Войти
Интерферометрический радар с синтезированной апертурой, сокращенно InSAR (или устаревший IfSAR ), это метод радара, используемый в геодезии и дистанционном зондировании. Этот геодезический метод использует два или более радиолокатора с синтезированной апертурой (SAR) изображений для создания карт деформации поверхности или цифровой высоты, используя различия в фазе . волн, возвращающихся к спутнику или самолету. Этот метод потенциально может измерять изменения деформации в миллиметровом масштабе за период от нескольких дней до нескольких лет. Он применяется для геофизического мониторинга опасных природных явлений, например, землетрясений, вулканов и оползней, а также в проектировании конструкций, в частности, для мониторинга оседания и структурной устойчивости.
Интерферограмма. получены с использованием данных ERS-2 от 13 августа и 17 сентября 1999 г., охватывающих землетрясение Измит (Турция) 17 августа. (NASA / JPL-Caltech) 
Амплитудное изображение SAR для Kīlauea (NASA / JPL-Caltech) Радар с синтезированной апертурой (SAR) представляет собой форму радар, в котором используется сложная обработка радиолокационных данных для получения очень узкого эффективного луча. Его можно использовать для формирования изображений относительно неподвижных целей; движущиеся цели могут быть размыты или смещены на сформированных изображениях. SAR - это форма активного дистанционного зондирования - антенна передает излучение, отраженное от области изображения, в отличие от пассивного зондирования, когда отражение обнаруживается от окружающего освещения. Таким образом, получение изображений SAR не зависит от естественного освещения, и изображения можно снимать ночью. Радар использует электромагнитное излучение на микроволновых частотах; атмосферное поглощение на типичных длинах волн радара очень низкое, что означает, что наблюдениям не препятствует облачный покров.
Разность фаз SAR использует амплитуду и абсолютную фазу данных обратного сигнала. Напротив, в интерферометрии используется дифференциальная фаза отраженного излучения либо от нескольких проходов по одной и той же траектории и / или от нескольких смещенных фазовых центров (антенн) за один проход. Поскольку исходящая волна создается спутником, фаза известна, и ее можно сравнить с фазой обратного сигнала. Фаза возвратной волны зависит от расстояния до земли, так как длина пути до земли и обратно будет состоять из ряда целых длин волн плюс некоторая часть длины волны. Это наблюдается как разность фаз или фазовый сдвиг в возвращающейся волне. Общее расстояние до спутника (т. Е. Число целых длин волн) известно на основе времени, которое требуется энергии, чтобы вернуться к спутнику в оба конца, но особую важность имеет дополнительная часть длины волны. интерес и измеряется с большой точностью.
На практике на фазу обратного сигнала влияет несколько факторов, которые вместе могут сделать абсолютный возврат фазы в любом сборе данных SAR по существу произвольным, без корреляции от пикселя к пикселю. Чтобы получить любую полезную информацию из фазы, некоторые из этих эффектов должны быть изолированы и удалены. Интерферометрия использует два изображения одной и той же области, снятые с одного и того же положения (или, для топографических приложений, с немного разных положений), и находит разницу фаз между ними, создавая изображение, известное как интерферограмма. Это измеряется в радианах разности фаз и, из-за циклического характера фазы, записывается как повторяющиеся полосы, каждая из которых представляет полный цикл 2π.
Наиболее важным фактором, влияющим на фазу, является взаимодействие с поверхностью земли. Фаза волны может меняться на отражении в зависимости от свойств материала. Отраженный сигнал обратно от любого пикселя является суммированным вкладом в фазу от множества меньших «целей» в этой области земли, каждая из которых имеет разные диэлектрические свойства и расстояния от спутника, что означает, что возвращаемый сигнал является произвольным и полностью не коррелирует с изображениями соседних пикселей. Однако важно то, что он является последовательным - при условии, что на земле ничего не меняется, вклады от каждой цели должны каждый раз суммироваться одинаково и, следовательно, удаляться из интерферограммы.
