聯合SAR相位和振幅信息校正電離層延遲相位

岳軍紅，杜江麗，關 強，任英橋

(1. 陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714000；2. 陜西省地質環境監測總站，陜西 西安 710054；3. 寶雞市勘察測繪院，陜西 寶雞 721000)

聯合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 強3，任英橋1

(1. 陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714000；2. 陜西省地質環境監測總站，陜西 西安 710054；3. 寶雞市勘察測繪院，陜西 寶雞 721000)

電離層延遲是合成孔徑雷達差分干涉測量(DInSAR)的誤差源之一，對長波段SAR數據影響尤為嚴重。文中提出聯合SAR相位和振幅信息精確測量方位向偏移，并基于方位向偏移構建模型校正DInSAR電離層延遲相位。選取覆蓋2008年汶川地震的ALOS PALSAR (軌道號471) 同震干涉對為實驗數據，進行電離層延遲校正實驗和精度分析。結果表明，實驗同震干涉對中電離層貢獻相位達17 rad，對應約32 cm的視線向形變誤差，經過校正后地震遠場形變均方根減小59%。對比傳統方法校正結果，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

合成孔徑雷達差分干涉 (Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar, DInSAR) 是一種基于不同時刻SAR影像進行地表形變監測的空間大地測量與遙感技術，具有高空間分辨率、高重訪周期以及全天時、全天候成像監測能力等特點。經過近20多年的發展，DInSAR技術已在城市沉降、滑坡位移、地震和火山活動監測等領域展現出巨大的應用潛力[1]。DInSAR測量地表形變精度受SAR衛星軌道參數誤差、外部地形數據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是DInSAR測量重要的誤差來源之一，并在長波SAR數據(如L和P波段)干涉測量中尤為嚴重[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兩種方法各自的優勢，本文提出聯合MAI和AZO技術估計SAR方位向偏移量。并根據SAR方位向偏移與電離層延遲相位的關系，實現DInSAR同震干涉對電離層延遲相位校正。以2008年汶川地震ALOS PALSAR同震干涉對(Path 471)為例，開展電離層延遲相位的校正實驗和分析。

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，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性求得C(r)。根據式(3)計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。在實際數據處理中，可在DInSAR解纏相位的基礎上進行電離層延遲相位校正。

1.2 聯合SAR相位和振幅信息估計方位向偏移量

DInSAR測量的地表形變為地表真實空間位移在SAR視線方向的投影。由于SAR傳感器的側視成像方式，導致該視線向形變只對地表在垂直方向和距離向的形變敏感，而對沿衛星飛行方向(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行方位向偏移估計。

MAI是根據SAR成像過程可以分為前視和后視的特點，將全景分辨率SAR影像進行方位譜分割后，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，經過三次差分干涉最終生成對方位向偏移敏感的MAI干涉圖[11]。基于一對SAR數據利用MAI方法測量方位向偏移的數據處理過程主要包含以下幾個步驟：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，根據下式將MAI干涉相位φMAI轉換為方位向偏移：

(4)

其中，L為SAR衛星天線長度，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，對于長波段SAR影像(如PALSAR和PALSAR2)組成干涉對的相干系數為0.8時，MAI理論測量精度能夠達到3～4 cm[14]。但是，同時可以看出，由于MAI方法采用子孔徑SAR信號進行干涉，會導致SAR影像信噪比降低并使MAI測量結果更容易受相位失相干影響而出現測量空值區。由式(3)可知，方位向偏移中的空值將嚴重影響電離層延遲相位估計效果。

借鑒自傳統的光學影像匹配方法，AZO方法利用SAR圖像的斑點噪聲特征，通過匹配搜索方法實現方位向偏移估計[12]。基于SAR振幅信息，通過尋找主、從SAR影像匹配窗口和搜索窗口強度互相關系數的峰值，得到同名點像素的偏移量。AZO技術不需要進行相位解纏，而且對SAR圖像對的失相干不敏感，可以克服DInSAR技術的局限性，在地表失相干較嚴重的地區依然能夠提供較好的形變細節。AZO方法的測量精度與SAR影像間的匹配精度高度相關，受影像匹配窗口大小和SAR影像像元分辨率的影響。AZO的測量精度一般在10～15 cm，因此，其適合測量形變量級較大的地表位移，如地震同震形變。

