分布式散射体雷达干涉相位信息处理方法研究

时序合成孔径雷达干涉测量(time series interferometric synthetic aperture radar,TSInSAR)技术,凭借其全天时、全天候、高分辨率、广覆盖的优势,在形变监测领域展现出极大的发展潜力。然而,永久性散射体(persistent scatterer,PS)在没有典型地物的山区、荒原等非人工地表区域分布十分稀疏,致使其无法有效获取地表形变信息。针对以上问题,论文开展了基于分布式散射体(distributed scatterer,DS)的TSInSAR技术研究,并对其相位信息处理方法的优化策略展开详细研究,以提高形变场信息反演的丰富度及监测精度。主要研究成果如下。

基于永久散射体合成孔径雷达干涉测量技术的地面沉降监测

城市施工建设及地下水开采活动日益频繁,导致城市地面沉降问题日益严重。虽然传统地面沉降监测技术的精度较高,但成本也高。近年来,星载合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术发展起来,已被用于监测大范围地表形变,具有低成本、大面积、高精度等特点。首次采用永久散射体合成孔径雷达干涉测量(PSInSAR)技术,监测上海西南某区域2017—2021年间的地面沉降。结果显示:除一处楼房外,该区域大部分地区未发生沉降,最大沉降速率约−7.10 mm/a,最大沉降量约25.43 mm。采用该技术监测沉降,一方面节省了大量的人力和物力;另一方面,本研究成果对城市地表沉降的科学防治具有重要的参考意义。

基于快速分布式目标探测的时序雷达干涉测量方法:以Lost Hills油藏区为例

针对当前分布式目标雷达干涉测量运算效率低、选点困难等问题,本文提出了一种建立在快速同质点选取下的干涉数据处理框架.相比之前的时序数据处理方法,新方法具有选点快速、自适应性强的特点,能在保留影像分辨率基础之上增加空间点密度.另外,在统计推断的基础上,提出基于无偏空间相干性估计的分布式目标选择方法,进而弥补了传统经验阈值设定的缺陷.本文以美国加州Lost Hills油田区为例,在论证数据处理框架的可行性基础之上,分析了因孔隙流体萃取和孔隙压力降低引起的地表变形.

分布式POS传递对准对InSAR干涉测量影响的分析

为了得到分布式POS在进行传递对准过程中由于大气扰动产生的挠曲变形姿态误差,以及这些误差与干涉式合成孔径雷达(InSAR)高程测量误差间的对应关系,提出了一种利用"速度+姿态"的传递对准方法,并利用它的误差来作为高程测量模型的输入,最后得出载机在传递对准过程中导致的高程测量误差。为了验证实验,搭建了分布式测量平台,针对该平台,首先根据机翼杆的挠曲变形运动模型增加载机y方向的变形角为Kalman滤波的状态变量,从而进行更精确的估计和补偿。然后推导了InSAR干涉测量的绝对误差表达式以及参数的选取。最后根据滤波结果和高度误差机理分析了横滚角误差对InSAR的高程信息产生的影响。通过仿真分析,传递对准得到的水平失准角误差小于0.009°,方位失准角误差小于0.015°,并且在横滚角误差为±0.089°时,高程误差小于4.2 m。

超分辨率永久散射体干涉测量技术研究

D-InSAR技术和时序InSAR技术是SAR领域最成功的应用技术之一,被广泛应用于从火山地形形变监测、滑坡变形监测及建筑物变形监测等领域。相比D-InSAR技术,时序InSAR技术具备有效减小失相关因素影响、监测精度高等优点,论文在前人研究的基础上,提出了一种新的时序InSAR技术-超分辨率永久散射体干涉测量技术(super resolution persistent scatterer interferometry,SR-PSI)。

分布式InSAR干涉基线与空间状态测量的关系分析

阐述了分布式InSAR目标三维定位原理,分析了干涉基线与空间状态测量之间的关系;给出了干涉基线的完整定义,将干涉基线分解为空间域干涉基线和时间域干涉基线,其中时间域干涉基线通过主星的绝对定轨结果获得,空间域干涉基线主要通过高精度星间相对定位结果获得;分析了卫星轨道速度、平台姿态测量、天线安装等误差对干涉基线测量精度的影响,讨论了不同基线测量体制对姿态精度的要求差异,为分布式InSAR的空间状态测量方案设计及相关测量手段精度指标的论证提供了技术支撑。

