فرهنگ و تاريخ | سرگرمي | نيازمنديها | مذهبي | اقتصادي | خانواده و اجتماع | هنر | اخبار | ورزش | کامپيوتر | گردشگري | صنعت و دانشگاه | صفحه اصلي

صفحه اول بخش معدن
دانشگاه ها و اساتيد معدن
آموزش علوم رشته معدن
آموزش نرم افزارهاي معدني
معرفي معادن سراسر دنيا
مراکز تحقيقاتي بخش معدن
آشنايي با تجهيزات معدني
بانک مقالات رشته معدن

معرفي متخصصين معدني

پروژه هاي تحقيقاتي معدن

رده بندي سايتهاي معدني
پايان نامه هاي دانشجويي
نشريات و کتابهاي معدني
معرفي شرکتهاي معدني
گالري عکسهاي معدني
 
 

عنوان: اصول تداخل سنجي رادار InSAR
نويسنده: علي اکبر متکان، فيروزآبادي، عاشورلو، داداشي خانقاه              ايميل: gis1387@gmail.com

منبع اطلاعاتي: mehdigis.blogfa.com  post-193            تاريخ نگارش: 09/04/1390

عکس
 

 

گالري تصاوير

 

- - - -

   
 
 

از اوايل دهه 1990 تداخل سنجي رادار دهانه ترکيبي (synthetic aperture radar interferometry) به عنوان ابزاري کارامد در مطالعه کليه پديده هايي که سبب تغيير سطح زمين مي شوند مطرح شده و مورد استفاده قرار گرفته است. نمونه هايي از اين کاربري در مطالعه چندين زمينلرزه از ايران زمين قابل ذکر است. اساس کار اين روش استفاده از اطلاعات فاز رادار بازتابي از زمين است به نحويکه تغييرات ايجاد شده در سطح زمين سبب اختلاف فاز در دو تصوير رادار از دو زمان مختلف از منطقه اي مشابه مي شوند که با بررسي اين اختلاف فاز و مدلسازي آن، تغييرات سطح زمين قابل کمي سازي مي باشند. در اين مقاله ضمن معرفي اصول اوليه رادار دهانه ترکيبي و تداخل سنجي آن، کاربردهاي اين فناوري در مباحث مختلف علوم زمين از جمله مطالعه زمينلرزه، آتشفشان، زمينلغزش، فرونشست، تغييرات يخچالها و کلاهک هاي يخي، جنگلداري، آب و هوا و غيره خاطرنشان شده است. ماهواره هاي موجود و در حال ساخت که اطلاعات لازم را عرضه مي کنند معرفي شده اند. با توجه به نقش اين فناوري در مطالعه بلاياي طبيعي و ديگر پديده هاي سطح زمين؛ برنامه ريزي براي کسب دانش لازم و بررسي امکان ساخت ماهواره اي ملي با قابليت هاي لازم پيشنهاد شده است.

 

