典型區(qū)域氣候下的D-InSAR大氣形變誤差分析

孫方 朱慶林 劉琨 趙振維 康士峰 董翔

(中國電波傳播研究所,青島 266107)

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典型區(qū)域氣候下的D-InSAR大氣形變誤差分析

孫方 朱慶林 劉琨 趙振維 康士峰 董翔

(中國電波傳播研究所,青島 266107)

大氣結(jié)構(gòu)常數(shù);大氣湍流;對流層延遲;差分干涉合成孔徑雷達(dá);形變誤差

DOI 10.13443/j.cjors.2016032802

引 言

合成孔徑雷達(dá)差分干涉(Differential Interferometry Synthetic Aperture Radar,D-InSAR)技術(shù)是在合成孔徑雷達(dá)干涉(Interferometry Synthetic Aperture Radar,InSAR)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的．其基本原理是:利用重復(fù)軌觀測獲取的干涉相位,通過差分處理去除2次觀測相位中的共有量(平地效應(yīng)、地形相位和大氣延遲等),可以得到形變相位,進(jìn)而獲得高程形變量．由于干涉相位對微小形變極其敏感,毫米級的形變在干涉相位中都會(huì)有所反映,因此,D-InSAR技術(shù)可以監(jiān)測地表的微小形變,被廣泛應(yīng)用于地震、泥石流、火山爆發(fā)等自然災(zāi)害的預(yù)報(bào)與監(jiān)測研究中,具有廣闊的應(yīng)用前景．而隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要,如高鐵建設(shè)沿線地面沉降災(zāi)害的調(diào)查、滑坡及危巖體監(jiān)測等,對D-InSAR的監(jiān)測精度提出了更高的要求,但是由于大氣延遲相位的存在,制約了D-InSAR監(jiān)測精度的進(jìn)一步提高,因此準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地預(yù)報(bào)監(jiān)測地表處的大氣環(huán)境特性,評估大氣延遲相位的影響對提高D-InSAR監(jiān)測精度至關(guān)重要．

雷達(dá)信號(hào)穿越大氣層時(shí),不同密度的大氣介質(zhì)折射率的變化對信號(hào)傳播會(huì)產(chǎn)生傳播路徑彎曲和速度延遲,從而產(chǎn)生大氣延遲相位．大氣延遲相位分為兩種：一種是由于大氣湍流造成的,它與地形不相關(guān);另一種是由對流層的垂直分層變化造成的,它與地形相關(guān)．由對流層的垂直分層變化造成的大氣延遲可以通過準(zhǔn)確測量地面的氣象參數(shù)消除絕大部分;而湍流效應(yīng)是由大氣水汽隨時(shí)間和區(qū)域擾動(dòng)變化造成的,具有很大的隨機(jī)性和不均一性,因此很難預(yù)測．研究表明,大氣的相對濕度在空間和時(shí)間上20%的變化可以導(dǎo)致10～14 cm的形變測量誤差[1-2],大氣湍流效應(yīng)的不確定性已經(jīng)成為限制D-InSAR測量精度進(jìn)一步提高的瓶頸問題之一,只有準(zhǔn)確獲取D-InSAR成像時(shí)間內(nèi)的大氣湍流強(qiáng)度,才能進(jìn)一步提高大氣延遲相位的修正精度．

1 三軌法形變誤差

圖1 D-InSAR三軌法干涉測量示意圖

令兩次觀測時(shí)所經(jīng)歷的大氣延遲量分別為δρ、δρ′,則大氣干涉相位可表示為[2]:

(1)

φatm的隨機(jī)變化對D-InSAR提取地形和探測地表形變有很大干擾,甚至可能掩蓋真實(shí)的形變信號(hào)．假定D-InSAR系統(tǒng)中每幅干涉圖中的大氣延遲標(biāo)準(zhǔn)差δφatm相同,則大氣延遲相位對于三軌法差分干涉測量的形變量標(biāo)準(zhǔn)差可表示為[3]:

(2)

2 大氣結(jié)構(gòu)常數(shù)與干涉相位

圖2 北京地區(qū)不同對應(yīng)的天頂延遲隨時(shí)間的變化

根據(jù)D-InSAR在不同時(shí)間測得的干涉相位結(jié)構(gòu)函數(shù)與大氣結(jié)構(gòu)常數(shù)之間的關(guān)系,與時(shí)間相關(guān)的相位結(jié)構(gòu)函數(shù)可以寫成[9]:

=〈|ΔS(t)-ΔS(t+Δt)|2〉.

