Интерферометрический радар 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 радиолокационных изображения с синтезированной апертурой (SAR) для создания карт деформации поверхности или цифровых высот , используя различия в фазах волн, возвращающихся к спутнику [1] [2] [3] или самолету. Этот метод потенциально может измерять изменения деформации в миллиметровом масштабе за периоды от дней до лет. Он применяется для геофизического мониторинга природных опасностей, например, землетрясений, вулканов и оползней, а также в строительном проектировании , в частности, для мониторинга просадки и устойчивости конструкций .
Радар с синтезированной апертурой (SAR) — это разновидность 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 формируемых изображениях. SAR — это форма активного дистанционного зондирования: антенна передает излучение, отраженное от области изображения, в отличие от пассивного зондирования, при котором отражение обнаруживается от окружающего освещения. Таким образом, получение изображений РСА 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, а это означает, что облачный покров не мешает наблюдениям.
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, либо от нескольких смещенных фазовых центров (антенн) за один проход. Поскольку исходящая волна создается спутником, ее фаза известна и ее можно сравнить с фазой отраженного сигнала. Фаза обратной волны зависит от расстояния до земли, так как 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 сдвиг фаз в возвращающейся волне. Общее расстояние до спутника (т. е. количество целых длин волн) известно на основе времени, которое требуется энергии, чтобы вернуться обратно к спутнику, но именно дополнительная часть длины волны имеет особое значение. интерес и измеряется с большой точностью.
На практике на фазу отраженного сигнала влияет несколько факторов, которые вместе могут сделать абсолютный возврат фазы при любом сборе данных РСА по существу произвольным, без корреляции от пикселя к пикселю. Чтобы получить какую-либо полезную информацию из фазы, некоторые из этих эффектов необходимо изолировать и устранить. Интерферометрия использует два изображения одной и той же области, снятые с одной и той же позиции (или, для топографических приложений, немного разных позиций) и находит разницу в фазе между ними, создавая изображение, известное как интерферограмма. Это измеряется в радианах разности фаз и из-за циклической природы фазы записывается как повторяющиеся полосы, каждая из которых представляет полный 2π-цикл.
Важнейшим фактором, влияющим на фазу, является взаимодействие с поверхностью земли. Фаза волны может измениться при отражении в зависимости от свойств материала. Отраженный сигнал от любого одного пикселя представляет собой суммарный вклад в фазу множества меньших «целей» в этой области земли, каждая из которых имеет разные диэлектрические свойства и расстояния от спутника. Это означает, что возвращенный сигнал является произвольным и совершенно некоррелированным с сигналом от соседних пикселей. пикселей. Однако важно то, что это единообразно: при условии, что на местах ничего не меняется, вклады от каждой цели должны суммироваться каждый раз одинаково и, следовательно, быть удалены из интерферограммы.
После устранения наземных эффектов основным сигналом, присутствующим на интерферограмме, является вклад орбитальных эффектов. Чтобы интерферометрия работала, спутники должны находиться как можно ближе к одному и тому же пространственному положению во время получения изображений. Это означает, что изображения с двух спутниковых платформ, находящихся на разных орбитах, нельзя сравнивать, и для данного спутника необходимо использовать данные с одной и той же орбитальной трассы. 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 меняется по всей интерферограмме и может быть смоделирована и удалена.
Небольшая разница в положении спутника также изменяет искажения, вызванные топографией , а это означает, что дополнительная разность фаз вносится стереоскопическим эффектом. Чем длиннее базовая линия, тем меньшая топографическая высота необходима для создания полосы фазового изменения, известной как высота неоднозначности . Этот эффект можно использовать для расчета топографической высоты и использования для создания цифровой модели рельефа (DEM).
