Interferomeetriline tehisavaradar

Interferomeetriline tehisavaradar (inglise keeles "Interferometric Synthetic Aperture Radar", lühendatult InSAR või IfSAR) on geodeesias ja kaugseires kasutatav radaritehnoloogia. SAR interferomeetrias genereeritakse vähemalt kahe tehisavaradari (SAR) kujutise abil maapinna deformatsiooni- või reljeefikaarte, kasutades vastuvõtjale naasvate elektromagnetlainete faasierinevusi. Interferomeetrilise tehisavaradari kasutamine võimaldab mõõta päevade kuni aastate jooksul toimuvaid sentimeetri suurusjärku jäävaid deformatsioone. Selle rakenduste hulka kuuluvad näiteks maavärinate, maalihete ja pinnase stabiilsuse seire.
Tööpõhimõte.
Tehisavaradar.
Tehisavaradar (inglise keeles "Synthetic Aperture Radar", lühendatult SAR) on radaritüüp, mille eripäraks on antenni ja uuritava piirkonna vahelise suhtelise liikumise kasutamine. Nii on võimalik saavutada kõrgem eraldusvõime kui tavalisel kiirtega skannival radaril. Tehisavaradar on aktiivne kaugseireinstrument – antenn saadab välja elektromagnetlained, need peegelduvad sihtmärgilt tagasi ning seejärel registreeritakse vastuvõtjas. SAR kujutise saamine ei sõltu valgusest, mistõttu saab seda kasutada ka öösel. Radar kasutab mikrolainete sagedusvahemikku jäävat elektromagnetkiirgust, mis neeldub atmosfääris väga vähe. Seega ei sega vaatlusi pilved.
Faas.
Enamik teisi SARi rakendusi kasutavad vaid tagasipeegelduva signaali tugevust, kuid SAR interferomeetrias kasutatakse ka faasiinfot. Radarist väljuva laine faas on teada ning võrreldav tagasi peegelduva signaali faasiga. Järelikult on faasi võimalik mõõta ja ta kannab infot. Tagasi tulnud signaali faas sõltub peegeldava objekti kaugusest. Teepikkus objektini koosneb mingist arvust tervetest lainepikkustest ning ühest lainepikkuse murdosast. Seda nimetatakse tagasi peegelduva laine faasierinevuseks. Kuna tervete lainepikkuste hulk ei ole mõõdetav, siis satelliidi ja objekti vaheline kogukaugus ei ole teada, kuid täiendav lainepikkuse murdosa on väga täpselt mõõdetav.
Lisaks objekti ja radari vahelisele kaugusele mõjutavad faasi reaalsuses mitmesugused tegurid, mistõttu on esialgse toore SAR kujutise faasiinfo näiliselt juhuslik. Faasiinfo kasutamiseks tuleb kujutist töödelda. Interferomeetrias kasutatakse kaht samast kohast sama ala kohta tehtud kujutist ja leitakse faasierinevus nende vahel. Tulemuseks on kujutis, mida nimetatakse interferogrammiks. Interferogrammi faasipilt näitab kahe lähtepildi faasierinevust, mis faasi tsüklilisuse tõttu kordub 2π järel. Lihtsama loetavuse huvides antakse faasipilt tavaliselt vikerkaarevärvides, kus igale faasi väärtusele vahemikus 0–2π vastab kindel spektrivärv ühtlasel gradiendil punasest violetseni.
Ühele faasierinevuse täistsüklile interferogrammil vastab poole lainepikkuse suurune maapinna deformatsioon, kuna edasi-tagasi läbitav teepikkus objekti ja radari vahel muutus terve lainepikkuse võrra. Faasimuutused on tõlgendatavad ainult teiste interferogrammi punktide kaudu. Absoluutne deformatsiooni ulatus on tuletatav stabiilse punkti põhjal interferogrammil või maapealsete geodeetiliste mõõtmiste (näiteks GPS) abil.
Teised faasi mõjutavad tegurid.
Kõige olulisem faasi mõjutav tegur on tagasihajumisprotsess ise. Laine faas võib sõltuvalt pinna omadustest tagasihajumisel muutuda. Iga piksli registreeritav faas on tegelikult erinevate signaalide summa, mida mõjutavad mitmed väikesed maapinna erisused, tulenevalt varieeruvatest dielektrilistest omadustest ja kaugusest satelliidini. Seega on tagasipeegelduv signaal näiliselt juhuslik ja ei korreleeru lähedalasuvate pikslitega. Siiski on signaal muutumatu, kui maapinnal miski ei muutu, kuna kõik objektid peaksid alati signaali sama moodi mõjutama, mis teeb need häired interferogrammilt eemaldatavaks.
Peale maapinna mõjude eemaldamist koosneb interferogrammi signaal peamiselt orbiidi mõjutustest. Interferomeetria toimimiseks peab satelliit iga kujutise tegemise ajal olema ruumiliselt piisavalt samas kohas. Erinevate orbiitidega erinevate satelliitide tehtud kujutised ei ole läbisegi kasutatavad. Praktikas on orbiitide omavaheline kaugus sageli teada paari sentimeetri täpsusega, kuid on kontrollitav suurusjärgus kümnest saja meetrini. See erinevus põhjustab reeglipärase faasimuutuse üle interferogrammi, mis on modelleeritav ja eemaldatav.
