Sintezētas apertūras radara interferometrija

Sintezētas apertūras radara interferometrija jeb saīsināti InSAR (vecais nosaukums IfSAR) ir speciālā attālinātu novērojumu tehnika, kura atrod plašu lietojumu ģeodēzijā Zemes virsmas izmaiņu reģistrēšanā un pētīšana.

InSAR izmanto divus vai vairākus attēlus no sintezētas apertūras radariem (SAR) virsmas deformācijas kartēšanai. Šīs deformācijas balstās uz viļņu fāžu starpības.

Interferometrijas tehnika potenciāli atļauj reģistrēt Zemes virsmas izmaiņas ar precizitāti līdz milimetriem starp jebkuriem laika posmiem.

No InSAR priekšrocībām atzīme mikroviļņu spēju tikt cauri mākoņiem, kas nozīmē neatkarību no laika apstākļiem, un iespēju veikt novērojumus jebkura diennakts laikā SAR aktīvas sistēmas uzbūves dēļ.

Galvenās lietošanas jomas ir dabas procesu monitorēšana, piemēram, vulkānu izvirdumi vai litosfēras kustība.

Pamatjēdzieni

Interference

Interference

Interference ir divu vai vairāku viļņu pārklāšanas fenomens, kurā rezultātā veidojas rezultējošs vilnis ar lielāku/mazāku amplitūdu. Interference visbiežāk attiecas uz korelējošo vai koherento viļņu mijiedarbību. Viļņiem var būt viens izejas avots vai tiem var būt vienāda vai gandrīz vienāda frekvence. Interferences fenomenu var novērot jebkuriem viļņu veidiem - gaismas, radio, akustiskām un tml.

Radars

Radars ir objektu detektēšanas sistēma, kura ar radioviļņu palīdzību ļauj noteikt objekta koordinātas, virzienu, ātrumu, kā arī citas ģeometriskus raksturlielumus. Darbības princips, galvenokārt, balstās uz viļņu atstarošanas no pētījuma objektiem.

Apertūras sintēze

Apertūras sintēze ir uz interferences balstīta radionovērojumu metode, kurā ļauj ar vairākiem radioteleskopiem, kuri ir attālināti viens no otra, iegūt augstu leņķisku izšķirtspēju.

Darbības princips

Interferograma

Radari izstaro elektromagnētiskus viļņus pret Zemes virsmu un reģistrē atstarota viļņa amplitūdu un fāzi. Katrs vilnis ir spējīgs pārklāt apmēram 100 km lielu teritoriju un tiek izmantots SAR attēlu veidošana. Vienas un tas pašas teritorijas SAR attēlus pēc noteiktā laika ir iespējams izmantot interferogramas izveidei.

InSAR attēlus veido divu vai vairāku viļņu kombinācija. Eksistē divi piegājieni, ka dabūt signālus priekš InSAR:

• Telpiski atdalīti radari - abas antenas tiek uzstādītas uz vienas platformas ar noteiktu attālumu vienlaicīgai interferometrijai. Šo piegājienu izmanto tādas sistēmās, kā TOPSAR (Topographic SAR) un SRTM (Shuttle Radar Topography Mission), kuras bija izveidotas lielu zemes apgabalu elevāciju digitālai kartēšanai ar augstu izšķirtspēju un lielu precizitāti.

• Atkārtota interferometrija - interferometriju veic ar vienu uz platformas uzstādītu antenu pēc noteiktiem laika intervāliem. Neskatoties uz to, kā dots zemes gabals nevar būt apstrādāts pirmā piegājienā, ar diviem interferometrijas piegājieniem ir iespējams iegūt signālu ar pietiekami lielu korelāciju pie nosacījuma, ka atstarotā signāla izkliede nav mainījusies. Šajā konfigurācijā InSAR ir spējīgs nomērīt zemes virsmas deformāciju ar precizitāti līdz milimetriem lielos reģionos.

InSAR analīzes rezultāti izskatās kā zemes virsmas attēlojums ar krāsainām līnijām. SAR galvenokārt veic fāzes mērījumus, kuri tiek reprezentēti kā leņķi no 0 līdz 360 grādiem. Zemes garozas deformācijas tiek apzīmētas ar krāsām, kuras cikliski atkārtojas, sākot no zilas uz sarkanu, no dzeltena uz zaļu un atpakaļ uz zilu. Piemēram, ja fāžu starpība ir nulle, tad uz interferogrammas punkts būs atzīmēts ar zilu krāsu, bet ja fāžu starpība ir 360 grādi, tas nozīme ka attālums no zemes virsmas līdz radaram ir izmainījies uz vienu viļņa garumu.

Lietojums

Tektoniskas kustības novērošana

InSAR var būt izmantots tektonisko plātņu deformācijas mērīšanai, kuras rodas, piemēram, zemestrīču dēļ.

InSAR pirmoreiz tika izmantots 1992. gadā Lendersa zemestrīcē, pēc kuras ieguva ļoti plašu lietojumu arī citu zemestrīču pētīšanā visā pasaulē, piemēram, 1999. gadā Izmitas un 2003. gadā Bamas pilsētas zemestrīces bija detalizēti izpētītas ar InSAR palīdzību.

InSAR arī var būt izmantots tektonisku plātņu šļūdē un defektu monitorēšanā.

Vulkānu uzraudzība

InSAR var būt izmantots dažādu vulkānu aktivitāšu pētīšanā:

• pēc izvirdumu deformācijas,
• vulkānu iekšējie izvirdumi Zemes dziļumā magmas pārmaiņas rezultātā,
• vulkānu tektonisku deformāciju signāli.

Zemes nosēšanās

Zemes nosēšanās arī var būt izmērīta ar InSAR palīdzību neatkarībā no tās cēloņiem - naftas vai ūdens ieguve, ogļu raktuve vai sabrukums vecās raktuvēs. InSAR atrada savu izmantojumu arī zemes nogruvumu uzraudzībā.

Ledāju kustība

Ledāju kustības un deformācija bija veiksmīgi izmērīti ar satelītu interferometrijas palīdzību. Šī tehnika ļauj attālināti un ar lielu izšķirtspēju reģistrēt izmaiņas ledājos un to kustības, novērot ledus dinamiku, jo visi ar InSAR uzņemti mērījumi labi korelē zemes lokāliem novērojumiem.

"Red Rocks" amfiteātris, Kolorado (DEM)

Infrastruktūras un celtniecības uzraudzība

InSAR ir diezgan labs instruments celtniecības objektu stabilitātes novērošanai. Šīm mērķiem izmanto augstas izšķirtspējas datus no satelītiem, piemēram, no vācu satelīta TerraSAR-X. Šīs satelīts ir arī izmantots lielceļu un dzelzceļu nosēšanas uzraudzībai, dambju stabilitātes novērošanai.

DEM ģenerācija

Balstoties uz stereoskopisku efektu, kurš rodas no divu vai vairāku attēlu uzņemšanas pozīcijas izmaiņām, interferogrammas var būt izmantotas zemes elevāciju digitālai kartēšanai (DEM - Digital Elevation Map).