扫描模块，并通过天线支撑件与天线连接，以实现天线对无人机平台的横滚及偏航角度的补偿；所述伺服系统被配置成根据所述无人机的飞行姿态实时调整所述sar系统的天线的俯仰和方位角度以使所述sar系统的雷达波束稳定地指
向目标；
11.控制系统，其被配置在所述轻小型无人机和地面控制站上，通过无线电完成数据链路双向交互，实现对所述无人机及微型sar系统的控制；以及
12.数据处理系统，其被配置成对所述微型sar系统的原始回波数据进行运动补偿、成像、差分干涉和形变解算处理以获得目标区域的sar影像与地表形变信息。
13.在一些实施方式中，所述轻小型无人机的内置任务仓由对x波段的透过率高于80％的材料制成。
14.在一些实施方式中，所述轻小型无人机上设置有第一惯性测量单元(imu)和第一差分gps模块，分别用于记录所述无人机的飞行姿态和位置信息。例如，第一imu包括高频采样的imu，所述第一差分gps模块包括20hz差分gps模块。所述第一imu和第一差分gps模块形成组合导航模块，所述组合导航模块根据所述飞行姿态和位置信息解算出精确的飞行控制参数并传输至所述无人机的飞行控制单元，由所述飞行控制单元生成飞控指令，以使所述无人机的飞行状态稳定以及使飞行航线与规划航线的基本重合。
15.在一些实施方式中，所述微型sar系统上设置有第二imu(例如，非高频采样的imu，包括20hz imu)和第二gps模块(例如，1hz gps模块)，分别用于记录所述内置任务仓的姿态信息和雷达成像的位置信息，并将其传输至所述伺服系统，以便所述伺服系统的控制器生成对应的校正指令来驱动伺服电机控制所述扫描模块的动作进而控制所述天线的动作，使所述天线发出的雷达波束指向保持稳定；并根据第二imu测量的俯仰、翻滚、偏航与载机位置、结构对天线相位中心位置进行计算；根据所述无人机组合导航模块记录的更精确的姿态和位置参数，在后期数据处理中对所述微型sar记录的姿态和位置参数进行改正或直接替换。
16.在一些实施方式中，所述控制系统对所述无人机及微型sar系统进行的控制包括：
17.根据目标断层的形变特征、地形、批准的空域范围及航高、sar不同工作模式下的作用距离和成像几何，进行航线规划；
18.根据预设的航线与sar工作参数产生控制指令，通过地面站将所述控制指令通过上行数据链传送至所述无人机的机上飞行控制和载荷控制模块来控制所述无人机和所述sar系统的操作，根据微型sar系统的第二imu和第二gps模块反馈的参数生成所述伺服系统的控制器和所述sar系统的电子组合单元中的雷达发射及接收模块的操作指令；
19.通过下行数据链将所述无人机的飞行状态和sar工作状态传输至地面站并实时显示重要飞行及载荷工作参数；
20.根据数据获取需求对雷达辐射的开关、成像与否、数据记录与否、侧视方式、工作模式、作用距离和通道增益进行配置。
21.在一些实施方式中，所述数据处理系统包括数据预处理模块、运动补偿和成像模块、干涉基线估计模块、差分干涉模块、形变解算模块。
22.其中，所述运动补偿模块配置成：利用地面布设的角反射阵列、伺服系统的校正、冗余的组合导航模块记录的所述无人机飞行姿态和位置信息以及存在的冗余的重复航线飞行获取的回波数据共同参与残余运动误差的估计以进行运动补偿，通过适时调整相应的运动误差补偿策略来达到insar处理对相位的要求。
23.所述成像模块配置成：在机载sar数据处理过程中，将经典成像算法与运动补偿算
法相结合，通过对回波数据聚焦处理、保相处理，提高图像质量和干涉处理中的相干性。
24.所述干涉基线估计模块配置成：利用组合导航模块记录的所述无人机飞行姿态和位置信息初步评估冗余的重复航线的基线，再基于干涉条纹频率或基于地面控制点精确估计2次航线的基线。
25.所述形变解算模块被配置成：利用对同一地表观测目标不同方位向角度观测的所述无人机的航线组合，实现从多组一维的雷达视线向形变中解算地表观测目标的三维形变；并且，在地表观测目标形变量大于第一阈值(例如10cm)时，利用形变前后获取的sar图像采用偏移量跟踪法处理获取观测区域断层的形变信息。
26.所述数据处理系统被配置成从多个重复航线获取的轻小型无人机载雷达回波信号数据中提取出地表观测目标的形变信息。
27.在本发明的实施方式中，一种基于轻小型无人机载sar系统的断层形变测量方法包括：
28.步骤1：在观测断层选定地段布设地面角反射器阵列，并利用gps进行静态测量精确获取每个角反射中心的点位坐标；其中，所述地面角反射器阵列应布设在断层两侧且超出断层闭锁区域，形成多条垂直和平行于断层走向的剖面，且单个角反射器适于布设在包括均匀植被或裸地的环境下；并需保障在多期监测期间角反射器不被破坏或挪动。
29.步骤2：在观测区域内架设1个gnss地面参考站，并与无人机地面站实现通信连接，或通过无人机地面站飞控系统登录网络cors账号，实现作为流动站的机上gps的rtk或ppk测量模式；将x波段微型sar系统装配于无人机任务仓并开机后，所述微型sar系统的gps与无人机上的差分gps进行时间上的同步或两者时间差值为近似固定值时记录该差值以用于后期处理改正；所述无人机上的gps获取的pos数据在后期数据处理中用于评估干涉像对数据的可用性以及残余运动估计；
30.步骤3：在部署于地面站的控制系统中进行航线规划、sar工作参数配置，并将上述参数上注到所述无人机的机上控制系统，开始外业飞行和sar数据获取；
31.步骤4：调整飞行航线的航向参数，重复步骤3至少2次，获取至少另外两个方向的观测数据集；
32.步骤5：在不同的时间重复步骤2至步骤4，形成多期的sar对地观测数据集；
33.步骤6：将多期数据导入数据处理系统中，进行包括格式转换、pos解算、运动补偿、成像、基线估计、参考dem引入或生成、差分干涉、形变解算的处理。
34.在一些实施方式中，干涉处理前，对重复航线的多次原始回波数据中的2次回波数据质量检测，其中，对回波数据的质量检测包括：2次回波数据计算的相干系数大于等于0.5的高相干点数占全部相干点是否大于等于50％，以及检测典型目标散射是否规则分布；干涉处理中，选择下述参数：配准精度选择优于1/10像元，平地相位去除选择大于等于90％，解缠区域选择高相干点目标大于等于70％；采用偏移跟踪算法对通过所述质量检测的2次原始回波数据进行运动补偿后，进行干涉处理。
35.在一些实施方式中，在步骤3中：
