典型区域气候下的D-InSAR大气形变误差分析

孙方 朱庆林 刘琨 赵振维 康士峰 董翔

(中国电波传播研究所,青岛 266107)



典型区域气候下的D-InSAR大气形变误差分析

孙方 朱庆林 刘琨 赵振维 康士峰 董翔

(中国电波传播研究所,青岛 266107)

大气结构常数;大气湍流;对流层延迟;差分干涉合成孔径雷达;形变误差

DOI 10.13443/j.cjors.2016032802

引 言

合成孔径雷达差分干涉(Differential Interferometry Synthetic Aperture Radar,D-InSAR)技术是在合成孔径雷达干涉(Interferometry Synthetic Aperture Radar,InSAR)技术的基础上发展起来的．其基本原理是:利用重复轨观测获取的干涉相位,通过差分处理去除2次观测相位中的共有量(平地效应、地形相位和大气延迟等),可以得到形变相位,进而获得高程形变量．由于干涉相位对微小形变极其敏感,毫米级的形变在干涉相位中都会有所反映,因此,D-InSAR技术可以监测地表的微小形变,被广泛应用于地震、泥石流、火山爆发等自然灾害的预报与监测研究中,具有广阔的应用前景．而随着经济建设的需要,如高铁建设沿线地面沉降灾害的调查、滑坡及危岩体监测等,对D-InSAR的监测精度提出了更高的要求,但是由于大气延迟相位的存在,制约了D-InSAR监测精度的进一步提高,因此准确实时地预报监测地表处的大气环境特性,评估大气延迟相位的影响对提高D-InSAR监测精度至关重要．

雷达信号穿越大气层时,不同密度的大气介质折射率的变化对信号传播会产生传播路径弯曲和速度延迟,从而产生大气延迟相位．大气延迟相位分为两种：一种是由于大气湍流造成的,它与地形不相关;另一种是由对流层的垂直分层变化造成的,它与地形相关．由对流层的垂直分层变化造成的大气延迟可以通过准确测量地面的气象参数消除绝大部分;而湍流效应是由大气水汽随时间和区域扰动变化造成的,具有很大的随机性和不均一性,因此很难预测．研究表明,大气的相对湿度在空间和时间上20%的变化可以导致10～14 cm的形变测量误差[1-2],大气湍流效应的不确定性已经成为限制D-InSAR测量精度进一步提高的瓶颈问题之一,只有准确获取D-InSAR成像时间内的大气湍流强度,才能进一步提高大气延迟相位的修正精度．

1 三轨法形变误差

图1 D-InSAR三轨法干涉测量示意图

令两次观测时所经历的大气延迟量分别为δρ、δρ′,则大气干涉相位可表示为[2]:

(1)

φatm的随机变化对D-InSAR提取地形和探测地表形变有很大干扰,甚至可能掩盖真实的形变信号．假定D-InSAR系统中每幅干涉图中的大气延迟标准差δφatm相同,则大气延迟相位对于三轨法差分干涉测量的形变量标准差可表示为[3]:

(2)

2 大气结构常数与干涉相位

图2 北京地区不同对应的天顶延迟随时间的变化

根据D-InSAR在不同时间测得的干涉相位结构函数与大气结构常数之间的关系,与时间相关的相位结构函数可以写成[9]:

=〈|ΔS(t)-ΔS(t+Δt)|2〉.

(3)

(4)

(5)

式中：d为基线距离;

(6)

(7)

3 计算分析结果

表1 典型区域在不同时间的对比

图3 不同InSAR卫星形变误差随的变化

由图3可知,SAR的基线长度越大,大气湍流导致的形变误差越大．对于ERS-1/2卫星,上述典型区域采样样本中的大气湍流强度都能满足形变误差小于厘米级的高精度指标;对于TerraSAR卫星,北京夏季、上海春季的大气环境导致的形变误差很有可能大于厘米级;而对于ALOS卫星,除了北京和乌鲁木齐的冬季,绝大部分区域在采样时间的大气湍流强度都会导致较大的形变误差,普遍高于厘米级,基本都在1～2 cm之间,上海的春季甚至达到了4 cm．以上只是分析了正常大气环境下的形变误差,当遇到极端的天气条件,如暴风雨等强烈的对流运动时,大气结构常数可达到10-12m-2/3的量级,此时大气导致的形变误差甚至能达到十几厘米,严重影响D-InSAR的测量性能．

4 结 论

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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

孙方, 朱庆林, 刘琨, 等.典型区域气候下的D-InSAR大气形变误差分析[J].电波科学学报,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

国家自然科学基金(批准号：41305024)

TN

A

孙方 (1982-),女,山东人,高级工程师．现在中国电波传播研究所从事电波传播、电波折射修正等方面的工作．

朱庆林 (1981-),男,河南人,博士,高级工程师．现在中国电波传播研究所从事大气遥感、GNSS技术以及环境监测等工作．

刘琨 (1979-),男,山东人,博士生,高级工程师．现在中国电波传播研究所从事GPS测量、电离层探测与反演以及电波折射修正等工作．

赵振维 (1965-),男,河北人,博士,研究员,中国电子科技集团公司首席专家,中国电波传播研究所总工程师．现在中国电波传播研究所从事电波传播、无线电气象、大气环境遥感等电波环境及其传播特性的理论和应用基础研究．

康士峰 (1966-),男,河南人,博士,研究员,中国电波传播研究所副总工程师．现在中国电波传播研究所从事电磁散射理论、电波环境机理与预报、微波遥感等方面的工作．

董翔 (1987-),男,宁夏人,硕士,现在中国电波传播研究所从事GNSS散射信号传播、大气波导监测等方面的工作.

联系人：孙方 E-mail：sf427@163.com