基于无基准InSAR相对相位差的地震破裂反演方法

基于无基准insar相对相位差的地震破裂反演方法
技术领域
1.本发明涉及海陆碰撞带地震反演技术领域，具体涉及基于无基准insar相对相位差的地震破裂反演方法。


背景技术：

2.20世纪90年代以来，随着空间技术的不断进步，特别是新一代sar卫星(sentinel、alos-2等)的发射升空，以合成孔径干涉雷达(interferometric synthetic aperture radar，insar)为代表的空间大地测量学数据开始为研究地震同震滑动分布提供了重要约束，为我们认识地震变形模式及其孕育过程提供了重要资料。
3.但对海陆碰撞带区域的地震，由于海面insar观测失相干，只有若干海岛上存在条纹整周数不明的无基准insar干涉条纹，限制了利用近场insar观测约束地震同震破裂分布的可能。
4.因此，基于上述存在的技术问题，本发明公开一种基于无基准insar相对相位差的地震破裂反演方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，提供基于无基准insar相对相位差的地震破裂反演方法，可以实现基于海岛上存在条纹整周数不明的无基准insar干涉条纹相位观测的地震同震滑动分布反演。
6.为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：
7.基于无基准insar相对相位差的地震破裂反演方法，包括：
8.s1：去除待测区无基准insar形变观测值的平地效应和地形起伏影响，得到观测值数学表达式：
9.n+φ
phase
＝φ
def
+φ
atmo
+φ
noise (1)
10.其中，其中，等式左边φ
phase
为insar相位观测值，n为干涉条纹整周数；由于insar条纹在海面上失相干，远场陆地insar起算基准无法准确传递至海岛，导致海岛上insar干涉条纹整周数n未知，等式左边构成无基准insar形变观测值；等式右边φ
def
、φ
atmo
、φ
noise
分别为形变、大气误差和观测误差引起的相位变化；
11.s2：任意取一点j作为基准点，其他任一点i对基准点之间的形变差可表示为：
[0012][0013]
面积较小情况下，各点大气误差可以认为近似，即近似为0，简化上式为：
[0014][0015]
等式左边为两点之间的相对相位差为已知项，等式右边为各点与基准点同震形变差和观测噪声，服从标准正态分布的噪声φ
noise
做差后依旧服从标准正态分布；
[0016]
s3：将式(3)左边的相对相位差作为观测数据纳入反演，以相对相位差的残差最小
作为目标函数，将基准点的整周模糊度作为一待求参数予以求解，对各点同震形变相对大小作出约束实现无基准insar形变相对相位差为约束地震破裂反演方法。
[0017]
进一步的，在获取海岛各点同震形变相对观测值后，可以将地震学观测确定的发震断层面离散成若干矩形或三角形子断层，子断层滑动情况由滑动大小、滑动方位角、破裂上升时间以及破裂速度四个参数决定；
[0018]
地表海岛各点同震形变相对观测值与子断层单位滑动之间的映射关系为格林函数；
[0019]
所有子断层滑动对同一地表台站影响的累加即为地表台站在地震中的总体响应；
[0020]
通过采用位错理论计算insar观测与子断层滑动之间的格林函数，将基准点的整周模糊度作为一待求参数，采用模拟退火非线性反演算法，以相对相位差的残差最小作为目标函数，搜索确定每个子断层上同震滑动量和方向，最终实现对地震同震破裂分布的反演。
[0021]
本发明的另一目的在于，提供一种基于无基准insar相对相位差的地震破裂反演方法在海陆碰撞带地震中的应用。
[0022]
本发明的有益效果：
[0023]
本发明通过去除待测区无基准insar形变观测值的平地效应和地形起伏影响优化观测值数学表达式，并得到基准点与任一点之间的形变差，优化形变差等式，并通过相对相位差作为观测数据纳入反演，以相对相位差的残差最小作为目标函数，将基准点的整周模糊度作为一待求参数予以求解，对各点同震形变相对大小作出约束；