После устранения наземных эффектов основной сигнал, присутствующий на интерферограмме, является вкладом орбитальных эффектов. Чтобы интерферометрия работала, спутники должны быть как можно ближе к одному и тому же пространственному положению при получении изображений. Это означает, что нельзя сравнивать изображения с двух спутниковых платформ с разными орбитами, и для данного спутника должны использоваться данные с одной и той же орбитальной траектории. На практике перпендикулярное расстояние между ними, известное как базовая линия, часто известно с точностью до нескольких сантиметров, но им можно управлять только в масштабе от десятков до сотен метров. Эта небольшая разница вызывает регулярную разницу фаз, которая плавно изменяется на интерферограмме и может быть смоделирована и удалена.
Соответствующая интерферограмма Килауэа, показывающая топографические полосы (NASA / JPL-Caltech) Небольшая разница в положении спутника также изменяет искажение, вызванное топографией, что означает дополнительные разность фаз вносится стереоскопическим эффектом . Чем длиннее базовая линия, тем меньше топографическая высота, необходимая для создания полосы изменения фазы, известной как высота неоднозначности. Этот эффект можно использовать для расчета топографической высоты и использовать для создания цифровой модели рельефа (DEM).
Если высота топографии уже известна, вклад топографической фазы можно вычислить и удалить. Традиционно это делалось двумя способами. В двухпроходном методе данные о высоте из полученной извне DEM используются вместе с орбитальной информацией для расчета фазового вклада. В трехпроходном методе два изображения, полученные с коротким промежутком времени, используются для создания интерферограммы, которая, как предполагается, не имеет сигнала деформации и поэтому представляет топографический вклад. Затем эта интерферограмма вычитается из третьего изображения с более длительным временным интервалом, чтобы получить остаточную фазу из-за деформации.
После удаления наземных, орбитальных и топографических составляющих интерферограмма содержит сигнал деформации вместе с любым остающимся шумом (см. Трудности ниже). Сигнал, измеренный на интерферограмме, представляет собой изменение фазы, вызванное увеличением или уменьшением расстояния от пикселя земли до спутника, поэтому только компонент движения земли, параллельный вектору линии визирования спутника, вызовет разность фаз наблюдаемый. Для датчиков типа ERS с небольшим углом падения он хорошо измеряет вертикальное движение, но нечувствителен к горизонтальному движению, перпендикулярному направлению взгляда (примерно север-юг). Это также означает, что вертикальное движение и компоненты горизонтального движения, параллельные плоскости луча зрения (приблизительно восток-запад), не могут быть отдельно разрешены.
Одна полоса разности фаз создается движением земли на половину длины волны радара, поскольку это соответствует увеличению всей длины волны на расстоянии двустороннего движения. Фазовые сдвиги разрешимы только относительно других точек интерферограммы. Абсолютную деформацию можно сделать вывод, предположив, что одна область на интерферограмме (например, точка вдали от ожидаемых источников деформации) не претерпела деформации, или используя наземный контроль (GPS или аналогичный), чтобы установить абсолютное движение точка.
Выбор изображений, которые можно использовать для интерферометрии, определяется множеством факторов. Самым простым является доступность данных: радарные приборы, используемые для интерферометрии, обычно не работают непрерывно, собирая данные только тогда, когда это запрограммировано. Для будущих требований можно будет запросить сбор данных, но во многих регионах мира архивные данные могут быть скудными. Доступность данных дополнительно ограничивается базовыми критериями. Наличие подходящей матрицы высот также может быть фактором для двухпроходного InSAR; обычно данные 90 м SRTM могут быть доступны для многих областей, но в высоких широтах или в областях плохого покрытия необходимо найти альтернативные наборы данных.
