大气水汽对InSAR测高的影响及水汽含量反演方法研究

发布时间：2020-05-16 16:07

【摘要】：凭借快速、全天时、全天候、高分辨率等突出优势,合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)技术在地形测绘和地表形变监测等方面发挥了巨大作用。但是在重复轨道InSAR技术发展中,大气效应尤其是随时空变化较快的大气水汽会造成SAR回波的时间延迟,引起的测高误差可达数十米、形变测量误差达分米量级。为了定量研究并减弱大气水汽对重复轨道InSAR测高的影响,探索采用InSAR技术的大气水汽含量反演方法,本文研究了大气水汽含量及其分布模式对InSAR测高的影响规律和利用InSAR数据的大气水汽水汽含量反演的方法。论文的主要工作和创新点包括:1.分析梳理了大气水汽对InSAR测高的影响及水汽含量反演的研究现状。介绍了InSAR技术的背景与优势和InSAR技术发展现状,理论推导了大气水汽对InSAR测高与DInSAR形变监测的影响公式,分析了大气水汽对InSAR测量的影响校正和水汽反演的研究现状及现存问题。2.设计了大气水汽对重复轨道InSAR测高影响的仿真方案,并定量研究了不同参数情况下大气水汽对测高的影响规律。该方案采用雷达卫星条带模式成像参数和给定的基线参数,结合垂直分层水汽模型计算的水汽延迟相位,由DEM仿真受水汽影响的InSAR干涉相位,并根据仿真的干涉相位反演高程信息,统计高程误差并分析大气水汽对InSAR测高的影响,分别将水汽含量、基线长度和入射角作为单一变量,定量分析了大气水汽在不同参数下对高程测量的影响规律,给出了InSAR测高中削减大气水汽影响的经验。3.研究了不同分布模式大气水汽对InSAR测高的影响规律。为了研究不同分布模式水汽对重复轨道InSAR测高精度的影响及基线估计对系统误差校正作用,本文仿真不同分布模式的水汽模型,对主、辅SAR数据进行干涉处理,反演受水汽影响高程并统计分析控制点高程误差,研究不同水汽分布特征对InSAR测高的影响规律。实验结果表明分布均匀的水汽近似系统噪声,干涉处理中的基线估计对其有误差配赋作用,但是不能削弱分布不均匀水汽。4.提出了利用重复轨道InSAR影像反演水汽含量的方法。针对无地表形变的重复轨道SAR数据,干涉处理生成干涉图,根据影像参数和基线参数,结合DEM仿真雷达坐标系下的地形相位,从干涉相位中去除地形相位并滤波从而反演高分辨率、连续的大气水汽含量,干涉图反演的水汽变化特征对研究区域的降水发生和发展趋势有重要预测作用。实验结果表明时间间隔短、相干性好的SAR数据可以反演高分辨率、连续的水汽含量,这对高精度气象理解与预报有重大意义。
【图文】：

水汽含量,延迟相位

(a) 洛阳地区仿真水汽含量 (b) 登封地区仿真水汽含量图 3-3 仿真水汽含量由于 InSAR 测量中大气水汽对 SAR 数据的影响体现在延迟相位上，所以将可降水量转换到延迟相位，然后根据相位-距离转换公式转换为大气延迟相位。其中可降水含( )pwvP Z与天顶湿延迟（Zenith Wet Delay, ZWD）zwdR 的关系为：zwd pwvR P (3-2式中Π 是无量纲转换因子[77]，具有明显的季节性和纬度性变化特性，在粗略计算时，可以近似取平均数 6.2。由于 SAR 的成像方式为侧视成像，需要将垂直方向天顶湿延迟zwdR 映射到雷达视线向（Line of Sight, LOS），，然后转换为大气延迟相位atm ，如公式(3-26)：4coszwdatm R (3-2其中 θ 是各 SAR 图像像元对应的侧视角。若计算出 SAR 图像像点坐标( x , y )处的水汽延迟相位为atm ，相应像元下的地形相

实验区,登封,卫星,轨道参数

图 3-4 实验区 SRTM DEM参数参考 ENVISAT ASAR 和 ERS-1 卫星采量( , , )s s sX Y Z 和瞬时速度矢量 ( , , )x y ZV V V，系表 3-1 仿真所用参数距延迟(km)方位向采样间隔(m)距离向采样间隔(m)波长(cm)基线(m)830 24 20 5.67 80 区 SRTM DEM 仿真无噪声的干涉相位，进部干涉图如图 3-5，可见大部分条纹清晰。
【学位授予单位】：解放军信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P407

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