[0024]
本发明可以实现基于海岛上存在条纹整周数不明的无基准insar干涉条纹相位观测的地震破裂分布反演，解决海陆碰撞带地震近场大地测量数据缺失、滑动模型空间分辨率较低和结果精度较差的问题。
[0025]
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
[0026]
图1为本发明实施例所述2020mw 7.8阿拉斯加阿留申群岛地震震中位置及周边区域构造；
[0027]
图2为本发明实施例所述无基准insar相对相位差约束下的2020mw 7.8阿拉斯加阿留申群岛地震破裂过程快照；
[0028]
图3为本发明实施例所述insar数据拟合情况及其残差分布；
[0029]
图4为本发明实施例所述模型分辨率棋盘格检测实验结果；
具体实施方式
[0030]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合附图对实施例对本发明进行详细说明。
[0031]
实施例
[0032]
本实施例中，以2020mw 7.8阿拉斯加阿留申群岛地震作为海陆碰撞带地震的研究震例；基于无基准insar相对相位差的地震破裂反演方法；
[0033]
本实施例中，如图1(2020mw 7.8阿拉斯加阿留申群岛地震震中位置及周边区域构
造)所示，据美国地质调查局(usgs)测定结果，2020年7月22日06:12:44(utc时间)，在阿拉斯加阿留申群岛以东海面发生了一次mw 7.8地震，图1展示了此次地震震中周边地理环境。
[0034]
insar观测受限于观测条纹不连续，不能准确提取近场绝对形变值。
[0035]
本实施例中，为获取无基准insar形变相对相位差，本实施案例基于gmtsar软件，采用二分法对2020-07-12和2020-07-24的102轨道407景，以及2020-06-28和2020-07-22的路径73轨道407景的sentinel-1降轨数据进行了处理，获取因地震形变产生的insar观测条纹。
[0036]
本实施例中，地震震中位于海底，周边缺乏连续的陆地，因此次地震产生的大部分变形发生在shumagin群岛上，由于海水的阻隔，每个干涉条纹之间，整周数不连续，无法准确确定整周数，近场insar干涉影像无法直接解缠成一个单一los位移场，限制了对近场准确同震形变值的获取。
[0037]
本实施例中，采用snaphu软件对每个岛屿的相位进行解缠。在有gnss观测的chernabura、nagai和popof群岛上有连续的gnss站点(图1)；我们将gnss记录到的同震变形投影到sar影像los向上，通过调整缺失整周数，使insar los变形与投影值吻合，以gnss点处的整周数为基准，估计岛上其他各点的整周数，从而获取全岛各点的同震形变(此类数据后称为绝对insar观测)。由于缺乏绝对观测约束，海岛上无基准insar形变观测值在去除平地效应和地形起伏影响后，观测值数学表达式为：
[0038]
n+φ
phase
＝φ
def
+φ
atmo
+φ
noise (1)
[0039]
其中，n为干涉条纹未知整周数，φ
phase
为insar相位观测值；φ
def
、φ
atmo
、φ
noise
分别为形变、大气误差和观测误差引起的相位变化；
[0040]
本实施例中，若在岛上任意取一点j作为基准点，其他任一点i对基准点之间的形变差可表示为：
[0041][0042]
本实施例中，由于海岛面积较小，各点大气误差可以认为近似，即近似为0，简化上式为：
[0043][0044]
等式左边为岛上两点之间的相对相位差为已知项，等式右边为岛上各点与基准点同震形变差和观测噪声，服从标准正态分布的噪声φ
noise
做差后依旧服从标准正态分布；
[0045]
本实施例中，将式(3)等式左边的相对相位差作为观测数据纳入反演，以相对相位差的残差最小作为目标函数，将基准点的整周模糊度作为一待求参数予以求解，对海岛各点同震形变相对大小作出约束；