Если высота топографии уже известна, вклад топографической фазы можно рассчитать и удалить. Традиционно это делалось двумя способами. В двухпроходном методе данные высоты из внешней ЦМР используются вместе с орбитальной информацией для расчета фазового вклада. В трехпроходном методе два изображения, полученные с небольшим интервалом времени, используются для создания интерферограммы, которая, как предполагается, не имеет сигнала деформации и, следовательно, представляет топографический вклад. Эта интерферограмма затем вычитается из третьего изображения с более длительным интервалом времени, 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 на интерферограмме, представляет собой изменение фазы, вызванное увеличением или уменьшением расстояния от наземного пикселя до спутника, поэтому только составляющая движения Земли, параллельная вектору луча зрения спутника, вызовет разность фаз. наблюдаемый. Для датчиков типа ERS с небольшим углом падения он хорошо измеряет вертикальное движение, но нечувствителен к горизонтальному движению, перпендикулярному лучу зрения (примерно с севера на юг). Это также означает, что вертикальное движение и компоненты горизонтального движения, параллельные плоскости луча зрения (приблизительно восток-запад), не могут быть решены отдельно.
Одна полоса разности фаз создается движением земли на половину длины волны радара, поскольку это соответствует увеличению длины волны на всю длину волны на двустороннем расстоянии. Фазовые сдвиги разрешимы только относительно других точек интерферограммы. Абсолютную деформацию можно определить, предположив, что одна область интерферограммы (например, точка, удаленная от ожидаемых источников деформации) не подверглась деформации, или используя наземный контроль ( GPS или аналогичный) для определения абсолютного перемещения точки.
На выбор изображений, которые можно использовать для интерферометрии, влияет множество факторов. Самым простым является доступность данных: радиолокационные приборы, используемые для интерферометрии, обычно не работают непрерывно и собирают данные только тогда, когда это запрограммировано. Для будущих потребностей можно будет запросить получение данных, но во многих регионах мира архивные данные могут быть скудными. Доступность данных дополнительно ограничивается базовыми критериями. Наличие подходящей ЦМР также может быть фактором для двухпроходного InSAR; обычно данные SRTM на расстоянии 90 м могут быть доступны для многих районов, но в высоких широтах или в районах с плохим покрытием необходимо найти альтернативные наборы данных.
Фундаментальным 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 привести к невыполнению этого критерия. Во-первых, два изображения должны быть точно совмещены на субпиксельном уровне, чтобы гарантировать, что одни и те же наземные объекты вносят вклад в этот пиксель. Также существует 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. Влияние топографии также влияет на состояние, и базовые линии должны быть короче, если уклоны местности высоки. При плохой совместной регистрации или превышении максимальной базовой линии фаза пикселя становится некогерентной — фаза становится по существу случайной от пикселя к пикселю, а не меняется плавно, и область выглядит зашумленной. Это также верно для всего остального, что изменяет вклады в фазу внутри каждого пикселя, 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 волна прошла через вакуум, теоретически должно быть возможным (при условии достаточной точности синхронизации) использовать время двустороннего распространения волны в сочетании с фазой для расчета точного расстояния до земли. Однако скорость волны в атмосфере 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 однородной по горизонтали по шкале длины интерферограммы и по вертикали по шкале топографии, то эффект был бы просто постоянной разностью фаз между двумя изображениями, которая, поскольку разность фаз измеряется относительно других точек интерферограммы, будет не способствуют сигналу. Однако атмосфера неоднородна по горизонтали на масштабах длины, как больших, так и меньших, чем типичные сигналы деформации. Этот паразитный сигнал может оказаться 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, соответствующих топографии.
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 Миланского политехнического университета (Италия) разработали новый подход с использованием нескольких изображений, при котором в стопке изображений выполняется поиск объектов на земле, обеспечивая последовательные и стабильные радиолокационные отражения обратно на спутник. Эти объекты могут иметь размер пикселя или, чаще, субпикселя, и присутствовать в каждом изображении в стеке. Эта конкретная реализация запатентована.