◄   مقدمه:
تداخل سنجي رادار دهانه ترکيبي يا InSAR يک فناوري دورسنجي است كه به منظور مطالعة حركات سطح زمين در زمينلرزة 1992 لندرز كاليفرنيا ابداع شد. InSAR برگرفته از Synthetic Aperture Radar Interferometry است که پس از اين در اين نوشتار با InSAR مطرح مي شود. در اين فناوري، با استفاده از تلفيق داده هاي بدست آمده از سيستم هاي تصويربرداري رادار، نصب شده بر سكوهاي ماهواره اي يا هواپيمايي، حركت، ارتفاع و تغييرات سطح زمين نقشه برداري مي شوند. اساس کار در اندازه گيري حركات سطح زمين استفاده از تصاوير تكراري رادار است. تصويري كه از يك منطقه در يك زمان مشخص برداشت مي شود (زمان مرجع) با تصوير كه در زمان ديگر توسط همان سنجنده رادار برداشت مي شود، تلفيق مي شود.
با اين فناوري مي توان حركات و تغييرات ناشي از پديده هايي مانند زمينلرزه، آتشفشان، يخچالها، زمينلغزش و دياپيرهاي نمكي و يا پديده هاي نامنظم مانند خروج آبهاي زيرزميني و نفت، آبگيري مزارع و انفجارات زيرزميني را مطالعه نمود. علاوه بر اين پديده هاي سطحي مانند آتش سوزي، سيلاب، تغييرات رطوبت و رشد گياهان نيز قابل تشخيص اند. بنابراين كاربردهاي آن شامل بررسي و شناسايي خطرات طبيعي و بشري و كمي سازي رابطه بشر با منابع طبيعي است. اولين کاربري InSAR براي مطالعه حركات سطح زمين توسط Gabriel et al. (1989) انجام شد. آنها با استفاده از تصاوير ماهواره SEASAT برپايي زمين را در اثر آبدهي انتخابي زمينهاي ايمپريال ولي کاليفرنيا مطالعه كردند. با اينحال تا زمان انتشار نقشة دقيق جابجايي زمين در اثر زمينلرزة 1992 لندرز كاليفرنيا و حركات يخي داخل رودخانة يخي روتفرد ، سودمندي اين روش به عنوان يك ابزار ژئودزي براي جامعة علوم زمين شناخته نشده بود. Goldstein et al. (1993) سرعت جريان رودخانه هاي يخي قطب جنوب را با استفاده از تصاوير ERS-1، که با فاصلة شش روز برداشت شده بود، مطالعه كرد. اين اولين باري بود كه سرعت جريانهاي يخي بطور مستقيم از فضا و بدون استفاده از نقاط كنترل زميني اندازه گيري مي شد. Massonet et al. (1994) جابجايي همزمان با زمينلرزة لندرز را با استفادة از تصاوير ERS-1، كه با چند ماه اختلاف تهيه شده بودند محاسبه كردند. اين اولين تصوير كاملي بود كه از تغيير شكل حين زمينلرزه بدست آمده بود.
Massonet et al. (1995) تغيير شكل سطحي كوه آتشفشاني اتنا را با InSAR محاسبه كردند. از آنجا كه تغييرات سطحي مي تواند از فوران هاي آينده يك آتشفشان فعال خبر دهد، توانايي اندازه گيري اين تغييرات از فضا بدون كنترل زميني، پيشرفتي اساسي در قابليت هاي فرانگري محسوب مي شود. اين مطالعات اوليه، انگيزة فراواني را در بين جامعه علوم زمين براي بررسي و تکميل جبنه هاي مختلف اين فناوري ايجاد كرد. از آن زمان تا بحال كارهاي متعددي با استفاده از تصاوير ماهواره هايJERS, ERS, Space Shuttle, SIR-C, X-SAR و RADARSAT براي مطالعة زمينلرزه، آتشفشان، يخچالها، زمينلغزش و فرونشيني زمين و تغييرشكل مرز ورقه ها صورت گرفته است. با توجه به کاربردهاي اين فناوري و با توجه به اينکه هيچ يک از ماهواره هاي قبلي به اين روش اختصاص نداشتند، ماهواره هايي جديدتر و اختصاصي طراحي و به فضا فرستاده شده و خواهند شد. جدول 1 فهرست ماهواره هاي موجود و طراحي شده که از داده هاي آنها در اين فناوري استفاده مي شود را نشان مي کند.
از تداخل سنجي SAR، مي توان براي توليد نقشه هاي توپوگرافي با تفكيك بالا استفاده كرد. براين اساس، ناسا با پرتاب ماهواره TOPOSAR به فضا، از اين روش براي تهيه نقشه توپوگرافي رقومي جهان با تفكيك افقي 30 متر و دقت ارتفاعي در حد چندين متر استفاده نموده که تهيه اين نقشه چندي پيش پايان يافته است. امروزه تعيين تغييرات بسيار كوچك در سطح زمين و يخچالها طي دوره هاي روزانه تا ساليانه در مقياس جهاني و با دقت در حد ميلي متر بدون تاثيرپذيري از شرايط آب و هوايي و يا شب و روز امكان پذير است. البته هنوز تحقيقات براي بهبود بخشيدن اين فناوري ادامه دارد. با اين مقدمه چگونگي عملکرد و تشکيل تصاوير SAR را مورد بررسي قرار مي دهيم.

