基于地基雷达干涉测量的地质体变形准实时监测关键技术研究
发布时间：2021-03-24 22:05
我国地质灾害频发,其中滑坡灾害是最严重的灾害之一,给人民生命和财产安全带来巨大的损失。由于部分滑坡具有“高位、隐蔽”的特点,很难被肉眼和传统手段发现。开展地质灾害风险源调查、进行监测预警并开展灾后应急监测,具有非常重要的现实意义。地基雷达干涉测量技术避免调查人员深入到地质灾害隐患和险情现场位置处,还可以从多维度、多角度对地质体变形观测,同时获取准实时的连续变形特征,从而探测孕灾体发展趋势。尽管地基雷达干涉测量技术具有重访周期短、监测精度高等优势,但尚存在着一些需要解决的关键技术问题。本文基于地基雷达干涉技术,着眼于高精度地质体形变信息监测需求,主要研究了大气延迟相位校正和准实时处理技术。具体研究内容与成果如下:（1）详细分析了目前常用的大气相位校正方法及其适用性,引入一种基于距离高程模型的迭代分解方法,适用于大气湍流变化的校正。迭代分解模型将稳态和非稳态大气相位进一步分解为分层和动态相位,克服因大气变化迅速而导致距离高程模型失效,不需要借助GNSS或外部气象数据,从而提高地质体形变监测的精度。（2）基于星载干涉雷达小基线集的概念,设计了一种适用于地基雷达准实时监测的处理方法与流程。主要...
【文章来源】：中国地震局地壳应力研究所北京市
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１滑坡变形三阶段演化图示（修改自许强，２０１９；姜文亮，２０１９）??１．２国内外研究现状??最早的差分干涉测量技术（Ｇａｂｒｉｅｌ?ｅｔａｌ，１９８９）通过获取不同时间的两幅影像??
?中国地震局地壳应力研究所硕士学位论文???＿＿??图１－２?ＧＡＣＯＳ地形相关大气误差校正（Ｓｅｎｔｉｎｅｌ－１降轨Ｔ１３５）??在地基雷达干涉测量的大气相位研究中，Ｌｕｚｉ等（２００４）利用气象数据（湿??度、温度和压力）补偿大气延迟相位。对于整个监测区域，大气参数均一性假设弱，??监测点附近的大气状态代替雷达传播路径上大气的方法不可取，所以单一位置的??气象观测数据不能用于校正不同范围的大气相位。??Ｎｏｆｅｒｉｎｉ等（２００５）提出地基雷达的大气干涉相位变化与监测距离呈线性关系??同时也取决于测量湿度：＾＞＿（ｒ，？）?＝?／ｃ／７（ｒ，／）ｒ，其中表示大气效应函数，取决??于位置矢量；和时间＾？为未知常数。对于小场景监测的单个点，可以粗略??的假设＝?但是，对于大场景区域监测，在整个监测区域，不能再??假设恒定不变。／Ｋ；＾）与距离呈现线性关系：以？，〇?＝?ｊ⑴＋?５（〇ｒ，因此，??％，？（／，〇?＝?＜３〇＋冲＞２，其中」⑴，即），冲）和冲）表示系数，该系数取决于时??间／。Ｎｏｆｅｒｉｎｉ提出的方法是基于大气贡献经验公式，并无严格的数学推导证明此??方法的有效性。??Ｐｉｐｉａ等（２００６）针对地基雷达提出三种校正大气误差的方法。前两种方法在??空间大气均匀性假设的条件下，对线性相位斜率进行建模，模型主要由角系数和偏??移量组成。这两种方法的大气校正步骤基本一致：首先选择一些稳定且高相干的点，??然后用这类解缠后的相位来恢复大气相位斜率和距离之间的线性关系。前两种方??法本质上是相似的，唯一的区别在于一种采用一维解缠方法，另一种采用二维解缠??方法。第三种方法基于干涉图中的光谱变化进行大气相位
