Интерферометрический радиолокатор с синтезированной апертурой , сокращенно InSAR (или устаревший IfSAR ), представляет собой радиолокационный метод, используемый в геодезии и дистанционном зондировании . Этот геодезический метод использует два или более изображений радиолокатора с синтезированной апертурой (SAR) для создания карт деформации поверхности или цифровых высот , используя различия в фазе волн, возвращающихся на спутник [1] [2] [3] или самолет. Этот метод потенциально может измерять изменения деформации в миллиметровом масштабе в течение промежутков от нескольких дней до нескольких лет. Он применяется для геофизического мониторинга стихийных бедствий, например, землетрясений, вулканов и оползней, а также в строительной инженерии , в частности, для мониторинга проседания и устойчивости конструкций .
Синтетический апертурный радар (SAR) — это форма радара , в котором сложная обработка радиолокационных данных используется для создания 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, которое отражается от области изображения, в отличие от пассивного зондирования, где отражение обнаруживается от окружающего освещения. Таким образом, получение изображений SAR не зависит от естественного освещения, и изображения можно делать ночью. Радар использует электромагнитное излучение на микроволновых частотах; атмосферное поглощение на типичных длинах волн радара очень низкое, что означает, что наблюдениям не мешает облачность.
SAR использует амплитуду и абсолютную фазу данных обратного сигнала. Напротив, интерферометрия использует дифференциальную фазу 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 может быть сравнена с фазой обратного сигнала. Фаза обратной волны зависит от расстояния до земли, поскольку длина пути до земли и обратно будет состоять из ряда целых длин волн плюс некоторая доля длины волны. Это можно наблюдать 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 совершить круговой путь обратно к спутнику, но именно дополнительная доля длины волны представляет особый интерес и измеряется с большой точностью.
На практике фаза обратного сигнала зависит от нескольких факторов, которые вместе могут сделать абсолютную фазу возврата в любом сборе данных SAR по существу произвольной, без корреляции от пикселя к пикселю. Чтобы получить какую-либо полезную информацию из фазы, некоторые из этих эффектов должны быть изолированы и удалены. Интерферометрия использует два изображения одной и той же области, полученные из одного и того же положения (или, для топографических приложений, из слегка разных положений), и находит разницу в фазе между ними, создавая изображение, известное как интерферограмма. Она измеряется в радианах разности фаз и, из-за циклической природы фазы, записывается как повторяющиеся полосы, каждая из которых представляет полный цикл 2π .
Самым важным фактором, влияющим на фазу, является взаимодействие с поверхностью земли. Фаза волны может меняться при отражении в зависимости от свойств материала. Отраженный сигнал обратно от любого пикселя представляет собой суммарный вклад в фазу от многих меньших «целей» в этой области земли, каждая из которых имеет разные диэлектрические свойства и расстояния от спутника, что означает, что возвращенный сигнал является произвольным и совершенно не коррелирует с сигналом от соседних пикселей. Однако важно то, что он последователен — при условии, что на земле ничего не меняется, вклады от каждой цели должны суммироваться одинаково каждый раз и, следовательно, быть удалены из интерферограммы.
После удаления наземных эффектов основным сигналом, присутствующим в интерферограмме, является вклад орбитальных эффектов. Для работы интерферометрии спутники должны находиться как можно ближе к одному и тому же пространственному положению при получении изображений. Это означает, что изображения с двух спутниковых платформ с разными орбитами нельзя сравнивать, и для данного спутника необходимо использовать данные с одного и того же орбитального трека. На практике перпендикулярное расстояние между ними, известное как базовая линия , часто известно с точностью до нескольких сантиметров, но его можно контролировать только в масштабе от десятков до сотен метров. Эта небольшая разница вызывает регулярную разницу в фазе, которая плавно изменяется по интерферограмме и может быть смоделирована и удалена.
Небольшая разница в положении спутника также изменяет искажение, вызванное топографией , то есть стереоскопический эффект вносит дополнительную разность фаз . 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 (ЦМР).