Некоторые исследовательские центры и компании были вдохновлены разработкой вариантов своих собственных алгоритмов, которые также позволили бы преодолеть ограничения InSAR. В научной литературе эти методы вместе называются интерферометрией постоянного рассеивателя или методами PSI. Термин «интерферометрия постоянного рассеивателя» (PSI) был предложен Европейским космическим агентством (ЕКА) для определения второго поколения методов радиолокационной интерферометрии. В настоящее время этот термин широко принят научным сообществом и сообществом конечных пользователей.
Обычно такие методы наиболее полезны в городских районах со множеством постоянных построек, например, исследования PSI европейских опасных геологических объектов, проведенные в рамках проекта Terrafirma. [5] Проект Terrafirma предоставляет информационную службу об опасностях движения грунта, распространяемую по всей Европе через национальные геологические службы и учреждения. Цель этой услуги — помочь спасти жизни, повысить безопасность и сократить экономические потери за счет использования самой современной информации PSI. За последние 9 лет эта служба предоставила информацию, касающуюся опускания и поднятия городов, устойчивости склонов и оползней, сейсмических и вулканических деформаций, береговых линий и пойм.
Цепочка обработки, используемая для создания интерферограмм, варьируется в зависимости от используемого программного обеспечения и конкретного приложения, но обычно включает некоторую комбинацию следующих шагов.
Для создания интерферограммы необходимы два изображения РСА; они могут быть получены предварительно обработанными или созданы пользователем на основе необработанных данных до обработки InSAR. Два изображения сначала необходимо зарегистрировать совместно , используя процедуру корреляции , чтобы найти смещение и разницу в геометрии между двумя амплитудными изображениями. Затем одно изображение SAR повторно дискретизируется , чтобы соответствовать геометрии другого, то есть каждый пиксель представляет одну и ту же область земли на обоих изображениях. Затем интерферограмма формируется путем перекрестного умножения каждого пикселя в двух изображениях, а интерферометрическая фаза из-за кривизны Земли удаляется - процесс, называемый сплющиванием. Для приложений деформации ЦМР можно использовать в сочетании с базовыми данными для моделирования вклада топографии в интерферометрическую фазу, которую затем можно удалить из интерферограммы.
После создания базовой интерферограммы ее обычно фильтруют с использованием адаптивного фильтра спектра мощности для усиления фазового сигнала. Для большинства количественных приложений последовательные полосы, присутствующие в интерферограмме, необходимо будет развернуть , что включает в себя интерполяцию по фазовым скачкам от 0 до 2π для создания непрерывного поля деформации. В какой-то момент, до или после развертывания, бессвязные области изображения могут быть замаскированы. Заключительный этап обработки включает геокодирование изображения, которое преобразует интерферограмму из геометрии сбора данных (связанной с направлением траектории спутника) в желаемую географическую проекцию .
Раннее использование спутниковых InSAR включало использование данных Seasat в 1980-х годах, но потенциал этого метода был расширен в 1990-х годах с запуском ERS-1 (1991 г.), JERS-1 (1992 г.), RADARSAT-1 и ЭРС-2 (1995 г.). Эти платформы обеспечивали стабильные, четко определенные орбиты и короткие базовые линии, необходимые для InSAR. Совсем недавно в ходе 11-дневной миссии НАСА STS-99 в феврале 2000 года использовалась антенна SAR, установленная на космическом шаттле, для сбора данных для миссии по радиолокационной топографии шаттла (SRTM). В 2002 году ЕКА запустило на борту Envisat инструмент ASAR, разработанный как преемник ERS . Хотя на сегодняшний день большая часть InSAR использует датчики C-диапазона, недавние миссии, такие как ALOS PALSAR , TerraSAR-X и COSMO-SkyMed , расширяют доступные данные в L- и X-диапазоне.
Sentinel-1A и Sentinel-1B , оба сенсора C-диапазона, были запущены ЕКА в 2014 и 2016 годах соответственно. Вместе они обеспечивают покрытие InSAR в глобальном масштабе с 6-дневным повторяющимся циклом.
