基于同步轨道圆迹雷达的三维地表形变监测方法研究

In recent years, disasters because of the surface deformation kind caused by precipitation, the development and utilization of water resources happen more and more frequently, so that a high-resolution, high-precision,24-hour all-weather method continuous monitoring three dimensional surface deformation of large-scale scene is urgently needed. This program bases on the Geosynchronous Circular Synthetic aperture Radar system that is developing domestic, giving the analysis of the relationship restraint to each system parameter and critical range, designing of optimization of deformation application system parameters according to the signal to noise ratio (SNR) minimum principle; by segmenting the satellitetra jectory and approximated with ideal curve, establishing the system kernel function model varying with azimuth angle and window function, the efficient focusing algorithm suitable for Geosynchronous Circular Synthetic aperture Radar could be designed; finally, analyzing the factors that influencing the coherence of GEOCSAR repeat pass interferometry , establishing the model of interference phase and deformation vector,deducing the inversion matrix, analyzing the parameters that optimizing the equations, deriving the inversion method of the surface deformation; analyzing the influences of the matrix inversion error and the phase error to the precision of inversion results, which can overcome the shortcomings of the traditional deformation monitoring technologies that operating on low-orbit satellite platform, and to realize rapid continuous monitoring of the surface deformation.

近年来，因降水和水资源开发利用所引起的地表形变类灾害发生频率不断上升，迫切需要发展一种具有高时空分辨率、高精度、全天时全天候、能够对大面积区域的地表三维形变进行定点连续监测的方法。本项目立足于我国正在发展的同步轨道圆迹雷达系统，分析各个系统参数之间制约关系和临界范围，根据信噪比最低原则设计形变应用的最优化系统参数；分割卫星轨迹并利用理想曲线对其逼近，建立随方位角变化的系统核函数模型及随方位向空变的滤波器，从而设计适用于同步轨道圆迹雷达空的快速频域成像算法；最后，分析影响同步轨道圆迹雷达干涉相干性的因素，建立干涉相位与形变矢量的模型，推导形变反演矩阵，给出三维形变反演方法；分析使方程解最优化时的孔径参数设置，并从数学角度出发分析反演矩阵误差和干涉相位误差对反演精度的影响，从而克服传统基于低轨平台形变监测技术的缺点，实现三维的地表形变快速连续监测。

近年来，由暴雨和强降水引发的地表形变类灾害频发，尤其显现为暴雨山洪引发的滑坡、泥石流灾害发生频率呈不断上升的态势，因此，需要一种具有高时空分辨率、高精度、全天时全天候、能够对大面积区域的地表三维形变进行定点连续监测的方法。本项目针对滑坡、溃坝等地表形变类的大面积定点连续三维监测需求，结合暴雨洪涝特征，研究实时滑坡监测的方法，包括系统工作参数设计、高效成像处理算法、三维形变反演方法及暴雨洪水特征分析。首先，本项目分析了各个系统参数之间的制约关系，根据不同的观测任务给出了固定条件下每个参数的受约束条件，并给出了参数选择的临界条件，根据成本最低、系统复杂度最低、数据量最小、信噪比最低原则给出了系统参数设计结果，并给出了性能分析结果，并给出了三维成像误差校正方法。其次，针对非规则轨迹条件下的回波信号聚焦问题，研究了同步轨道圆迹雷达系统大数据量成像处理算法，同步轨道圆迹雷达相对于固定观测区域的运动轨迹是一个非规则的空间类斜椭圆，回波相位在方位向和距离向上完全耦合，因此常规直线模式下的高效频域成像算法不再适用。本项目通过将同步轨道圆迹通过将整个运动轨迹分割为小段，用理想斜椭圆曲线来逼近。考虑空变因子，将理想圆轨迹下的高效频域算法应用于在斜椭圆轨迹下的雷达成像，分析了不同散射目标在地表的分辨率。重新构建了同步轨道圆迹雷达模式下的干涉相位与形变向量的反演模型，设计了相应的解算方法，建立了同步轨道圆迹雷达干涉相位模型，构建了关于干涉相位与形变量的方程组，分析了影响相干相位模型的所有因素，得出测量中心频率偏移、斜距误差、倾角误差等系统因素对形变测量结果的影响，对误差源进行了量化分析。由于滑坡形变主要发生在暴雨区域，因此，研究中联合洪涝灾害及暴雨特征进行形变易发区分析，作为连续监测的重点关注区域，为雷达、气象站点联合进行洪涝区滑坡形变灾害防御提供了一种思路。