基于InSAR和MAI的电离层误差校正及同震三维形变场计算与断层滑动反演

摘要

地震是地球上破坏力最强的自然灾害之一，我国境内地震活动非常频繁。精确测量地震导致的同震形变场，是了解和认识地震发生机制最为直接的手段。结合地表形变观测和地球物理模型模拟，对揭示区域断层活动规律和评估中远期地震风险具有重要意义。作为一种新的空间大地测量技术，合成孔径雷达差分干涉测量(Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar,DInSAR)自上世纪90年代诞生以来，已在全球地震形变测量中展现出了无可替代的地位。得益于其全天时和全天候成像观测能力、广覆盖范围和高分辨率等优势，DInSAR已被应用于全球一百多个地震同震形变场的测量和模拟。
　　然而，针对地震导致的复杂形变场，DInSAR仍面临着局部地区相位失相干严重、大气延迟长波信号干扰以及单轨观测难以完整揭示同震形变特征等局限性。靠近发震断层附近的同震形变往往具有较大的形变梯度，故容易使DInSAR测量结果由于相位失相干而产生空值。虽然利用长波段SAR数据（如L波段）恢复大梯度形变具有独特优势，但其容易受大气电离层干扰影响，并可能导致数十厘米的形变测量误差。此外，DInSAR测量的地表形变其实为地表真实位移场沿卫星视线向(Line of Sight，LOS)投影值，因而采用单一干涉对往往无法对复杂特征的同震形变场进行准确解译。
　　DInSAR的这些局限性阻碍了对地震形变机制准确认识，也进一步限制了断层参数的准确反演。为克服DInSAR技术在同震形变测量中面临的这些局限性，本文系统研究了测量SAR方位向形变的多孔径雷达干涉技术(Multi-Aperture InSAR，MAI)，并基于MAI测量的方位向偏移研究了同震SAR干涉对电离层干扰误差校正方法，旨在扩展基于SAR影像的多维地表形变测量能力和提高同震形变场测量精度。本文还提出了新的地震同震三维(Three-dimensional，3D)形变场计算方法，并结合实际震例进行了3D同震形变测量和反演，以验证本文所提方法的有效性和优势。
　　MAI是基于一对SAR影像进行分孔径干涉处理以获取地表方位形变的技术，可以有效弥补常规DInSAR仅对地表视线向形变敏感的缺陷。本文系统研究了SAR分孔径成像原理、MAI干涉模型和数据处理流程，并定量评估了MAI的测量精度。以2016年Mw7.1级日本熊本地震为例，MAI测量结果显示该地震导致地表产生长约45km的地表破裂，并且由南北两盘的形变方向可清晰判断其为右旋走滑型地震，而这些信息无法从常规DInSAR测量结果反映出来。分析表明，MAI测量精度与相位失相干程度密切相关，并且与SAR卫星系统参数和数据处理配置参数有关。理论计算显示，当SAR相干系数为0.8时，基于PALSAR的MAI测量精度优于0.08m。
　　针对同震SAR干涉图中的电离层干扰误差，本文提出基于SAR方位偏移量和断层模型的校正方法。为了获取高分辨SAR方位向偏移场，提出融合MAI和像素偏移追踪(Pixel Offset Tracking，POT)两种方法测量的方位向偏移思路，即综合利用SAR相位和振幅信息实现两者的优势互补。为了获取电离层干扰引起的方位向偏移，提出利用已有断层模型去除SAR方位向偏移中的地表形变贡献，从而改善电离层误差校正精度。以汶川地震T471轨道PALSAR20080229-20080531同震干涉对为例，进行了电离层误差校正实验。结果显示该干涉对中电离层相位最大贡献量约为17rad，对应地表约0.32m的LOS向形变。校正结果成功恢复了T471轨道断层南盘的三个连续干涉条纹。计算显示，远场三个区域内干涉相位的标准差在校正后分别降低了50％、65％和84％。
　　针对基于DInSAR一维视线向形变难以全面揭示同震形变特征，本文提出联合DInSAR、MAI和形变梯度张量模型(Displacement Gradient Tensor,DGT)的InSAR-DGT3D形变计算方法。该方法首先利用DInSAR和MAI测量值采用经典线性反演方法估计地表初始3D同震变形场，然后根据DGT模型构建初始3D形变场中高质量合格点(Valid Points，VPs)与低质量点之间的函数关系，并采用加权最小二乘法重新估计3D同震位移。将该方法应用于2011年缅甸Mw6.8级Tarlay地震，结果显示InSAR-DGT可显着减少震中区域失相干空值点。相对于经典方法计算结果，InSAR-DGT可将东西、南北和垂直向的形变测量精度分别提高22％、36％和24％。精度分析显示当VPs数目超过80时，东西和垂直向的形变误差小于1cm;当VPs的数目超过166时，南北向的形变误差小于2cm。根据3D形变结果，可以容易地判断Tarlay地震发震断层以左旋走滑为主，并伴随有微量的倾滑分量。
　　为深入探讨3D同震形变场对地震特征解译的帮助和震源参数反演精度的影响，本文以2010年中国青海Mw6.9玉树地震为例，联合DInSAR和MAI测量并反演了其同震3D形变场。结果显示玉树地震造成地表在东西、南北、垂直向最大形变量分别达到-40.4、113.8和-65.7cm。特别地，玉树地震的垂直向形变在以往研究中多被低估或者被忽略，而本文发现玉树以西6-30km范围内的地表由于逆冲挤压发生明显的垂直向形变。根据3D形变计算地表位错形变场结果显示玉树地震产生了长约74km的地表破裂带，走向约为300°。将发震断层划分为5段，基于Okada弹性位错模型非线性反演结果显示玉树地震发生在地壳浅层，断层上表面深度低于2km，除第2段断层以66.2°倾向于西南向外，其它断层均以近乎垂直的倾角(84°-89°)倾向于东北向。所有断层均以左旋走滑为主，但在第三段断层处呈现出明显的倾滑分量，弹性反演获得的地震矩为2.43×1019Nm，对应矩阵级为Mw6.92，与GCMT(Global Centroid Moment Tensor Catalog)公布结果近似。线性反演获的断层滑动分布显示，断层滑动集中于地表往下10km内，并在靠近震中偏右深约5km的位置有着最大2.23m的滑动量。在与地震波、GPS、野外调查和单独LOS向形变等手段反演结果对比后发现，高分辨率的连续3D形变场对提升震源参数反演质量具有非常重要的价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 DInSAR测量与反演同震形变场研究现状分析

