از اوایل دهه 1990 تداخل سنجی رادار دهانه ترکیبی (synthetic aperture radar interferometry) به عنوان ابزاری کارامد در مطالعه کلیه پدیده هایی که سبب تغییر سطح زمین می شوند مطرح شده و مورد استفاده قرار گرفته است. نمونه هایی از این کاربری در مطالعه چندین زمینلرزه از ایران زمین قابل ذکر است. اساس کار این روش استفاده از اطلاعات فاز رادار بازتابی از زمین است به نحویکه تغییرات ایجاد شده در سطح زمین سبب اختلاف فاز در دو تصویر رادار از دو زمان مختلف از منطقه ای مشابه می شوند که با بررسی این اختلاف فاز و مدلسازی آن، تغییرات سطح زمین قابل کمی سازی می باشند. در این مقاله ضمن معرفی اصول اولیه رادار دهانه ترکیبی و تداخل سنجی آن، کاربردهای این فناوری در مباحث مختلف علوم زمین از جمله مطالعه زمینلرزه، آتشفشان، زمینلغزش، فرونشست، تغییرات یخچالها و کلاهک های یخی، جنگلداری، آب و هوا و غیره خاطرنشان شده است. ماهواره های موجود و در حال ساخت که اطلاعات لازم را عرضه می کنند معرفی شده اند. با توجه به نقش این فناوری در مطالعه بلایای طبیعی و دیگر پدیده های سطح زمین؛ برنامه ریزی برای کسب دانش لازم و بررسی امکان ساخت ماهواره ای ملی با قابلیت های لازم پیشنهاد شده است.


 

  مقدمه
   تداخل سنجی رادار دهانه ترکیبی یا InSAR یک فناوری دورسنجی است که به منظور مطالعة حرکات سطح زمین در زمینلرزة 1992 لندرز کالیفرنیا ابداع شد. InSAR برگرفته از Synthetic Aperture Radar Interferometry است که پس از این در این نوشتار با InSAR مطرح می شود. در این فناوری، با استفاده از تلفیق داده های بدست آمده از سیستم های تصویربرداری رادار، نصب شده بر سکوهای ماهواره ای یا هواپیمایی، حرکت، ارتفاع و تغییرات سطح زمین نقشه برداری می شوند. اساس کار در اندازه گیری حرکات سطح زمین استفاده از تصاویر تکراری رادار است. تصویری که از یک منطقه در یک زمان مشخص برداشت می شود (زمان مرجع) با تصویر که در زمان دیگر توسط همان سنجنده رادار برداشت می شود، تلفیق می شود.
   با این فناوری می توان حرکات و تغییرات ناشی از پدیده هایی مانند زمینلرزه، آتشفشان، یخچالها، زمینلغزش و دیاپیرهای نمکی و یا پدیده های نامنظم مانند خروج آبهای زیرزمینی و نفت، آبگیری مزارع و انفجارات زیرزمینی را مطالعه نمود. علاوه بر این پدیده های سطحی مانند آتش سوزی، سیلاب، تغییرات رطوبت و رشد گیاهان نیز قابل تشخیص اند. بنابراین کاربردهای آن شامل بررسی و شناسایی خطرات طبیعی و بشری و کمی سازی رابطه بشر با منابع طبیعی است. اولین کاربری InSAR برای مطالعه حرکات سطح زمین توسط Gabriel et al. (1989) انجام شد. آنها با استفاده از تصاویر ماهواره SEASAT برپایی زمین را در اثر آبدهی انتخابی زمینهای ایمپریال ولی کالیفرنیا مطالعه کردند. با اینحال تا زمان انتشار نقشة دقیق جابجایی زمین در اثر زمینلرزة 1992 لندرز کالیفرنیا و حرکات یخی داخل رودخانة یخی روتفرد ، سودمندی این روش به عنوان یک ابزار ژئودزی برای جامعة علوم زمین شناخته نشده بود. Goldstein et al. (1993) سرعت جریان رودخانه های یخی قطب جنوب را با استفاده از تصاویر ERS-1، که با فاصلة شش روز برداشت شده بود، مطالعه کرد. این اولین باری بود که سرعت جریانهای یخی بطور مستقیم از فضا و بدون استفاده از نقاط کنترل زمینی اندازه گیری می شد. Massonet et al. (1994) جابجایی همزمان با زمینلرزة لندرز را با استفادة از تصاویر ERS-1، که با چند ماه اختلاف تهیه شده بودند محاسبه کردند. این اولین تصویر کاملی بود که از تغییر شکل حین زمینلرزه بدست آمده بود.
   Massonet et al. (1995) تغییر شکل سطحی کوه آتشفشانی اتنا را با InSAR محاسبه کردند. از آنجا که تغییرات سطحی می تواند از فوران های آینده یک آتشفشان فعال خبر دهد، توانایی اندازه گیری این تغییرات از فضا بدون کنترل زمینی، پیشرفتی اساسی در قابلیت های فرانگری محسوب می شود. این مطالعات اولیه، انگیزة فراوانی را در بین جامعه علوم زمین برای بررسی و تکمیل جبنه های مختلف این فناوری ایجاد کرد. از آن زمان تا بحال کارهای متعددی با استفاده از تصاویر ماهواره هایJERS, ERS, Space Shuttle, SIR-C, X-SAR و RADARSAT برای مطالعة زمینلرزه، آتشفشان، یخچالها، زمینلغزش و فرونشینی زمین و تغییرشکل مرز ورقه ها صورت گرفته است. با توجه به کاربردهای این فناوری و با توجه به اینکه هیچ یک از ماهواره های قبلی به این روش اختصاص نداشتند، ماهواره هایی جدیدتر و اختصاصی طراحی و به فضا فرستاده شده و خواهند شد. جدول 1 فهرست ماهواره های موجود و طراحی شده که از داده های آنها در این فناوری استفاده می شود را نشان می کند.
  

