多角度DInSAR三维形变场测量理论与方法研究

Differential interferometric synthetic aperture radar (DInSAR) is a kind of sensor able to achieve high accurate measurement of surface’s deformation by differential phase technology. However, the traditional DInSAR can only observe the scene from a single angle and is of limited capability in retrieving the three-dimensional (3D) deformation field. Thus, the measurement accuracy cannot meet the urgent needs of geological disaster monitoring and landslide mechanism researches. Multi-angle DInSAR comprehensively utilizes the multi-angle observations and differential interferometric processing, and can realize the highly accurate measurement of 3D deformation field. The key researches includes the optimized design of the geometric configuration, the solutions of the 3D deformation field, the DInSAR processing using low coherent images, and the influences mechanism and the compensation of the space-time variant atmospheric errors. Through the establishment of objective function based on the 3D deformation measurement errors, the project intends to propose the optimization design of the geometric configuration based on the annealing algorithm, and the permanent scatterers extraction and dynamic differential interferometric techniques under the complex conditions to realize the DInSAR unwrapping algorithms using the low coherent images. The project will also establish the phase disturbance error mechanism of space-time variant atmosphere and the compensation method based on multi-angle observation data. The aforementioned researches will provide new observation means and data and open the new prospect for the mechanism study of landslide research and landslide hazard monitoring.

差分干涉合成孔径雷达（DInSAR）利用相位差分干涉技术实现了地表微形变的高精度测量。传统的DInSAR采用单站观测方式，获取地表三维形变场能力有限，测量精度难以满足地质灾害监测和滑坡机理研究的迫切需求。多角度DInSAR综合利用多角度观测和差分干涉原理，可实现三维形变场的高精度测量。而几何构型的优化设计与三维形变场解算、图像欠相干条件下的差分干涉方法以及时空变大气相位扰动误差影响机理和补偿是实现高精度三维形变场测量的核心问题。本项目拟通过建立基于三维形变测量误差的目标函数，提出基于模拟退火算法的几何构型优化设计方法和加权最小二乘的三维形变场解算方法；提出复杂环境下的永久散射体提取和动态差分干涉等技术实现图像欠相干条件下的差分干涉相位解缠处理；建立时空变大气相位扰动误差模型，提出基于多角度观测数据的大气相位扰动误差估计与补偿方法，为滑坡机理研究和滑坡灾害监测提供新的观测手段和观测数据。

项目研究背景：针对滑坡灾害监测和滑坡机理研究对地表三维形变场测量技术的迫切需求，研究基于多角度DInSAR的三维微形变场测量理论和方法，为滑坡机理和预报方法研究提供三维形变场观测数据。.项目主要研究内容：本项目围绕多角度DInSAR三维微形变场测量理论和方法开展研究工作，研究了多角度DInSAR几何构型优化设计和三维形变场解算方法；突破了图像欠相干条件下的永久散射体提取关键技术；研究了基于多角度观测数据的大气相位误差补偿方法。.项目主要研究成果：.1、.提出了三维形变测量观测构型优化设计方法.针对雷达观测构型设计问题，提出了基于GDOP因子的观测构型优化设计方法。该方法采用GDOP因子来评估三维形变测量精度，通过分析最优GDOP对应的多角度观测条件，实现观测几何结构优化设计。仿真数据验证了该方法的正确性。.2、.提出了图像欠相干条件下PS点多级选择方法.针对欠相干场景的PS点选择问题，提出了基于时序相干系数的PS点多级选择方法。该方法首先采用Fisher判别对像素点进行分类，然后利用时序相干系数进行PS点的初次选择，最后基于Bootstrap统计进行二次选择，剔除伪PS点。通过实验数据表明，该方法在保证PS点相位质量的同时，提高了PS点数量。.3、.提出了多角度大气相位联合补偿和三维形变解算方法.针对多角度测量中的大气相位补偿问题，提出了一种基于空间划分的补偿方法。首先建立气相位的路径积分模型，并对信号传输路径进行立方体划分，然后对各立方体内的大气延迟因子附加约束条件，将多基地大气相位联合补偿转化为最优化求解问题，通过多种大气相位模型仿真验证了该方法的有效性。.针对多角度三维形变解算问题，提出了一种改进的三维形变解算方法。该方法通过建立三维位移量大小和方向和模函数，并采用最速下降法实现三维形变的优化求解。通过采用三部地基MIMO雷达开展露天矿边坡三维形变测量实验，验证了该方法的有效性。