Основным требованием удаления наземного сигнала является то, чтобы сумма фазовых вкладов от отдельных целей в пределах пикселя оставалась постоянной между двумя изображениями и полностью удалялась. Однако есть несколько факторов, которые могут стать причиной несостоятельности этого критерия. Во-первых, два изображения должны быть точно совместно зарегистрированы на уровне подпикселей, чтобы гарантировать, что одни и те же наземные цели вносят вклад в этот пиксель. Также существует геометрическое ограничение на максимальную длину базовой линии - разница в углах обзора не должна вызывать изменение фазы по ширине одного пикселя более чем на длину волны. Влияние топографии также влияет на состояние, и базовые линии должны быть короче, если градиенты ландшафта высокие. При плохой совместной регистрации или превышении максимальной базовой линии фаза пикселей становится некогерентной - фаза становится по существу случайной от пикселя к пикселю, а не изменяется плавно, и область выглядит зашумленной. Это также верно для всего остального, что изменяет вклады в фазу в каждом пикселе, например, изменения наземных целей в каждом пикселе, вызванные ростом растительности, оползнями, сельским хозяйством или снежным покровом.
Другой источник ошибок, присутствующий на большинстве интерферограмм, вызван распространением волн через атмосферу. Если волна прошла через вакуум, теоретически должно быть возможно (при условии достаточной точности синхронизации) использовать время двухстороннего распространения волны в сочетании с фазой для расчета точного расстояния до земли. Однако скорость волны через атмосферу ниже, чем скорость света в вакууме, и зависит от температуры, давления и парциального давления воздуха. водяного пара. Именно эта неизвестная фазовая задержка препятствует вычислению целого числа длин волн. Если бы атмосфера была горизонтально однородной по шкале длины интерферограммы и вертикально по шкале топографии, тогда эффект был бы просто постоянной разностью фаз между двумя изображениями, которая, поскольку разность фаз измеряется относительно других точки на интерферограмме, не будут способствовать сигналу. Однако атмосфера в поперечном направлении неоднородна на масштабах как больше, так и меньше, чем типичные сигналы деформации. Этот паразитный сигнал может казаться совершенно не связанным с поверхностными особенностями изображения, однако в других случаях фазовая задержка в атмосфере вызывается вертикальной неоднородностью на малых высотах, и это может привести к появлению полос, соответствующих топографии.
Методы постоянного или постоянного рассеяния являются относительно недавним развитием традиционного InSAR и основаны на изучении пикселей, которые остаются когерентными на протяжении последовательности интерферограмм. В 1999 году исследователи из Политехнического университета Милана, Италия, разработали новый подход с несколькими изображениями, в котором каждый ищет в стопке изображений объекты на земле, обеспечивающие последовательные и стабильные радиолокационные отражения обратно на спутник. Эти объекты могут иметь размер пикселя или, чаще, размер субпикселя, и присутствуют в каждом изображении в стеке. Эта конкретная реализация запатентована.
Некоторые исследовательские центры и компании были вдохновлены на разработку вариаций собственных алгоритмов, которые также преодолеют ограничения InSAR. В научной литературе эти методы все вместе называются методами интерферометрии стойкого рассеивателя или методами PSI. Термин интерферометрия стойкого рассеивателя (PSI) был предложен Европейским космическим агентством (ESA) для обозначения второго поколения методов радиолокационной интерферометрии. Этот термин в настоящее время широко используется научным сообществом и сообществом конечных пользователей.
Обычно такие методы наиболее полезны в городских районах с большим количеством постоянных сооружений, например, исследования PSI европейских геологических опасностей, проведенные проектом Terrafirma. Проект Terrafirma предоставляет информационную службу об опасностях, связанных с движением грунта, которая распространяется по всей Европе через национальные геологические службы и учреждения. Цель этой услуги - помочь спасти жизни, повысить безопасность и уменьшить экономические потери за счет использования современной информации PSI. За последние 9 лет эта служба предоставила информацию, касающуюся оседания и подъема городов, устойчивости склонов и оползней, сейсмических и вулканических деформаций, береговых линий и пойм.
