基于气象数据的地基雷达大气扰动校正方法研究

董 杰,董 妍

(1.河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210098; 2.武汉大学 遥感信息工程学院，湖北 武汉 430000)

基于气象数据的地基雷达大气扰动校正方法研究

董 杰1,董 妍2

(1.河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210098; 2.武汉大学 遥感信息工程学院，湖北 武汉 430000)

大气扰动是影响地基雷达(Ground-based SAR，GBSAR)系统监测精度的主要因素，文中研究大气扰动对GBSAR相位的影响及相应的补偿方法。实验以自制的角反射器作为监测目标，利用气象数据补偿法改正角反射器相位，用观测区域的温度、气压和湿度建立大气折射模型，估算出大气折射率的变化来校正大气扰动误差。结果表明，文中方法能有效地剔除大气扰动相位，达到改善监测精度的效果。

地基雷达；差分干涉测量；变形监测；大气扰动；气象数据

GBSAR技术是一种基于微波主动探测的创新雷达技术，其思想来源于星载合成孔径雷达干涉测量技术[1-2]。基于该技术的IBIS(Image By Interferometirc Survey)遥测系统已经广泛应用于滑坡[3]、冰川[4]、建筑物[5]和大坝[6]变形监测，并取得了满意的成果。然而，国内对GBSAR的研究尚处于起步阶段，仅在人工建筑物[7-8]、露天矿区[9]监测和大气误差校正[10]方面进行了一些探索性的实验研究。

大气扰动是影响GBSAR系统监测精度的主要因素，研究表明[11]，20 ℃时，1km距离上1%相对湿度的变化会导致2 mm的测量误差。Noferini等[12]利用PS技术和外部气象数据校正法研究了大气扰动对GBSAR相位的影响及相应的补偿方法。

本文以IBIS-S系统为实验平台，以自制的固定角反射器和可移动可量测角反射器为监测目标，研究小区域大气扰动校正方法。分析气象数据观测误差对改正精度的影响，并利用气象数据补偿法消弱大气干扰。

1 大气延迟模型

雷达电磁波在不均匀的对流层中传播时，会产生折射，传播路径和方向发生改变，电磁波存在延迟。根据电磁波传播理论，某时刻t，波长为λ的电磁波，从发射点到达距离为rm的目标点并返回，回波相位可表示为

(1)

(2)

不同时间的大气折射指数不同，对上述目标点，t1和t2时刻的差分回波相位为

(3)

式中Δφ21即为大气扰动相位，与距离、波长和折射指数差有关。已知雷达系统和特定目标的情况下，大气扰动相位主要由折射指数变化引起。折射指数n(t)可由大气干温度、干气压和相对湿度计算。

(4)

式中：T为干温度,K;P为干气压,hPa;e为水汽压,hPa;其中水汽压与相对湿度的关系如下：

(5)

式中：H为相对湿度,%；E为标准水汽压饱和度。

由以上各式可得回波相位表达式如下：

(6)

2 基于气象数据的大气延迟校正方法

气象数据补偿法需要用到大气干温度、干气压和相对湿度，这些参数可以通过气象站观测得到。将定期观测的气象数据代入式(3)、式(4)和式(5)，便可得到大气扰动校正相位并改正对应的观测相位。

气象数据由气象站观测得来，存在观测误差，其标准差分别用σT,σP,σH表示，大气相位标准差σφ(t)可表示为

这个时候，周老相公便会摇摇头说，你们这帮胡扯的人，看看人家这么面红耳赤的，就是一个没搞过女人的童男子了。话音刚落，周老相公马上就被笑声嘘声淹没了。说老古董啊老古董，这种事哪里是你看看就能看得出来的。你看，常爱兰，人家几嫁了，怎么样，几个男人都搞不定她，被她搞死了，是不是证明她的床上功夫好啊？脸上也没写着呀。

(7)

假设α=7.76×10-5K/hPa，β=3.73×10-1K2/hPa，则式(7)中各项偏导数可表示为

(8)

(9)

(10)

一般气象站观测数据的各项标准差分别为：大气温度0.3 K，干气压0.8 hPa，相对湿度2%。现假设rm=1000 m，T=293.15K，P=1013 hPa，H=50%，仿真各气象数据误差引入的大气相位标准差，如图1所示。从图中可以发现，在温度为20 ℃，气压为 1013 hPa,相对湿度为50%，距离为 1000 m处，温度0.3 K的误差将产生大气相位φ(t)=26°(约0.6 mm的误差)；干气压0.8 hPa的误差将产生大气相位φ(t)=9°(约0.2 mm的误差)；相对湿度1%的变化将产生大气相位φ(t)=42°(约2 mm的误差)。所以温度和相对湿度是产生大气相位的主要因素。