Если высота рельефа уже известна, можно рассчитать и удалить топографический фазовый вклад. Традиционно это делалось двумя способами. В двухпроходном методе данные о высоте из внешней ЦМР используются в сочетании с орбитальной информацией для расчета фазового вклада. В трехпроходном методе два изображения, полученные с небольшим интервалом, используются для создания интерферограммы, которая, как предполагается, не имеет сигнала деформации и, следовательно, 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 вкладов интерферограмма содержит сигнал деформации вместе с любым оставшимся шумом (см. Трудности ниже). Сигнал, измеренный в интерферограмме, представляет собой изменение фазы, вызванное увеличением или уменьшением расстояния от пикселя наземной поверхности до спутника, поэтому только компонент движения наземной поверхности, параллельный вектору линии визирования спутника, вызовет наблюдаемую разность фаз. Для датчиков, таких как ERS с малым углом падения , это хорошо измеряет вертикальное движение, но нечувствительно к горизонтальному движению, перпендикулярному линии визирования (приблизительно с севера на юг). Это также означает, что вертикальное движение и компоненты горизонтального движения, параллельные плоскости линии визирования (приблизительно с востока на запад), не могут быть разделены по отдельности.
Одна полоса разности фаз генерируется движением земли на половину длины волны радара, поскольку это соответствует увеличению длины волны в двухстороннем расстоянии. Фазовые сдвиги разрешимы только относительно других точек на интерферограмме. Абсолютную деформацию можно вывести, предположив, что одна область на интерферограмме (например, точка вдали от ожидаемых источников деформации) не испытала деформации, или используя наземный контроль ( GPS или аналогичный) для установления абсолютного движения точки.
Выбор изображений, которые можно использовать для интерферометрии, определяется множеством факторов. Самым простым из них является доступность данных — радиолокационные приборы, используемые для интерферометрии, обычно не работают непрерывно, собирая данные только тогда, когда они запрограммированы на это. Для будущих потребностей может быть возможным запросить получение данных, но для многих регионов мира архивные данные могут быть скудными. Доступность данных дополнительно ограничивается базовыми критериями. Доступность подходящей ЦМР также может быть фактором для двухпроходного InSAR; обычно данные 90 м SRTM могут быть доступны для многих регионов, но на высоких широтах или в регионах с плохим покрытием необходимо найти альтернативные наборы данных.
Основным требованием удаления сигнала земли является то, что сумма фазовых вкладов от отдельных целей в пикселе остается постоянной между двумя изображениями и полностью удаляется. Однако есть несколько факторов, которые могут привести к тому, что этот критерий не будет выполнен. Во-первых, два изображения должны быть точно совмещены на уровне субпикселя, чтобы гарантировать, что одни и те же наземные цели вносят вклад в этот пиксель. Существует также геометрическое ограничение на максимальную длину базовой линии — разница в углах обзора не должна приводить к изменению фазы по ширине одного пикселя более чем на длину волны. Эффекты топографии также влияют на состояние, и базовые линии должны быть короче, если градиенты рельефа высоки. Там, где совмещение плохое или превышена максимальная базовая линия, фаза пикселя станет некогерентной — фаза становится по существу случайной от пикселя к пикселю, а не плавно изменяющейся, и область выглядит шумной. Это также справедливо для всего остального, что изменяет вклад 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 в большинстве интерферограмм, вызван распространением волн через атмосферу. Если бы волна проходила через вакуум, теоретически было бы возможно (при условии достаточной точности синхронизации) использовать двухстороннее время прохождения волны в сочетании с фазой для вычисления точного расстояния до земли. Однако скорость волны через атмосферу ниже скорости света в вакууме и зависит от температуры воздуха, давления и парциального давления водяного пара. [4] 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 рельефа, то эффект был бы просто постоянной разностью фаз между двумя изображениями, которая, поскольку разность фаз измеряется относительно других точек интерферограммы, не вносила бы вклад в сигнал. Однако атмосфера латерально неоднородна по шкале длины как больше, так и меньше типичных сигналов деформации. Этот ложный сигнал может показаться совершенно не связанным с особенностями поверхности изображения, однако в других случаях задержка фазы в атмосфере вызвана вертикальной неоднородностью на малых высотах, и это может привести к появлению полос, которые кажутся соответствующими рельефу.