Цепочка обработки, используемая для получения интерферограмм, варьируется в зависимости от используемого программного обеспечения и конкретного приложения, но обычно включает некоторую комбинацию следующих шагов.
Для получения интерферограммы требуются два изображения SAR; они могут быть получены предварительно обработанными или созданы пользователем из необработанных данных до обработки InSAR. Два изображения сначала должны быть совместно зарегистрированы с использованием процедуры корреляции для определения смещения и разницы в геометрии между двумя изображениями амплитуды. Затем одно изображение SAR подвергается повторной выборке для соответствия геометрии другого, что означает, что каждый пиксель представляет одну и ту же площадь земли на обоих изображениях. Затем интерферограмма формируется посредством перекрестного умножения каждого пикселя на двух изображениях, и интерферометрическая фаза из-за кривизны Земли удаляется, процесс, называемый уплощением. В приложениях по деформации ЦМР может использоваться в сочетании с базовыми данными для моделирования вклада топографии в интерферометрическую фазу, после чего его можно удалить из интерферограммы.
После создания основной интерферограммы ее обычно фильтруют с использованием адаптивного фильтра спектра мощности для усиления фазового сигнала. Для большинства количественных применений последовательные полосы, присутствующие на интерферограмме, затем должны быть развернуты, что включает интерполяцию по скачкам фазы от 0 до 2π для создания непрерывного поля деформации. В какой-то момент, до или после разворачивания, несвязные области изображения могут быть замаскированы. Заключительный этап обработки включает геокодирование изображения, при котором интерферограмма преобразуется из геометрии захвата (связанной с направлением пути спутника) в желаемую географическую проекцию.
Seasat (NASA / JPL-Caltech) Раннее использование спутниковой системы InSAR включало использование данных Seasat в 1980-х годах, но потенциал этого метода был расширен в 1990-х годах с появлением запуск ERS-1 (1991), JERS-1 (1992), RADARSAT-1 и ERS-2 (1995). Эти платформы обеспечивали стабильные, четко определенные орбиты и короткие исходные данные, необходимые для InSAR. Совсем недавно в ходе 11-дневной миссии NASA STS-99 в феврале 2000 года использовалась антенна SAR, установленная на космическом шаттле , для сбора данных для миссии по радиолокационной топографии шаттла. В 2002 г. ESA запустило прибор ASAR, разработанный как преемник ERS, на борту Envisat. В то время как на сегодняшний день в большинстве InSAR используются датчики диапазона C, недавние миссии, такие как ALOS PALSAR, TerraSAR-X и COSMO-SkyMed, расширяются. доступные данные в L- и X-диапазоне.
Совсем недавно ЕКА запустило в производство Sentinel-1A и Sentinel-1B - два датчика С-диапазона. Вместе они обеспечивают покрытие InSAR в глобальном масштабе и с 6-дневным циклом повторения.
Бортовые системы сбора данных InSAR производятся такими компаниями, как американская Intermap, немецкая и бразильская.
График деформации, показывающий нестабильность склона с использованием наземного InSAR Наземная или наземная интерферометрия SAR (GBInSAR или TInSAR) - это метод дистанционного зондирования для мониторинга смещения склонов, уступов горных пород, вулканов, оползней, зданий и т. д. инфраструктуры и т. д. Этот метод основан на тех же принципах работы спутниковой интерферометрии SAR, но синтезированная апертура радара (SAR) получается с помощью антенны, движущейся по рельсу, а не спутника, движущегося по орбите. Метод SAR позволяет получить двумерное радиолокационное изображение исследуемого сценария с высоким разрешением по дальности (вдоль инструментальной линии визирования) и разрешающей способностью по дальности (по направлению сканирования). Две антенны соответственно излучают и принимают микроволновые сигналы, и, вычисляя разность фаз между двумя измерениями, выполненными в два разных момента времени, можно вычислить смещение всех пикселей изображения SAR. Точность измерения смещения имеет тот же порядок величины, что и длина волны ЭМ, и также зависит от конкретных местных и атмосферных условий.
