聯(lián)合SAR相位和振幅信息校正電離層延遲相位

岳軍紅，杜江麗，關(guān) 強(qiáng)，任英橋

(1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000；2. 陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，陜西 西安 710054；3. 寶雞市勘察測(cè)繪院，陜西 寶雞 721000)

聯(lián)合SAR相位和振幅信息校正電離層延遲相位

岳軍紅1，杜江麗2，關(guān) 強(qiáng)3，任英橋1

(1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000；2. 陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，陜西 西安 710054；3. 寶雞市勘察測(cè)繪院，陜西 寶雞 721000)

電離層延遲是合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量(DInSAR)的誤差源之一，對(duì)長(zhǎng)波段SAR數(shù)據(jù)影響尤為嚴(yán)重。文中提出聯(lián)合SAR相位和振幅信息精確測(cè)量方位向偏移，并基于方位向偏移構(gòu)建模型校正DInSAR電離層延遲相位。選取覆蓋2008年汶川地震的ALOS PALSAR (軌道號(hào)471) 同震干涉對(duì)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行電離層延遲校正實(shí)驗(yàn)和精度分析。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)同震干涉對(duì)中電離層貢獻(xiàn)相位達(dá)17 rad，對(duì)應(yīng)約32 cm的視線向形變誤差，經(jīng)過(guò)校正后地震遠(yuǎn)場(chǎng)形變均方根減小59%。對(duì)比傳統(tǒng)方法校正結(jié)果，所提方法可有效提高電離層延遲相位校正精度。

DInSAR；電離層延遲；方位向偏移；相位和振幅

合成孔徑雷達(dá)差分干涉 (Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar, DInSAR) 是一種基于不同時(shí)刻SAR影像進(jìn)行地表形變監(jiān)測(cè)的空間大地測(cè)量與遙感技術(shù)，具有高空間分辨率、高重訪周期以及全天時(shí)、全天候成像監(jiān)測(cè)能力等特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)近20多年的發(fā)展，DInSAR技術(shù)已在城市沉降、滑坡位移、地震和火山活動(dòng)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力[1]。DInSAR測(cè)量地表形變精度受SAR衛(wèi)星軌道參數(shù)誤差、外部地形數(shù)據(jù)誤差以及大氣延遲誤差等因素影響。其中，大氣層延遲誤差中的電離層延遲貢獻(xiàn)是DInSAR測(cè)量重要的誤差來(lái)源之一，并在長(zhǎng)波SAR數(shù)據(jù)(如L和P波段)干涉測(cè)量中尤為嚴(yán)重[2-3]。

為了精確校正SAR干涉相位中的電離層延遲相位，考慮到MAI和AZO兩種方法各自的優(yōu)勢(shì)，本文提出聯(lián)合MAI和AZO技術(shù)估計(jì)SAR方位向偏移量。并根據(jù)SAR方位向偏移與電離層延遲相位的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)DInSAR同震干涉對(duì)電離層延遲相位校正。以2008年汶川地震ALOS PALSAR同震干涉對(duì)(Path 471)為例，開展電離層延遲相位的校正實(shí)驗(yàn)和分析。

1 方 法

1.1 基于SAR方位向偏移量的電離層延遲校正模型

β.

(1)

(2)

(3)

其中,C(r)為C0(r)隨SAR距離向變化的積分常數(shù)，代表x=0處DInSAR電離層延遲相位。Jung等[9]提出可基于DInSAR干涉相位與電離層延遲相位之間的相關(guān)性求得C(r)。根據(jù)式(3)計(jì)算得到差分干涉圖中的電離層延遲相位后，將其從初始干涉相位中去除。在實(shí)際數(shù)據(jù)處理中，可在DInSAR解纏相位的基礎(chǔ)上進(jìn)行電離層延遲相位校正。

1.2 聯(lián)合SAR相位和振幅信息估計(jì)方位向偏移量

DInSAR測(cè)量的地表形變?yōu)榈乇碚鎸?shí)空間位移在SAR視線方向的投影。由于SAR傳感器的側(cè)視成像方式，導(dǎo)致該視線向形變只對(duì)地表在垂直方向和距離向的形變敏感，而對(duì)沿衛(wèi)星飛行方向(方位向)的形變不夠敏感[11]。MAI和AZO是目前兩種主流的獲取SAR干涉像對(duì)同名像素方位向偏移量的方法，兩者分別基于SAR影像相位和振幅信息進(jìn)行方位向偏移估計(jì)。