36.所述sar采用侧视成像，承载sar的无人机在偏离地面观测目标区域预定距离的侧上空飞行，使得航线所覆盖的地面区域不是地面观测目标区域；
37.所述sar设置成其方位向分辨率取决于方位向合成孔径长度而与无人机的飞行速
度相关，距离向分辨率取决于距离向带宽控制，二者都与航高无关，以便提高所述无人机的航高；
38.所述sar设置成相邻条带重叠或临接的区域其入射角相差不超过第二阈值，所述第二阈值的范围为6～11
°
。
39.此外，本发明的实施方式还提供了一种基于轻小型无人机载sar系统的断层形变测量系统，其包括：
40.轻小型无人机，其为垂直起降固定翼，具有内置任务仓；
41.微型sar系统，其安装在所述无人机的任务仓中并且被配置成适于由所述轻小型无人机承载以在飞行过程中对地面目标区域进行中高分辨率成像；
42.伺服系统，其设置于所述sar系统并且被配置成：根据所述无人机的飞行姿态实时调整该微型sar系统的天线的俯仰和方位角度以使所述sar系统的雷达波束稳定地指向目标；可选地，根据所述微型sar系统测量的角运动与无人机位置、结构对所述微型sar系统的天线的相位中心位置进行计算；
43.控制系统，其被配置成对所述无人机及微型sar系统进行控制；以及
44.数据处理系统，其被配置成对所述微型sar系统的原始回波数据进行运动补偿、成像、差分干涉处理和形变解算以获得目标区域的sar影像与地表形变信息。
45.载机飞行时，尤其是轻小型无人机容易受到大气中湍流和风等因素以及载机发动机平台振动等的影响，使雷达的波束指向发生变化，造成回波信号的强度与信噪比发生改变，进而降低探测精度。本发明的上述实施方式通过伺服系统，可以将雷达系统与载机的航偏、横滚导致的不理想运动分离开，使雷达波束指向保持稳定，由此获得的原始回波数据稳定，大大提高了探测精度。此外，本发明的实施方式将雷达系统内置于任务仓中，可以保护雷达系统不被水、尘埃等环境污染，适于在雨雪等复杂天气作业，并且可以降低雷达系统自身的防水防尘等要求，进而可以降低雷达系统的重量和成本。
46.在一些实施方式中，所述任务仓由对x波段的透过率高于80％的材料制成。例如，制成所述任务仓的材料包括玻璃钢等。
47.在一些实施方式中，所述微型sar系统至少包括扫描模块、天线、以及电子组合单元。其中，所述天线与所述扫描模块操作性接合并且所述电子组合单元与所述扫描模块通信连接，以便所述电子组合单元通过控制扫描模块的动作来控制天线的运行。
48.在上述实施方式中，将雷达系统设计成包括扫描模块、天线、以及电子组合单元三个功能单元，这种功能单元的一体化设计，减少内部模块数目，减少连接电缆、连接件和结构件，有效地减小雷达的体积重量，以满足轻小型无人机的载荷要求。
49.在一些实施方式中，所述扫描模块具有天线支撑件、俯仰传感器、俯仰传动组件、方位传感器、以及方位传动组件。其中，所述电子组合单元设置成：根据所述俯仰传感器和方位传感器提供的方位及俯仰位置信息以及所述无人机的飞行姿态，控制所述俯仰传动组件和方位传动组件的动作来调整支承于所述天线支撑件的天线的俯仰和方位角度。
50.在一些实施方式中，所述电子组合单元包括综合处理模块、低功率射频模块、以及发射模块。其中，所述综合处理模块向所述低功率射频模块发送中频激励信号，所述低功率射频模块将所述中频激励信号转换成射频激励信号并发送至所述发射模块，所述发射模块根据所述射频激励信号控制所述天线发射所述雷达波束；所述天线接收的回波经由所述发
射模块转换为射频回波并发送至所述低功率射频模块，所述低功率射频模块将所述射频回波转换为中频回波并发送至所述综合处理模块，以使所述综合处理模块从所述中频回波提取原始回波数据。
51.在上述实施方式中，雷达系统采用低功率射频电路模块来降低重量和功耗，以适于在轻小型无人机上工作。
52.在一些实施方式中，所述微型sar系统集成了非高频采样的组合导航模块，由于微型sar系统的组合导航模块需要和sar伺服系统频繁交互，因此集成在sar系统内，保证通信效率且无需对载机相关的飞控接口进行改动，而伺服的机械传动部分无法进行高频的调整，因此选用低频采样的imu和gps，能降低功耗和成本。所述组合导航模块用于记录所述无人机的飞行姿态信息并传输至所述电子组合单元，以便所述电子组合单元根据所述飞行姿态信息来控制所述扫描模块的动作进而控制所述天线的动作。所述无人机上设置有高频采样的组合导航模块，用于记录位置信息和载机的飞行姿态信息，在进行时间同步后，可通过所述高频组合导航模块记录的位置信息和姿态信息校正所述非高频采样的组合导航模块记录的位置信息和姿态信息。
53.在一些实施方式中，所述伺服系统包括伺服驱动控制单元和电机驱动器。其中，所述伺服驱动控制单元设置成：实时读取所述方位传感器和俯仰传感器反馈的所述天线当前的方位及俯仰位置信息，并将所述天线的方位及俯仰位置信息反馈至所述电子组合单元；以及接收所述电子组合单元基于所述非高频组合导航模块记录的所述无人机的飞行姿态信息生成的伺服方位及俯仰位置控制指令，并根据接收的伺服方位及俯仰位置控制指令与读取的当前的方位及俯仰位置信息的误差来控制所述电机驱动器，进而控制所述俯仰传动组件和方位传动组件的动作以使所述天线发出的雷达波束指向保持稳定。
54.根据上述实施方式，本发明采用结构简单的微型伺服技术，提高雷达工程化水平的同时，降低重量功耗。并且，所述伺服系统可以将雷达系统与载机的非理想运动分离开，使波束指向保持稳定。
55.在一些实施方式中，所述控制系统设置成：根据预设的航线与雷达工作参数产生控制指令，通过地面站将所述控制指令通过上行数据链传送至所述无人机的机上任务系统来控制所述无人机和所述sar系统的操作；从所述综合处理模块的存储器提取所述原始回波数据，对所述原始回波数据进行运动补偿、成像及干涉处理，以获取目标区域的sar影像与地表形变信息。
56.在一些实施方式中，对所述无人机和所述sar系统的操作的控制包括：根据雷达返回状态在地面实时监测雷达工作状态和载机的工作状态；以及根据数据获取需求对雷达辐射的开关、成像与否、数据记录与否、侧视方式、工作模式、作用距离和通道增益进行配置。