Быстрое проседание грунта над месторождением Лост-Хиллз в Калифорнии. (NASA / JPL-Caltech) InSAR может использоваться для измерения тектонической деформации, например движения грунта из-за землетрясений. Впервые он был использован при землетрясении 1992 г. на Ландерсе, но с тех пор широко используется при большом количестве землетрясений по всему миру. В частности, были тщательно изучены землетрясения 1999 Измит и 2003 Бам. InSAR также может использоваться для мониторинга ползучести и накопления деформаций на разломах.
InSAR может использоваться в различных вулканических параметрах, включая деформацию, связанную с извержения, деформации между извержениями, вызванные изменениями в распределении магмы по глубине, гравитационным распространением вулканических построек и сигналами вулканотектонической деформации. Ранние работы по вулканическому InSAR включали исследования на горе Этна и Килауэа, и многие другие вулканы изучались по мере развития месторождения. В настоящее время этот метод широко используется для академических исследований вулканической деформации, хотя его использование в качестве метода оперативного мониторинга для вулканических обсерваторий ограничено такими проблемами, как время повторения орбиты, отсутствие архивных данных, когерентность и атмосферные ошибки. Недавно InSAR был использован для изучения процессов рифтогенеза в Эфиопии.
грунт проседание по разным причинам было успешно измерено с помощью InSAR, в частности, проседание, вызванное добычей нефти или воды из подземных резервуаров, подземной добычей и обрушением старых шахт. Таким образом, InSAR стал незаменимым инструментом для удовлетворительного решения многих исследований проседания. Tomás et al. провели анализ затрат, который позволил определить самые сильные стороны методов InSAR по сравнению с другими традиционными методами: (1) более высокая частота сбора данных и пространственный охват; и (2) более низкие годовые затраты на точку измерения и на квадратный километр.
Хотя метод InSAR может иметь некоторые ограничения при применении к оползням, его также можно использовать для мониторинга ландшафтных особенностей, таких как оползни.
Движение и деформация ледников были успешно измерены с помощью спутниковой интерферометрии. Этот метод позволяет дистанционно с высоким разрешением измерять изменения ледниковой структуры, ледяного потока и сдвигов в ледовой динамике, которые полностью согласуются с наземными наблюдениями.
Полуостров Камчатка, данные Landsat наложены на цифровую модель рельефа SRTM (НАСА / JPL-Caltech) InSAR также может использоваться для мониторинга устойчивости построенных конструкций. Данные SAR с очень высоким разрешением (например, полученные из режима TerraSAR-X StripMap или режима COSMO-Skymed HIMAGE) особенно подходят для этой задачи. InSAR используется для мониторинга населенных пунктов на автомагистралях и железных дорогах, устойчивости дамб, судебно-медицинской экспертизы и многих других целей.
Интерферограммы могут использоваться для создания цифровых карт высот (ЦМР) с использованием стереоскопического эффекта, вызванного небольшими различиями в положении наблюдения между два изображения. При использовании двух изображений, созданных одним и тем же датчиком с разделением во времени, следует предполагать, что другие фазовые вклады (например, от деформации или атмосферных эффектов) минимальны. В 1995 году два спутника ERS полетели в тандеме с интервалом в один день для этой цели. Второй подход заключается в использовании двух антенн, установленных на некотором расстоянии друг от друга на одной платформе, и одновременном получении изображений, что гарантирует отсутствие атмосферных сигналов или сигналов деформации. Этому подходу последовала миссия НАСА SRTM на борту космического челнока в 2000 году. ЦМР, полученные с помощью InSAR, могут быть использованы для более поздних двухпроходных исследований деформации или для использования в других геофизических приложениях.
 | Викискладе есть материалы, связанные с Интерферометрическим радаром с синтезированной апертурой. |