MAI是根據(jù)SAR成像過(guò)程可以分為前視和后視的特點(diǎn)，將全景分辨率SAR影像進(jìn)行方位譜分割后，得到前視和后視子孔徑SLC影像。利用主、從SAR影像分割得到的4景前、后視SLC影像，經(jīng)過(guò)三次差分干涉最終生成對(duì)方位向偏移敏感的MAI干涉圖[11]?；谝粚?duì)SAR數(shù)據(jù)利用MAI方法測(cè)量方位向偏移的數(shù)據(jù)處理過(guò)程主要包含以下幾個(gè)步驟：①主、從SAR影像前、后視子孔徑SLC影像分割；②主、從SAR影像前視SLC影像間干涉生成前視干涉圖，后視SLC影像間干涉生成后視干涉圖；③前、后干涉圖之間再次干涉生成初始MAI干涉圖；④去除初始MAI干涉圖中殘余參考相位和地形相位，得到校正后的MAI干涉圖[9,13]。最后，根據(jù)下式將MAI干涉相位φMAI轉(zhuǎn)換為方位向偏移：

(4)

其中，L為SAR衛(wèi)星天線長(zhǎng)度，n為主、從SAR影像方位譜分割帶寬所占比例，一般取值為0.5。已有研究表明，對(duì)于長(zhǎng)波段SAR影像(如PALSAR和PALSAR2)組成干涉對(duì)的相干系數(shù)為0.8時(shí)，MAI理論測(cè)量精度能夠達(dá)到3～4 cm[14]。但是，同時(shí)可以看出，由于MAI方法采用子孔徑SAR信號(hào)進(jìn)行干涉，會(huì)導(dǎo)致SAR影像信噪比降低并使MAI測(cè)量結(jié)果更容易受相位失相干影響而出現(xiàn)測(cè)量空值區(qū)。由式(3)可知，方位向偏移中的空值將嚴(yán)重影響電離層延遲相位估計(jì)效果。

借鑒自傳統(tǒng)的光學(xué)影像匹配方法，AZO方法利用SAR圖像的斑點(diǎn)噪聲特征，通過(guò)匹配搜索方法實(shí)現(xiàn)方位向偏移估計(jì)[12]?；赟AR振幅信息，通過(guò)尋找主、從SAR影像匹配窗口和搜索窗口強(qiáng)度互相關(guān)系數(shù)的峰值，得到同名點(diǎn)像素的偏移量。AZO技術(shù)不需要進(jìn)行相位解纏，而且對(duì)SAR圖像對(duì)的失相干不敏感，可以克服DInSAR技術(shù)的局限性，在地表失相干較嚴(yán)重的地區(qū)依然能夠提供較好的形變細(xì)節(jié)。AZO方法的測(cè)量精度與SAR影像間的匹配精度高度相關(guān)，受影像匹配窗口大小和SAR影像像元分辨率的影響。AZO的測(cè)量精度一般在10～15 cm，因此，其適合測(cè)量形變量級(jí)較大的地表位移，如地震同震形變。

考慮到MAI測(cè)量結(jié)果在相位失相干區(qū)域容易出現(xiàn)空洞，而AZO方法能夠在一定程度上彌補(bǔ)這些空洞區(qū)的方位向偏移估計(jì)值，這里提出聯(lián)合MAI和AZO估計(jì)SAR方位向偏移量并進(jìn)行電離層延遲相位校正的思路。首先利用MAI技術(shù)進(jìn)行方位向偏移測(cè)量，并且為了保障MAI測(cè)量方位向偏移的可靠性，需根據(jù)SAR像對(duì)相干系數(shù)設(shè)定一定的閾值將MAI相位進(jìn)行掩摸。然后，利用AZO方法估計(jì)MAI結(jié)果中掩摸區(qū)(空值區(qū))像素的方位向偏移量；最后將MAI和AZO方法的估計(jì)方位向偏移結(jié)果進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)整張SAR影像偏移量估計(jì)。聯(lián)合MAI和AZO校正電離層延遲相位方位的流程圖如圖1所示。