◄   چگونگي تصويربرداري در سيستم هاي SAR
براي آشنايي کلي با عملکرد InSAR لازم است قبل از آن رادار دهانه ترکيب (SAR) معرفي شود. در تصويربرداري توسط سنجنده هاي ماهواره اي دو سيستم کلي وجود دارد: سيستم فعال و سيستم غيرفعال. در سيستم فعال نخست سنجنده امواج را به سطح زمين مي تاباند، سپس بازيافت آن را دريافت مي کند. در سيستم غيرفعال سنجنده امواجي را ارسال نمي کند. بلکه تنها امواج موجود در محيط (معمولا امواج خورشيد) که توسط زمين بازتاب مي شود را دريافت مي کنند. برخلاف سيستم هاي تصويربرداري نوري غيرفعال كه به امواج خورشيد وابسته اند، تصويرسازي رادار يك سيستم پرتوافشاني فعال است. جهت پرتوافشاني نسبت به جريان حركت وسيله به سمت مقابل توجه دارد. درخشندگي (دامنه A) امواج رادار بازتابي كه از يك آنتن نصب شده بر روي هواپيما يا فضاييما گسيل شده است و توسط سطح زمين برگردانده شده و در كسري از ثانيه توسط آنتن مشابه اي دريافت شده، اندازه گيري شده و ثبت مي شود تا تصوير ساخته شود.
سيستم فضابرد يا هوابرد SAR يک الگوي جانب نگر دارد که در شکل 1 نمايش داده شده است. به دليل شکل آنتن که در يک لحظه همانند يک نقطه عمل مي کند، بازتابش از زمين محدود به منطقه اي است که به آن فوت پرينت آنتن گفته مي شود. همچنان که سيستم SAR با سرعت V در راستاي مسير فرضي و در ارتفاع H از سطح زمين حرکت مي کند، پهنه اي از زمين را از طريق ارسال و دريافت يک سري پالس هاي ميکروويو تصويربرداري مي کند که نرخ اين پالس ها را فرکانس تکرار پالس (PRF) گويند.


شکل1- هندسه سيستم SAR در يک رادار که از سمت چپ مينگرد. پارامترهاي شکل در متن توضيح داده شده اند. فوت پرينت آنتن به اندازه  بيم آنتن روي زمين اطلاق مي شود. عرض swath اندازه فوت پرينت آنتن روي زمين درجه
 

جدول1- فهرست ماهواره هاي موجود و در دست طراحي داراي سنجنده SAR

 