Väike erinevus satelliidi asukohas põhjustab muutusi ka reljeefist tingitud moonutustes. See tähendab, et stereoskoopiline efekt kutsub esile täiendava faasierinevuse. Mida suurem on satelliitide kaugus, seda väiksem on reaalne reljeefikõrgus, millele vastab üks faasimuutuse täisperiood. Selle seose abil on võimalik arvutada reljeefi kõrgust ja luua digitaalseid reljeefimudeleid.
Maapinna, orbiidi ja reljeefi mõjude eemaldamise järel sisaldab interferogramm allesjäänud müra ja deformatsioonisignaali. Deformatsioonisignaal interferogrammil esitab faasimuutust, mida põhjustab maapinna piksli kauguse muutumine satelliidist. Seega põhjustab vaadeldavaid faasierinevusi vaid maapinna liikumise komponent, mis on satelliidi vaatesuunaga paralleelne. Väikese langemisnurgaga sensorid, näiteks European Remote-sensing Satellite (ERS) registreerivad hästi vertikaalset liikumist, kuid on tundetud horisontaalsele liikumisele risti satelliidi vaatesuunaga (umbkaudu põhja-lõuna suund). See tähendab, et vertikaalne liikumine ja horisontaalse liikumise satelliidi vaatesuunaga paralleelne komponent (umbkaudu ida-lääne suund) ei ole eristatavad.
Andmed.
Varaseimad satelliidipõhised InSAR-i katsetused tehti Seasati andmetega 1980. aastatel. Tehnoloogia potentsiaal avardus 1990. aastatel ERS-1 (1991), JERS-1 (1992), RADARSAT-1 ja ERS-2 (1995) orbiidile saatmisega. 11-päevaline NASA STS-99 missioon (2002) kasutas kosmosesüstikule Space Shuttle kinnitatud SAR antenni, et koguda andmeid "Shuttle Radar Topography Mission"i (SRTM) jaoks. 2002. aastal käivitas Euroopa Kosmoseagentuur ERS satelliitide järglase ENVISAT ASAR-i.
Rakendused.
Tektoonika.
InSAR-i abil saab mõõta maapinna tektoonilist liikumist, näiteks maavärinate tekitatud deformatsioone. Esimest korda tehti seda 1992. aasta Landersi maavärina uurimisel, hiljem on meetod leidnud laialdast kasutamist kogu maailmas. Eriti põhjalikult uuriti 1999. aasta Izmiti ja 2003. aasta Bami maavärinaid . InSAR on kasutatav ka nõlvade aeglase vajumise ja murrangutel tekkivate pingete seirel.
Vulkanism.
InSAR on rakendatav paljude vulkaaniliste protsesside uurimisel, näiteks purskamisega seotud deformatsioon, magma ümberpaiknemisel tekkiv pursetevaheline pinge, vulkaani levimine raskusjõu mõjul ja vulkaanilis-tektooniline deformatsioon . Varaseimad InSAR-il põhinevad vulkanismi käsitlevad uurimused keskendusid Etna ja Kilauea uurimisele. Tänapäeval on tehnoloogia vulkaanilise deformatsiooni teaduslikus uurimises laialt kasutusel. InSAR-i kasutamisele operatiivseks seireks seavad piirangud näiteks orbiidi korduvuse ajad, arhiveeritud andmete puudus, koherentsuse kadu kujutiste paari suure ajavahe tõttu ja atmosfääri põhjustatud häired ). Hiljuti kasutati InSAR-i riftiprotsesside uurimisel Etioopias .
Maapinna vajumine.
InSAR-i abil on edukalt mõõdetud maapinna vajumist, mille põhjuseks on maa-alustest reservuaaridest nafta või vee pumpamine, maa-alune kaevandamine või vanade kaevanduste kokkuvarisemine. Võimalik on seirata ehitiste ja maastikuelementide stabiilsust.
Liustike liikumine.
InSAR-i on kasutatud liustike liikumise ja deformatsiooni mõõtmisel. Radariga tehtud liustiku struktuuri, jää voolamise ja dünaamika muutuste mõõtmised on kooskõlas maapealsete tööde andmetega .
Digitaalsed reljeefimudelid.
Interferogrammide abil saab luua digitaalseid reljeefimudeleid (inglise keeles "Digital Elevation Model"), kasutades stereoskoopilist efekti, mis tuleneb väikesest erinevusest kahe kujutise tegemise asukohtades. Stereoskoopilise efekti saavutamiseks on kaks võimalust: tekitada kaks kujutist mingi ajalise vahega, kasutades üht sensorit või kasutada kaht sensorit, mis on kinnitatud üksteisest eemale samale alusele. Kuna teisel juhul tehakse mõlemad kujutised üheaegselt, on tagatud, et ei esine atmosfääriolude muutusest või deformatsioonist tingitud faasihäireid.