圖1 聯(lián)合SAR相位和振幅信息校正DInSAR電離層延遲相位流程

2 實(shí)驗(yàn)區(qū)與SAR數(shù)據(jù)處理

2008年5月12日，位于四川省西部的龍門山斷裂發(fā)生Mw 7.9級(jí)(USGS)汶川地震。地震發(fā)生后，日本ALOS衛(wèi)星對(duì)震區(qū)進(jìn)行了密集觀測(cè)，震前和震后均存在多張PALSAR影像覆蓋震區(qū)?；贒InSAR技術(shù)測(cè)量的汶川地震的同震形變場(chǎng)，已被廣泛應(yīng)用于地震震源參數(shù)反演和震發(fā)機(jī)制研究[15-18]。然而，由于電離層干擾的存在，一些基于PALSAR數(shù)據(jù)生成的干涉圖中鄰軌出現(xiàn)了嚴(yán)重的殘余長(zhǎng)波誤差條紋。Feng等[15]通過(guò)挑選眾多震前、震后影像，生成不受電離層影響的InSAR干涉對(duì)，發(fā)現(xiàn)形變條紋的連續(xù)性得到良好的改善，證明了鄰軌干涉相位的不連續(xù)主要是由于電離層擾動(dòng)導(dǎo)致的。楊瑩輝等[19]根據(jù)鄰軌影像同名像素InSAR測(cè)量值，通過(guò)最小二乘平差糾正汶川地震PALSAR干涉圖中的不連續(xù)條紋，顯然這可能引起形變信號(hào)的不準(zhǔn)確分配。

本文選取覆蓋汶川地震震區(qū)的Path 471軌道ALOS PALSAR影像(景號(hào)：610-640)，組成干涉對(duì)20080229-20080531，采用前文所述方法進(jìn)行電離層延遲相位校正實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)區(qū)地形和SAR影像覆蓋范圍(白色矩形框)如圖2所示。汶川地震震中(USGS)位于距離圖1中青川縣城西南方向約240 km處。圖2白色線條為青川斷裂的位置，地震發(fā)生時(shí)，斷層自震中沿該斷裂向東北方向發(fā)生逆沖和右旋走滑破裂[17]。實(shí)驗(yàn)采用的PALSAR影像空間分辨率為7.9 m (距離向)×3.1 m(方位向)，干涉對(duì)時(shí)間間隔為92天，空間垂直基線為-206 m。

圖2 試驗(yàn)區(qū)地形與ALOS PALSAR數(shù)據(jù)覆蓋范圍

SAR數(shù)據(jù)處理過(guò)程采用GAMMA商業(yè)軟件完成。基于兩軌法DInSAR數(shù)據(jù)處理方法，經(jīng)過(guò)主、從SAR影像配準(zhǔn)、干涉、去除參考和地形相位、相位濾波和解纏等步驟，得到反應(yīng)視線向形變的解纏相位圖。并且，干涉中采用多視系數(shù)12×30進(jìn)行多視處理，得到的干涉圖空間分辨率約為90 m。為了去除干涉相位中的地形貢獻(xiàn)部分，采用30分辨率SRTM DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬地形相位。在采用濾波窗口大小為32×32的Goldstein自適應(yīng)濾波器對(duì)干涉圖進(jìn)行濾波后，利用最小費(fèi)用流方法(MCF)完成干涉圖相位解纏。MAI數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，生成MAI干涉圖的多視和濾波參數(shù)與DInSAR數(shù)據(jù)處理時(shí)相同。在利用AZO計(jì)算MAI測(cè)量結(jié)果空洞區(qū)方位向偏移時(shí)，以64×128匹配窗口和4×10步長(zhǎng)完成從影像相對(duì)于主影像的偏移量計(jì)算，并最終將AZO偏移場(chǎng)按照3∶3比例進(jìn)行多視和濾波，獲得與MAI干涉圖大小相一致的方位向偏移場(chǎng)。最后，根據(jù)AZO估計(jì)的偏移量，將MAI方法測(cè)量的方位向偏移場(chǎng)中的空值區(qū)進(jìn)行填充。

3 結(jié)果與分析

圖3展示了汶川地震PALSAR 20080229-20080531干涉對(duì)(Path 471軌道)的方位向偏移場(chǎng)。圖3(a)為采用MAI方法獲取的該干涉對(duì)方位向偏移量?？梢钥闯銎屏垦胤轿幌虺拭黠@的條帶狀，該干涉圖受到嚴(yán)重的電離層延遲效應(yīng)。圖3(a)中白色區(qū)域?yàn)榭罩?，這是由于靠近發(fā)震斷層的地表形變劇烈，干涉相位嚴(yán)重失相干使MAI無(wú)法獲取有效的方位向偏移。圖3(b)為MAI和AZO估計(jì)的方位向偏移融合結(jié)果?？梢钥闯鯝ZO方法成功估計(jì)了MAI結(jié)果中空值區(qū)的形變量(見(jiàn)圖3a)。Path 471在不考慮其它誤差的情況(如軌道誤差，水汽延遲殘差)，認(rèn)為電離層導(dǎo)致20080229-20080531干涉對(duì)沿方位向最大偏移量約為3 m。