?中国地震局地壳应力研宂所硕士学位论文???高分辨率雷达要求窄脉冲宽度，实质要求信号带宽大。??本文地基雷达米用调频连续波（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ?ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ?ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ?ｗａｖｅ，ＦＭＣＷ）??（李兵权等，２０１９）。地基雷达采用ＦＭＣＷ波形示意图如图２－１所示。被物体反射??后的回波信号与发射信号有一定的频率差，差频信号频率较低，硬件处理相对简单，??适合数据采集并进行数字信号处理。通过测量差频可以获得目标与雷达之间的距??离信息，可具体表示为（２－３）：??／＊＝令?（２－３）??ｃＴ??其中，ｃ?＝?３．〇ｘｌ〇８ｗ／ｓ。因此，雷达与监测目标距离，■可表示为（２－４）：??ｒ?＝?＾－?（２－４）??２Ｂ??｜??发射信号???接收信号??Ｔ??图２－１?ＦＭＣＷ波形示意图（／Ａ：差频；中心频率；．＆?：多普勒频移；Ｔ：脉冲重复周??期；ｒ：时延；Ｂ：带宽）??两个目标在位于统一距离，在方位角不同情况下，能被雷达区分出的最小角度??称为方位向分辨率。方位向分辨率ｔ与波束宽度＆和距尚ｒ有关，如图２－２所不，??数学表达可表示为（２－５）：??８ｃｒ?＝ｒｄＢ?（２－５?）??雷达天线越窄，方位向分辨率越高。由天线理论可知，波束宽度与电磁波波长??和天线尺寸有关，波束宽度＆可用波长ｉ和天线尺寸Ｚ５表达为（２－６）：??－１４?－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国地质灾害防治成效与问题对策[J]. 刘传正,陈春利. 工程地质学报. 2020(02)
[2]对地质灾害隐患早期识别相关问题的认识与思考[J]. 许强. 武汉大学学报(信息科学版). 2020(11)
[3]基于天-空-地一体化的重大地质灾害隐患早期识别与监测预警[J]. 许强,董秀军,李为乐. 武汉大学学报(信息科学版). 2019(07)
[4]卫星雷达遥感在滑坡灾害探测和监测中的应用:挑战与对策[J]. 李振洪,宋闯,余琛,肖儒雅,陈立福,罗慧,戴可人,葛大庆,丁一,张宇星,张勤. 武汉大学学报(信息科学版). 2019(07)
[5]基于地基真实孔径雷达的边坡动态监测研究与应用[J]. 李兵权,李永生,姜文亮,蔡建伟,甘俊. 武汉大学学报(信息科学版). 2019(07)
[6]一种适用于时序InSAR的同质像元加权干涉相位滤波方法[J]. 黄俊松,曾琪明,焦健,高胜. 北京大学学报(自然科学版). 2018(06)
[7]地基InSAR技术及其典型边坡监测应用[J]. 刘斌,葛大庆,李曼,张玲,王艳,郭小方,王毅. 中国地质调查. 2018(01)
[8]高相干点地基InSAR的大气延迟纠正[J]. 张夕宁,杨红磊,姜君,彭军还,徐佳佳. 测绘科学. 2017(01)
[9]地基雷达干涉测量技术在滑坡灾后稳定性评估中的应用[J]. 刘斌,葛大庆,张玲,李曼,王艳,王毅,张晓博,江利明,柳林,孙亚飞,高斌斌. 大地测量与地球动力学. 2016(08)
[10]川南古叙地区岩溶发育特征及影响因素探讨[J]. 赵瑞,许模,范辰辰,王橚橦. 水土保持研究. 2015(02)
博士论文
[1]高级时序InSAR地面形变监测及地震同震震后形变反演[D]. 李永生.中国地震局工程力学研究所 2014
硕士论文
[1]地基雷达大气改正方法及其应用于滑坡形变监测[D]. 赵小龙.西南交通大学 2017
本文编号：3098477
【文章来源】：中国地震局地壳应力研究所北京市
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１滑坡变形三阶段演化图示（修改自许强，２０１９；姜文亮，２０１９）??１．２国内外研究现状??最早的差分干涉测量技术（Ｇａｂｒｉｅｌ?ｅｔａｌ，１９８９）通过获取不同时间的两幅影像??