[0046]
此次地震震中位于海底，周边缺乏连续的陆地，insar观测受限于观测条纹不连续，无法准确确定整周数，不能准确提取近场绝对形变值。但insar的面观测模式为弥补全球导航卫星系统有限的空间覆盖提供了一个强有力的工具。由于最靠近震中的岛屿没有gnss观测，现有观测数据类型中，只有insar可以进一步约束此次地震破裂的时空分布。申请人利用海岛insar相对相位差反演同震滑动分布的算法，联合静态gnss位移、高频gnss波形、全球地震波形，反演了2020年mw7.8阿拉斯加阿留申群岛地震的动态破裂过程。地震滑
动分布及动态破裂过程如图2(无基准insar相对相位差约束下的2020mw 7.8阿拉斯加阿留申群岛地震破裂过程快照。前50s的快照时间间隔为10s,50s以后快照间隔为20s。图中红色五角星代表本章重定位以后的震源位置。白色虚线为平均破裂速度1.9km/s下对应快照时间下的破裂前缘)所示。
[0047]
本实施例中，将式(3)等式左边的相对相位差作为观测数据纳入反演，以相对相位差的残差最小作为目标函数，将基准点的整周模糊度作为一待求参数予以求解，从而实现直接利用insar相位观测值对同震滑动模型的约束。
[0048]
具体反演过程为：在获取海岛各点同震形变相对观测值后，可以将地震学观测确定的发震断层面离散成若干矩形或三角形子断层，子断层滑动情况由滑动大小、滑动方位角、破裂上升时间以及破裂速度等四个参数决定。地表海岛各点同震形变相对观测值与子断层单位滑动之间的映射关系为格林函数。所有子断层滑动对同一地表台站影响的累加即为地表台站在地震中的总体响应。通过采用位错理论计算insar观测与子断层滑动之间的格林函数，将基准点的整周模糊度作为一待求参数，采用模拟退火非线性反演算法，以相对相位差的残差最小作为目标函数，搜索确定每个子断层上同震滑动量和方向，最终实现对地震同震破裂分布的反演。
[0049]
破裂模型对insar形变观测具有较好的拟合(图3insar数据拟合情况及其残差分布。(a)，(b)，(c)分别为相位观测值，拟合值及残差；)，在只有无基准insar相对相位差约束的岛屿上，insar干涉条纹均有较好的恢复，验证本发明的理论正确性，同时也表明本发明具有较强的潜在应用前景。
[0050]
为评估估无基准insar对模型分辨率和结果精度的影响，进行了模型分辨率检测板实验。具体做法为：首先在反演断层上创建两组滑动区域大小分别为60
×
60km(模型i)和40
×
40km(模型ii)子断层，子断层间的滑动量按0和2m交替输入，子断层滑动角和破裂速度分别被设定为90
°
和2.5km/s，上升时间函数选用对称性时长6s的正弦函数；为了评估模型在本章反演高滑动区域(滑动量大于1m)的分辨率，本章设置了模型iii，该模型在高滑动区域输入2m的滑动量，滑动角、上升时间、破裂速度等其他滑动参数与模型i和ii相同。断层的其他区域则设置0滑动。随后依据上述模拟的滑动模型，正演真实反演中使用观测点上的形变值或波形；最后在使用insar和不使用insar观测的条件下，采用与正式反演相同的数据权比和平滑因子，进行了反演。所得结果如图4所示(图4模型分辨率棋盘格检测实验结果。三行分别代表模型i，ii，iii，输入的滑动量大小和反演滑动量大小参见颜色标尺。左为输入模型，中为采用insar数据反演结果，右为无insar约束下的反演结果。)，检测板实验结果表明：加入无基准insar相对相位差约束后，模型分辨率、模型精度均有显著提高。证实本发明可以有效解决海陆碰撞带地震近场大地测量数据缺失、滑动模型空间分辨率较低和结果精度较差的问题。
[0051]
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

技术特征：
