Radar interferometryczny z aperturą syntetyczną - Interferometric synthetic-aperture radar
Interferometryczny radar z syntetyczną aperturą , w skrócie InSAR (lub przestarzały IfSAR ), to technika radarowa stosowana w geodezji i teledetekcji . Ta metoda geodezyjna wykorzystuje dwa lub więcej obrazów radarowych z syntetyczną aperturą (SAR) do generowania map deformacji powierzchni lub cyfrowej elewacji , wykorzystując różnice w fazie fal powracających do satelity lub samolotu. Technika ta może potencjalnie mierzyć zmiany deformacji w skali milimetrowej na przestrzeni dni lub lat. Ma zastosowanie do geofizycznego monitoringu zagrożeń naturalnych, np. trzęsień ziemi, wulkanów i osuwisk oraz w inżynierii budowlanej , w szczególności monitoringu osiadań i stateczności konstrukcji .
Technika
Radar z aperturą syntetyczną
Radar z aperturą syntetyczną (SAR) to rodzaj radaru, w którym wyrafinowane przetwarzanie danych radarowych jest wykorzystywane do wytwarzania bardzo wąskiej skutecznej wiązki. Może być używany do tworzenia obrazów stosunkowo nieruchomych celów; poruszające się cele mogą być rozmyte lub przemieszczone na tworzonych obrazach. SAR to forma aktywnej teledetekcji – antena transmituje promieniowanie, które jest odbijane od obszaru obrazu, w przeciwieństwie do wykrywania pasywnego, w którym wykrywane jest odbicie od oświetlenia otoczenia. Akwizycja obrazu SAR jest zatem niezależna od naturalnego oświetlenia, a zdjęcia można wykonywać w nocy. Radar wykorzystuje promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwościach mikrofalowych ; absorpcja atmosferyczna przy typowych długościach fal radarowych jest bardzo niska, co oznacza, że zachmurzenie nie uniemożliwia obserwacji.
Faza
SAR wykorzystuje amplitudę i fazę bezwzględną danych sygnału zwrotnego. W przeciwieństwie do tego, interferometria wykorzystuje różnicową fazę promieniowania odbitego, albo z wielu przejść wzdłuż tej samej trajektorii i/lub z wielu przesuniętych centrów fazowych (anteny) w jednym przejściu. Ponieważ fala wychodząca jest wytwarzana przez satelitę, faza jest znana i można ją porównać z fazą sygnału zwrotnego. Faza fali powrotnej zależy od odległości od ziemi, ponieważ długość drogi do ziemi iz powrotem będzie składać się z kilku pełnych długości fal plus ułamek długości fali. Można to zaobserwować jako różnicę faz lub przesunięcie fazowe w fali powracającej. Całkowita odległość do satelity (tj. liczba pełnych długości fali) jest znana na podstawie czasu potrzebnego energii na podróż w obie strony z powrotem do satelity – ale to dodatkowy ułamek długości fali jest szczególnie ważny. zainteresowanie i jest mierzony z dużą dokładnością.
W praktyce na fazę sygnału zwrotnego wpływa kilka czynników, które razem mogą sprawić, że bezwzględny powrót fazy w dowolnym zbiorze danych SAR jest zasadniczo arbitralny, bez korelacji między pikselami. Aby uzyskać jakiekolwiek przydatne informacje z fazy, niektóre z tych efektów muszą zostać wyizolowane i usunięte. Interferometria wykorzystuje dwa obrazy tego samego obszaru wykonane z tej samej pozycji (lub, w przypadku zastosowań topograficznych, nieco inne pozycje) i znajduje różnicę faz między nimi, tworząc obraz zwany interferogramem. Jest to mierzone w radianach różnicy faz i, ze względu na cykliczny charakter fazy, jest rejestrowane jako powtarzające się prążki, z których każdy reprezentuje pełny cykl 2π.