57.在一些实施方式中，所述运动补偿的处理过程：获得所述惯导模块记录的所述无人机及sar系统的运动参数，包括位置信息、姿态信息和速度信息；获得通过所述无人机携带的差分gps记录的位置信息，由于伺服系统可以有效地屏蔽姿态的异常变动，差分gps记录了精确的位置信息；通过所述差分gps的记录的位置信息校正所述惯导模块的记录的位置信息获得精确位置信息；根据所述精确位置信息、姿态信息和速度信息，使用线性调频变标(chirp scaling，cs)算法、相位梯度自聚焦(phase gradient autofocus，pga)算法、ωk算法和单调速率调度(rate monotonic scheduling，rms)算法的组合处理回波数据，以获
得更好的成像效果、聚焦效果和保相效果。ωk算法是二维频域算法，该算法对sar回波数据进行二维傅里叶变换后，先将其与参考距离处的二维匹配滤波函数相乘，补偿该距离处的距离向频域调制、方位向频域调制、距离徙动及包括所有距离方位耦合在内的各种相位。
58.再者，本发明的实施方式还提供了一种基于轻小型无人机载sar系统的断层形变测量方法，其步骤为：
59.步骤1：在观测断层选定地段布设地面角反射器阵列，并利用高精度gps进行静态测量精确获取每个角反射中心的点位坐标；地面角反射器阵列应布设在断层两侧且超出断层闭锁区域，形成多条垂直和平行于断层走向的剖面，且单个角反射器适宜布设在均匀植被、裸地等环境下，并需保障在多期监测期间角反射器不被破坏或挪动。
60.步骤2：在观测区域内架设1个gnss地面参考站，并与无人机地面站实现通信连接，或通过无人机地面站飞控系统登录网络cors账号，实现作为流动站的机上gps的rtk或ppk测量模式；x波段微型sar系统装配于无人机任务仓开机后，微型sar系统的gps需要与无人机上的差分gps进行时间上的同步或两者时间差值为近似固定值时记录该差值用于后期处理改正；机上gps获取的高采样频率且精确的pos数据在后期数据处理中对于评估干涉像对数据的可用性以及残余运动估计至关重要。
61.步骤3：在部署于地面站的控制系统中进行航线规划、sar工作参数配置，并将上述参数上注到机上控制系统，开始外业飞行和sar数据获取。进行本步骤时应注意以下几点：
62.(1)有别于一般航测的正射影像或倾斜摄影，sar采用侧视成像，无人机载sar并不在地面观测目标区域正上空飞行，而是在偏离其几公里至几十公里的侧上空飞行，即航线所覆盖的地面区域通常并不是地面观测目标区域，申请飞行空域时需充分考虑这一点；
63.(2)有别于一般航测载荷固定的情况下分辨率与航高成反比，sar的方位向分辨率取决于方位向合成孔径长度，与无人机的飞行速度相关，距离向分辨率取决于距离向带宽控制，二者都与航高无关，因此在空域航高和sar作用距离允许的情况下应尽可能的提高航高，从而减少图像的阴影区域，提高图像的信噪比；
64.(3)sar成像幅宽与入射角相关，为使后续处理的los向形变结果可以拼接，sar区域扫描成像要求相邻条带重叠或临接的区域其入射角相差不应过大，例如相差不超过6～11
°
；
65.(4)无人机载sar航向的角度选取既要考虑雷达视线方向对观测目标形变的敏感性，又要考虑使sar图像阴影区尽可能的小；
66.(5)由于伺服系统可以校正无人机偏航角和横滚角对sar系统成像的影响，因此飞行中应重点关注控制俯仰角和飞行平台在高度上的剧烈变化；
67.(6)获取数据应进行现场质量检查，可根据实际情况选择是否调整航向、航高、雷达成像模式等参数并进行复飞或补飞。
68.步骤4：调整飞行航线的航向参数，重复步骤3至少2次，获取至少另外两个方向的观测数据集。
69.步骤5：在不同的时间重复步骤2至步骤4，形成多期的sar对地观测数据集。
70.步骤6：将多期数据导入所述数据处理系统中，进行格式转换、pos解算、运动补偿、成像、基线估计、引入或生成参考dem、差分干涉、形变解算等处理。
71.在一些实施方式中，所述干涉处理过程包括：
72.干涉处理前，对重复航线的多次原始回波数据中的2次回波数据质量检测，其中，对回波数据的质量检测包括：2次回波数据计算的相干系数大于等于0.5的高相干点数占全部相干点是否大于等于50％，以及检测典型目标散射是否规则分布；
73.干涉处理中，选择下述参数：配准精度选择优于1/10像元，平地相位去除选择大于等于90％，解缠区域选择高相干点目标大于等于70％；
74.采用偏移跟踪算法对通过所述质量检测的2次原始回波数据进行运动补偿后，进行干涉处理。
75.为简化处理工作量，提高干涉形变结果的精度和成功率，可将监测目标主要限定在角反射器和人工地物等硬目标组成的高相干性信号之中，仅处理这些高相干的点位或区域。
76.根据本发明的各种实施方式，应用本发明提供的基于轻小型无人机载sar系统的断层形变测量方法及系统具有以下优点。
77.本发明实施方式的sar系统不像现有机载sar系统那样挂载在大型有人机飞行平台上，而是安装在轻小型无人机的任务仓中，考虑到任务仓对x波段的透过率问题，本发明实施方式还对无人机的任务仓进行了改装，将其材料换成了玻璃钢使得x波段透过率高于80％，从而满足雷达辐射的设计需求，并进行了适当扩容，以满足伺服系统运动所需包络。
78.本发明实施方式针对轻小型无人机对地面目标探测需求而研制了一部具有对地探测能力的高分辨率成像雷达，即微型sar系统，利用sar实现对地面目标区域的中/高分辨率成像探测，其具备微小型化、轻量化和低耗电的特点，以适应轻小型无人机的装载要求。具体而言，为了满足轻小型无人机对雷达系统小型化、轻量化和低耗电的要求，在雷达系统设计时，通过合理划分功能和功能单元的一体化设计，减少内部模块数目，减少连接电缆、连接件和结构件，有效地减小雷达的体积和重量；采用射频电路和数字电路小型化设计技术，降低重量和功耗；电子组合单元采用高效率的固态功放，设计具备小型化、低耗电特点的射频发射电路；采用微型伺服技术，提高雷达工程化应用水平的同时，降低重量和功耗。
79.载机飞行时，容易受到大气中湍流和风等因素以及载机发动机平台振动等影响，使雷达的波束指向发生变化，造成回波信号的强度与信噪比发生改变。本发明实施方式通过伺服系统，可以将雷达系统与载机的非理想运动分离，使波束指向保持稳定。
80.此外，本发明实施方式通过差分gps和imu模块相耦合，可以记录较为精确的飞行航迹信息，从而在后期处理时通过对雷达回波信号的运动补偿对数据进行校正，提高重复轨道数据的相干性。
81.综上所述，相比于现有大型有人机上搭载机载insar，本发明采用轻小型无人机，其使用成本大大降低，提高了机载sar系统使用的灵活性和实用性，满足将其应用拓展至地表断层等形变测量领域的要求。