Методы постоянного или постоянного рассеивателя являются относительно недавней разработкой обычного InSAR и основаны на изучении пикселей, которые остаются когерентными в последовательности интерферограмм. В 1999 году исследователи из Политехнического университета Милана , Италия, разработали новый подход с несколькими изображениями, в котором выполняется поиск объектов на земле в стопке изображений, обеспечивая последовательные и стабильные отражения радара обратно на спутник. Эти объекты могут быть размером с пиксель или, что более распространено, размером с субпиксель и присутствуют на каждом изображении в стопке. Эта конкретная реализация запатентована.
Некоторые исследовательские центры и компании были вдохновлены на разработку вариаций собственных алгоритмов, которые также преодолели бы ограничения InSAR. В научной литературе эти методы в совокупности называются интерферометрией с постоянным рассеивателем или методами PSI. Термин интерферометрия с постоянным рассеивателем (PSI) был предложен Европейским космическим агентством (ESA) для определения второго поколения методов радиолокационной интерферометрии. Этот термин в настоящее время общепринят среди научных кругов и конечных пользователей.
Обычно такие методы наиболее полезны в городских районах с большим количеством постоянных структур, например, исследования PSI европейских геологических объектов, проводимые проектом Terrafirma. [5] Проект Terrafirma предоставляет информационную службу об опасности движения грунта, распространяемую по всей Европе через национальные геологические службы и институты. Цель этой службы — помочь спасти жизни, повысить безопасность и сократить экономические потери за счет использования современной информации PSI. За последние 9 лет эта служба предоставила информацию, касающуюся оседания и подъема городских грунтов, устойчивости склонов и оползней, сейсмической и вулканической деформации, береговых линий и пойм.
Цепочка обработки, используемая для создания интерферограмм, различается в зависимости от используемого программного обеспечения и конкретного приложения, но обычно включает некоторую комбинацию следующих шагов.
Для создания интерферограммы требуются два изображения SAR; они могут быть получены предварительно обработанными или созданы пользователем из необработанных данных до обработки InSAR. Сначала два изображения должны быть совместно зарегистрированы с использованием процедуры корреляции для нахождения смещения и разницы в геометрии между двумя амплитудными изображениями. Затем одно изображение SAR повторно дискретизируется для соответствия геометрии другого, то есть каждый пиксель представляет одну и ту же область земли на обоих изображениях. Затем интерферограмма формируется путем перекрестного умножения каждого пикселя на двух изображениях, и интерферометрическая фаза из-за кривизны Земли удаляется, процесс называется выравниванием. Для приложений деформации ЦМР может использоваться в сочетании с базовыми данными для моделирования вклада топографии в интерферометрическую фазу, затем это может быть удалено из интерферограммы.
После получения базовой интерферограммы ее обычно фильтруют с помощью адаптивного фильтра спектра мощности для усиления фазового сигнала. Для большинства количественных приложений последовательные полосы, присутствующие в интерферограмме, затем должны быть развернуты , что включает интерполяцию по фазовым скачкам от 0 до 2π для создания непрерывного поля деформации. В какой-то момент, до или после развертывания, некогерентные области изображения могут быть замаскированы. Заключительный этап обработки включает геокодирование изображения, которое повторно выбирает интерферограмму из геометрии получения (связанной с направлением траектории спутника) в желаемую географическую проекцию .
Ранняя эксплуатация спутникового InSAR включала использование данных Seasat в 1980-х годах, но потенциал этой технологии был расширен в 1990-х годах с запуском ERS-1 (1991), JERS-1 (1992), RADARSAT-1 и ERS-2 (1995). Эти платформы обеспечивали стабильные, четко определенные орбиты и короткие базовые линии, необходимые для InSAR. Совсем недавно, 11-дневная миссия NASA STS-99 в феврале 2000 года использовала антенну SAR, установленную на космическом челноке, для сбора данных для миссии Shuttle Radar Topography Mission (SRTM). В 2002 году ESA запустило прибор ASAR, разработанный как преемник ERS, на борту Envisat . Хотя до сих пор большинство InSAR использовали датчики C-диапазона, недавние миссии, такие как ALOS PALSAR , TerraSAR-X и COSMO-SkyMed, расширяют доступные данные в L- и X-диапазонах.
Sentinel-1A и Sentinel-1B , оба датчика C-диапазона, были запущены ESA в 2014 и 2016 годах соответственно. Вместе они обеспечивают покрытие InSAR в глобальном масштабе и с 6-дневным циклом повторения.