考慮到MAI測量結果在相位失相干區域容易出現空洞，而AZO方法能夠在一定程度上彌補這些空洞區的方位向偏移估計值，這里提出聯合MAI和AZO估計SAR方位向偏移量并進行電離層延遲相位校正的思路。首先利用MAI技術進行方位向偏移測量，并且為了保障MAI測量方位向偏移的可靠性，需根據SAR像對相干系數設定一定的閾值將MAI相位進行掩摸。然后，利用AZO方法估計MAI結果中掩摸區(空值區)像素的方位向偏移量；最后將MAI和AZO方法的估計方位向偏移結果進行融合，實現整張SAR影像偏移量估計。聯合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 聯合SAR相位和振幅信息校正DInSAR電離層延遲相位流程

2 實驗區與SAR數據處理

2008年5月12日，位于四川省西部的龍門山斷裂發生Mw 7.9級(USGS)汶川地震。地震發生后，日本ALOS衛星對震區進行了密集觀測，震前和震后均存在多張PALSAR影像覆蓋震區。基于DInSAR技術測量的汶川地震的同震形變場，已被廣泛應用于地震震源參數反演和震發機制研究[15-18]。然而，由于電離層干擾的存在，一些基于PALSAR數據生成的干涉圖中鄰軌出現了嚴重的殘余長波誤差條紋。Feng等[15]通過挑選眾多震前、震后影像，生成不受電離層影響的InSAR干涉對，發現形變條紋的連續性得到良好的改善，證明了鄰軌干涉相位的不連續主要是由于電離層擾動導致的。楊瑩輝等[19]根據鄰軌影像同名像素InSAR測量值，通過最小二乘平差糾正汶川地震PALSAR干涉圖中的不連續條紋，顯然這可能引起形變信號的不準確分配。

本文選取覆蓋汶川地震震區的Path 471軌道ALOS PALSAR影像(景號：610-640)，組成干涉對20080229-20080531，采用前文所述方法進行電離層延遲相位校正實驗。實驗區地形和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，地震發生時，斷層自震中沿該斷裂向東北方向發生逆沖和右旋走滑破裂[17]。實驗采用的PALSAR影像空間分辨率為7.9 m (距離向)×3.1 m(方位向)，干涉對時間間隔為92天，空間垂直基線為-206 m。

圖2 試驗區地形與ALOS PALSAR數據覆蓋范圍

SAR數據處理過程采用GAMMA商業軟件完成。基于兩軌法DInSAR數據處理方法，經過主、從SAR影像配準、干涉、去除參考和地形相位、相位濾波和解纏等步驟，得到反應視線向形變的解纏相位圖。并且，干涉中采用多視系數12×30進行多視處理，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部分，采用30分辨率SRTM DEM數據進行模擬地形相位。在采用濾波窗口大小為32×32的Goldstein自適應濾波器對干涉圖進行濾波后，利用最小費用流方法(MCF)完成干涉圖相位解纏。MAI數據處理過程中，生成MAI干涉圖的多視和濾波參數與DInSAR數據處理時相同。在利用AZO計算MAI測量結果空洞區方位向偏移時，以64×128匹配窗口和4×10步長完成從影像相對于主影像的偏移量計算，并最終將AZO偏移場按照3∶3比例進行多視和濾波，獲得與MAI干涉圖大小相一致的方位向偏移場。最后，根據AZO估計的偏移量，將MAI方法測量的方位向偏移場中的空值區進行填充。

3 結果與分析

圖3展示了汶川地震PALSAR 20080229-20080531干涉對(Path 471軌道)的方位向偏移場。圖3(a)為采用MAI方法獲取的該干涉對方位向偏移量。可以看出偏移量沿方位向呈明顯的條帶狀，該干涉圖受到嚴重的電離層延遲效應。圖3(a)中白色區域為空值，這是由于靠近發震斷層的地表形變劇烈，干涉相位嚴重失相干使MAI無法獲取有效的方位向偏移。圖3(b)為MAI和AZO估計的方位向偏移融合結果。可以看出AZO方法成功估計了MAI結果中空值區的形變量(見圖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)，認為電離層導致20080229-20080531干涉對沿方位向最大偏移量約為3 m。

