基于压缩感知的星载SAR差分层析高分辨成像

城区建筑的四维成像是合成孔径雷达差分层析的重要应用领域之一。此种应用背景下,如何利用空间-时间二维平面内稀疏分布的观测数据,在保持方位向-距离向分辨率的同时实现高程向-形变速率向的高分辨成像是合成孔径雷达差分层析面临的难点问题。压缩感知为该问题提供了有效的解决方案。首先,对压缩感知在差分层析中应用的可行性进行了理论分析。随后,利用仿真实验分析了基于压缩感知的星载合成孔径雷达差分层析成像的高程向和形变速率向的分辨能力。最后,使用Envisat-ASAR数据进行了实测数据处理实验,取得了理想的成像结果。基于压缩感知的星载合成孔径雷达差分层析高分辨成像方法的有效性和实用性得到了验证。

差分层析SAR技术研究现状分析

差分层析SAR是在层析SAR基础上发展起来的一种四维信息反演技术。它不仅实现了对雷达目标的三维分辨能力,同时可以获取目标的形变速率信息,可实现对目标方位-距离-高度-时间四维成像,这对实现城市基础设施动态形变监测、古建筑风险评估、重要工程安全监测等应用具有重要实际意义和价值。本文基于差分层析SAR成像原理,分析了成像处理过程中存在的问题,总结了差分层析SAR成像算法研究现状和特点;最后列举了差分层析SAR技术的主要应用领域,并对其技术发展趋势进行了展望。

一种差分SAR层析高分辨成像方法

城区建筑的4维成像是差分SAR层析的重要应用领域之一。此种应用背景下,如何利用空间-时间2维平面内稀疏分布的观测数据,在保持方位向-距离向分辨率的同时实现高程向-形变速率向的高分辨成像是差分SAR层析面临的难点问题。在确定性点目标模型下,基于松弛(RELAX)算法,该文提出了一种适用于城区建筑目标的差分SAR层析高分辨成像方法。与统计模型下的空间谱估计方法相比,该方法无需多视处理,能够保持方位向-距离向分辨率。与奇异值分解方法相比,该方法具有更优的高程向-形变速率向分辨能力。在仿真实验和Envisat-ASAR实测数据处理中,该方法的有效性得到了验证。

福建地区上部地壳结构深地震测深探测研究

位于中国大陆东南缘的福建地区是东南沿海的一个活动构造带,有着复杂的形成和演化历史。为了认识该区浅部地壳结构和基底构造特征,利用福建地区4条NE向深地震测深测线的Pg波走时数据,使用有限差分层析成像方法,获得了4条剖面上部地壳的精细速度结构,揭示了该区上部地壳速度结构的横向变化、基底构造以及断裂浅部特征。4条剖面速度介于4700~6100 m/s,自西向东速度变化逐渐增强,构造单元边界两侧基底速度横向变化明显;4条剖面结晶基底界面埋深介于1.0~6.0 km,由北往南有所加深,基底面的起伏与构造凸起和凹陷对应;闽西北隆起带的上部结构速度整体偏高且界面埋深较浅,与变质基底有关;闽西南拗陷带的上部地壳结构高低速变化明显且界面形态呈深浅间隔变化,与该区的断陷盆地和拗陷与隆起交错的地质构造相对应;东南沿海中生代岩浆带的上部地壳速度高、变化大,表明华南大陆东部所受的构造活动强于西部。剖面经过的NW向断裂带都切割基底,与该区的地质构造和构造变形的主方向一致,反映了受古太平洋板块NW向的俯冲−碰撞挤压作用。研究成果为获得东南沿海重要的NW向构造深浅关系提供浅部地震学证据。

长白山天池火山区基底结构研究

利用在长白山天池火山区布设的 4条深地震测深剖面和 1个三维地震透射台阵的Pg波资料 ,用有限差分方法反演了该地区的基底速度结构。对该地区的基底速度结构特征及P波速度5 9～ 6 0km/s所对应的结晶基底的界面形态、深度等进行了讨论。反演结果表明 ,长白山天池火山区基底深度变化不大 ,一般为 2 .0～ 3.0km ,最深处位于天池火山口下和二道白河 -池西之间 ;最浅处位于松江附近 ,约为 1.5km。同时发现天池火山口下及二道白河 -池西保护站之间是两处低速区 ,结晶基底深度为 4 .0km ,其中二道白河 -池西保护站之间的低速区对应于地质构造上的地堑构造。

