联合SAR相位和振幅信息校正电离层延迟相位

岳军红，杜江丽，关 强，任英桥

(1. 陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000；2. 陕西省地质环境监测总站，陕西 西安 710054；3. 宝鸡市勘察测绘院，陕西 宝鸡 721000)

联合SAR相位和振幅信息校正电离层延迟相位

岳军红1，杜江丽2，关 强3，任英桥1

(1. 陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000；2. 陕西省地质环境监测总站，陕西 西安 710054；3. 宝鸡市勘察测绘院，陕西 宝鸡 721000)

电离层延迟是合成孔径雷达差分干涉测量(DInSAR)的误差源之一，对长波段SAR数据影响尤为严重。文中提出联合SAR相位和振幅信息精确测量方位向偏移，并基于方位向偏移构建模型校正DInSAR电离层延迟相位。选取覆盖2008年汶川地震的ALOS PALSAR (轨道号471) 同震干涉对为实验数据，进行电离层延迟校正实验和精度分析。结果表明，实验同震干涉对中电离层贡献相位达17 rad，对应约32 cm的视线向形变误差，经过校正后地震远场形变均方根减小59%。对比传统方法校正结果，所提方法可有效提高电离层延迟相位校正精度。

DInSAR；电离层延迟；方位向偏移；相位和振幅

合成孔径雷达差分干涉 (Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar, DInSAR) 是一种基于不同时刻SAR影像进行地表形变监测的空间大地测量与遥感技术，具有高空间分辨率、高重访周期以及全天时、全天候成像监测能力等特点。经过近20多年的发展，DInSAR技术已在城市沉降、滑坡位移、地震和火山活动监测等领域展现出巨大的应用潜力[1]。DInSAR测量地表形变精度受SAR卫星轨道参数误差、外部地形数据误差以及大气延迟误差等因素影响。其中，大气层延迟误差中的电离层延迟贡献是DInSAR测量重要的误差来源之一，并在长波SAR数据(如L和P波段)干涉测量中尤为严重[2-3]。

为了精确校正SAR干涉相位中的电离层延迟相位，考虑到MAI和AZO两种方法各自的优势，本文提出联合MAI和AZO技术估计SAR方位向偏移量。并根据SAR方位向偏移与电离层延迟相位的关系，实现DInSAR同震干涉对电离层延迟相位校正。以2008年汶川地震ALOS PALSAR同震干涉对(Path 471)为例，开展电离层延迟相位的校正实验和分析。

1 方 法

1.1 基于SAR方位向偏移量的电离层延迟校正模型

β.

(1)

(2)

(3)

其中,C(r)为C0(r)随SAR距离向变化的积分常数，代表x=0处DInSAR电离层延迟相位。Jung等[9]提出可基于DInSAR干涉相位与电离层延迟相位之间的相关性求得C(r)。根据式(3)计算得到差分干涉图中的电离层延迟相位后，将其从初始干涉相位中去除。在实际数据处理中，可在DInSAR解缠相位的基础上进行电离层延迟相位校正。

1.2 联合SAR相位和振幅信息估计方位向偏移量

DInSAR测量的地表形变为地表真实空间位移在SAR视线方向的投影。由于SAR传感器的侧视成像方式，导致该视线向形变只对地表在垂直方向和距离向的形变敏感，而对沿卫星飞行方向(方位向)的形变不够敏感[11]。MAI和AZO是目前两种主流的获取SAR干涉像对同名像素方位向偏移量的方法，两者分别基于SAR影像相位和振幅信息进行方位向偏移估计。

MAI是根据SAR成像过程可以分为前视和后视的特点，将全景分辨率SAR影像进行方位谱分割后，得到前视和后视子孔径SLC影像。利用主、从SAR影像分割得到的4景前、后视SLC影像，经过三次差分干涉最终生成对方位向偏移敏感的MAI干涉图[11]。基于一对SAR数据利用MAI方法测量方位向偏移的数据处理过程主要包含以下几个步骤：①主、从SAR影像前、后视子孔径SLC影像分割；②主、从SAR影像前视SLC影像间干涉生成前视干涉图，后视SLC影像间干涉生成后视干涉图；③前、后干涉图之间再次干涉生成初始MAI干涉图；④去除初始MAI干涉图中残余参考相位和地形相位，得到校正后的MAI干涉图[9,13]。最后，根据下式将MAI干涉相位φMAI转换为方位向偏移：

(4)

其中，L为SAR卫星天线长度，n为主、从SAR影像方位谱分割带宽所占比例，一般取值为0.5。已有研究表明，对于长波段SAR影像(如PALSAR和PALSAR2)组成干涉对的相干系数为0.8时，MAI理论测量精度能够达到3～4 cm[14]。但是，同时可以看出，由于MAI方法采用子孔径SAR信号进行干涉，会导致SAR影像信噪比降低并使MAI测量结果更容易受相位失相干影响而出现测量空值区。由式(3)可知，方位向偏移中的空值将严重影响电离层延迟相位估计效果。