同轴电缆F-P干涉传感器分布式应变测量

针对结构安全监测领域中局部大应变的分布式、全历程监测难题,搭建了基于同轴电缆法布里-珀罗干涉传感器的分布式应变测量系统。首先介绍了同轴电缆法布里-珀罗干涉传感器的应变感知原理。然后提出了测量系统的架构和功能实现方法,其分布式应变测量功能通过基于虚拟仪器技术的自动测量程序实现。最后进行了若干性能实验,分别验证了该测量系统的稳定性、应变测量误差、应变分辨率及其分布式应变测量效果。实验结果表明:该测量系统的谐振频点识别精度为21. 8×10-6,应变测量相对误差在7%以内,应变分辨率为40με。该测量系统可满足结构大应变的分布式、全历程监测需求。

融合分布式散射体时序InSAR技术在矿区形变调查中的应用

为了对河北省承德市滦平县张百湾镇周台子村铁矿区进行形变调查和监测,消除安全隐患,在时序CSInSAR(相干散射体InSAR)技术的基础上,开发了48景Sentinel-1数据的DS-CSInSAR(融合分布式散射体和相干散射体InSAR)技术。该方法首先采用AD (Anderson-Darling)检验对同质像素点进行识别,然后基于协方差矩阵特征值分解算法对最优相位进行估计,最终通过时序形变解算得到铁矿区的地表形变结果。研究结果表明:研究区的年平均形变速率范围为-34.50~24.50 mm/a;大部分矿区都存在不同程度的沉降,其中周台子村和路边附近矿区沉降量较大,窑岭沟矿区出现明显抬升现象,最大沉降量和最大抬升量分别达到了34.00和24.03 mm,其形变结果与当地4个GPS监测点结果一致。与CSInSAR技术相比,DS-CSInSAR技术极大提高了目标点的密度和干涉图的质量。

永久散射体雷达干涉测量技术

论述了永久散射体干涉测量 (permanentscattererinterferometry ,PSI)产生的背景和基本原理 ,并介绍了其应用实例 。

基于永久散射体雷达干涉测量技术的北京市地面沉降研究

地面沉降是北京平原区主要地质灾害之一,在过去的几十年中,其沉降范围和幅度逐年扩大。文中采用永久散射体干涉测量技术(PS-InSAR)进行检测、监测该地区地表形变特征。通过分析时间序列的干涉测量结果发现,该地区地面沉降存在构造控制的特性,尤其是在北部沉降区。揭示了北京市第四纪顺义凹陷与沙河凹陷地区地面沉降趋势及范围受黄庄高丽营、南口孙河断层控制。同时将PS-InSAR提取的地面沉降等值线与粘性土厚度分区结果对比分析发现,该地区地面沉降多发生在粘性土厚度大于50 m的地段范围内,沉降中心多数位于粘性土厚度大的地区。

永久散射体干涉测量中最佳主图像选取

以系统热噪声、时空基线、季节性变化和多普勒质心频率作为影响因子,建立主图像选取函数,根据生成相干系数矩阵预测最佳主图像,并利用拉斯维加斯地区的数据实际处理结果对该方法的预测结果进行验证。结果表明该方法能够准确地预测PSInSAR数据处理中不相干图像个数以及图像之间的相干系数,为最佳主图像的选取提供可靠的参考依据。

基于永久散射体雷达差分干涉测量的城市地面沉降研究——以上海地面沉降监测为例

基于永久散射体雷达差分干涉测量技术，提出探测永久散射体的振幅信息双阚值方法，研究上海陆家嘴地区在1992～2002年的地面沉降，获得该地区的线性和非线性沉降量以及区域沉降场，证实了地表形变在1km范围内具有强相关性。结果显示陆家嘴地区在1992～2002年间的线性沉降速率为13．2mm／a，总体平均沉降速率为16．8mm／a，与实测结果之间具有较高的一致性。研究表明，PS—DInSAR技术不仅可有效探测地表离散目标的线性形变，还可探测其非线性形变以及获取地表区域形变场，并且可监测地表形变的时序变化过程。除了可用于城市沉降监测外，PS—DInSAR技术还可用于地震、火山、滑坡等地质灾害的监测。

同时地形高程测量和地面运动目标检测的分布式InSAR最优编队构形

分布式小卫星干涉SAR为了同时获得时间基线(用于地面运动目标检测)和空间基线(用于地形高程测量),采取空间立体编队构形(即非沿航向直线编队),然而这种混合基线的情况会导致地面运动目标与地形杂波存在相位耦合,而且只靠信号处理方法很难分离,这对于检测地面运动目标极为不利。提出几种最优编队构形,在保证获得两种干涉基线的同时,通过对消两对干涉SAR图像来抑制掉固定杂波,从而可以检测地面运动目标,这种方法具有处理简单和性能较好等优点。最后给出了仿真结果。

