基于高分辨率SAR数据的子带干涉测量技术及其在地震同震形变场中的应用研究

庾　露

(中国地震局地质研究所,北京100029)



基于高分辨率SAR数据的子带干涉测量技术及其在地震同震形变场中的应用研究

庾露

(中国地震局地质研究所,北京100029)

目前常规合成孔径雷达干涉测量技术(Interferometry Synthetic Aperture Radar,InSAR)在地形测绘和形变监测方面的发展已经非常成熟,其成功应用的关键取决于数据处理中的一些关键步骤,相位解缠是其处理中的关键步骤之一。相位解缠是指由干涉纹图的相对相位解算出地表绝对相位,从而得到高程或地表形变场的过程。针对解缠问题,众多学者提出了不同的解缠算法,这些解缠算法的提出,极大地推动了InSAR测量技术的发展。但在一些地表环境复杂的地区,大部分的解缠方法存在一定的局限性。例如： 一方面由于解缠算法的不同,会造成InSAR结果各异,从而带来了不确定性； 另一方面,对于地形复杂或相位梯度过大的区域,干涉条纹会过于密集,再加上去相干因素的影响,滤波会出现条纹混叠现象,导致后续错误的解缠结果。如何在应用中解决这些问题,已成为当今研究的热点问题之一,在这一需求下,子带干涉成为关注的焦点。子带干涉法是一种无需或只需进行少量相位解缠,即可获得绝对相位差的新方法。其主要思路是通过缩减带宽以增长波长,从而减少干涉条纹数,降低解缠难度或不需解缠直接得到绝对相位差。但由于带宽的缩减,导致噪声的增大和旁瓣带来的额外干扰,使干涉图质量下降,因此,在子带干涉参数选取、 噪声滤波以及处理流程等方面需要特殊处理,特别是,子带的中心频率和带宽的选取会很大程度地影响测量精度。本文通过对子带干涉法的基本原理、 实现技术、 具体处理算法进行详细研究,并通过在真实的数据中提取DEM的实验,研究和讨论了子带干涉法中子带中心频率和子带带宽这两个关键参数的选取问题,总结出最优化的参数设置方案。在此基础上,开展基于子带干涉法提取地表形变场方面的研究。本文以2013年巴基斯坦MW7.7地震为例,利用子带干涉法提取此次地震的同震形变场,并联合基于Landsat 8的光学影像交叉频谱相关法、 offset-tracking法、 常规D-InSAR和断层模型拟合等多种方法获取的形变场,进行相互比较,获得了详实的对比结果,也进一步验证了子带干涉法在处理密集干涉条纹时的适用性。

本文主要的研究内容和成果如下：

(1) 从分辨率、 线性带宽和工作波段3个方面,总结归纳出目前拥有宽线性带宽的新一代SAR系统适用于子带干涉应用。同时还阐述了相位解缠技术的分类和研究现状,并总结说明各类解缠算法的优势和不足。在此基础上介绍了目前子带干涉技术的研究现状和目前存在的理论和应用方面的难点。

(2) 详细分析和研究了子带干涉法中涉及到的复信号带通滤波器、 干涉结果趋势误差抑制等技术。通过对子带干涉法的基本原理和处理流程分析,研究了SAR系统成像原理中线性带宽和距离向分辨率的关系,提出了SLC影像子带分割的复信号带通滤波器的实现方法。对子带干涉结果中可能存在的线性趋势误差,提出了一种构建窄带陷波器并配合Chirp-Z的抑制方法。

(3) 设计子带中心频率和子带带宽两个参数的最优化选取策略。在研究和分析子带干涉法中子带中心频率和子带带宽这两个关键参数的选取问题,并归纳出最优化的参数设置方案。通过以子带干涉技术在真实数据中提取DEM,开展了一系列的实验研究。通过对实验结果的对比分析,发现了谱间干扰的减少和分辨率的提高是一对相互矛盾的关系,并总结得出了子带中心频率和子带带宽这两个参数的最优化选取策略。

(4) 在理论算法和参数选取方法的基础上,选取典型震例,首次采用子带干涉方法,成功提取地震同震形变场。利用子带干涉技术和最优参数配置,对2013年巴基斯坦地震的同震形变场进行了提取。通过与常规D-InSAR的结果进行对比,验证了子带干涉法可有效避免前者在条纹密集区域的解缠错误。通过与offset-tracking、 Landsat 8和模型拟合的结果进行对比,子带干涉法能获得更高测量精度和更丰富的细节展现。

(5) 在对子带干涉相位分布特性进行分析的过程中,发现了子带干涉法相比常规InSAR对相干性的依赖性更小,而更依赖于干涉条纹是否存在。在此基础上,提出了一种基于常规InSAR进行条纹频率探测的方法。

子带干涉； 带通滤波器； 相位解缠； DEM； 地表同震形变

(作者电子信箱,庾露： yulu_enter@163.com)

P315.61；文献标识码：A；

10.3969/j.issn.0235-4975.2016.08.012