Czynniki wpływające na fazę
Najważniejszym czynnikiem wpływającym na fazę jest interakcja z powierzchnią gruntu. Faza fali może się zmieniać przy odbiciu , w zależności od właściwości materiału. Odbity sygnał z powrotem od jednego piksela jest sumarycznym wkładem w fazę wielu mniejszych „celów” w tym obszarze naziemnym, z których każdy ma inne właściwości dielektryczne i odległości od satelity, co oznacza, że zwrócony sygnał jest arbitralny i całkowicie nieskorelowany z sygnałem z sąsiedniego piksele. Co ważne, jest to jednak spójne – pod warunkiem, że nic się nie zmieni, wkłady z każdego celu powinny za każdym razem sumować się identycznie, a tym samym zostać usunięte z interferogramu.
Po usunięciu efektów naziemnych, główny sygnał obecny na interferogramie jest wkładem efektów orbitalnych. Aby interferometria działała, satelity muszą znajdować się jak najbliżej tej samej pozycji przestrzennej podczas pozyskiwania obrazów. Oznacza to, że obrazy z dwóch platform satelitarnych o różnych orbitach nie mogą być porównywane i dla danego satelity muszą być wykorzystane dane z tego samego toru orbitalnego. W praktyce prostopadła odległość między nimi, znana jako linia bazowa , jest często znana z dokładnością do kilku centymetrów, ale można ją kontrolować jedynie w skali od dziesiątek do setek metrów. Ta niewielka różnica powoduje regularną różnicę w fazie, która zmienia się płynnie na interferogramie i może być modelowana i usuwana.
Niewielka różnica w pozycji satelity zmienia również zniekształcenia spowodowane topografią , co oznacza, że dodatkowa różnica faz jest wprowadzana przez efekt stereoskopowy . Im dłuższa linia bazowa, tym mniejsza wysokość topograficzna potrzebna do wytworzenia krawędzi zmiany fazy – znanej jako wysokość niejednoznaczności . Efekt ten można wykorzystać do obliczenia wysokości topograficznej i wykorzystać do stworzenia cyfrowego modelu wysokości (DEM).
Jeżeli wysokość topografii jest już znana, udział fazy topograficznej można obliczyć i usunąć. Tradycyjnie robiono to na dwa sposoby. W metodzie dwuprzebiegowej dane wysokościowe z zewnętrznie wyprowadzonego DEM są wykorzystywane w połączeniu z informacjami orbitalnymi do obliczenia udziału fazy. W trójci metodzie dwa obrazy nabyte przez krótki czas od siebie są wykorzystywane do tworzenia interferogram, które zakłada się, że brak sygnału na odkształcenia, a zatem stanowią wkład topograficzną. Ten interferogram jest następnie odejmowany od trzeciego obrazu z dłuższym odstępem czasu, aby uzyskać fazę resztkową spowodowaną deformacją.
Po usunięciu wkładu gruntowego, orbitalnego i topograficznego interferogram zawiera sygnał deformacji wraz z pozostałym szumem (patrz Problemy poniżej). Sygnał mierzony na interferogramie reprezentuje zmianę fazy spowodowaną wzrostem lub spadkiem odległości od piksela naziemnego do satelity, dlatego tylko składowa ruchu naziemnego równoległa do linii wektora widzenia satelity spowoduje różnicę faz zauważony. W przypadku czujników takich jak ERS o małym kącie padania dobrze mierzy ruch pionowy, ale jest nieczuły na ruch poziomy prostopadły do linii widzenia (w przybliżeniu północ-południe). Oznacza to również, że ruch pionowy i składowe ruchu poziomego równoległe do płaszczyzny linii wzroku (w przybliżeniu wschód-zachód) nie mogą być rozwiązywane oddzielnie.
Jeden prążek różnicy faz jest generowany przez ruch naziemny o połowę długości fali radaru, ponieważ odpowiada to wzrostowi całej długości fali w obu kierunkach. Przesunięcia fazowe są rozwiązywalne tylko w stosunku do innych punktów na interferogramie. Odkształcenie bezwzględne można wywnioskować, zakładając, że jeden obszar na interferogramie (na przykład punkt oddalony od oczekiwanych źródeł odkształcenia) nie doznał odkształcenia lub za pomocą sterowania naziemnego ( GPS lub podobnego) w celu ustalenia bezwzględnego ruchu punktu.