82.本发明实施方式的各个方面、特征、优点等将在下文结合附图进行具体描述。根据以下结合附图的具体描述，本发明的上述方面、特征、优点等将会变得更加清楚。
附图说明
83.图1是根据本发明实施方式的基于轻小型无人机载sar系统的断层形变测量系统的框架图。
84.图2是根据本发明实施方式的微型sar系统的模块图。
85.图3是根据本发明实施方式的微型sar系统的示例性的立体结构图。
86.图4是根据本发明实施方式的基于轻小型无人机载sar系统的断层形变测量系统的模块图。
87.图5是根据本发明实施方式的伺服系统的工作原理图。
88.图6是根据本发明实施方式的基于轻小型无人机载sar系统的断层形变测量方法的流程图。
具体实施方式
89.在下文中，将参考附图更详细地描述示例性实施方式。然而，本发明可以以各种不同形式体现，并且不应被解释为仅限于本文所示的实施方式。相反，这些实施方式作为示例来提供以便本公开将是透彻而全面的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的各方面和特征。因此，可能不会描述本领域普通技术人员充分理解本发明的各方面和特征所不必要的过程、元件和技术。除非另有说明，否则在整个附图和文字描述中，类似的附图标记表示类似的元件，因此，可能不会重复其描述。此外，每个示例性实施方式内的特征或方面通常应被视为可用于其他示例性实施方式中的其他类似特征或方面。
90.以下描述中可使用某些术语以仅供参考，因此这些术语并非旨在进行限制。例如，术语诸如“顶部”、“底部”、“上部”、“下部”、“在
…
上方”和“在
…
下方”可用于指代作为参考的附图中的方向。术语诸如“正面”、“背面”、“后面”、“侧面”、“外侧”和“内侧”可用于描述部件的各部分在一致但任意的参照系内的取向和/或位置，通过参考描述所讨论的部件的文字和相关联的附图可以清楚地了解所述取向和/或位置。此类术语可包括上文具体提及的词语、它们的衍生词语以及类似含义的词语。类似地，除非上下文明确指出，否则术语“第一”、“第二”以及其他此类指代结构的数字术语并不意味着次序或顺序。
91.应当理解，当元件或特征被称为“在另一元件或层上”、“连接到”或“联接到”另一元件或层时，其可直接在另一元件或特征上、连接到或联接到另一元件或特征，或可存在一个或多个中间元件或特征。另外，还应当理解，当元件或特征被称为在两个元件或特征“之间”时，其可为这两个元件或特征之间的唯一元件或特征，或也可存在一个或多个中间元件或特征。
92.本文使用的术语是为了描述特定实施方式的目的，而非旨在限制本发明。如本文所用，单数形式“一个”和“一种”旨在也包括复数形式，除非上下文另外明确指明。还应当理解，术语“包含”、“包括”和“具有”在本说明书中使用时指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的集合的存在或添加。如本文所用，术语“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和所有组合。诸如
“…
中的至少一个”之类的表达在要素列表之前时修饰整个要素列表，而不是修饰该列表的单独要素。
93.如本文所用，术语“基本上”、“约”和类似术语用作近似术语而不是用作程度术语，并且旨在考虑本领域普通技术人员将认识到的测量值或计算值的固有变化。此外，在描述本发明的实施方式时“可”的使用是指“本发明的一个或多个实施方式”。如本文所用，术语“使用”、“正使用”和“被使用”可被视为分别与术语“利用”、“正利用”和“被利用”同义。
94.除非另有定义，否则本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。还应当理解，除非在本文中明确地如此定义，否则术语(诸如在常用词典中定义的那些术语)应被解释为具有与它们在相关领域和/或本说明书的上下文中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过于正式的意义来解释。
95.图1示出了根据本发明实施方式的基于轻小型无人机载sar系统的断层形变测量系统的功能架构。所述断层形变测量系统主要包括轻小型无人机100、微型sar系统200、伺服系统300、控制系统400、以及数据处理系统500。所述轻小型无人机100具有内置任务仓，所述微型sar系统200安装在所述任务仓中，从而可以由所述轻小型无人机100承载以对地面目标区域进行中/高分辨率成像探测。所述伺服系统300与所述sar系统200操作性结合并且被配置成根据所述轻小型无人机100的飞行姿态近实时调整雷达天线俯仰和方位角度以使雷达波束稳定地指向目标。所述控制系统400被配置成对所述轻小型无人机100及微型sar系统200进行控制，以及数据处理系统500被配置成根据所述微型sar系统的原始回波数据进行运动补偿、成像、干涉处理以获得目标区域的sar影像与地表形变信息。
96.在一些实施方式中，所述轻小型无人机可以采用一种多旋翼与双尾撑布局、后推式油动垂直起降的复合型固定翼无人机，能够在复杂的环境条件下起降并快速覆盖目标区域。例如，所述轻小型无人机可配置成在高海拔、高温和雨雪天气等极端天气下也可进行观察，最高起飞海拔达约3800米，升限达6000米，单次飞行最大作业面积超过10平方公里，最大荷载超过5千克，适用于作业任务繁重及极端成像环境。所述轻小型无人机可以为油电混合动力，工作时以电池驱动四个旋翼完成起飞和降落工作，起飞之后以汽油驱动固定翼来作为飞行的动力来源，这样的设置使得载机飞行速度快、飞行时间长且运载能力强，能够搭载光学相机、高光谱成像设备以及激光雷达等多种观测设备，满足不同的任务需求，即使在最大负重载荷下，可连续观测约3小时。在其他实施方式中，所述轻小型无人机可以采用纯电或纯油驱动。
97.所述轻小型无人机选择结构稳定、可靠性高，采用快装结构，具有易拆装、方便运输等特点的无人机。同时，该无人机可以配备最大遥控距离为1000米，内置电池续航时间大于6小时的遥控器，具有手动操作控制与自动控制两种方式。
98.在本发明的实施方式中，由于微型sar系统不像其他机载sar系统挂载在飞行平台上，而是安装在所述任务仓中，该任务仓的材料为玻璃钢并进行了适当扩容，x波段透过率高于80％，满足雷达波束透射要求。从而，即使在雨雪天气，也可以执行作业，并且相比于挂载的雷达系统，可以降低雷达的防水防尘要求。