(3)

(4)

(5)

式中：d為基線距離;

(6)

(7)

3 計(jì)算分析結(jié)果

表1 典型區(qū)域在不同時(shí)間的對比

圖3 不同InSAR衛(wèi)星形變誤差隨的變化

由圖3可知,SAR的基線長度越大,大氣湍流導(dǎo)致的形變誤差越大．對于ERS-1/2衛(wèi)星,上述典型區(qū)域采樣樣本中的大氣湍流強(qiáng)度都能滿足形變誤差小于厘米級的高精度指標(biāo);對于TerraSAR衛(wèi)星,北京夏季、上海春季的大氣環(huán)境導(dǎo)致的形變誤差很有可能大于厘米級;而對于ALOS衛(wèi)星,除了北京和烏魯木齊的冬季,絕大部分區(qū)域在采樣時(shí)間的大氣湍流強(qiáng)度都會(huì)導(dǎo)致較大的形變誤差,普遍高于厘米級,基本都在1～2 cm之間,上海的春季甚至達(dá)到了4 cm．以上只是分析了正常大氣環(huán)境下的形變誤差,當(dāng)遇到極端的天氣條件,如暴風(fēng)雨等強(qiáng)烈的對流運(yùn)動(dòng)時(shí),大氣結(jié)構(gòu)常數(shù)可達(dá)到10-12m-2/3的量級,此時(shí)大氣導(dǎo)致的形變誤差甚至能達(dá)到十幾厘米,嚴(yán)重影響D-InSAR的測量性能．

4 結(jié) 論

[1]李陶.重復(fù)軌道星載SAR差分干涉監(jiān)測地表形變研究[M].武漢：武漢大學(xué)出版社, 2004.

[2]余景波, 劉國林, 曹振坦, 等.大氣延遲誤差對In-SAR數(shù)據(jù)處理影響的定量分析[J].空間科學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 32(5)：720-729.

YUJB,LIUGL,CAOZT,etal.quantitativeanalysisofeffectofatmosphericdelayerroroninSARdataprocessing[J].Chinesejournalofspacescience, 2012, 32(5)：720-729.(inChinese)

[3]CHARLESW,URSW,ANDREASW.Interferometricpointtargetanalysiswithjers-1l-bandSARdata[C]//2003IEEEInternationalGeoscienceandRemoteSensingSymposium.Toulouse,France, 21-25July, 2003.

[4]BIANCOL,WILCZAKJM.Convectiveboundarylayerdepth：improvedmeasurementbyDopplerradarwindprofilerusingfuzzylogicmethods[J].Journalofatmospheric&oceanictechnology, 2002, 19(11)：1745-1758.

[5]NILSSONT,HAASR.Impactofatmosphericturbulenceongeodeticverylongbaselineinterferometry[J].Journalofgeophysicalresearch, 115(10), 2010:1-11.

[6]朱慶林, 趙振維, 吳振森.精密單點(diǎn)定位方法測量對流層天頂延遲的精度改善[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版), 2009, 34(9)：1098-1101.

ZHUQL,ZHAOZW,WUZS.Precisionimprovementoftroposphericzenithpathdelayestimationbyprecisepointpositioning[J].GeomaticsandInformationScienceofWuhanUniversity, 2009,34(9),1098-1101.(inChinese)

[7]林樂科.利用GNSS信號(hào)的地基大氣折射率剖面反演技術(shù)研究[D].南京：南京郵電大學(xué), 2011.

LINLK.Profilingtroposphericrefractivitybasedonsingleground-basedGPSreceiver[D].Nanjing：NanjingUniversityofPostsandTelecommunications, 2011.(inChinese)

[8]朱慶林, 吳振森, 趙振維, 等.單臺(tái)地基衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)測量對流層斜延遲[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 25(1)：37-40.

ZHUQL,WUZS,ZHAOZW,etal.Troposphericslantdelaymeasuredbysingularground-basedsatellitenavigationreceiver[J].Chinesejournalofradioscience,2010, 25(1)：37-40.(inChinese)

[9]NESSELJA,MANNINGRM.DerivationofmicrowaverefractiveindexstructureconstantoftheatmospherefromK-bandinterferometricphasemeasurements[J].IEEEtransactionsonantennasandpropagation,2014, 62(11)：5590-5598.