Trudności
Różne czynniki decydują o wyborze obrazów, które można wykorzystać do interferometrii. Najprostszym jest dostępność danych – instrumenty radarowe używane do interferometrii zwykle nie działają w sposób ciągły, a dane są zbierane tylko wtedy, gdy są do tego zaprogramowane. Dla przyszłych wymagań może być możliwe żądanie akwizycji danych, ale dla wielu obszarów świata dane archiwalne mogą być nieliczne. Dostępność danych jest dodatkowo ograniczona przez kryteria bazowe. Dostępność odpowiedniego DEM może być również czynnikiem dla dwuprzebiegowego InSAR; zwykle dane SRTM o długości 90 m mogą być dostępne dla wielu obszarów, ale na dużych szerokościach geograficznych lub w obszarach o słabym zasięgu należy znaleźć alternatywne zestawy danych.
Podstawowym wymogiem usunięcia sygnału uziemienia jest to, aby suma udziałów fazowych poszczególnych celów w pikselu pozostała stała między dwoma obrazami i została całkowicie usunięta. Istnieje jednak kilka czynników, które mogą spowodować niepowodzenie tego kryterium. Po pierwsze dwa obrazy muszą być dokładnie wspólnie zarejestrowany na poziomie sub-pikseli, aby zapewnić, że te same cele naziemne przyczyniają się do tego piksela. Istnieje również ograniczenie geometryczne na maksymalną długość linii bazowej – różnica kątów widzenia nie może powodować zmiany fazy na szerokości jednego piksela o więcej niż długość fali. Wpływ topografii również wpływa na stan, a linie bazowe muszą być krótsze, jeśli nachylenie terenu jest duże. Tam, gdzie współrejestracja jest słaba lub przekroczona zostanie maksymalna linia bazowa, faza piksela stanie się niespójna – faza staje się zasadniczo losowa od piksela do piksela, zamiast zmieniać się płynnie, a obszar wydaje się zaszumiony. Dotyczy to również wszystkiego, co zmienia wkład w fazę w każdym pikselu, na przykład zmian celów naziemnych w każdym pikselu spowodowanych wzrostem roślinności, osuwiskami, rolnictwem lub pokrywą śnieżną.
Innym źródłem błędów obecnym w większości interferogramów jest propagacja fal przez atmosferę. Jeśli fala przemieszcza się w próżni, teoretycznie powinno być możliwe (pod warunkiem dostatecznej dokładności pomiaru czasu) wykorzystanie czasu przejścia fali w obie strony w połączeniu z fazą do obliczenia dokładnej odległości od ziemi. Jednak prędkość fali przez atmosferę jest mniejsza niż prędkość światła w próżni i zależy od temperatury powietrza, ciśnienia oraz ciśnienia cząstkowego pary wodnej. To właśnie to nieznane opóźnienie fazowe uniemożliwia obliczenie całkowitej liczby długości fal. Gdyby atmosfera była poziomo jednorodna w skali długości interferogramu i pionowo w skali topografii, wówczas efektem byłaby po prostu stała różnica faz między dwoma obrazami, która, ponieważ różnica faz jest mierzona względem innych punktów na interferogramie, byłaby po prostu stała. nie przyczyniają się do sygnału. Jednak atmosfera jest bocznie niejednorodna w skalach długości, zarówno większych, jak i mniejszych niż typowe sygnały deformacji. Ten fałszywy sygnał może wydawać się całkowicie niezwiązany z cechami powierzchni obrazu, jednak w innych przypadkach opóźnienie fazy atmosferycznej jest spowodowane niejednorodnością pionową na małych wysokościach, co może skutkować pojawieniem się prążków odpowiadających topografii.