دريافت کننده SAR به وضوح جريان بازگشتي از زمين را ثبت مي کند و آنها را به اکوهاي مجزا تقسيم مي کند به نحويکه هر اکو با يک پالس مطابقت داشته باشد. اکو يا امواج بازگشتي در اثر پراکنده سازها ايجاد مي شوند. سطح زمين از پراکنده سازها که در واقع همان اشياء و اجسام هستند، تشکيل شده است مثل درختان، زمين، يخ که اين اشياء با امواج راديويي گسيل شده از ماهواره واکنش نشان مي دهند.
از آنجا که در سيستم SAR تابش و دريافت سيگنال در مکان تقريبا يکساني از فضا صورت مي گيرد، واکنش هايي که در هندسه SAR اهميت دارند، انعکاس هاي امواج تابيده شده رادار است. اين نوع اندرکنش، پراکندگي برگشتي ناميده مي شود و پراکنده سازهاي عمل کننده را پراکنده ساز برگشتي گويند. يک پراکنده ساز خوب ميزان انرژي بيشتري را نسبت به انواع پراکنده سازهاي ضعيف يا غيرموثر منعکس مي سازد. سيگنال ارسالي و اکو دريافت شده از يک پراکنده ساز مشخص، پيچيده است و از دو مولفه دامنه و فاز تشکيل شده است. دامنه اکو از بازده پراکنده ساز و عوامل هندسي سيستم تعيين مي شود. در واکنش ساده پراکنده سازي، فاز اکو از فاز سيگنال ارسالي، خواص دي الکتريک محيط و مکان پراکنده ساز نسبت به SAR تعيين مي شود.
در سيستم SAR دو سازوکار متفاوت تصويربرداري بکار برده مي شود. نخست هر پالس تابيده شده، سطح زمين را به عرض Swath جاروب مي کند. در اين حالت در راستاي عمود بر مسير پروازه ماهواره زمين انرژي را به رادار منعکس مي کند. چون زمين از گسترة پيوسته اي از پراکنده سازها شکل يافته، انرژي منعکس شده به صورت اکو پيوسته است. اين اکو همزمان با فرکانس نمونه fs رقومي مي شود. در همين حال در سازوکار دوم، تصويربرداري سين در راستاي پرواز و بردار سرعت حرکت سکو (ماهواره) بوده و با PRF رقومي مي شود. مقياس زماني دو سازوکار across-track و along-track تفاوت بسيار آشکاري داشته که تفکيک آنها را امکان پذير مي کند.
داده هاي خام SAR و متعاقب آن داده هاي تصحيح شده SAR به صورت ماتريس دو بعدي هستند که مختصات آن شامل رنج (range) R، فاصله از SAR و آزيموت X نمايندة مکان پراکنده ساز در مسير سنجنده است (شکل 1). براي مولفه رنج در راستاي Y از نام رنج زميني استفاده مي شود. اجزاي دوبعدي ماتريس، يک پيکس يا جزء تصوير را شکل مي دهند. درباره داده هاي خام SAR، به هر پيکسل مقادير پيچيده اي نسبت داده مي شود که از فاز و دامنه و يا مولفه هاي واقعي و يا تصويري، براساس نوع بيان، تشکيل يافته است (Hoen, 2001).
 

◄   تصويرسازي SAR
تفکيک در راستاهاي رنج و آزيموت تصوير خام رادار ضعيف است و به طور کلي داده هاي پردازش نشده SAR به نويز شبيه اند. تفکيک رنج پردازش نشده، Rr، با مدت زمان پالس گسيل شده، tp و سرعت نور C بدست مي آيد.
تفکيک در راستاي رنج براي داده هاي پردازش نشده سنجنده ERS در حدود 5 کيلومتر است. تفکيک آزيموتي پردازش نشده از اندازه فوت پرينت آنتن بدست مي آيد.
که La طول آنتن به موازا مسير پرواز و l طول موج است. مقدار شاخص La در رادار فضابرد 10 متر است که ميزان تفکيک آزيموتي پردازش نشده را حدود 5 کيلومتر بدست مي دهد. بنابراين با فنون پردازش سيگنال تفکيک تصوير بهبود يافته به چند متر افزايش مي يابد.
گستردگي فرکانس ها در هر پالس ايجاد شده براي عرض باند بزرگتر، پالس تک رنگ با تداوم مشابه خواهد بود. سپس اکو بازگشتي با روش match-filtered فيلترگذاري مي شود. اين بدين معناست که بر الگوي معکوس زمان پالس گسيل شده تاثير مي گذارد. با اين فيلترگذاري تفکيک در راستاي رنج برابر است با:
BW عرض باند، در تصوير ERS تفکيک در راستاي رنج با اين روش به 10 متر کاهش مي يابد. فيلترگذاري مشابه اي در راستاي آزيموت نيز استفاده مي شود با اين تفاوت که در اين حالت گستردگي فرکانس از درهم کنش امواج راديويي زميني (پديده دوپلر) حاصل مي شود تا از گسيل کننده.
اکوهاي بازگشتي از زمين در جلوي سنجنده در حال حرکت با فرکانس هاي بالاتري از آنهايي که در عقب سنجنده قرار گرفته اند؛ حرکت مي کنند. اين اثر دوپلر در اصل ناشي از حرکت است و فنون match-filtering مشابه که براي رنج استفاده مي شود را مي توان براي آزيموت نيز بکار برد تا تفکيک آن به چند متر کاهش يابد. مي توان اين بهبود حاصل شده در تفکيک آزيموتي را معادل افزايش دهانه رادار دانست. چون همانطور که در شکل1 نمايش داده شده است فوت پرينت آنتن بزرگتر از فاصله پيموده شده رادار بين پالس ها بوده، و يک پراکنده ساز منفرد مانند سنگ يا درخت، در يک توالي مکاني در طول مسير پرواز رادار ثبت مي شود که در شکل 2 نمايش داده شده است. با ذخيره سازي صحيح تاريخچه فازها براي هر پراکنده ساز مي توانيم دهانه اي مجازي با تلفيق اکوهاي منطقي از پالس هاي فراوان ايجاد کنيم. اين مدلي از سيستم آنتن Phased array است که در اين حالت هر عنصر از دسته معادل سيستم SAR در يک لحظه از زمان است (Hoen, 2001).