?中国地震局地壳应力研究所硕士学位论文???＿＿??图１－２?ＧＡＣＯＳ地形相关大气误差校正（Ｓｅｎｔｉｎｅｌ－１降轨Ｔ１３５）??在地基雷达干涉测量的大气相位研究中，Ｌｕｚｉ等（２００４）利用气象数据（湿??度、温度和压力）补偿大气延迟相位。对于整个监测区域，大气参数均一性假设弱，??监测点附近的大气状态代替雷达传播路径上大气的方法不可取，所以单一位置的??气象观测数据不能用于校正不同范围的大气相位。??Ｎｏｆｅｒｉｎｉ等（２００５）提出地基雷达的大气干涉相位变化与监测距离呈线性关系??同时也取决于测量湿度：＾＞＿（ｒ，？）?＝?／ｃ／７（ｒ，／）ｒ，其中表示大气效应函数，取决??于位置矢量；和时间＾？为未知常数。对于小场景监测的单个点，可以粗略??的假设＝?但是，对于大场景区域监测，在整个监测区域，不能再??假设恒定不变。／Ｋ；＾）与距离呈现线性关系：以？，〇?＝?ｊ⑴＋?５（〇ｒ，因此，??％，？（／，〇?＝?＜３〇＋冲＞２，其中」⑴，即），冲）和冲）表示系数，该系数取决于时??间／。Ｎｏｆｅｒｉｎｉ提出的方法是基于大气贡献经验公式，并无严格的数学推导证明此??方法的有效性。??Ｐｉｐｉａ等（２００６）针对地基雷达提出三种校正大气误差的方法。前两种方法在??空间大气均匀性假设的条件下，对线性相位斜率进行建模，模型主要由角系数和偏??移量组成。这两种方法的大气校正步骤基本一致：首先选择一些稳定且高相干的点，??然后用这类解缠后的相位来恢复大气相位斜率和距离之间的线性关系。前两种方??法本质上是相似的，唯一的区别在于一种采用一维解缠方法，另一种采用二维解缠??方法。第三种方法基于干涉图中的光谱变化进行大气相位
?中国地震局地壳应力研宂所硕士学位论文???高分辨率雷达要求窄脉冲宽度，实质要求信号带宽大。??本文地基雷达米用调频连续波（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ?ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ?ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ?ｗａｖｅ，ＦＭＣＷ）??（李兵权等，２０１９）。地基雷达采用ＦＭＣＷ波形示意图如图２－１所示。被物体反射??后的回波信号与发射信号有一定的频率差，差频信号频率较低，硬件处理相对简单，??适合数据采集并进行数字信号处理。通过测量差频可以获得目标与雷达之间的距??离信息，可具体表示为（２－３）：??／＊＝令?（２－３）??ｃＴ??其中，ｃ?＝?３．〇ｘｌ〇８ｗ／ｓ。因此，雷达与监测目标距离，■可表示为（２－４）：??ｒ?＝?＾－?（２－４）??２Ｂ??｜??发射信号???接收信号??Ｔ??图２－１?ＦＭＣＷ波形示意图（／Ａ：差频；中心频率；．＆?：多普勒频移；Ｔ：脉冲重复周??期；ｒ：时延；Ｂ：带宽）??两个目标在位于统一距离，在方位角不同情况下，能被雷达区分出的最小角度??称为方位向分辨率。方位向分辨率ｔ与波束宽度＆和距尚ｒ有关，如图２－２所不，??数学表达可表示为（２－５）：??８ｃｒ?＝ｒｄＢ?（２－５?）??雷达天线越窄，方位向分辨率越高。由天线理论可知，波束宽度与电磁波波长??和天线尺寸有关，波束宽度＆可用波长ｉ和天线尺寸Ｚ５表达为（２－６）：??－１４?－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国地质灾害防治成效与问题对策[J]. 刘传正,陈春利. 工程地质学报. 2020(02)
[2]对地质灾害隐患早期识别相关问题的认识与思考[J]. 许强. 武汉大学学报(信息科学版). 2020(11)
[3]基于天-空-地一体化的重大地质灾害隐患早期识别与监测预警[J]. 许强,董秀军,李为乐. 武汉大学学报(信息科学版). 2019(07)
[4]卫星雷达遥感在滑坡灾害探测和监测中的应用:挑战与对策[J]. 李振洪,宋闯,余琛,肖儒雅,陈立福,罗慧,戴可人,葛大庆,丁一,张宇星,张勤. 武汉大学学报(信息科学版). 2019(07)
[5]基于地基真实孔径雷达的边坡动态监测研究与应用[J]. 李兵权,李永生,姜文亮,蔡建伟,甘俊. 武汉大学学报(信息科学版). 2019(07)
[6]一种适用于时序InSAR的同质像元加权干涉相位滤波方法[J]. 黄俊松,曾琪明,焦健,高胜. 北京大学学报(自然科学版). 2018(06)
[7]地基InSAR技术及其典型边坡监测应用[J]. 刘斌,葛大庆,李曼,张玲,王艳,郭小方,王毅. 中国地质调查. 2018(01)
[8]高相干点地基InSAR的大气延迟纠正[J]. 张夕宁,杨红磊,姜君,彭军还,徐佳佳. 测绘科学. 2017(01)
[9]地基雷达干涉测量技术在滑坡灾后稳定性评估中的应用[J]. 刘斌,葛大庆,张玲,李曼,王艳,王毅,张晓博,江利明,柳林,孙亚飞,高斌斌. 大地测量与地球动力学. 2016(08)
[10]川南古叙地区岩溶发育特征及影响因素探讨[J]. 赵瑞,许模,范辰辰,王橚橦. 水土保持研究. 2015(02)
博士论文
[1]高级时序InSAR地面形变监测及地震同震震后形变反演[D]. 李永生.中国地震局工程力学研究所 2014
硕士论文
[1]地基雷达大气改正方法及其应用于滑坡形变监测[D]. 赵小龙.西南交通大学 2017
本文编号：3098477
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