Системы сбора данных InSAR на борту самолетов производятся такими компаниями, как американская Intermap , немецкая AeroSensing и бразильская OrbiSat. [6]
Наземная или наземная интерферометрия SAR (TInSAR или GBInSAR) — это метод дистанционного зондирования для мониторинга смещения склонов, [7] скальных уступов, вулканов, оползней, зданий, инфраструктур и т. д. Этот метод основан на тех же принципах работы, что и спутниковая интерферометрия 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 разрешением по поперечной дальности (вдоль направления 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 зависит также от конкретных местных и атмосферных условий.
InSAR можно использовать для измерения тектонической деформации, например, движений грунта из-за землетрясений . Впервые он был использован для землетрясения Ландерс 1992 года , [8] но с тех пор широко использовался для самых разных землетрясений по всему миру. В частности, были тщательно изучены землетрясения Измит 1999 года и Бам 2003 года . [9] [10] InSAR также можно использовать для мониторинга ползучести и накопления деформаций на разломах .
InSAR может использоваться в различных вулканических условиях, включая деформации , связанные с извержениями , межизверженные деформации, вызванные изменениями в распределении магмы на глубине, гравитационное распространение вулканических построек и сигналы вулкано-тектонической деформации. [11] Ранние работы по вулканическому InSAR включали исследования на горе Этна , [12] и Килауэа , [13] с изучением многих других вулканов по мере развития области. В настоящее время этот метод широко используется для академических исследований вулканической деформации, хотя его использование в качестве оперативного метода мониторинга для вулканических обсерваторий было ограничено такими проблемами, как время повторения орбит, отсутствие архивных данных, когерентность и атмосферные ошибки. [14] [15] Недавно InSAR использовался для изучения процессов рифтогенеза в Эфиопии. [16]
Проседание грунта по разным причинам успешно измерялось с помощью InSAR, в частности, проседание, вызванное добычей нефти или воды из подземных резервуаров, [17] подземной добычей полезных ископаемых и обрушением старых шахт. [18] Таким образом, InSAR стал незаменимым инструментом для удовлетворительного решения многих исследований проседания. Томас и др. [19] провели анализ затрат, который позволил выявить 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 [20] , его также можно использовать для мониторинга особенностей ландшафта, таких как оползни . [21] [22] [23]
Томас и др. [24] провели библиометрическое исследование тенденций в публикациях, связанных с оползнями и InSAR. Они обнаружили, что тенденции публикаций следуют модели мощности, указывая на то, что, несмотря на свое начало в прошлом веке, InSAR становится все более актуальной проблемой и зарекомендовал себя как ценный инструмент для изучения оползней.
Движение и деформация ледников были успешно измерены с помощью спутниковой интерферометрии. Этот метод позволяет проводить удаленные измерения с высоким разрешением изменений в структуре ледников, движении льда и сдвигах в динамике льда, все из которых хорошо согласуются с наземными наблюдениями. [25]
InSAR также может использоваться для мониторинга устойчивости построенных конструкций. [26] 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 осадок автомагистралей и железных дорог, [27] [28] устойчивости дамб, [29] судебной инженерии [30] и многих других целей.
Интерферограммы можно использовать для создания цифровых карт рельефа (ЦМР) с использованием стереоскопического эффекта, вызванного небольшими различиями в положении наблюдения между двумя изображениями. При использовании двух изображений, полученных одним и тем же датчиком с разницей во времени, следует предположить, что другие фазовые вклады (например, от деформации или атмосферных эффектов) минимальны. В 1995 году два спутника ERS летали в тандеме с разницей в один день для этой цели. Второй подход заключается в использовании двух антенн, установленных на некотором расстоянии друг от друга на одной платформе, и получении изображений в одно и то же время, что гарантирует отсутствие атмосферных или деформационных сигналов. Этот подход был использован в миссии SRTM НАСА на борту космического челнока в 2000 году. ЦМР, полученные с помощью InSAR, можно использовать для последующих двухпроходных исследований деформации или для использования в других геофизических приложениях.
Были разработаны различные процедуры для полуавтоматического определения кластеров активных устойчивых рассеивателей, [31] [32] [33], обычно называемых активными областями деформации, и предварительного связывания их с различными потенциальными типами деформационных процессов (например, оползни, провалы, осадки зданий, проседание почвы) на обширных территориях. [34]