[10]BERARDINOP,FORNAROG,LANARIR,etal.AnewalgorithmforsurfacedeformationmonitoringbasedonsmallbaselinedifferentialSARinterferograms[J].IEEEtransactionsongeoscienceandremotesensing, 2002, 40(11)：2375-2383.

[11]LIZ,MULLERJP,CROSSP.Comparisonofprecipitablewatervaporderivedfromradiosonde,GPS,andmoderate-resolutionimagingspectroradiometermeasurements[J].Journalofgeophysicalresearch, 2003, 108 (20)：4651.

[12]程顯海, 張玉生.基于氣象探空數(shù)據(jù)計(jì)算的大氣折射率誤差分析[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 29(5)：951-956.

CHENGXH,ZHANGYS.Analysisoftheerrorsinestimatingatmosphericrefractiveindexfromradiosondemeasurements[J].Chinesejournalofradioscience, 2014, 29(5)：951-956.(inChinese)

[13]熊皓.電磁波傳播與空間環(huán)境[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

[14]黃捷.電波大折射誤差修正[M].北京：國防工業(yè)出版社, 2000.

[15]潘中偉, 劉成國.對流層折射率起伏的基本規(guī)律[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào), 1997, 12(1)：89-95.

PANZW,LIUCG.Thecharacteristicsoftroposphericrefractivityfluctuation[J].Chinesejournalofradioscience, 1997, 12(1)：89-95.(inChinese)

[16]BONFORTEA,FERRETTIA,PRATIC,etal.CalibrationofatmosphericeffectsonSARinterferogramsbyGPSandlocalatmospheremodels：firstresults[J].Journalofatmosphericandsolar-terrestrialphysics, 2001, 63(12)：1343-1357.

[17]楊成生.差分干涉雷達(dá)測量技術(shù)中水汽延遲改正方法研究[D].西安：長安大學(xué), 2011.

YANGCS.Studyonatmosphericdelaycorrectionmethodsindifferentialinterferometricsyntheticapertureradar[D].Xi’an：Chang’anUniversity, 2011.(inChinese)

D-InSAR atmospheric deformation error analysis in representative areas with different climate

SUN Fang ZHU Qinglin LIU Kun ZHAO Zhenwei KANG Shifeng DONG Xiang

(ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

atmospheric structure constant; atmospheric turbulence; troposphere delay; differential SAR interferometry; deformation error

孫方, 朱慶林, 劉琨, 等.典型區(qū)域氣候下的D-InSAR大氣形變誤差分析[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2016,31(5):1023-1027.

10.13443/j.cjors.2016032802

SUN F, ZHU Q L, LIU K, et al.D-InSAR atmospheric deformation error analysis in representative areas with different climate [J].Chinese journal of radio science,2016,31(5):1023-1027.(in Chinese).DOI：10.13443/j.cjors.2016032802

2016-03-28

國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào)：41305024)

TN

A

孫方 (1982-),女,山東人,高級工程師．現(xiàn)在中國電波傳播研究所從事電波傳播、電波折射修正等方面的工作．

朱慶林 (1981-),男,河南人,博士,高級工程師．現(xiàn)在中國電波傳播研究所從事大氣遙感、GNSS技術(shù)以及環(huán)境監(jiān)測等工作．

劉琨 (1979-),男,山東人,博士生,高級工程師．現(xiàn)在中國電波傳播研究所從事GPS測量、電離層探測與反演以及電波折射修正等工作．

趙振維 (1965-),男,河北人,博士,研究員,中國電子科技集團(tuán)公司首席專家,中國電波傳播研究所總工程師．現(xiàn)在中國電波傳播研究所從事電波傳播、無線電氣象、大氣環(huán)境遙感等電波環(huán)境及其傳播特性的理論和應(yīng)用基礎(chǔ)研究．

康士峰 (1966-),男,河南人,博士,研究員,中國電波傳播研究所副總工程師．現(xiàn)在中國電波傳播研究所從事電磁散射理論、電波環(huán)境機(jī)理與預(yù)報(bào)、微波遙感等方面的工作．

董翔 (1987-),男,寧夏人,碩士,現(xiàn)在中國電波傳播研究所從事GNSS散射信號(hào)傳播、大氣波導(dǎo)監(jiān)測等方面的工作.

聯(lián)系人：孫方 E-mail：sf427@163.com