Rozpraszacz trwały InSAR
Trwałe lub trwałe techniki rozpraszania są stosunkowo niedawnym rozwinięciem konwencjonalnego InSAR i opierają się na badaniu pikseli, które pozostają spójne w sekwencji interferogramów. W 1999 roku naukowcy z Politecnico di Milano we Włoszech opracowali nową metodę wieloobrazową, w której przeszukuje się stos obrazów w poszukiwaniu obiektów na ziemi, zapewniając spójne i stabilne odbicia radarowe z powrotem do satelity. Obiekty te mogą mieć rozmiar piksela lub, częściej, rozmiar subpiksela i są obecne w każdym obrazie w stosie. Ta konkretna implementacja jest opatentowana.
Niektóre ośrodki badawcze i firmy zostały zainspirowane do opracowania wariacji własnych algorytmów, które również przezwyciężyłyby ograniczenia InSAR. W literaturze naukowej techniki te są zbiorczo określane mianem trwałej interferometrii rozpraszającej lub technikami PSI. Termin permanentna interferometria rozproszona (PSI) został zaproponowany przez Europejską Agencję Kosmiczną (ESA) w celu zdefiniowania drugiej generacji technik interferometrii radarowej. Termin ten jest obecnie powszechnie akceptowany przez społeczność naukową i użytkowników końcowych.
Powszechnie takie techniki są najbardziej przydatne na obszarach miejskich z wieloma stałymi strukturami, na przykład badania PSI europejskich obszarów geozagrożeń podjęte w ramach projektu Terrafirma. Projekt Terrafirma zapewnia usługę informowania o zagrożeniach związanych z ruchem naziemnym, rozpowszechnianą w całej Europie za pośrednictwem krajowych służb geologicznych i instytucji. Celem tej usługi jest ratowanie życia, poprawa bezpieczeństwa i zmniejszenie strat ekonomicznych dzięki wykorzystaniu najnowocześniejszych informacji PSI. W ciągu ostatnich 9 lat serwis ten dostarczył informacji dotyczących osiadania i wypiętrzenia miast, stabilności zboczy i osuwisk, deformacji sejsmicznych i wulkanicznych, linii brzegowych i równin zalewowych.
Wytwarzanie interferogramów
Łańcuch przetwarzania użyty do wytworzenia interferogramów różni się w zależności od używanego oprogramowania i dokładnej aplikacji, ale zwykle obejmuje pewną kombinację następujących kroków.
Do wytworzenia interferogramu potrzebne są dwa obrazy SAR; mogą być one uzyskane wstępnie przetworzone lub wygenerowane z surowych danych przez użytkownika przed przetwarzaniem InSAR. Oba obrazy muszą najpierw zostać wspólnie zarejestrowane , przy użyciu procedury korelacji , aby znaleźć przesunięcie i różnicę w geometrii między dwoma obrazami amplitudy. Jeden obraz SAR jest następnie ponownie próbkowany, aby dopasować geometrię drugiego, co oznacza, że każdy piksel reprezentuje ten sam obszar podłoża na obu obrazach. Interferogram jest następnie tworzony przez krzyżowe mnożenie każdego piksela na dwóch obrazach, a faza interferometryczna spowodowana krzywizną Ziemi jest usuwana, proces ten określany jest jako spłaszczanie. W zastosowaniach dotyczących deformacji DEM może być używany w połączeniu z danymi bazowymi do symulacji udziału topografii w fazie interferometrycznej, a następnie można go usunąć z interferogramu.
Po wytworzeniu podstawowego interferogramu jest on zwykle filtrowany za pomocą adaptacyjnego filtra widma mocy w celu wzmocnienia sygnału fazowego. W przypadku większości zastosowań ilościowych kolejne prążki obecne na interferogramie będą musiały być następnie rozpakowane , co obejmuje interpolację skoków fazowych od 0 do 2π w celu wytworzenia ciągłego pola deformacji. W pewnym momencie, przed lub po rozpakowaniu, niespójne obszary obrazu mogą zostać zamaskowane. Ostatnim etapem przetwarzania jest geokodowanie obrazu, które polega na resamplingu interferogramu z geometrii akwizycji (związanej z kierunkiem toru satelity) do żądanego odwzorowania geograficznego .