借鉴自传统的光学影像匹配方法，AZO方法利用SAR图像的斑点噪声特征，通过匹配搜索方法实现方位向偏移估计[12]。基于SAR振幅信息，通过寻找主、从SAR影像匹配窗口和搜索窗口强度互相关系数的峰值，得到同名点像素的偏移量。AZO技术不需要进行相位解缠，而且对SAR图像对的失相干不敏感，可以克服DInSAR技术的局限性，在地表失相干较严重的地区依然能够提供较好的形变细节。AZO方法的测量精度与SAR影像间的匹配精度高度相关，受影像匹配窗口大小和SAR影像像元分辨率的影响。AZO的测量精度一般在10～15 cm，因此，其适合测量形变量级较大的地表位移，如地震同震形变。

考虑到MAI测量结果在相位失相干区域容易出现空洞，而AZO方法能够在一定程度上弥补这些空洞区的方位向偏移估计值，这里提出联合MAI和AZO估计SAR方位向偏移量并进行电离层延迟相位校正的思路。首先利用MAI技术进行方位向偏移测量，并且为了保障MAI测量方位向偏移的可靠性，需根据SAR像对相干系数设定一定的阈值将MAI相位进行掩摸。然后，利用AZO方法估计MAI结果中掩摸区(空值区)像素的方位向偏移量；最后将MAI和AZO方法的估计方位向偏移结果进行融合，实现整张SAR影像偏移量估计。联合MAI和AZO校正电离层延迟相位方位的流程图如图1所示。

图1 联合SAR相位和振幅信息校正DInSAR电离层延迟相位流程

2 实验区与SAR数据处理

2008年5月12日，位于四川省西部的龙门山断裂发生Mw 7.9级(USGS)汶川地震。地震发生后，日本ALOS卫星对震区进行了密集观测，震前和震后均存在多张PALSAR影像覆盖震区。基于DInSAR技术测量的汶川地震的同震形变场，已被广泛应用于地震震源参数反演和震发机制研究[15-18]。然而，由于电离层干扰的存在，一些基于PALSAR数据生成的干涉图中邻轨出现了严重的残余长波误差条纹。Feng等[15]通过挑选众多震前、震后影像，生成不受电离层影响的InSAR干涉对，发现形变条纹的连续性得到良好的改善，证明了邻轨干涉相位的不连续主要是由于电离层扰动导致的。杨莹辉等[19]根据邻轨影像同名像素InSAR测量值，通过最小二乘平差纠正汶川地震PALSAR干涉图中的不连续条纹，显然这可能引起形变信号的不准确分配。

本文选取覆盖汶川地震震区的Path 471轨道ALOS PALSAR影像(景号：610-640)，组成干涉对20080229-20080531，采用前文所述方法进行电离层延迟相位校正实验。实验区地形和SAR影像覆盖范围(白色矩形框)如图2所示。汶川地震震中(USGS)位于距离图1中青川县城西南方向约240 km处。图2白色线条为青川断裂的位置，地震发生时，断层自震中沿该断裂向东北方向发生逆冲和右旋走滑破裂[17]。实验采用的PALSAR影像空间分辨率为7.9 m (距离向)×3.1 m(方位向)，干涉对时间间隔为92天，空间垂直基线为-206 m。

图2 试验区地形与ALOS PALSAR数据覆盖范围

SAR数据处理过程采用GAMMA商业软件完成。基于两轨法DInSAR数据处理方法，经过主、从SAR影像配准、干涉、去除参考和地形相位、相位滤波和解缠等步骤，得到反应视线向形变的解缠相位图。并且，干涉中采用多视系数12×30进行多视处理，得到的干涉图空间分辨率约为90 m。为了去除干涉相位中的地形贡献部分，采用30分辨率SRTM DEM数据进行模拟地形相位。在采用滤波窗口大小为32×32的Goldstein自适应滤波器对干涉图进行滤波后，利用最小费用流方法(MCF)完成干涉图相位解缠。MAI数据处理过程中，生成MAI干涉图的多视和滤波参数与DInSAR数据处理时相同。在利用AZO计算MAI测量结果空洞区方位向偏移时，以64×128匹配窗口和4×10步长完成从影像相对于主影像的偏移量计算，并最终将AZO偏移场按照3∶3比例进行多视和滤波，获得与MAI干涉图大小相一致的方位向偏移场。最后，根据AZO估计的偏移量，将MAI方法测量的方位向偏移场中的空值区进行填充。

3 结果与分析

图3展示了汶川地震PALSAR 20080229-20080531干涉对(Path 471轨道)的方位向偏移场。图3(a)为采用MAI方法获取的该干涉对方位向偏移量。可以看出偏移量沿方位向呈明显的条带状，该干涉图受到严重的电离层延迟效应。图3(a)中白色区域为空值，这是由于靠近发震断层的地表形变剧烈，干涉相位严重失相干使MAI无法获取有效的方位向偏移。图3(b)为MAI和AZO估计的方位向偏移融合结果。可以看出AZO方法成功估计了MAI结果中空值区的形变量(见图3a)。Path 471在不考虑其它误差的情况(如轨道误差，水汽延迟残差)，认为电离层导致20080229-20080531干涉对沿方位向最大偏移量约为3 m。