99.在一些实施方式中，为了满足小型无人机对雷达系统小型化、轻量化和低耗电的要求，雷达系统设计时，通过合理划分功能，进行了功能单元的一体化设计，减少内部模块数目，减少连接电缆、连接件和结构件，有效地减小雷达的体积重量；采用射频电路和数字电路小型化设计技术，减少模块数目，降低重量和功耗；采用高效率的固态功放，设计具备小型化、低耗电特点的射频发射电路；采用微型伺服技术，提高雷达工程化水平的同时，降低重量功耗。具体而言，如图2所示，所述微型sar系统200至少包括天线2100、扫描模块2200、以及电子组合单元2300，分别一体化设计。其中，所述天线2100与所述扫描模块2200操作性接合并且所述电子组合单元2300与所述扫描模块2200和天线2100通信连接，以便所述电子组合单元2300通过控制扫描模块2200的动作来控制天线2100的工作以及通过天线
2100来进行辐射输出，即发送雷达波束。
100.在一些实施方式中，如图3所示，在所述微型sar系统200中，所述扫描模块2200具有天线支撑件(扫描器框架)2201、俯仰传感器2202、俯仰传动组件2203、方位传感器2204、以及方位传动组件2205，这些部件通过螺钉2206之类的固定件接。其中，天线2100安装在天线支撑件2201上。
101.所述俯仰传动组件2203与所述天线支撑件2201操作性接合，以控制所述天线支撑件2201俯仰动作。在一些实施方式中，所述俯仰传动组件2203包括电机和对电机输出的旋转进行减速的减速器，其中，电机的输出轴与减速器接合，减速器与使所述天线支撑件2201俯仰运动的枢轴接合，从而能够通过电机的输出轴的旋转来调节所述天线支撑件2201及天线2100俯仰角度。所述俯仰传感器2202用于检测天线的俯仰角度(纠正载机的横滚角)，例如，所述俯仰传感器2202可以是用于检测电机输出轴、减速器输出轴、天线支撑件2201俯仰枢轴中任意一种的旋转的编码器，所述旋转与所述天线支撑件2201及天线2100的俯仰角度相关。
102.所述方位传动组件2205与所述天线支撑件2201操作性接合，以控制所述天线支撑件2201横向摆动动作。在一些实施方式中，所述方位传动组件2205包括电机和对电机输出的旋转进行减速的减速器，其中，电机的输出轴与减速器接合，减速器与使所述天线支撑件2201横向摆动运动的枢轴接合，从而能够通过电机的输出轴的旋转来调节所述天线支撑件2201及天线2100方位角度(纠正载机的偏航角)。所述方位传感器2204用于检测天线的摆动角度，例如，所述方位传感器2204可以是用于检测电机输出轴、减速器输出轴、天线支撑件2201摆动枢轴中任意一种的旋转的编码器，所述旋转与所述天线支撑件2201及天线2100的方位角度相关。
103.所述电子组合单元2300设置成：根据所述俯仰传感器2202和方位传感器2204提供的天线俯仰及方位角度信息以及所述无人机的飞行姿态(包括无人机的横滚、偏航等角运动信息)，以通过所述俯仰传动组件2203和方位传动组件2205来调整支承于所述天线支撑件2201的天线2100的俯仰和方位角度。
104.在一些实施方式中，如图4所示，所述电子组合单元2300至少包括综合处理模块2301(包括数字处理板和存储板)、低功率射频模块2302、以及发射模块2303，其中，所述综合处理模块2301向所述低功率射频模块2302发送中频激励信号，所述低功率射频模块2302将所述中频激励信号转换成射频激励信号并发送至所述发射模块2303，所述发射模块2303根据所述射频激励信号控制所述天线2100进行辐射输出，即发射雷达波束；所述天线2100进行回波接收，所接收的回波经由所述发射模块2303转换为射频回波并发送至所述低功率射频模块2302，并由所述低功率射频模块2302将所述射频回波转换为中频回波并发送至所述综合处理模块2301。所述微型sar系统200还设置有捷联组合导航(imu和gps)模块2304，例如，采用捷联组合导航装置，用于记录所述无人机的飞行姿态信息并传输至所述综合处理模块2301，以便所述综合处理模块2301根据所述飞行姿态信息来控制所述扫描模块2200的动作进而控制所述天线2100的动作。在一些实施方式中，所述电子组合单元2300还包括用于电源管理的电源模块2305和用于散热的风机2306。并且，电子综合单元2300中各个部件可以通过rs422总线连接。
105.在一些实施方式中，所述电子组合单元2300通过rs422总线与所述轻小型无人机
100的机上设备1100通信连接，所述机上设备1100通过无线通信链路与地面站通信连接，用来接收控制系统400通过地面站发来的控制指令。所述机上设备1100包括任务系统1101、机上数传1102、机上高精度组合导航系统1103、以及直流电气系统1104。其中，直流电气系统1104向包括电子组合单元2300、扫描模块2200的雷达系统提供工作电压，例如28v。所述机上数传1102用于与地面站和雷达系统的综合处理模块2301进行数据传输，包括接收地面站发送的控制指令和雷达系统的反馈信息(例如，包括雷达工作状态)，并将所述反馈信息和/或载机的工作状态传输至地面站。所述任务系统1101与所述综合处理模块2301通信连接，根据从地面站接收到的控制指令来进行任务调度，例如包括配置无人机的飞行计划(例如，包括飞行线路、时间等)以及对雷达辐射的开关、成像与否、数据记录与否、侧视方式、工作模式、作用距离和通道增益等参数进行配置。机上高频组合导航模块1103用于记录载机的飞行状态信息，例如，包括俯仰、横滚、偏航等角运动与载机位置。所述机上设备1100的高频组合导航模块1103与微型sar系统200的捷联组合导航模块2304形成冗余关系，组合导航模块内部的imu和gps形成耦合关系。在一些实施方式中，捷联组合导航模块2304包括非高频采样的imu(例如，20hz imu)和gps模块(1hz gps模块)。高频组合导航模块1103包括高频采样的imu(例如100hz imu)和20hz差分gps模块