1．2．1 SAR及DInSAR技术发展现状

1．2．2 电离层干扰误差校正研究现状

1．2．3 同震三维形变场恢复方法研究现状

1．2．4 DInSAR震源参数反演研究现状

1．3 研究问题

1．4 研究目标与研究内容

1．4．1 研究目标

1．4．2 研究内容

1．5 论文章节内容的组织

第2章 合成孔径雷达干涉测量理论基础

2．1．1 真实孔径雷达成像介绍

2．1．2 合成孔径雷达成像与多普勒频率分析

2．2 合成孔径雷达干涉基本原理

2．2．1 SAR干涉几何

2．2．2 干涉相位组成

2．2．3 干涉相位质量评价

2．3 DInSAR形变探测方法

2．3．1 二轨法DInSAR探测地表形变原理

2．3．2 二轨法DInSAR探测地表形变：以熊本地震为例

2．4 DInSAR技术缺陷分析

2．4．1 SAR干涉相位失相干

2．4．2 SAR信号的大气延迟效应

2．4．3 DInSAR视线向形变模糊

2．5 小结

第3章 多孔径雷达干涉理论基础及精度分析

3．1．1 SAR前视和后视成像

3．1．2 前视、后视子孔径SLC影像分割

3．2 多孔径雷达干涉测量基本原理

3．2．1 方位向形变与MAI干涉相位关系

3．2．2 MAI干涉图残余参考和地形相位去除

3．2．3 MAI测量方位向地表形变：以熊本地震为例

3．3 MAI方位向形变测量精度分析

3．3．1 MAI理论精度分析

3．3．2 MAI与像素偏移追踪技术比较

3．4 小结

第4章 基于方位向偏移和断层模型校正同震DInSAR电离层误差相位

4．1 SAR干涉相位中电离层干扰效应

4．1．1 电离层对SAR信号和干涉相位的影响

4．1．2 SAR信号受电离层干扰探测

4．1．3 基于方位向偏移的电离层干扰相位校正方法

4．2 基于SAR方位向偏移和断层模型校正电离层干扰相位

4．2．1 SAR方位向偏移精确估计

4．2．2 电离层干扰导致的方位向偏移精确估计

4．2．3 电离层干扰相位校正数据处理流程

4．3 DInSAR电离层干扰相位校正实验与分析

4．3．1 汶川地震T471轨道电离层干扰相位校正

4．3．2 电离层干扰相位校正效果对比与分析

4．4 小结

第5章 联合DInSAR、MAI和DGT模型的三维同震形变场计算方法

5．1 基于升降轨SAR LOS向和方位向形变的经典解算模型

5．2 利用InSAR-DGT方法改善三维形变场

5．2．1 确定初始3D形变场中高质量有效点

5．2．2 融入DGT模型的三维形变计算模型

5．2．3 InSAR-DGT三维形变解算模型误差传播分析

5．3 模拟实验验证InSAR-DGT有效性

5．3．1 基于断层滑动模型模拟观测数据

5．3．2 估计和比较3D形变场

5．3．3．断层滑动分布反演与比较

5．4 利用InSAR-DGT测量Tarlay地震3D同震形变

5．4．1 实验区及SAR数据处理

5．4．2 Tarlay地震LOS向和方位向形变场

5．4．3 Tarlay地震三维形变场解算结果

5．5 Tarlay地震3D同震形变误差分析与验证

5．5．1 VPs数量与InSAR-DGT测量精度之间的关系

5．5．2 与野外测量的地表形变对比与分析

5．5．3 与已知断层模型模拟3D形变结果对比

5．6 小结

第6章 玉树地震三维同震形变场测量与断层滑动反演

6．1 构造背景与SAR数据

6．1．1 玉树地震构造背景

6．1．2 SAR数据处理与三维形变计算

6．2 断层参数反演方法

6．2．1 Okada弹性位错模型

6．2．2 断层几何参数和均匀滑动参数反演方法

6．2．3 断层非均匀滑动分布反演方法

6．3 同震形变分析

6．3．1 视线向和方位向形变场

6．3．2 三维同震形变场

6．4 断层参数反演结果

6．4．1 断层几何参数和均匀滑动量

6．4．2 断层非均匀滑动分布

6．5 三维形变场反演分析

6．5．1 与野外调查和GPS测量结果对比

6．5．2 与其它已有断层模拟结果对比

6．5．3 断层走滑和倾滑分量讨论

6．6 小结

7．1 研究总结

7．2 研究展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间参与的科研项目

攻读博士学位期间发表的学术论文