 از تداخل سنجی SAR، می توان برای تولید نقشه های توپوگرافی با تفکیک بالا استفاده کرد. براین اساس، ناسا با پرتاب ماهواره TOPOSAR به فضا، از این روش برای تهیه نقشه توپوگرافی رقومی جهان با تفکیک افقی 30 متر و دقت ارتفاعی در حد چندین متر استفاده نموده که تهیه این نقشه چندی پیش پایان یافته است. امروزه تعیین تغییرات بسیار کوچک در سطح زمین و یخچالها طی دوره های روزانه تا سالیانه در مقیاس جهانی و با دقت در حد میلی متر بدون تاثیرپذیری از شرایط آب و هوایی و یا شب و روز امکان پذیر است. البته هنوز تحقیقات برای بهبود بخشیدن این فناوری ادامه دارد. با این مقدمه چگونگی عملکرد و تشکیل تصاویر SAR را مورد بررسی قرار می دهیم.
  
   چگونگی تصویربرداری در سیستم های SAR
   برای آشنایی کلی با عملکرد InSAR لازم است قبل از آن رادار دهانه ترکیب (SAR) معرفی شود. در تصویربرداری توسط سنجنده های ماهواره ای دو سیستم کلی وجود دارد: سیستم فعال و سیستم غیرفعال. در سیستم فعال نخست سنجنده امواج را به سطح زمین می تاباند، سپس بازیافت آن را دریافت می کند. در سیستم غیرفعال سنجنده امواجی را ارسال نمی کند. بلکه تنها امواج موجود در محیط (معمولا امواج خورشید) که توسط زمین بازتاب می شود را دریافت می کنند. برخلاف سیستم های تصویربرداری نوری غیرفعال که به امواج خورشید وابسته اند، تصویرسازی رادار یک سیستم پرتوافشانی فعال است. جهت پرتوافشانی نسبت به جریان حرکت وسیله به سمت مقابل توجه دارد. درخشندگی (دامنه A) امواج رادار بازتابی که از یک آنتن نصب شده بر روی هواپیما یا فضاییما گسیل شده است و توسط سطح زمین برگردانده شده و در کسری از ثانیه توسط آنتن مشابه ای دریافت شده، اندازه گیری شده و ثبت می شود تا تصویر ساخته شود.
   سیستم فضابرد یا هوابرد SAR یک الگوی جانب نگر دارد که در شکل 1 نمایش داده شده است. به دلیل شکل آنتن که در یک لحظه همانند یک نقطه عمل می کند، بازتابش از زمین محدود به منطقه ای است که به آن فوت پرینت آنتن گفته می شود. همچنان که سیستم SAR با سرعت V در راستای مسیر فرضی و در ارتفاع H از سطح زمین حرکت می کند، پهنه ای از زمین را از طریق ارسال و دریافت یک سری پالس های میکروویو تصویربرداری می کند که نرخ این پالس ها را فرکانس تکرار پالس (PRF) گویند.
  