圖3 MAI,AZO方位向偏移

根據(jù)式(1)，為了確定電離層校正模型參數(shù)α和β，需計(jì)算DInSAR解纏相位方位向梯度。圖4(a)為DInSAR數(shù)據(jù)處理完成后獲得的解纏相位圖，可以看出地震遠(yuǎn)場(chǎng)有明顯的偏移信號(hào)。如果將這些遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)解譯為地震導(dǎo)致的同震形變，顯然將導(dǎo)致后續(xù)地震參數(shù)反演中存在較大的誤差。圖4(b)為基于式(2)計(jì)算得到的DInSAR解纏相位沿方位向的梯度，可以看出相位梯度沿方位向也呈條帶狀分布。本文以相干系數(shù)0.8為閾值，選取高相干像素基于式(1)進(jìn)行擬合，得到模型參數(shù)α和β的值分別為-1.66×10-4和-4.56×10-5。

圖4(c)為由式(3)計(jì)算得到的電離層延遲相位，將其從去除初始DInSAR解纏相位(圖4a)中去除，即得到圖4(d)所示的校正后DInSAR解纏相位。由圖4(d)可知最大的電離層貢獻(xiàn)相位約為17 rad，如果將電離層延遲相位視為形變信號(hào)則對(duì)應(yīng)約0.32 m的形變測(cè)量誤差，如此大的形變測(cè)量誤差足以對(duì)震源參數(shù)的準(zhǔn)確反演造成干擾。對(duì)比圖4(a)和(d)，可以看出經(jīng)過(guò)校正后的DInSAR解纏相位中，遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)波形變信號(hào)得到有效削弱。仔細(xì)觀察靠近斷層附近的校正后形變場(chǎng)，可以看出南北兩盤形變相反方向，這與汶川地震南北兩盤發(fā)生右旋走滑運(yùn)動(dòng)的機(jī)制相符。而在初始形變場(chǎng)中，這種形變特征則不夠明顯，說(shuō)明經(jīng)過(guò)電離層校正后的DInSAR測(cè)量結(jié)果能夠顯著改善地震形變場(chǎng)的解譯效果。

為了展示電離層延遲相位校正效果，圖5展示了將DInSAR解纏相位反纏繞后的相位圖?？梢钥闯觯?jīng)過(guò)校正后的相位圖干涉條紋數(shù)目明顯減少，校正后干涉圖中斷層南盤中出現(xiàn)的三個(gè)連續(xù)干涉條紋，并與Feng等人[15]采用不受電離層影響的PALSAR影像獲取的汶川地震同震干涉圖相吻合。針對(duì)汶川地震20080229-20080531 PALSAR干涉對(duì)中電離層延遲效應(yīng)，已有國(guó)際上一些學(xué)者進(jìn)行了研究和校正。Raucoules和Michele[8]基于AZO方法估計(jì)的方位向偏移進(jìn)行了電離層延遲相位校正，發(fā)現(xiàn)最大電離層延遲相位約為18 rad。另外，ZHANG等[7]基于MAI估計(jì)的方位向偏移對(duì)該干涉對(duì)電離層相位進(jìn)行了校正，發(fā)現(xiàn)最大電離層延遲相位約為19 rad。本文得到最大的電離層延遲相位(17 rad)與這些研究中的結(jié)果值相當(dāng)。

為了探究本文所提出方法校正電離層延遲相位的精度，這里隨機(jī)選取位于地震遠(yuǎn)場(chǎng)處兩個(gè)窗口大小為64像素×64像素的矩形區(qū)域，分別計(jì)算了它們電離層延遲校正前和校正后相位的均值和標(biāo)準(zhǔn)差值。兩個(gè)窗口位置見(jiàn)圖4(a)和(d)中黑色矩形框Z1和Z2。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示，可以看出本文所提方法有效減小這兩個(gè)矩形框內(nèi)的解纏相位均值和標(biāo)準(zhǔn)差，其中標(biāo)準(zhǔn)差相對(duì)于初始值分別減小了52%和66%，兩個(gè)區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)差平均減小了59%。