 

شکل 2- دهانه ترکيب با تلفيق منطقي اکوها از مکانهاي مختلف. دهانهاي مجازي بسيار بزرگتر از اندازه فيزيکي آنتن شکل ميگيرد (Hoen, 2001).


◄   تداخل سنجي Across-track
همانطور که در بخشهاي قبل بيان شد، آخرين محصول پردازش SAR يک تصوير پيچيده با تفکيک آزيموتي و رنج در حدود چند متر تا ده ها متر است. با استفاده از دو تصوير SAR يک تداخل نما تهيه مي شود، بدين معنا که فاز پيکسل هاي متناظر با هم تداخل داده مي شوند. مشهورترين روش مورد استفاده تداخل سنجي، رادار تداخل سنج across-track است که در آن مکان عرضي مسير تا حدي متفاوت است. اين نوع تداخل سنجي بيشترين کاربرد را در تهيه مدلهاي ارتفاعي زمين دارد.
دو آنتن A1 و A2 مورد استفاده در اين روش در شکل 3 نمايش داده شده است که در آن راستاي پرواز به سمت خارج از صفحه است. در الگوي تک - مسير آنتن ها همزمان، به صورت فيزيکي با يکديگر متصل شده اند که نمونه اين حالت در سنجنده هاي TOPSAR و SRTM وجود دارد.

شکل 3- هندسه نگاه تداخل سنجي SAR، در اينجا دو آنتن تداخل سنجي A1 و A2 وجود دارند. متغير z ارتفاع سطح از يک سطح مبناي محلي است. طول خط مبناي عمود B^ حساسيت تداخل سنج به اندازهگيري z را نشان ميدهد

 ادامه......

 

( براي دريافت متن کامل اين مقاله بر روي گزينه زير کليک راست کرده و گزينه  Save Target As را انتخاب کنيد)

 

 

◄   نويسنده گان:
      +   علي اکبر متکان - استاديار گروه سنجش از دور و GIS ، دانشگاه شهيد بهشتي
      +   پرويز ضيائيان فيروزآبادي - استاديار گروه جغرافيا، دانشگاه تربيت معلم
      +   داود عاشورلو - مربي گروه سنجش از دور و GIS ، دانشگاه شهيدبهشتي
      +   سپيده داداشي خانقاه - دانشجوي کارشناسي ارشد سنجش از دور و GIS، دانشگاه شهيد بهشتي
 

 

 

 

 

گروه علمي فدک

کليه مطالب ارسالي با نام اشخاص و ذکر منبع در اين سايت درج مي شود

راهنما  |  آمار سايت  |  درباره ما  |  تماس با ما  |  نظر خواهي  | آرشيو  |  عضويت در سايت