 

شکل1- هندسه سیستم SAR در یک رادار که از سمت چپ مینگرد. پارامترهای شکل در متن توضیح داده شده اند. فوت پرینت آنتن به اندازه بیم آنتن روی زمین اطلاق می شود. عرض swath اندازه فوت پرینت آنتن روی زمین در جه

 

جدول1- فهرست ماهواره های موجود و در دست طراحی دارای سنجنده SAR

 

  دریافت کننده SAR به وضوح جریان بازگشتی از زمین را ثبت می کند و آنها را به اکوهای مجزا تقسیم می کند به نحویکه هر اکو با یک پالس مطابقت داشته باشد. اکو یا امواج بازگشتی در اثر پراکنده سازها ایجاد می شوند. سطح زمین از پراکنده سازها که در واقع همان اشیاء و اجسام هستند، تشکیل شده است مثل درختان، زمین، یخ که این اشیاء با امواج رادیویی گسیل شده از ماهواره واکنش نشان می دهند.
   از آنجا که در سیستم SAR تابش و دریافت سیگنال در مکان تقریبا یکسانی از فضا صورت می گیرد، واکنش هایی که در هندسه SAR اهمیت دارند، انعکاس های امواج تابیده شده رادار است. این نوع اندرکنش، پراکندگی برگشتی نامیده می شود و پراکنده سازهای عمل کننده را پراکنده ساز برگشتی گویند. یک پراکنده ساز خوب میزان انرژی بیشتری را نسبت به انواع پراکنده سازهای ضعیف یا غیرموثر منعکس می سازد. سیگنال ارسالی و اکو دریافت شده از یک پراکنده ساز مشخص، پیچیده است و از دو مولفه دامنه و فاز تشکیل شده است. دامنه اکو از بازده پراکنده ساز و عوامل هندسی سیستم تعیین می شود. در واکنش ساده پراکنده سازی، فاز اکو از فاز سیگنال ارسالی، خواص دی الکتریک محیط و مکان پراکنده ساز نسبت به SAR تعیین می شود.
   در سیستم SAR دو سازوکار متفاوت تصویربرداری بکار برده می شود. نخست هر پالس تابیده شده، سطح زمین را به عرض Swath جاروب می کند. در این حالت در راستای عمود بر مسیر پروازه ماهواره زمین انرژی را به رادار منعکس می کند. چون زمین از گسترة پیوسته ای از پراکنده سازها شکل یافته، انرژی منعکس شده به صورت اکو پیوسته است. این اکو همزمان با فرکانس نمونه fs رقومی می شود. در همین حال در سازوکار دوم، تصویربرداری سین در راستای پرواز و بردار سرعت حرکت سکو (ماهواره) بوده و با PRF رقومی می شود. مقیاس زمانی دو سازوکار across-track و along-track تفاوت بسیار آشکاری داشته که تفکیک آنها را امکان پذیر می کند.
   داده های خام SAR و متعاقب آن داده های تصحیح شده SAR به صورت ماتریس دو بعدی هستند که مختصات آن شامل رنج (range) R، فاصله از SAR و آزیموت X نمایندة مکان پراکنده ساز در مسیر سنجنده است (شکل 1). برای مولفه رنج در راستای Y از نام رنج زمینی استفاده می شود. اجزای دوبعدی ماتریس، یک پیکس یا جزء تصویر را شکل می دهند. درباره داده های خام SAR، به هر پیکسل مقادیر پیچیده ای نسبت داده می شود که از فاز و دامنه و یا مولفه های واقعی و یا تصویری، براساس نوع بیان، تشکیل یافته است (Hoen, 2001).

 

 

 

تصویرسازی SAR
   تفکیک در راستاهای رنج و آزیموت تصویر خام رادار ضعیف است و به طور کلی داده های پردازش نشده SAR به نویز شبیه اند. تفکیک رنج پردازش نشده، Rr، با مدت زمان پالس گسیل شده، tp و سرعت نور C بدست می آید.
  
   تفکیک در راستای رنج برای داده های پردازش نشده سنجنده ERS در حدود 5 کیلومتر است. تفکیک آزیموتی پردازش نشده از اندازه فوت پرینت آنتن بدست می آید.
  