图3 MAI,AZO方位向偏移

根据式(1)，为了确定电离层校正模型参数α和β，需计算DInSAR解缠相位方位向梯度。图4(a)为DInSAR数据处理完成后获得的解缠相位图，可以看出地震远场有明显的偏移信号。如果将这些远场信号解译为地震导致的同震形变，显然将导致后续地震参数反演中存在较大的误差。图4(b)为基于式(2)计算得到的DInSAR解缠相位沿方位向的梯度，可以看出相位梯度沿方位向也呈条带状分布。本文以相干系数0.8为阈值，选取高相干像素基于式(1)进行拟合，得到模型参数α和β的值分别为-1.66×10-4和-4.56×10-5。

图4(c)为由式(3)计算得到的电离层延迟相位，将其从去除初始DInSAR解缠相位(图4a)中去除，即得到图4(d)所示的校正后DInSAR解缠相位。由图4(d)可知最大的电离层贡献相位约为17 rad，如果将电离层延迟相位视为形变信号则对应约0.32 m的形变测量误差，如此大的形变测量误差足以对震源参数的准确反演造成干扰。对比图4(a)和(d)，可以看出经过校正后的DInSAR解缠相位中，远场长波形变信号得到有效削弱。仔细观察靠近断层附近的校正后形变场，可以看出南北两盘形变相反方向，这与汶川地震南北两盘发生右旋走滑运动的机制相符。而在初始形变场中，这种形变特征则不够明显，说明经过电离层校正后的DInSAR测量结果能够显著改善地震形变场的解译效果。

为了展示电离层延迟相位校正效果，图5展示了将DInSAR解缠相位反缠绕后的相位图。可以看出，经过校正后的相位图干涉条纹数目明显减少，校正后干涉图中断层南盘中出现的三个连续干涉条纹，并与Feng等人[15]采用不受电离层影响的PALSAR影像获取的汶川地震同震干涉图相吻合。针对汶川地震20080229-20080531 PALSAR干涉对中电离层延迟效应，已有国际上一些学者进行了研究和校正。Raucoules和Michele[8]基于AZO方法估计的方位向偏移进行了电离层延迟相位校正，发现最大电离层延迟相位约为18 rad。另外，ZHANG等[7]基于MAI估计的方位向偏移对该干涉对电离层相位进行了校正，发现最大电离层延迟相位约为19 rad。本文得到最大的电离层延迟相位(17 rad)与这些研究中的结果值相当。

为了探究本文所提出方法校正电离层延迟相位的精度，这里随机选取位于地震远场处两个窗口大小为64像素×64像素的矩形区域，分别计算了它们电离层延迟校正前和校正后相位的均值和标准差值。两个窗口位置见图4(a)和(d)中黑色矩形框Z1和Z2。统计结果如表1所示，可以看出本文所提方法有效减小这两个矩形框内的解缠相位均值和标准差，其中标准差相对于初始值分别减小了52%和66%，两个区域标准差平均减小了59%。

图4 DInSAR解缠相位方位向梯度

图5 缠绕相位图

表1 地震远场随机选取的两个矩形框校正前与校正后的相位均值和标准差

本文方法不能完全实现电离层延迟相位的消除。首先精确的方位向偏移估计是准确估计电离层延迟相位的保障，然后由于SAR轨道参数误差、对流程延迟误差等因素限制，导致完全精确恢复SAR像对方位向偏移量非常困难。同时，电离层中总电子含量在空间和时间上分布的不均匀性，降低了线性模型电离层延迟相位梯度与方位向偏移之间关系的可靠性。比如，在式(3)中的积分常数项时，Jung等[9]假设该常数在干涉图中沿方位向不发生变化，只沿距离向变化，而电离层的不均匀分布可能导致这种假设失效。

4 结束语

精确的测量SAR像对方位向偏移，有助于DInSAR电离层延迟相位的准确估计和校正。本文提出联合SAR相位和振幅信息估计SAR方位向偏移量并校正电离层延迟相位方法，成功校正了汶川地震Path 471轨道PALSAR同震干涉对中的电离层延迟相位。结合多孔径雷达干涉(MAI)和方位向偏移追踪(AZO)两种方法，即保障了高相干性地区方位向偏移量的精确恢复，又弥补了失相干地区MAI容易出现空值的不足，从而可获取的高密度的方位向偏移场并提高电离层延迟相位估计的精度。

实验发现电离层延迟效应导致了汶川地震PALSAR 20080229-2008051干涉对产生了约32 cm的形变误差，经过电离层校正后的干涉图条纹数目明显降低，条纹特征与不受电离层影响干涉图相符合。本文所提方法可以应用于大梯度形变场DInSAR监测结果中电离层延迟相位的校正，对地表形变的准确解译具有积极意义。

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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

国家自然科学基金资助项目(41271692);国家基础测绘科技计划项目(2016KJ0301)

岳军红(1982-)，男，助教,硕士.

著录：岳军红，杜江丽，关强，等.联合SAR相位和振幅信息校正电离层延迟相位[J].测绘工程，2018，27(2)：51-56.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2018.02.010

P228.4

A

1006-7949(2018)02-0051-06

李铭娜]