Sprzęt komputerowy
Kosmiczny
Wczesna eksploatacja satelitarnego systemu InSAR obejmowała wykorzystanie danych Seasat w latach 80. XX wieku, ale potencjał tej techniki został rozszerzony w latach 90. wraz z wystrzeleniem ERS-1 (1991), JERS-1 (1992), RADARSAT-1 i ERS-2 (1995). Platformy te zapewniły stabilne, dobrze zdefiniowane orbity i krótkie linie bazowe niezbędne dla InSAR. Niedawno 11-dniowa misja NASA STS-99 w lutym 2000 r. wykorzystywała antenę SAR zamontowaną na promie kosmicznym do zbierania danych dla Shuttle Radar Topography Mission . W 2002 roku ESA wprowadziła na pokład Envisat instrument ASAR, zaprojektowany jako następca ERS . Podczas gdy większość InSAR do tej pory wykorzystywała czujniki w paśmie C, ostatnie misje, takie jak ALOS PALSAR , TerraSAR-X i COSMO-SkyMed poszerzają dostępne dane w paśmie L i X.
Ostatnio ESA wprowadziła Sentinel-1A i Sentinel-1B – dwa czujniki na pasmo C. Razem zapewniają pokrycie InSAR na skalę globalną i w 6-dniowym cyklu powtarzania.
Samolotowy
Lotnicze systemy akwizycji danych InSAR są budowane przez takie firmy, jak amerykański Intermap , niemiecki AeroSensing i brazylijski OrbiSat .
Naziemne lub naziemne
Naziemna lub naziemna interferometria SAR (GBInSAR lub TInSAR) to technika teledetekcji do monitorowania przemieszczeń zboczy, skarp skalnych, wulkanów, osuwisk, budynków, infrastruktury itp. Ta technika opiera się na tych samych zasadach operacyjnych, co interferometria satelitarna SAR , ale syntetyczna apertura radaru (SAR) jest uzyskiwana przez antenę poruszającą się po szynie zamiast satelity poruszającego się po orbicie. Technika SAR pozwala na uzyskanie obrazu radarowego 2D badanego scenariusza o wysokiej rozdzielczości (wzdłuż instrumentalnej linii widzenia) i przekrojowej (wzdłuż kierunku skanowania). Dwie anteny odpowiednio emitują i odbierają sygnały mikrofalowe, a obliczając różnicę faz między dwoma pomiarami wykonanymi w dwóch różnych czasach, można obliczyć przemieszczenie wszystkich pikseli obrazu SAR. Dokładność pomiaru przemieszczenia jest tego samego rzędu wielkości co długość fali EM i zależy również od konkretnych warunków lokalnych i atmosferycznych.
Aplikacje
Architektoniczny
InSAR może być używany do pomiaru deformacji tektonicznych , na przykład ruchów gruntu spowodowanych trzęsieniami ziemi . Po raz pierwszy użyto go podczas trzęsienia ziemi w Landers w 1992 roku , ale od tego czasu był szeroko stosowany w wielu różnych trzęsieniach ziemi na całym świecie. W szczególności szeroko badano trzęsienia ziemi Izmit z 1999 r. i Bam z 2003 r. InSAR może być również używany do monitorowania pełzania i akumulacji naprężeń przy zwarciach .
