庾　露

(中國地震局地質(zhì)研究所,北京100029)

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基于高分辨率SAR數(shù)據(jù)的子帶干涉測(cè)量技術(shù)及其在地震同震形變場(chǎng)中的應(yīng)用研究

庾露

(中國地震局地質(zhì)研究所,北京100029)

目前常規(guī)合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(Interferometry Synthetic Aperture Radar,InSAR)在地形測(cè)繪和形變監(jiān)測(cè)方面的發(fā)展已經(jīng)非常成熟,其成功應(yīng)用的關(guān)鍵取決于數(shù)據(jù)處理中的一些關(guān)鍵步驟,相位解纏是其處理中的關(guān)鍵步驟之一。相位解纏是指由干涉紋圖的相對(duì)相位解算出地表絕對(duì)相位,從而得到高程或地表形變場(chǎng)的過程。針對(duì)解纏問題,眾多學(xué)者提出了不同的解纏算法,這些解纏算法的提出,極大地推動(dòng)了InSAR測(cè)量技術(shù)的發(fā)展。但在一些地表環(huán)境復(fù)雜的地區(qū),大部分的解纏方法存在一定的局限性。例如： 一方面由于解纏算法的不同,會(huì)造成InSAR結(jié)果各異,從而帶來了不確定性； 另一方面,對(duì)于地形復(fù)雜或相位梯度過大的區(qū)域,干涉條紋會(huì)過于密集,再加上去相干因素的影響,濾波會(huì)出現(xiàn)條紋混疊現(xiàn)象,導(dǎo)致后續(xù)錯(cuò)誤的解纏結(jié)果。如何在應(yīng)用中解決這些問題,已成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)問題之一,在這一需求下,子帶干涉成為關(guān)注的焦點(diǎn)。子帶干涉法是一種無需或只需進(jìn)行少量相位解纏,即可獲得絕對(duì)相位差的新方法。其主要思路是通過縮減帶寬以增長(zhǎng)波長(zhǎng),從而減少干涉條紋數(shù),降低解纏難度或不需解纏直接得到絕對(duì)相位差。但由于帶寬的縮減,導(dǎo)致噪聲的增大和旁瓣帶來的額外干擾,使干涉圖質(zhì)量下降,因此,在子帶干涉參數(shù)選取、 噪聲濾波以及處理流程等方面需要特殊處理,特別是,子帶的中心頻率和帶寬的選取會(huì)很大程度地影響測(cè)量精度。本文通過對(duì)子帶干涉法的基本原理、 實(shí)現(xiàn)技術(shù)、 具體處理算法進(jìn)行詳細(xì)研究,并通過在真實(shí)的數(shù)據(jù)中提取DEM的實(shí)驗(yàn),研究和討論了子帶干涉法中子帶中心頻率和子帶帶寬這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的選取問題,總結(jié)出最優(yōu)化的參數(shù)設(shè)置方案。在此基礎(chǔ)上,開展基于子帶干涉法提取地表形變場(chǎng)方面的研究。本文以2013年巴基斯坦MW7.7地震為例,利用子帶干涉法提取此次地震的同震形變場(chǎng),并聯(lián)合基于Landsat 8的光學(xué)影像交叉頻譜相關(guān)法、 offset-tracking法、 常規(guī)D-InSAR和斷層模型擬合等多種方法獲取的形變場(chǎng),進(jìn)行相互比較,獲得了詳實(shí)的對(duì)比結(jié)果,也進(jìn)一步驗(yàn)證了子帶干涉法在處理密集干涉條紋時(shí)的適用性。

本文主要的研究?jī)?nèi)容和成果如下：

(1) 從分辨率、 線性帶寬和工作波段3個(gè)方面,總結(jié)歸納出目前擁有寬線性帶寬的新一代SAR系統(tǒng)適用于子帶干涉應(yīng)用。同時(shí)還闡述了相位解纏技術(shù)的分類和研究現(xiàn)狀,并總結(jié)說明各類解纏算法的優(yōu)勢(shì)和不足。在此基礎(chǔ)上介紹了目前子帶干涉技術(shù)的研究現(xiàn)狀和目前存在的理論和應(yīng)用方面的難點(diǎn)。

(2) 詳細(xì)分析和研究了子帶干涉法中涉及到的復(fù)信號(hào)帶通濾波器、 干涉結(jié)果趨勢(shì)誤差抑制等技術(shù)。通過對(duì)子帶干涉法的基本原理和處理流程分析,研究了SAR系統(tǒng)成像原理中線性帶寬和距離向分辨率的關(guān)系,提出了SLC影像子帶分割的復(fù)信號(hào)帶通濾波器的實(shí)現(xiàn)方法。對(duì)子帶干涉結(jié)果中可能存在的線性趨勢(shì)誤差,提出了一種構(gòu)建窄帶陷波器并配合Chirp-Z的抑制方法。

(3) 設(shè)計(jì)子帶中心頻率和子帶帶寬兩個(gè)參數(shù)的最優(yōu)化選取策略。在研究和分析子帶干涉法中子帶中心頻率和子帶帶寬這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的選取問題,并歸納出最優(yōu)化的參數(shù)設(shè)置方案。通過以子帶干涉技術(shù)在真實(shí)數(shù)據(jù)中提取DEM,開展了一系列的實(shí)驗(yàn)研究。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)了譜間干擾的減少和分辨率的提高是一對(duì)相互矛盾的關(guān)系,并總結(jié)得出了子帶中心頻率和子帶帶寬這兩個(gè)參數(shù)的最優(yōu)化選取策略。

(4) 在理論算法和參數(shù)選取方法的基礎(chǔ)上,選取典型震例,首次采用子帶干涉方法,成功提取地震同震形變場(chǎng)。利用子帶干涉技術(shù)和最優(yōu)參數(shù)配置,對(duì)2013年巴基斯坦地震的同震形變場(chǎng)進(jìn)行了提取。通過與常規(guī)D-InSAR的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了子帶干涉法可有效避免前者在條紋密集區(qū)域的解纏錯(cuò)誤。通過與offset-tracking、 Landsat 8和模型擬合的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,子帶干涉法能獲得更高測(cè)量精度和更豐富的細(xì)節(jié)展現(xiàn)。

(5) 在對(duì)子帶干涉相位分布特性進(jìn)行分析的過程中,發(fā)現(xiàn)了子帶干涉法相比常規(guī)InSAR對(duì)相干性的依賴性更小,而更依賴于干涉條紋是否存在。在此基礎(chǔ)上,提出了一種基于常規(guī)InSAR進(jìn)行條紋頻率探測(cè)的方法。

子帶干涉； 帶通濾波器； 相位解纏； DEM； 地表同震形變

(作者電子信箱,庾露： yulu_enter@163.com)

P315.61；文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

10.3969/j.issn.0235-4975.2016.08.012