中国大陆东南缘主要构造带基底结构

利用中国大陆东南缘四条北西向人工地震测深剖面的初至Pg波走时,使用有限差分层析成像方法反演剖面基底速度结构,并通过初始模型选取、射线数分布、走时拟合等手段分析结果的可靠度.研究结果表明,剖面表层速度比华北克拉通的地表速度高,闽东火山断拗带地表速度普遍高于西侧的闽西南坳陷带.相邻构造带的分界线两侧均有明显的速度横向变化,剖面东段的闽东火山断拗带内的东南沿海一带,速度变化较大,地层的褶皱变形要强于西段.基底埋深自西向东呈逐渐变浅的趋势,剖面东段的闽东火山断拗带基底起伏剧烈,基底深度与闽西南坳陷带相比较浅,与闽西北隆起带相比较深.西段的闽西北隆起带基底变化较为平缓,基底深度相对较浅;闽西南坳陷带基底深度明显加深,在龙岩新泉盆地内最深接近4km.基底形态的起伏变化揭示出东南缘基底是坳陷与隆起并存的构造特征,与研究区近代的地质构造特征相吻合.邵武—河源、政和—大埔和长乐—诏安断裂带都切割基底,其中,政和—大埔断裂4km深度下方有比较明显的低速异常带,结合本文以及现有的研究结果,进一步确认政和—大埔断裂是不同断块构造单元的分界.

甘肃天水地区地壳上部二维速度结构成像研究

利用有限差分和不规则网格最小二乘正反演算法,对青藏高原东北缘暨西秦岭天水-武都地区两条高分辨人工地震测深剖面的Pg波走时进行层析成像反演,结果显示该区基底界面起伏较大,构造复杂,断裂丰富、较陡且延伸较大,多数断层切割基底.礼县—西和之间的低速异常反映了沉积盆地的结构特征,结晶基底深度在5km左右.武山以东速度等值线横向变化明显,表现为褶皱.成县盆地速度变化平缓且速度值相对较高,基底埋深较浅,深度不到3km.礼县附近存在一条近南北断裂,5km深度以下有明显的上涌低速异常,可能为青藏高原深部幔源物质上升的通道.

2012年新源和静6.6级地震前后P波速度结构的演化

基于新疆区域地震台网记录的地震观测报告,采用有限差分层析成像方法反演新疆天山中东段地区的地壳P波速度结构,获得了2012年新源和静6.6级地震前后该区域12km和24km深度处半年尺度的P波速度结构的时间演化过程。结果表明,12km深度处震前震源区及附近区域P波速度差在空间上形成NNE向变化剧烈的高值异常区,异常幅度达0.3km/s。这种明显的速度差异表明,将半年尺度不同时间段相同深度的P波速度进行差分析,能较好地反映一定区域内地壳介质特性的变化。

基于高分三号SAR数据的城市建筑高分辨率高维成像

传统合成孔径雷达(SAR)只能获取方位-距离二维图像,无法准确反映目标的三维散射结构信息。层析合成孔径雷达(TomoSAR)是一种多基线干涉测量模式,它将合成孔径原理扩展至高程向,除了可对目标进行二维成像之外,还可以准确恢复目标的高度向散射信息,真正实现三维成像。差分层析合成孔径雷达(DTomoSAR)将合成孔径原理延伸至高程和时间方向,不仅可以获得目标的三维散射结构,还可以高精度获取观测目标的形变速率,实现对目标形变的有效监测。高分三号是我国首颗1 m分辨率C频段多极化SAR卫星。它具有高分辨率、大成像幅宽、多成像模式等特点,对我国高分对地观测技术的发展具有重要意义。目前高分三号数据主要应用于目标识别等图像处理领域,没有充分利用SAR图像的相位信息。而且,由于设计之初未考虑后续高维成像应用,现有高分三号获取的SAR图像存在有一定的空间、时间去相干问题,对应用于后续干涉系列处理产生了一定影响。为解决上述问题,该文基于7景高分三号SAR复图像,开展了对北京雁栖湖周围建筑的三维、四维层析成像研究,在获取了建筑物三维散射结构信息的同时,实现了对建筑物形变的毫米级高精度监测。该初步实验结果证明了高分三号SAR数据的应用潜力,为后续进一步扩展高分三号SAR卫星在城市感知与监测中的应用提供了技术支撑。

福建邵武-南平-平潭深地震测深剖面的地壳速度结构及其构造意义

邵武-南平-平潭深地震测深剖面位于福建北部.沿测线用133套数字地震仪接收5次人工爆破激发的地震波,获得了一批高质量的地震测深资料.在记录截面图上作震相分析和走时拾取的基础上,用初至波有限差分层析成像方法获得地壳上部速度结构,并进一步利用地震走时及波形拟合得到了地壳二维P波速度结构与构造特征.结果表明：结晶基底埋深2.0~4.0 km,在福州盆地内最深接近4.0 km.莫霍界面形态整体显示东浅西深,在沿海附近为30.0 km,向西北加深至33.0 km.政和-海丰断裂带东侧下地壳为一层梯度结构,西侧下地壳则大约以23 km深度为界呈两层结构.西侧速度总体低于东侧,且在约22 km深度处存在速度最低为6.25 km s-1的低速层,可能由部分熔融物质组成.政和-海丰断裂是一条地壳深大断裂,应为深部物质上涌的通道,与福建地区始于元古代,结束于晚第三纪的多期岩浆活动和华南大陆的多期次地质构造运动有着直接关系.