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;形變誤差

DOI 10.13443/j.cjors.2016032802

引 言

合成孔徑雷達差分干涉(Differential Interferometry Synthetic Aperture Radar,D-InSAR)技術(shù)是在合成孔徑雷達干涉(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)報與監(jiān)測研究中,具有廣闊的應(yīng)用前景．而隨著經(jīng)濟建設(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)測精度的進一步提高,因此準確實時地預(yù)報監(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．

雷達信號穿越大氣層時,不同密度的大氣介質(zhì)折射率的變化對信號傳播會產(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)是由大氣水汽隨時間和區(qū)域擾動變化造成的,具有很大的隨機性和不均一性,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測量精度進一步提高的瓶頸問題之一,只有準確獲取D-InSAR成像時間內(nèi)的大氣湍流強度,才能進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,甚至可能掩蓋真實的形變信號．假定D-InSAR系統(tǒng)中每幅干涉圖中的大氣延遲標準差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準差可表示為[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)的天頂延遲隨時間的變化

根據(jù)D-InSAR在不同時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 計算分析結(jié)果

表1 典型區(qū)域在不同時間的對比

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度都能滿足形變誤差小于厘米級的高精度指標;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)域在采樣時間的大氣湍流強度都會導(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,當遇到極端的天氣條件,如暴風(fēng)雨等強烈的對流運動時,大氣結(jié)構(gòu)常數(shù)可達到10-12m-2/3的量級,此時大氣導(dǎo)致的形變誤差甚至能達到十幾厘米,嚴重影響D-InSAR的測量性能．

4 結(jié) 論

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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,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(批準號：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)境機理與預(yù)報、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