106.在一些实施方式中，微型sar系统200的雷达工作频段为x波段，最大瞬时带宽可达720mhz，天线2100可采用双极化共口径技术，结合双通道接收设计，发射极化可以根据使用需求方便调整，从而，一次飞行即可同时获取两种极化的回波数据(水平极化和垂直极化)，增强了地物信息获取能力。本发明实施方式的微型sar系统200的使用高度为3km，工作温度为-20℃～+50℃。同时，为适配轻小型无人机100对雷达重量和耗电要求，微型sar系统200采用一体化设计，系统重量小于5.5kg、耗电小于150w，且自带惯导模块(例如捷联惯导装置)及原始回波数据记录能力(例如记录在综合处理模块2301的和存储板中)，可保持高分辨成像及高精度姿态控制能力。在可选的实施方式中，可以将电子组合单元2300配置成实时或定时向机上设备1100发送原始回波数据，并且可经由机上数传1102发送至地面站，以便数据处理系统500可以及时进行成像处理。
107.在一些实施方式中，如图5所示，所述伺服系统300包括伺服驱动控制单元301和电机驱动器302，其中，所述伺服驱动控制单元301与所述综合处理模块2301和作为所述方位传感器2204和俯仰传感器2202的示例的编码器通信连接，所述电机驱动器302与所述俯仰传动组件2203和方位传动组件2205的电机连接，该电机与作为天线支撑件的扫描器框架通过减速器操作性连接，所述天线2100与扫描器框架连接。所述伺服驱动控制单元301设置成：实时读取所述编码器反馈的所述天线2100当前的方位及俯仰位置信息(即包括方位角和俯仰角的天线角位置)，并将所述天线的方位及俯仰位置信息反馈至所述综合处理模块2301；以及接收所述综合处理模块2301发送的伺服方位及俯仰位置控制指令(即包括伺服方位角和俯仰角的伺服方位和俯仰控制信息)，并根据接收的位置指令与读取的位置信息的误差(即方位角差和/或俯仰角差)来控制所述电机驱动器301，进而控制俯仰传动组件和方位传动组件的动作以使所述天线波束指向保持稳定。同时，电机驱动器通过串行总线向综合处理模块反馈天线当前方位和俯仰轴角位置信息和伺服状态信息，用于后续运动补偿处理。在一些实施方式中，所述伺服驱动控制单元301根据接收的位置指令与读取的位置信息的误差(即方位角差和/或俯仰角差)生成电机控制pwm(脉冲宽度调制)信号，电机驱动器
302根据伺服控制单元301提供的所述电机控制pwm信号和与电机连接的减速器的电流反馈来生成驱动电机的电机驱动信号，以使电机根据电机驱动信号旋转设定的转数，进而控制扫描器框架及天线转动相应的角度。
108.在一些实施方式中，所述控制系统400设置成：根据设计好的航线与雷达工作参数产生控制指令，通过地面站将控制指令通过上行数据链传送至机上设备1100的任务系统1101来控制所述轻小型无人机100和sar系统200的操作。所述数据处理系统500设置成从所述综合处理模块2301的存储板提取原始回波数据，对原始回波数据进行运动补偿、成像及干涉处理，以获取目标区域的sar影像与地表形变信息。
109.在示例性实施方式中，所述基于轻小型无人机载sar系统的断层形变测量系统具备条带成像模式和聚束成像模式两种工作模式，通过控制系统400可控制所述轻小型无人机100和sar系统200的操作以实现快速大面积成像及长期的区域重点目标监测需求，其最高分辨率可达0.3m。在飞行任务开始前，可以根据任务要求与目标区域的实际情况设计航线。载机飞行时，首先通过地面站的雷达操作控制台根据设计的航线与雷达工作参数产生控制指令，随后将控制指令通过上行数据链传送至机上任务系统1101，进而控制sar系统200完成上电、自检、数据获取等操作，其中雷达的原始回波数据可存储于综合处理模块2301的存储板，在完成飞行任务后，所述数据处理系统500通过回放软件进行数据转储，最后对原始数据进行运动补偿、成像及干涉处理等工作，获取目标区域的sar影像与地表形变等信息。
110.在一些实施方式中，所述控制系统400采用例如大鹏无人机地面指挥控制中心(cwcommander)作为地面站的控制中心，既可以利用飞机遥控器手动控制载机的飞行，也可以将预先设计的航线输入到地面站软件中；软件同时集成了sar控制功能模块，一方面可以根据雷达返回状态在地面实时监测所述轻小型无人机100和sar系统200的工作状态，主要包括雷达工作状态和载机的工作状态。雷达工作状态如雷达记录状态、原始数据记录状态、工作模式、辐射状态、通道增益控制值等，载机的工作状态则主要是载机地速、海拔高度、航向角、横滚角、偏航角以及经纬度等；另一方面可以根据数据获取需求对雷达辐射的开关、成像与否、数据记录与否、侧视方式、工作模式、作用距离和通道增益等成像参数进行配置，及时改变所述轻小型无人机100和sar系统200的工作方式。飞行任务完成后，可以将综合处理模块2301的存储板从机载sar系统200中拆卸下来，利用所述数据处理系统500的数据预处理模块下的数据回放软件获取飞行任务中记录的原始数据等信息，用于后续的进一步处理。
111.在一些实施方式中，原始数据采用十六进制存储，每帧数据都分为数据格式信息与回波数据两个部分，数据格式信息为前512个字节，主要包括数据格式标识、数据获取时间、载机位置、载机飞行状态、雷达系统数据；所获取的回波数据则为512字节之后的部分，其长度由采样点数与通道模式决定：单通道模式下为采样点数*2(iq)，双通道模式下为采样点数*2(iq*2通道)。同时在参数多字节传输时，采用大端存储，低字节在前，高字节在后。
112.为了对原始数据进行快视成像处理，根据cs算法及pga算法，通过从原始数据获取数据的工作模式、帧号和帧地址，可以根据成像处理需求逐帧截取数据，并且逐帧进行不保全相位的成像处理，输出高质量的sar图像以及图像对应的参数信息。
113.所述数据处理系统500根据飞行记录，制定运动补偿方案，精确校正回波数据，获
得飞行路线精度高、相位保持好的2个最适合的重复路线数据，对原始数据进行运动补偿、保相成像及干涉处理。所述运动补偿的处理过程包括：获得所述高频组合导航模块记录的所述无人机及sar系统的运动参数，包括位置信息、姿态信息和速度信息；通过uav rtk或ppk后处理获得所述无人机携带的差分gps记录的精确位置信息；以及使用所述运动参数和所述差分gps记录的位置信息校正所述原始回波数据。所述干涉处理与现有星载sar干涉处理流程一致。在本发明实施方式中，所述伺服系统300通过接收小型非高频组合导航系统(即微型sar系统的组合导航模块2304)记录的姿态信息，从而有效地屏蔽姿态的异常变动；差分gps记录了精确的位置信息。使用cs算法、pga算法、ωk算法和rms算法的组合校正回波数据，以获成像效果和聚焦效果更好，具有较高的保相效果。
