Интерферометрический радар с синтезированной апертурой

Последнее обновление страницы:14 December 2017

Домой Наука о земле, Австралия > Научные темы > Позиционирование и навигация > Позиционирование Австралии > Определение местоположения с помощью геодезии > Геодезические методы > Интерферометрический радар с синтезированной апертуройИнтерферометрический радар с синтезированной апертурой

Интерферометрический радар с синтезированной апертурой (InSAR) - это геодезический метод, который позволяет определять движение земной поверхности. Наблюдения за движением земной поверхности, проводимые с помощью InSAR, могут быть использованы для обнаружения, измерения и мониторинга изменений земной коры, связанных с геофизическими процессами, такими как тектоническая активность и извержения вулканов. С помощью InSAR также можно определить просадку грунта, вызванную антропогенными воздействиями, такими как подземные воды или добыча углеводородов. В сочетании с наземным геодезическим мониторингом, таким какГлобальные навигационные спутниковые системы InSAR может идентифицировать перемещения поверхности в масштабе от миллиметра до сантиметра с высоким пространственным разрешением.

InSAR может быть использован для широкого спектра исследований деформации поверхности, например:

  • Просадки и подъемы, вызванные антропогенной деятельностью, такой как добыча подземных вод или углеводородов, или повторная закачка в резервуары во время улавливания и хранения углерода
  • косейсмическая деформация, вызванная землетрясением
  • постсейсмические и межсейсмические деформации на разломах земной коры в период между землетрясениями
  • раздувание/дефляция подземных магматических очагов, предшествующих извержениям вулканов
  • мониторинг наземных перемещений в городских условиях.
Figure 1: A schematic diagram depicting a radar satellite orbiting above the Earth illuminating a swath of ground on the right-hand side of the direction of travel. The illumination forms a radar image of the ground surface within the swath area. At a later time the satellite returns and records a second radar image. Between the two image acquisitions an earthquake has occurred and the ground surface has moved. For a particular image pixel the phase component of the second image has a sub-wavelength shift compared to the first image. These phase shifts are mapped over the entire imaged area in what is called the interferogram.

Рисунок 1: Два радиолокационных изображения одной и той же области получены в разное время. Если поверхность перемещается между двумя полученными данными, регистрируется фазовый сдвиг. Интерферограмма отображает этот фазовый сдвиг пространственно.

Как работает InSAR

InSAR использует два или более изображений местности с помощью радара с синтезированной апертурой (SAR) для определения движения поверхности во времени. Спутники дистанционного зондирования, которые собирают изображения с помощью SAR, передают импульсы микроволновой энергии на поверхность Земли и регистрируют количество энергии, рассеянной в обратном направлении. Использование микроволновой энергии обеспечивает всепогодность благодаря ее низкой чувствительности к облакам и дождю.

Спутниковые изображения содержат информацию о поверхности Земли в виде амплитудной и фазовой составляющих радиолокационного сигнала обратного рассеяния. Амплитудное изображение содержит информацию об уклоне местности и неровностях поверхности, в то время как фазовое изображение содержит информацию о расстоянии между спутником и поверхностью Земли.

Дифференциальная система InSAR использует два радиолокационных снимка одной и той же области, полученных в разное время. Если расстояние между землей и спутником изменяется в промежутке между двумя получениями из-за движения поверхности, произойдет фазовый сдвиг (рис. 1).

При пространственном отображении фазовый сдвиг представляет собой "завернутый" сигнал в диапазоне 2 радиан, который на интерферограмме проявляется в виде ряда интерференционных полос (рис. 2А). Когда эта интерферограмма разворачивается, количество полос суммируется, чтобы получить непрерывное поле относительного изменения фазы (рис. 2Б). При первой обработке исходная интерферограмма содержит ряд компонентов сигнала, таких как остаточные сигналы, обусловленные геометрией орбиты спутника, и сигналы, обусловленные различными атмосферными условиями во время двух измерений. После обработки сети интерферограмм можно выделить составляющую сигнала, возникающую при движении поверхности.

Figure 2: The two interferograms are displaying different representations of the same data. The wrapped interferogram displays the data modulo 2 radians and therefore a series of rainbow-coloured fringes is shown. It is not easily evident from this interferogram where the greatest ground displacement has occurred. The unwrapped interferogram has a continuous colour scale mapped over a range of -40 to 40 radians. In this interferogram one can see that the greatest negative range change (i.e. uplift) occurs across a 50 km stretch of the coastline; closest to the offshore Manokwari trench to the north. Two positive range change lobes (i.e. subsidence) are located approximately 20 km to the east and west of the zone of negative range change. Regions further than 50 km from the coastline have only a small amount of relative range change.

Рисунок 2: Свернутая (А) и развернутая (Б) интерферограммы двойного землетрясения, произошедшего в Западном Папуа, Индонезия, созданная с использованием данных японского спутника ALOS. Землетрясения магнитудой 7,6 и 7,4 произошли 03 января 2009 года с интервалом в 3 часа друг от друга и были вызваны субдукцией морского желоба Маноквари, который расположен к северу от береговой линии. Развернутая фаза в радианах может быть преобразована в "изменение дальности" или смещение в миллиметрах с учетом длины волны спутникового радара.

Продукция InSAR

Объединив сеть из нескольких интерферограмм в одном регионе, можно получить карту скоростей и временные ряды результатов (рис. 3). Карта скоростей показывает движение поверхности для каждого пикселя изображения, усредненное за весь период наблюдения, в то время как продукт временных рядов показывает историю расположения поверхности для пикселя на каждый момент съемки. Первый полезен для картографирования геофизических процессов, которые постоянно протекают во времени, например, нарастания напряжения в замкнутой зоне разлома земной коры. Последнее полезно для обнаружения геофизических процессов, которые значительно изменяются во времени и могут вызывать колебания направления движения поверхности, например, раздувание и сдувание магматического очага под действующим вулканом.

Figure 3: Three images of the same area are shown for the dates 28 June 2006, 19 May 2008 and 19 April 2010. In the first image the entire region shows close to zero displacement. In the two subsequent images, two anomalous zones approximately 1 km across have an increased displacement, with greater magnitude for the most recent image. The maximum positive displacement is between 100-120 mm.

Рисунок 3: Временной ряд InSAR, показывающий совокупное смещение поверхности с течением времени для небольшого региона на юге угольных месторождений Нового Южного Уэльса. Одномерные данные о смещении находятся в зоне прямой видимости спутника; наклонная траектория между позициями земли и спутника. Положительная полярность сигнала в двух аномальных зонах указывает на удаление от спутника (т.е. оседание).

Контактная информация