Wulkaniczny
InSAR może być używany w różnych warunkach wulkanicznych , w tym w deformacjach związanych z erupcjami , naprężeniu międzyerupcyjnym spowodowanym zmianami w rozkładzie magmy na głębokości, rozprzestrzenianiu grawitacyjnym gmachów wulkanicznych oraz sygnałach deformacji wulkano-tektonicznych. Wczesne prace nad wulkanicznym InSAR obejmowały badania na Etnie i Kilauea , przy czym w miarę rozwoju pola badano o wiele więcej wulkanów. Technika ta jest obecnie szeroko stosowana w badaniach akademickich nad deformacjami wulkanów, chociaż jej wykorzystanie jako techniki monitorowania operacyjnego w obserwatoriach wulkanów było ograniczone ze względu na takie kwestie, jak czasy powtarzania orbity, brak zarchiwizowanych danych, spójność i błędy atmosferyczne. Ostatnio InSAR został wykorzystany do badania procesów ryftowania w Etiopii.
Osiadanie
Osiadania gruntu z różnych przyczyn zostały z powodzeniem zmierzone za pomocą InSAR, w szczególności osiadania spowodowane wydobyciem ropy naftowej lub wody ze zbiorników podziemnych, górnictwem podpowierzchniowym i zawaleniem się starych kopalń. W ten sposób InSAR stał się niezbędnym narzędziem do zadowalającego rozwiązania wielu badań osiadań. Tomás i in. przeprowadził analizę kosztów, która pozwoliła na zidentyfikowanie najsilniejszych stron technik InSAR w porównaniu z innymi technikami konwencjonalnymi: (1) wyższa częstotliwość akwizycji danych i zasięg przestrzenny; oraz (2) niższy roczny koszt na punkt pomiarowy i na kilometr kwadratowy.
Osuwiska
Chociaż technika InSAR może stwarzać pewne ograniczenia w przypadku zastosowania do osuwisk, może być również wykorzystywana do monitorowania cech krajobrazu, takich jak osuwiska .
Przepływ lodu
Ruch i deformacje lodowca zostały z powodzeniem zmierzone za pomocą interferometrii satelitarnej. Technika ta umożliwia zdalny pomiar o wysokiej rozdzielczości zmian w strukturze lodowca, przepływu lodu i zmian w dynamice lodu, co ściśle zgadza się z obserwacjami naziemnymi.
Monitoring infrastruktury i budynków
InSAR może być również używany do monitorowania stabilności budowanych konstrukcji. Dane SAR o bardzo wysokiej rozdzielczości (takie jak pochodzące z trybu TerraSAR-X StripMap lub trybu COSMO-Skymed HIMAGE) są szczególnie odpowiednie do tego zadania. InSAR służy do monitorowania osiedli drogowych i kolejowych, stateczności wałów, inżynierii kryminalistycznej i wielu innych zastosowań.
Generacja DEM
Interferogramy mogą być wykorzystywane do tworzenia cyfrowych map wysokościowych (DEM) z wykorzystaniem efektu stereoskopowego spowodowanego niewielkimi różnicami pozycji obserwacji pomiędzy dwoma obrazami. Używając dwóch obrazów wytworzonych przez ten sam czujnik z separacją w czasie, należy założyć, że inne wkłady fazowe (na przykład z deformacji lub efektów atmosferycznych) są minimalne. W 1995 r. dwa satelity ERS latały w tandemie z jednodniową separacją w tym celu. Drugie podejście polega na użyciu dwóch anten zamontowanych w pewnej odległości od siebie na tej samej platformie i jednoczesnej rejestracji obrazów, co zapewnia brak sygnałów atmosferycznych lub odkształceń. Podejście to zastosowano podczas misji SRTM NASA na pokładzie wahadłowca kosmicznego w 2000 roku. Modele DEM pochodzące z InSAR można wykorzystać do późniejszych dwuprzebiegowych badań deformacji lub do innych zastosowań geofizycznych.
Zobacz też
Dalsza lektura
- B. Kampes, Radar Interferometry - Persistent Scatterer Technique , Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, Holandia, 2006. ISBN 978-1-4020-4576-9
Bibliografia
Zewnętrzne linki
- InSAR, narzędzie do pomiaru deformacji powierzchni Ziemi Matthew E. Pritchard
- Arkusz informacyjny USGS InSAR
- Zasady InSAR, publikacja ESA, TM19, luty 2007.