   که La طول آنتن به موازا مسیر پرواز و l طول موج است. مقدار شاخص La در رادار فضابرد 10 متر است که میزان تفکیک آزیموتی پردازش نشده را حدود 5 کیلومتر بدست می دهد. بنابراین با فنون پردازش سیگنال تفکیک تصویر بهبود یافته به چند متر افزایش می یابد.
   گستردگی فرکانس ها در هر پالس ایجاد شده برای عرض باند بزرگتر، پالس تک رنگ با تداوم مشابه خواهد بود. سپس اکو بازگشتی با روش match-filtered فیلترگذاری می شود. این بدین معناست که بر الگوی معکوس زمان پالس گسیل شده تاثیر می گذارد. با این فیلترگذاری تفکیک در راستای رنج برابر است با:
  
  
   BW عرض باند، در تصویر ERS تفکیک در راستای رنج با این روش به 10 متر کاهش می یابد. فیلترگذاری مشابه ای در راستای آزیموت نیز استفاده می شود با این تفاوت که در این حالت گستردگی فرکانس از درهم کنش امواج رادیویی زمینی (پدیده دوپلر) حاصل می شود تا از گسیل کننده.
   اکوهای بازگشتی از زمین در جلوی سنجنده در حال حرکت با فرکانس های بالاتری از آنهایی که در عقب سنجنده قرار گرفته اند؛ حرکت می کنند. این اثر دوپلر در اصل ناشی از حرکت است و فنون match-filtering مشابه که برای رنج استفاده می شود را می توان برای آزیموت نیز بکار برد تا تفکیک آن به چند متر کاهش یابد. می توان این بهبود حاصل شده در تفکیک آزیموتی را معادل افزایش دهانه رادار دانست. چون همانطور که در شکل1 نمایش داده شده است فوت پرینت آنتن بزرگتر از فاصله پیموده شده رادار بین پالس ها بوده، و یک پراکنده ساز منفرد مانند سنگ یا درخت، در یک توالی مکانی در طول مسیر پرواز رادار ثبت می شود که در شکل 2 نمایش داده شده است. با ذخیره سازی صحیح تاریخچه فازها برای هر پراکنده ساز می توانیم دهانه ای مجازی با تلفیق اکوهای منطقی از پالس های فراوان ایجاد کنیم. این مدلی از سیستم آنتن Phased array است که در این حالت هر عنصر از دسته معادل سیستم SAR در یک لحظه از زمان است (Hoen, 2001).
  

شکل 2- دهانه ترکیب با تلفیق منطقی اکوها از مکانهای مختلف. دهانهای مجازی بسیار بزرگتر از اندازه فیزیکی آنتن شکل میگیرد (Hoen, 2001).

 تداخل سنجی Across-track
   همانطور که در بخشهای قبل بیان شد، آخرین محصول پردازش SAR یک تصویر پیچیده با تفکیک آزیموتی و رنج در حدود چند متر تا ده ها متر است. با استفاده از دو تصویر SAR یک تداخل نما تهیه می شود، بدین معنا که فاز پیکسل های متناظر با هم تداخل داده می شوند. مشهورترین روش مورد استفاده تداخل سنجی، رادار تداخل سنج across-track است که در آن مکان عرضی مسیر تا حدی متفاوت است. این نوع تداخل سنجی بیشترین کاربرد را در تهیه مدلهای ارتفاعی زمین دارد.
   دو آنتن A1 و A2 مورد استفاده در این روش در شکل 3 نمایش داده شده است که در آن راستای پرواز به سمت خارج از صفحه است. در الگوی تک - مسیر آنتن ها همزمان، به صورت فیزیکی با یکدیگر متصل شده اند که نمونه این حالت در سنجنده های TOPSAR و SRTM وجود دارد.

 

شکل 3- هندسه نگاه تداخل سنجی SAR، در اینجا دو آنتن تداخل سنجی A1 و A2 وجود دارند. متغیر z ارتفاع سطح از یک سطح مبنای محلی است. طول خط مبنای عمود B^ حساسیت تداخل سنج به اندازهگیری z را نشان میدهد

 


دوستان بازدیده کننده محترم برای دریافت رایگان و کامل مطلب به لینک دانلود فایل مراجعه نمایید.




برچسب ها : gis ،سنجش از دور ،دانلود ،تصاویر ماهواره ای
ارسال در تاريخ پنجشنبه ٩ تیر ،۱۳٩٠ توسط مهدی فرداد
نظرات شما ()