基于永久散射体雷达干涉测量的苏州地区沉降研究

利用传统SAR差分干涉测量技术进行城市沉降等地表微小形变监测时,由于经常受时间和几何去相干以及大气不等延时等因素的影响,使SAR差分干涉测量不能很好地得到推广应用,通过从一系列ERS-1／2 SAR图像中提取在时间序列上保持高相干的自然反射体即永久散射体作为研究对象,进行精密SAR差分干涉测量相位分析反演,较好地克服了时间去相干的影响,并以苏州城市沉降为例,通过获得的1992-2000年的25幅ERS-1／2 SAR图像,建立线性形变模型,得到了苏州地区近8年的连续形变场．实验结果表明,PSInSAR结果与水准数据保持很高的一致性,可用于进行长时间序列的城市沉降监测．

利用分布式InSAR进行地形高程测量性能分析

分布式卫星群是通过一组编队飞行的小卫星协同工作来完成某一特定任务的 ,其功能和可靠性远远超过一颗单独的大卫星 ,因而具有高的性能 /价格比。这一概念于 2 0世纪 90年代中期提出后 ,引起了国内外的广泛重视 ,人们开始探索利用多颗小卫星进行编队飞行的可行性及其潜在的应用领域[1～ 3 ] 。提出了最优测高误差的轨道设计方法 ,并以 3颗编队小卫星为例 ,进行了定量分析。

永久散射体差分干涉测量技术中SAR影像精配准的一种新方法

提出并实现一种基于加权最小二乘的低相干SAR影像对精配准新方法。该方法借助一幅与主、辅影像相干性都较高的第3幅影像来完成低相干SAR影像对的初步配准,利用加权最小二乘法求出二者间的坐标映射函数,从而实现低相干SAR影像对的高精度亚像素级配准。采用ERS-1/2实际数据的配准试验,验证该方法可以提高低相干SAR影像对的干涉图质量,提高二者之间的相干性和控制点的配准精度,改善低相干SAR影像对的配准效果,在一定程度上解决PS InSAR技术中低相干SAR影像对的配准问题。

融合GPS,CR与水准数据的永久散射体雷达差分干涉测量技术

介绍和综述GPS、角反射器(CR)、水准与永久散射体雷达差分干涉测量(PS-DInSAR)数据融合的背景、研究进展和技术优势。着重介绍PS-DInSAR的基本原理,以及融合GPS,CR与水准数据进行PS-DInSAR的数据处理流程,讨论雷达遥感数据与这些非遥感数据融合的技术特点与方法,指出目前PS-DInSAR技术存在的问题及今后的发展方向。

永久散射体干涉测量技术在首都机场的应用

采用永久散射体干涉测量技术,结合2003—2009年间28幅Enviast卫星的ASAR影像,分两次监测首都机场地面沉降情况。试验结果表明,首都机场及其附近区域存在着地表形变。在监测的时间区间内,T1、T2航站楼有下降趋势,年均形变量约为10 mm;T3航站楼有上升趋势,且呈现出不均匀状态。

基于高程测量误差的分布式卫星SAR编队构形设计

卫星编队构形是影响分布式卫星SAR系统性能的重要因素之一。该文主要研究满足绕飞轨道条件下的分布式卫星SAR编队构形设计问题,提出了基于高程测量误差最小的分布式卫星SAR编队构形设计方法。文中给出了分布式卫星SAR多组高程测量数据融合后的像素单元高程测量误差表示,并提出了给定观测区域的高程测量误差表达式。在此基础上,以观测区域的高程测量误差为优化目标,采用遗传算法对分布式卫星初始编队构形进行优化设计。仿真试验验证表明,通过该方法得到的初始卫星编队构形能够较好的降低给定观测区域内的分布式卫星SAR高程测量误差。

基于PS-InSAR干涉测量技术的高铁工程沉降监测研究

以永久散射体合成孔径雷达干涉测量技术为基础,探讨高铁工程沉降监测的新方法。通过对合成孔径雷达卫星数据进行干涉处理,实现对高铁地表沉降的监测。先探测高铁工程沉降路段PS点,再进行模型构建。结果显示,实验选取的高铁运行路段中,靠近桥梁部分沉降最为严重,达到-23 mm/a,并且L1高铁路段靠近铁路部分沉降率高,最高达-16 mm/a,L2靠近桥梁的部分,沉降速率最高达-24 mm/a。研究结论显示,PS-InSAR技术能够精确地识别和评估高铁工程中的沉降风险,为确保高铁网络的安全运行提供了重要的技术支持。此项研究能为我国高铁网络的安全性和可靠性作出贡献。