一種在邊坡形變監(jiān)測(cè)中的氣象校正模型的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種在邊坡形變監(jiān)測(cè)中的氣象校正模型，屬于地面雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 地面雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)相對(duì)以單點(diǎn)測(cè)量為基礎(chǔ)的GPS測(cè)量等形變監(jiān)測(cè)手段，具有 遠(yuǎn)距離、大范圍、連續(xù)空間覆蓋、實(shí)時(shí)性、非接觸式和高安全性等優(yōu)點(diǎn)，在高層建筑物穩(wěn)定 性、地表沉降、山體滑坡、和冰川位移等形變監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。地面合成孔徑雷達(dá)干 涉技術(shù)采用步進(jìn)頻率連續(xù)高頻微波作為傳播信號(hào)，微波信號(hào)在空氣中傳播受到濕度、溫度、 氣壓等環(huán)境因素的影響發(fā)生折射是雷達(dá)干涉測(cè)量主要誤差來(lái)源，成為制約雷達(dá)干涉測(cè)量技 術(shù)監(jiān)測(cè)精度提高的主要因素，有效消除氣象影響是進(jìn)一步提高地面雷達(dá)干涉測(cè)量精度的關(guān) 鍵所在。
[0003] 氣象影響是雷達(dá)干涉測(cè)量中難以消除的誤差來(lái)源，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的試驗(yàn) 和研究。國(guó)外學(xué)者Noferini等人分析了大氣水汽含量在時(shí)空上的變化對(duì)地基干涉測(cè) 量的影響，提出了用外部輔助數(shù)據(jù)和永久散射體技術(shù)兩種校正方法，并成功應(yīng)用于意大 利 Citrine Valley 的山體滑坡監(jiān)測(cè)（2009 年，Luzi G,，Noferini L，Mecattid 等，在 ((IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing〉〉第 47 卷第 2 期發(fā)表文章 "Using a Ground Based SAR Interferometer and a Terrestrial Laser Scanner to Monitor a Snow-Covered Slope:Results from an Experimental Data Collection in Tyrol(Austria) "。）Monti Guarnier等人采取統(tǒng)計(jì)分析的手段，得到地面雷達(dá)干涉測(cè)量受 大氣影響引起的相位變化，并進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償（2011年，Iannini L and Monti Guarnieri A，在《Geoscience and Remote Sensing Letters》第 3 卷第 8 期發(fā)表文章 "Atmospheric Phase Screen in Ground-Based Radar:Statistics and Compensation'，。）國(guó)內(nèi)學(xué)者張祥 等人利用角反射器作為穩(wěn)定控制點(diǎn)，分析監(jiān)測(cè)區(qū)域的大氣擾動(dòng)變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)其擾動(dòng)誤差的 校正（2011年，張祥，陸必應(yīng)，宋千等，在《雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)》第9卷第6期發(fā)表文章"地基 SAR差分干涉測(cè)量大氣擾動(dòng)誤差校正"。）徐亞明、周校等提出一種基于離散穩(wěn)定點(diǎn)的全局 環(huán)境改正方法，但只適用于小范圍區(qū)域（2013年，徐亞明，周校，王鵬，邢誠(chéng)等，在《大地測(cè) 量與地球動(dòng)力學(xué)》第33卷第3期上發(fā)表文章"地基雷達(dá)干涉測(cè)量的環(huán)境改正方法研究"。） 華遠(yuǎn)鋒、李連友等研究了測(cè)定大氣參數(shù)校正法和選取穩(wěn)定點(diǎn)校正法的影響因素，分析了它 們的優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)表明這兩種方法在短時(shí)間近距離觀測(cè)中可有效改正環(huán)境影響（2013年， 華遠(yuǎn)峰，李連友，胡伍生，金旭輝，孫騰科等，在《東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）》第43卷 18期上發(fā)表文章"地面雷達(dá)靜態(tài)微變形測(cè)量環(huán)境影響改正方法研究"。）
[0004] 縱觀前文提到的地面雷達(dá)干涉測(cè)量氣象影響校正方法，每一種都有自身獨(dú)特的優(yōu) 勢(shì)，但也都存在較為明顯的不足：
[0005] ①PS技術(shù)能同時(shí)解決空間時(shí)間去相關(guān)和大氣效應(yīng)問(wèn)題，但要求數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)處 理復(fù)雜、只適用于空間變化較平滑且存在持續(xù)變形的小范圍區(qū)域等。
[0006] ②已有的大氣折射模型校正方法，將傳播路徑上的大氣變化簡(jiǎn)單視作均勻的，只 適合小區(qū)域、短距離觀測(cè)。