Бортовые системы сбора данных InSAR созданы такими компаниями, как американская Intermap , немецкая AeroSensing и бразильская OrbiSat. [6]
Наземная или наземная SAR-интерферометрия (TInSAR или GBInSAR) представляет собой метод дистанционного зондирования для мониторинга смещения склонов, [7] скальных уступов, вулканов, оползней, зданий, инфраструктуры и т. д. Этот метод основан на тех же принципах работы, что и спутниковая SAR-интерферометрия, но синтетическая апертура радара (SAR) получается с помощью антенны, движущейся по рельсу, а не спутника, движущегося по орбите. Методика РСА позволяет получить двухмерное радиолокационное изображение исследуемого сценария с высоким разрешением по дальности (вдоль инструментальной прямой видимости) и разрешением по поперечному диапазону (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 РСА. Точность измерения смещения того же порядка, что и длина волны ЭМ, а также зависит от конкретных местных и атмосферных условий.
InSAR можно использовать для измерения тектонических деформаций, например движений грунта из-за землетрясений . Впервые он был использован при землетрясении Ландерс в 1992 году [8] , но с тех пор широко использовался при самых разных землетрясениях по всему миру. В частности, были тщательно изучены землетрясения в Измите 1999 года и Баме в 2003 году. [9] [10] InSAR также можно использовать для мониторинга ползучести и накопления напряжений при разломах .
InSAR может использоваться в различных вулканических условиях, включая деформации , связанные с извержениями , напряжения между извержениями, вызванные изменениями в распределении магмы на глубине, гравитационное распространение вулканических построек и сигналы вулкано-тектонических деформаций. [11] Ранние работы по вулканическому InSAR включали исследования на горе Этна , [12] и Килауэа , [13] , при этом по мере развития области изучались многие другие вулканы. В настоящее время этот метод широко используется для академических исследований вулканической деформации, хотя его использование в качестве метода оперативного мониторинга для вулканических обсерваторий было ограничено такими проблемами, как время повторения орбиты, отсутствие архивных данных, когерентность и атмосферные ошибки. [14] [15] Недавно InSAR использовался для изучения рифтогенных процессов в Эфиопии. [16]
Проседание грунта по разным причинам было успешно измерено с помощью InSAR, в частности, проседание, вызванное добычей нефти или воды из подземных резервуаров, [17] подземной добычей и обрушением старых шахт. [18] Таким образом, InSAR стал незаменимым инструментом для удовлетворительного решения многих исследований оседания. Томас и др. [19] провели анализ затрат, который позволил выявить сильные стороны методов InSAR по сравнению с другими традиционными методами: (1) более высокая частота сбора данных и пространственный охват; и (2) более низкие ежегодные 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]
Движение и деформация ледников были успешно измерены с помощью спутниковой интерферометрии. Этот метод позволяет удаленно и с высоким разрешением измерять изменения в ледниковой структуре, потоке льда и сдвигах в динамике льда, все из которых тесно согласуются с наземными наблюдениями. [24]
InSAR также можно использовать для контроля устойчивости построенных конструкций. [25] Данные РСА очень высокого разрешения (например, полученные в режиме TerraSAR-X StripMap или режиме COSMO-Skymed HIMAGE) особенно подходят для этой задачи. InSAR используется для мониторинга населенных пунктов на автомагистралях и железных дорогах, [26] [27] стабильности дамб, [28] судебно-медицинской экспертизы [29] и многих других целей.
Интерферограммы можно использовать для создания цифровых карт высот (DEM) с использованием стереоскопического эффекта, вызванного небольшими различиями в положении наблюдения между двумя изображениями. При использовании двух изображений, полученных одним и тем же датчиком с разделением во времени, следует предположить, что другие фазовые вклады (например, от деформации или атмосферных воздействий) 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 одновременном получении изображений, что гарантирует отсутствие атмосферных или деформационных сигналов. За этим подходом последовала миссия НАСА SRTM на борту космического корабля "Шаттл" в 2000 году. ЦМР, полученные с помощью InSAR, можно использовать для последующих двухпроходных исследований деформации или для использования в других геофизических приложениях.