图1 各气象参数误差引入的大气相位标准差

3 实验研究

3.1 实验介绍

本实验以IBIS系统为平台进行大气扰动校正研究，实验场地选在南京石头城秦淮河边，雷达视线横跨过河面。将两个角反射器CR1和CR2布设在实验场地，一个为固定角反射器，另一个为可移动可量测角反射器。后者能够高精度定量模仿雷达视线向位移，如图2所示。

图2 实验场景和可移动可量测角反射器

为了观测到比较明显的气象变化，观测时间为上午10点到傍晚5点30分，共采集23组数据，数据采集过程中CR2固定不动，CR1沿雷达视线向移动，并记录其移动量，因游标卡尺的量测精度为0.02 mm，所以其记录的移动量可以作为真值。同时记录IBIS系统处和角反射器处的气象参数，研究利用气象数据补偿法校正两个角反射器的大气扰动。

3.2 实验结果与大气改正

3.2.1 实验结果

目标区域的信噪比如图3所示，横轴表示像元数(像元间距为0.5m)，竖轴代表信噪比(单位：dB)。因场景中存在较多的混凝土和金属等强反射体，信噪比图中出现多处波峰，难以准确识别两个角反射器和桥墩。利用全站仪测量IBIS传感器到目标物的距离，辅助识别角反射器和桥墩，图3中4个圆圈分别表示近桥墩(Rbin39)、远桥墩(Rbin129)、移动角反射器(Rbin174)和固定角反射器(Rbin177)。

图3 信噪比图

对IBIS系统采集的各组数据中连续观测值取平均值，各目标的位移时间序列如图4、图5所示。图4中的浅色线条反映固定角反射器的位移情况，部分位移大于1mm；图5的竖轴表示移动角反射器的观测位移与真实位移之差，其中浅色线条反映CR1的位移差，最大值接近1.5mm。

图4 固定角反射器位移变化及其改正值

图5 移动角反射器观测位移与真实位移差值变化及其改正值

3.2.2 气象数据补偿法

观测期间记录的两处气象数据均值变化情况见图6，整个过程中干气压基本保持在 1010 hPa左右，干温由298.8 K到303.3 K，相对湿度在34%～42%之间变化。

气象数据每半小时记录一次，共16组数据，需要内插成23组数据，使之与IBIS系统采集的23组数据对应。根据式(3)、式(4)和式(5)，利用气象数据补偿法校正固定角反射器和移动角反射器中的大气扰动误差，结果如图4、图5所示。由此可见，该法大大减弱了大气扰动的影响，提高了观测精度。

图6 干温和相对湿度均值变化

本实验所用干湿温度计的干温测量精度为0.5K，相对湿度测量精度为1%。实验中干温均值为301.5K，相对湿度均值为36%，干气压保持在 1010 hPa左右，目标物到传感器的距离约90 m，结合式(7)，其中干气压项为0，得到校正误差为7 K(约0.2 mm)，所以本实验中气象数据的观测误差引入的校正误差较小，可以忽略不计。

3.3 精度分析

气象数据补偿法都可以把固定角反射器和移动角反射器中的大气扰动相位剔除。表1列出了固定角反射器和移动角反射器改正前后的观测误差最大值、平均值和标准差。改正前，两个角反射器的最大观测误差均大于1mm，改正后，最大观测误差都降低在1mm以内；改正后的误差平均值和标准差都有所减小。

表1 两种角反射器改正前后精度分析 mm

4 结束语

由于受到周边环境的影响，GBSAR技术的监测精度大大降低。对于长时间大范围的变形监测来说，气象扰动校正是提高观测精度的关键。本文研究了利用气象数据补偿法对小范围内的人工目标点进行气象改正。实验结果表明，该方法能有效剔除气象扰动相位，改善测量结果。分析表明，对于大范围研究区域内的远目标，气象数据观测误差将引入较大的改正误差，所以，应提高气象数据的观测精度。

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[责任编辑：刘文霞]

Atmospheric artifact compensation for deformation monitoring with ground-based radar

DONG Jie1, DONG Yan2

(1School of Earth Science and Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2 School of Remote Sensing, Wuhan University, Wuhan 430079, China)

Atmospheric disturbance is one of the important factors which influence the monitoring precision of ground-based SAR (GBSAR). The impact of atmospheric disturbance on the radar interferometric phase is studied and the compensation method based on meteorological parameter is put forward. The displacements along the LOS (line of sight) simulated by a movable corner reflector are monitored by the IBIS-S system based on the ground-based radar technology. And experimental results demonstrate that the error of atmospheric delay phase can be weakened by the proposed algorithm and the improved monitoring precision of the radar system.

ground-based radar; differential interferometry; displacement monitoring; atmospheric disturbance; meteorological

2013-10-10

国家自然科学基金资助项目(41174002, 41304025)

董 杰(1988-)，男，硕士研究生.

TN958；P237

：A

：1006-7949(2014)10-0072-04