114.基于上述各实施方式的测量系统，本发明还提供了一种基于轻小型无人机载sar系统的断层形变测量方法，如图6所示，其包括：
115.s100，在观测断层选定地段布设地面角反射器阵列，并利用高精度gps进行静态测量精确获取每个角反射中心的点位坐标；地面角反射器阵列应布设在断层两侧且超出断层闭锁区域，形成多条垂直和平行于断层走向的剖面，且单个角反射器适宜布设在均匀植被、裸地等环境下，并需保障在多期监测期间角反射器不被破坏或挪动。
116.s200，在观测区域内架设1个gnss地面参考站，并与无人机100地面站实现通信连接，或通过无人机100的地面站飞控系统登录网络cors(continuously operating reference stations，连续运行(卫星定位服务)参考站)账号，实现作为流动站的机上高频组合导航模块1103的差分gps的rtk或ppk测量模式；x波段微型sar系统200装配于无人机100任务仓开机后，微型sar系统200的捷联组合导航模块2304的gps需要与无人机上的差分gps进行时间上的同步或两者时间差值为近似固定值时记录该差值用于后期处理改正；机上差分gps获取的高采样频率且精确的pos数据在后期数据处理中对于评估干涉像对数据的可用性以及残余运动估计至关重要。
117.s300，在部署于地面站的控制系统400中进行航线规划、sar工作参数配置，并将上述参数上注到机上控制系统400，开始外业飞行和sar数据获取。进行本步骤时应注意以下几点：
118.(1)有别于一般航测的正射影像或倾斜摄影，sar采用侧视成像，无人机载sar并不在地面观测目标区域正上空飞行，而是在偏离其几公里至几十公里的侧上空飞行，即航线所覆盖的地面区域通常并不是地面观测目标区域，申请飞行空域时需充分考虑这一点；
119.(2)有别于一般航测载荷固定的情况下分辨率与航高成反比，sar的方位向分辨率取决于方位向合成孔径长度，与无人机的飞行速度相关，距离向分辨率取决于距离向带宽控制，二者都与航高无关，因此在空域航高和sar作用距离允许的情况下应尽可能的提高航高，从而减少图像的阴影区域，提高图像的信噪比；
120.(3)sar成像幅宽与入射角相关，为使后续处理的los向形变结果可以拼接，sar区域扫描成像要求相邻条带重叠或临接的区域其入射角相差不应过大；
121.(4)无人机载sar航向的角度选取既要考虑雷达视线方向对观测目标形变的敏感性，又要考虑使sar图像阴影区尽可能的小；
122.(5)由于伺服系统可以校正无人机偏航角和横滚角对sar系统成像的影响，因此飞行中应重点关注控制俯仰角和飞行平台在高度上的剧烈变化；
123.(6)获取数据应进行现场质量检查，可根据实际情况选择是否调整航向、航高、雷达成像模式等参数并进行复飞或补飞。
124.s400，调整飞行航线的航向参数，重复步骤s300至少2次，获取至少另外两个方向的观测数据集。
125.s500，在不同的时间重复步骤s200至步骤s400，形成多期的sar对地观测数据集。
126.s600，将多期数据导入所述数据处理系统500中，进行格式转换、pos解算、运动补偿、成像、基线估计、引入或生成参考dem、差分干涉、形变解算等处理。
127.在一些实施方式中，所述干涉处理过程包括：
128.干涉处理前，对重复航线的多次原始回波数据中的2次回波数据质量检测，其中，对回波数据的质量检测包括：2次回波数据计算的相干系数大于等于0.5的高相干点数占全部相干点是否大于等于50％，以及检测典型目标散射是否规则分布；
129.干涉处理中，选择下述参数：配准精度选择优于1/10像元，平地相位去除选择大于等于90％，解缠区域选择高相干点目标大于等于70％；
130.采用偏移跟踪算法对通过所述质量检测的2次原始回波数据进行运动补偿后，进行干涉处理。
131.为简化处理工作量，提高干涉形变结果的精度和成功率，可将监测目标主要限定在角反射器和人工地物等硬目标组成的高相干性信号之中，仅处理这些高相干的点位或区域。
132.本文虽然以轻小型无人机为例对本发明进行了说明，应当理解，本发明也适用于其他任何无人机或有人机。
133.本领域技术人员应当理解，以上所公开的仅为本发明的实施方式而已，当然不能以此来限定本发明请求专利保护的权利范围，依本发明实施方式所作的等同变化，仍属本发明之权利要求所涵盖的范围。

技术特征：
1.一种基于轻小型无人机载sar系统的断层形变测量系统，其特征在于，包括：轻小型无人机，其包括垂直起降固定翼无人机，并且具有内置任务仓；x波段微型sar系统，其安装在所述无人机的内置任务仓中，在结构上包含电子组合单元、扫描模块、天线三大部分；所述x波段微型sar系统被配置成适于对地面目标区域进行成像和形变探测；伺服系统，其包括控制器、功率驱动电路、俯仰传感器、方位传感器、俯仰传动组件、以及方位传动组件，其中，所述控制器和功率驱动电路集成于所述sar系统的电子组合单元，并且与所述内置任务仓刚性连接；所述俯仰传感器、方位传感器、俯仰传动组件、以及方位传动组件集成于所述sar系统的扫描模块，并通过天线支撑件与天线连接，以实现天线对无人机平台的横滚及偏航角度的补偿；所述伺服系统被配置成根据所述无人机的飞行姿态实时调整所述sar系统的天线的俯仰和方位角度以使所述sar系统的雷达波束稳定地指向目标；控制系统，其被配置在所述轻小型无人机和地面控制站上，通过无线电完成数据链路双向交互，实现对所述无人机及微型sar系统的控制；以及数据处理系统，其被配置成对所述微型sar系统的原始回波数据进行运动补偿、成像、差分干涉和形变解算处理以获得目标区域的sar影像与地表形变信息。2.根据权利要求1所述的断层形变测量系统，其特征在于，所述轻小型无人机的内置任务仓由对x波段的透过率高于80％的材料制成。3.根据权利要求1所述的断层形变测量系统，其特征在于，所述轻小型无人机上设置有第一惯性测量单元imu和第一差分gps模块，分别用于记录所述无人机的飞行姿态和位置信息；所述第一imu和第一差分gps模块形成组合导航模块，所述组合导航模块根据所述飞行姿态和位置信息解算出精确的飞行控制参数并传输至所述无人机的飞行控制单元，由所述飞行控制单元生成飞控指令，以使所述无人机的飞行状态稳定以及使飞行航线与规划航线的基本重合。