圖4 DInSAR解纏相位方位向梯度

圖5 纏繞相位圖

表1 地震遠(yuǎn)場(chǎng)隨機(jī)選取的兩個(gè)矩形框校正前與校正后的相位均值和標(biāo)準(zhǔn)差

本文方法不能完全實(shí)現(xiàn)電離層延遲相位的消除。首先精確的方位向偏移估計(jì)是準(zhǔn)確估計(jì)電離層延遲相位的保障，然后由于SAR軌道參數(shù)誤差、對(duì)流程延遲誤差等因素限制，導(dǎo)致完全精確恢復(fù)SAR像對(duì)方位向偏移量非常困難。同時(shí)，電離層中總電子含量在空間和時(shí)間上分布的不均勻性，降低了線性模型電離層延遲相位梯度與方位向偏移之間關(guān)系的可靠性。比如，在式(3)中的積分常數(shù)項(xiàng)時(shí)，Jung等[9]假設(shè)該常數(shù)在干涉圖中沿方位向不發(fā)生變化，只沿距離向變化，而電離層的不均勻分布可能導(dǎo)致這種假設(shè)失效。

4 結(jié)束語(yǔ)

精確的測(cè)量SAR像對(duì)方位向偏移，有助于DInSAR電離層延遲相位的準(zhǔn)確估計(jì)和校正。本文提出聯(lián)合SAR相位和振幅信息估計(jì)SAR方位向偏移量并校正電離層延遲相位方法，成功校正了汶川地震Path 471軌道PALSAR同震干涉對(duì)中的電離層延遲相位。結(jié)合多孔徑雷達(dá)干涉(MAI)和方位向偏移追蹤(AZO)兩種方法，即保障了高相干性地區(qū)方位向偏移量的精確恢復(fù)，又彌補(bǔ)了失相干地區(qū)MAI容易出現(xiàn)空值的不足，從而可獲取的高密度的方位向偏移場(chǎng)并提高電離層延遲相位估計(jì)的精度。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電離層延遲效應(yīng)導(dǎo)致了汶川地震PALSAR 20080229-2008051干涉對(duì)產(chǎn)生了約32 cm的形變誤差，經(jīng)過(guò)電離層校正后的干涉圖條紋數(shù)目明顯降低，條紋特征與不受電離層影響干涉圖相符合。本文所提方法可以應(yīng)用于大梯度形變場(chǎng)DInSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果中電離層延遲相位的校正，對(duì)地表形變的準(zhǔn)確解譯具有積極意義。

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Correcting the ionosphere phase delay by the integration of SAR phase and amplitude information

YUE Junhong1, DU Jiangli2, GUAN Qiang3, REN Yingqiao1

(1.Shaanxi Railway Institute, Weinan 714000，China; 2. Shaanxi Institute of Geo-Environment Monitoring, Xi’an 710054，China; 3.Baoji Institute of Surveying and Mapping Institute, Baoji 721000，China)

Ionosphere delay is one of the error sources in Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar (DInSAR), especially for the SAR systems with long wavelength. This paper proposes a method by the integration of SAR phase and amplitude information for measuring the azimuth offset of a SAR pair. The determined azimuth offset is then used to correct the ionosphere phase delay based on a correction model. For inferring the efficiency and precision of the proposed method, this paper applies the method to one ALOS PALSAR (Path 471) coseismic interferometric pair that covers the Wenchuan 2008 (China). The testing result shows that the maximum ionosphere phase delay in the coseismic SAR pair is about 17 rad, corresponding to the deformation error of about 32 cm in line of sight. The coseismic displacements in the far field have a reduction of its standard deviation with 59 %. The proposed method can improve the correction precision in the mitigation of ionosphere phase delay, compared with the conventional correction method.

DInSAR; ionosphere phase delay; azimuth offset; phase and amplitude

2017-02-04

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41271692);國(guó)家基礎(chǔ)測(cè)繪科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016KJ0301)

岳軍紅(1982-)，男，助教,碩士.

著錄：岳軍紅，杜江麗，關(guān)強(qiáng)，等.聯(lián)合SAR相位和振幅信息校正電離層延遲相位[J].測(cè)繪工程，2018，27(2)：51-56.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2018.02.010

P228.4

A

1006-7949(2018)02-0051-06

李銘娜]