圖3 MAI,AZO方位向偏移

根據式(1)，為了確定電離層校正模型參數α和β，需計算DInSAR解纏相位方位向梯度。圖4(a)為DInSAR數據處理完成后獲得的解纏相位圖，可以看出地震遠場有明顯的偏移信號。如果將這些遠場信號解譯為地震導致的同震形變，顯然將導致后續地震參數反演中存在較大的誤差。圖4(b)為基于式(2)計算得到的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0.8為閾值，選取高相干像素基于式(1)進行擬合，得到模型參數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相位約為17 rad，如果將電離層延遲相位視為形變信號則對應約0.32 m的形變測量誤差，如此大的形變測量誤差足以對震源參數的準確反演造成干擾。對比圖4(a)和(d)，可以看出經過校正后的DInSAR解纏相位中，遠場長波形變信號得到有效削弱。仔細觀察靠近斷層附近的校正后形變場，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生右旋走滑運動的機制相符。而在初始形變場中，這種形變特征則不夠明顯，說明經過電離層校正后的DInSAR測量結果能夠顯著改善地震形變場的解譯效果。

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。可以看出，經過校正后的相位圖干涉條紋數目明顯減少，校正后干涉圖中斷層南盤中出現的三個連續干涉條紋，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。針對汶川地震20080229-20080531 PALSAR干涉對中電離層延遲效應，已有國際上一些學者進行了研究和校正。Raucoules和Michele[8]基于AZO方法估計的方位向偏移進行了電離層延遲相位校正，發現最大電離層延遲相位約為18 rad。另外，ZHANG等[7]基于MAI估計的方位向偏移對該干涉對電離層相位進行了校正，發現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)與這些研究中的結果值相當。

為了探究本文所提出方法校正電離層延遲相位的精度，這里隨機選取位于地震遠場處兩個窗口大小為64像素×64像素的矩形區域，分別計算了它們電離層延遲校正前和校正后相位的均值和標準差值。兩個窗口位置見圖4(a)和(d)中黑色矩形框Z1和Z2。統計結果如表1所示，可以看出本文所提方法有效減小這兩個矩形框內的解纏相位均值和標準差，其中標準差相對于初始值分別減小了52%和66%，兩個區域標準差平均減小了59%。

圖4 DInSAR解纏相位方位向梯度

圖5 纏繞相位圖

表1 地震遠場隨機選取的兩個矩形框校正前與校正后的相位均值和標準差

本文方法不能完全實現電離層延遲相位的消除。首先精確的方位向偏移估計是準確估計電離層延遲相位的保障，然后由于SAR軌道參數誤差、對流程延遲誤差等因素限制，導致完全精確恢復SAR像對方位向偏移量非常困難。同時，電離層中總電子含量在空間和時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系的可靠性。比如，在式(3)中的積分常數項時，Jung等[9]假設該常數在干涉圖中沿方位向不發生變化，只沿距離向變化，而電離層的不均勻分布可能導致這種假設失效。

4 結束語

精確的測量SAR像對方位向偏移，有助于DInSAR電離層延遲相位的準確估計和校正。本文提出聯合SAR相位和振幅信息估計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同震干涉對中的電離層延遲相位。結合多孔徑雷達干涉(MAI)和方位向偏移追蹤(AZO)兩種方法，即保障了高相干性地區方位向偏移量的精確恢復，又彌補了失相干地區MAI容易出現空值的不足，從而可獲取的高密度的方位向偏移場并提高電離層延遲相位估計的精度。

實驗發現電離層延遲效應導致了汶川地震PALSAR 20080229-2008051干涉對產生了約32 cm的形變誤差，經過電離層校正后的干涉圖條紋數目明顯降低，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用于大梯度形變場DInSAR監測結果中電離層延遲相位的校正，對地表形變的準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

國家自然科學基金資助項目(41271692);國家基礎測繪科技計劃項目(2016KJ0301)

岳軍紅(1982-)，男，助教,碩士.

著錄：岳軍紅，杜江麗，關強，等.聯合SAR相位和振幅信息校正電離層延遲相位[J].測繪工程，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]