4.根据权利要求3所述的断层形变测量系统，其特征在于，所述微型sar系统上设置有第二惯性测量单元imu和第二gps模块，分别用于记录所述内置任务仓的姿态信息和雷达成像的位置信息，并将其传输至所述伺服系统，以便所述伺服系统的控制器生成对应的校正指令来驱动伺服电机控制所述扫描模块的动作进而控制所述天线的动作，使所述天线发出的雷达波束指向保持稳定；并根据第二imu测量的俯仰、翻滚、偏航与载机位置、结构对天线相位中心位置进行计算；根据所述无人机组合导航模块记录的姿态和位置参数，在后期数据处理中对所述微型sar记录的姿态和位置参数进行改正或直接替换。5.根据权利要求4所述的断层形变测量系统，其特征在于，所述控制系统对所述无人机及微型sar系统进行的控制包括：根据目标断层的形变特征、地形、批准的空域范围及航高、sar不同工作模式下的作用距离和成像几何，进行航线规划；根据预设的航线与sar工作参数产生控制指令，通过地面站将所述控制指令通过上行数据链传送至所述无人机的机上飞行控制和载荷控制模块来控制所述无人机和所述sar系
统的操作，根据微型sar系统的第二imu和第二gps模块反馈的参数生成所述伺服系统的控制器和所述sar系统的电子组合单元中的雷达发射及接收模块的操作指令；通过下行数据链将所述无人机的飞行状态和sar工作状态传输至地面站并实时显示重要飞行及载荷工作参数；根据数据获取需求对雷达辐射的开关、成像与否、数据记录与否、侧视方式、工作模式、作用距离和通道增益进行配置。6.根据权利要求3所述的断层形变测量系统，其特征在于，所述数据处理系统包括数据预处理模块、运动补偿和成像模块、干涉基线估计模块、差分干涉模块、形变解算模块；其中，所述运动补偿模块配置成：利用地面布设的角反射阵列、伺服系统的校正、冗余的组合导航模块记录的所述无人机飞行姿态和位置信息以及存在的冗余的重复航线飞行获取的回波数据共同参与残余运动误差的估计以进行运动补偿，通过适时调整相应的运动误差补偿策略来达到insar处理对相位的要求；所述成像模块配置成：在机载sar数据处理过程中，将经典成像算法与运动补偿算法相结合，通过对回波数据聚焦处理、保相处理，提高图像质量和干涉处理中的相干性；所述干涉基线估计模块配置成：利用组合导航模块记录的所述无人机飞行姿态和位置信息评估冗余的重复航线的基线，再基于干涉条纹频率或基于地面控制点估计2次航线的基线；所述形变解算模块被配置成：利用对同一地表观测目标不同方位向角度观测的所述无人机的航线组合，实现从多组一维的雷达视线向形变中解算地表观测目标的三维形变；并且，在地表观测目标形变量大于第一阈值时，利用形变前后获取的sar图像采用偏移量跟踪法处理获取观测区域断层的形变信息；所述数据处理系统被配置成从多个重复航线获取的轻小型无人机载雷达回波信号数据中提取出地表观测目标的形变信息。7.一种基于轻小型无人机载sar系统的断层形变测量方法，其特征在于，包括：步骤1：在观测断层选定地段布设地面角反射器阵列，并利用gps进行静态测量精确获取每个角反射中心的点位坐标；其中，所述地面角反射器阵列应布设在断层两侧且超出断层闭锁区域，形成多条垂直和平行于断层走向的剖面，且单个角反射器适于布设在包括均匀植被或裸地的环境下；步骤2：在观测区域内架设1个gnss地面参考站，并与无人机地面站实现通信连接；将x波段微型sar系统装配于无人机任务仓并开机后，所述微型sar系统的gps与无人机上的差分gps进行时间上的同步或两者时间差值为近似固定值时记录该差值以用于后期处理改正；所述无人机上的gps获取的pos数据在后期数据处理中用于评估干涉像对数据的可用性以及残余运动估计；步骤3：在部署于地面站的控制系统中进行航线规划、sar工作参数配置，并将上述参数上注到所述无人机的机上控制系统，开始外业飞行和sar数据获取；步骤4：调整飞行航线的航向参数，重复步骤3至少2次，获取至少另外两个方向的观测数据集；步骤5：在不同的时间重复步骤2至步骤4，形成多期的sar对地观测数据集；步骤6：将多期数据导入数据处理系统中，进行包括格式转换、pos解算、运动补偿、成
像、基线估计、参考dem引入或生成、差分干涉、形变解算的处理。8.根据权利要求7所述的断层形变测量方法，其特征在于，干涉处理前，对重复航线的多次原始回波数据中的2次回波数据质量检测，其中，对回波数据的质量检测包括：2次回波数据计算的相干系数大于等于0.5的高相干点数占全部相干点是否大于等于50％，以及检测典型目标散射是否规则分布；干涉处理中，选择下述参数：配准精度选择优于1/10像元，平地相位去除选择大于等于90％，解缠区域选择高相干点目标大于等于70％；采用偏移跟踪算法对通过所述质量检测的2次原始回波数据进行运动补偿后，进行干涉处理。9.根据权利要求7所述的断层形变测量方法，其特征在于，在步骤3中：所述sar采用侧视成像，承载sar的无人机在偏离地面观测目标区域预定距离的侧上空飞行，使得航线所覆盖的地面区域不是地面观测目标区域；所述sar设置成其方位向分辨率取决于方位向合成孔径长度而与无人机的飞行速度相关，距离向分辨率取决于距离向带宽控制，二者都与航高无关，以便提高所述无人机的航高；所述sar设置成相邻条带重叠或邻接的区域其入射角相差不超过第二阈值。

技术总结
本发明提供了一种基于轻小型无人机载SAR系统的断层形变测量方法及系统。所述系统包括：轻小型无人机，其具有任务仓；微型SAR系统，其安装在任务仓中并且被配置成适于对地面目标区域进行成像探测；伺服系统，其被配置成：根据所述无人机的飞行姿态实时调整微型SAR系统的天线的俯仰和横滚角度以使雷达波束稳定地指向目标；控制系统，其被配置成对所述无人机及微型SAR系统进行控制；以及，数据处理系统，其被配置成对原始回波数据进行运动补偿、成像、干涉和形变解算处理以获得目标区域的遥SAR影像与地表形变信息。本发明采用轻小型无人机搭载机载SAR系统和改进的控制及数据处理系统，其使用成本低，提高了机载SAR系统使用的灵活性和实用性。灵活性和实用性。灵活性和实用性。


技术研发人员：张景发 叶少华 任斌 吕孝雷 罗毅 李强 李永生 田云锋 焦其松
受保护的技术使用者：应急管理部国家自然灾害防治研究院
技术研发日：2023.02.20
技术公布日：2023/10/15