[0007] ③利用外部輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，可靠性取決于外部數(shù)據(jù)的精度和插值算法，而與 SAR影像分辨率相當(dāng)?shù)妮o助數(shù)據(jù)難以獲取。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題及不足，本發(fā)明提供一種在邊坡形變監(jiān)測(cè)中的氣象 校正模型。該模型結(jié)合了微波折射率變化和地面雷達(dá)干涉測(cè)量原理，綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)分析和 非線(xiàn)性擬合的方法，可以有效地對(duì)氣象影響進(jìn)行校正。本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。 [0009] 地面雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)原理：
[0010] 地面雷達(dá)采用了合成孔徑雷達(dá)、干涉測(cè)量和步進(jìn)頻率連續(xù)波等先進(jìn)技術(shù)以獲取高 精度、高分辨率的變形信息。其中，步進(jìn)頻率連續(xù)波和合成孔徑雷達(dá)技術(shù)用于提高雷達(dá)影像 的距離向分辨率和方位向分辨率，干涉測(cè)量技術(shù)用于提取變形信息。
[0011] (a)合成孔徑雷達(dá)技術(shù)
[0012] 合成孔徑雷達(dá)技術(shù)利用合成孔徑雷達(dá)的相位信息提取目標(biāo)大范圍、高精度、全天 候的三維變化信息。地面雷達(dá)監(jiān)測(cè)設(shè)備的天線(xiàn)沿軌道掃描時(shí)，相當(dāng)于增大了天線(xiàn)孔徑，提高 了角度向分辨率，可達(dá)到4. 4mrad。
[0013] (b)干涉測(cè)量技術(shù)
[0014] 對(duì)于目標(biāo)物的每一次測(cè)量都包括兩方面信息：振幅11 (η) I和相位Φ η。干涉測(cè)量 技術(shù)主要通過(guò)雷達(dá)不同時(shí)間得到的目標(biāo)物反射波的相位信息的差異進(jìn)行分析，從而演算出 位移變化量。如圖2所示，d為位移變化；λ為雷達(dá)波波長(zhǎng)；（(J) 2-(J)1)為雷達(dá)波相位差。
[0015] 經(jīng)過(guò)雷達(dá)的第一次發(fā)射和接收雷達(dá)波，定位目標(biāo)所在的位置和雷達(dá)波相位信息。 通過(guò)第二次發(fā)射和接收雷達(dá)波，確定該時(shí)刻目標(biāo)的位置和雷達(dá)波相位信息。通過(guò)兩次接收 雷達(dá)波的相位信息精確計(jì)算目標(biāo)的徑向位移變化。
[0016] (C)步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)
[0017] 在同時(shí)發(fā)射η組連續(xù)頻率的電磁波，如圖3所示，每組電磁波的脈沖持續(xù)時(shí)間為Τ， 該組連續(xù)的電磁波就是步進(jìn)頻率的電磁波。
[0018] 它為雷達(dá)提供了很高的距離向分辨率。雷達(dá)能夠提供的頻率帶寬最大為3Χ108， 通過(guò)Ar = C/2B得到的距離向分辨率Ar為0. 5m。依據(jù)這個(gè)分辨率，將雷達(dá)監(jiān)測(cè)區(qū)域沿徑 向每0. 5m分割成一個(gè)監(jiān)測(cè)單元。通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)得到的是一個(gè)一維切面圖，如圖4所示，稱(chēng) 為距離向切面圖。在這個(gè)切面上，按照距離向分辨率（0.5m)進(jìn)行分割。
[0019] 一種在邊坡形變監(jiān)測(cè)中的氣象校正模型，其步驟包括如下：
[0020] 步驟1、首先根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的溫度、相對(duì)濕度和氣壓，通過(guò)采用國(guó)際大地測(cè)量與 地球物理學(xué)聯(lián)合會(huì)推薦的艾森-弗魯姆經(jīng)驗(yàn)公式的微波折射率計(jì)算公式，計(jì)算折射率變化 值；
[0021] 步驟2、對(duì)雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo)、聚焦、干涉和差分處理，結(jié)合角反射器的幾何位 置、估計(jì)信噪比、熱信噪比和相關(guān)性信息，獲得不同時(shí)刻角反射器點(diǎn)受氣象影響引起的附加 位移；
[0022] 步驟3、根據(jù)步驟1得到的計(jì)算折射率變化值、角反射器的方位向坐標(biāo)值和距離向 坐標(biāo)值，采用非線(xiàn)性擬合方法，確立地面雷達(dá)在邊坡形變監(jiān)測(cè)中的氣象校正模型，使得模型 的計(jì)算值與步驟2獲得的受環(huán)境影響引起的附加位移相差最小。
[0023] 所述步驟1的具體過(guò)程為：
[0024] 1. 1、首先實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到溫度T、相對(duì)濕度和氣壓P ;
[0025] 1. 2、根據(jù)步驟I. 1獲得的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度T采用世界氣象組織推薦的公式計(jì)算水平 面上的飽和水汽壓：
[0026]
[0027] 其中e為水面飽和水氣壓，單位為IipaJ1為水的三相點(diǎn)溫度，273. 16K;T = 273. 15+t，t為溫度，單位。C，溫度的適用范圍為-49. 9~49°C ;
[0028] 1. 3、根據(jù)步驟1. 2獲得的水平面上的飽和水汽壓然依據(jù)世界氣象組織推薦，使用 下述公式計(jì)算濕空氣飽和水汽壓：
[0029] e' (t) = f(p) · e (t)，其中e ' (t)為濕空氣飽和水汽壓，單位為hpa (p)= 1. 0016+3. 15 ·10 6p-0. 074p \P為步驟I. 1監(jiān)測(cè)得到的氣壓，單位hpa ;e(t)為步驟1. 2中 的水面飽和水氣壓，單位