1.基于无基准insar相对相位差的地震破裂反演方法，其特征在于：通过去除待测区无基准insar形变观测值的平地效应和地形起伏影响优化观测值数学表达式，通过获取海岛上基准点与任一点之间的相对形变，优化insar对地形变观测方程，并基于海岛无基准insar相对相位差作为观测数据纳入反演，将基准点insar视线向形变观测的整周模糊度作为一待求参数，以相对相位差的残差最小作为非线性反演的目标函数予以求解；从而强化海陆碰撞带中强地震的近场大地测量学数据约束，实现利用近场海岛各点同震形变相对观测值对海陆俯冲带地震的破裂过程空间分布作出约束。2.如权利要求1所述的基于无基准insar相对相位差的地震破裂反演方法，其特征在于，包括：s1：对于海陆俯冲带海岛insar地震形变观测，在去除insar平地效应和地形起伏影响，其insar形变观测数学表达式：n+φ
phase
＝φ
def
+φ
atmo
+φ
noise
(1)其中，等式左边φ
phase
为insar相位观测值，n为干涉条纹整周数；由于insar条纹在海面上失相干，远场陆地insar起算基准无法准确传递至海岛，导致海岛上insar干涉条纹整周数n未知，等式左边构成无基准insar形变观测值；等式右边φ
def
、φ
atmo
、φ
noise
分别为同震形变、大气误差和观测误差引起的相位变化；s2：任意取一点j作为基准点，其他任一点i对基准点之间的形变差可表示为：海岛观测范围较小情况下，各点大气误差可以认为近似，即近似为0，简化上式为：等式左边为两点之间的相对相位差为已知项，等式右边为各点与基准点同震形变差和观测噪声，服从标准正态分布的噪声φ
noise
做差后依旧服从标准正态分布；s3：将式(3)左边的相对相位差作为观测数据纳入反演，以相对相位差的残差最小作为非线性反演的目标函数，将基准点的整周模糊度作为一待求参数予以求解，实现利用近场海岛各点同震形变相对观测值对海陆俯冲带地震的同震滑动空间分布作出约束。3.如权利要求2所述的基于基于无基准insar相对相位差的地震破裂反演方法，其特征在于，所述s3：利用近场海岛各点同震形变相对观测值对海陆俯冲带地震的同震破裂分布作出约束。4.如权利要求3所述的基于基于无基准insar相对相位差的地震破裂反演方法，其特征在于，所述s3：在获取海岛各点同震形变相对观测值后，将地震学观测确定的发震断层面离散成若干矩形或三角形子断层，子断层滑动情况由滑动大小、滑动方位角、破裂上升时间以及破裂速度四个参数决定；地表海岛各点同震形变相对观测值与子断层单位滑动之间的映射关系为格林函数；所有子断层滑动对同一地表台站影响的累加即为地表台站在地震中的总体响应通过采用位错理论计算insar观测与子断层滑动之间的格林函数，将基准点的整周模糊度作为一待求参数，采用模拟退火非线性反演算法，以相对相位差的残差最小作为非线
性反演的目标函数，搜索确定每个子断层上同震滑动量和方向，最终实现对地震破裂分布的反演。5.一种权利要求1-4任意一项所述基于无基准insar相对相位差的地震破裂反演方法在海陆碰撞带地震中的应用。

技术总结
本发明公开基于无基准InSAR相对相位差的地震破裂反演方法，涉及海陆碰撞带地震反演技术领域。本发明通过去除待测区无基准InSAR形变观测值的平地效应和地形起伏影响优化观测值数学表达式，并得到基准点与任一点之间的形变差，优化InSAR对地形变观测方程，并基于海岛无基准InSAR相对相位差作为观测数据纳入反演，将基准点的整周模糊度作为待求参数，以相对相位差的残差最小作为目标函数予以求解，强化海陆碰撞带中强地震的近场大地测量学数据约束，增强对地震破裂分布反演模型的约束。本发明基于海岛上条纹整周数不明的无基准InSAR干涉条纹相位观测的地震破裂反演算法，解决海陆碰撞带地震近场大地测量数据缺失、滑动模型空间分辨率较低和结果精度较差的问题。空间分辨率较低和结果精度较差的问题。空间分辨率较低和结果精度较差的问题。


技术研发人员：肖卓辉 温扬茂 陈丹梅 吴学群 王友昆 汤俊 刘东 杜斌 舒文强 谢小伟
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/9/20