بخشی از مقاله
استفاده از روش تداخل سنجی راداری در مطالعه زلزله بم و زلزله Izmit در ترکیه
چکیده
از آنجا که تصاویر راداری علاوه بر اندازه گیری شدت سیگنال، اطلاعات فاز را نیز با خود به همراه دارند، لذا می توان با استفاده از اطلاعات فاز و با روش تداخل سنجی (اینترفرومتری) راداری از آنها در مطالعات زمین لرزه استفاده کرد. در حالیکه در اغلب روشهای ژئودتیکی به اندازه گیریهای مکرر زمینی برای اندازه گیری جابه جایی پوسته زمین نیاز است، روش تداخل سنجی راداری در ضمن ارائه پوشش زمینی وسیع، نیاز به اندازه گیری های زمینی را مرتفع می سازد. در این مطالعه با روش تداخل سنجی راداری، مدل نشان دهنده تغییرات زمین دردو زلزله از میت (ترکیه) و بم (ایران) ایجاد و مورد بررسی قرار می گیرد. در این مطالعه از روش بکارگیری ۳ تصویر SAR برای تولید اینترفروگرام استفاده شده است. ابتدا از دو تصویر، اینترفرو گرامی که حاوی ترکیبی از توپوگرافی زمین و تغييرات زمین است، بدست آمده است. سپس با استفاده از دو تصویر که یکی از آنها با دو تصویر قبلی مشترک است، DEM منطقه ایجاد گردیده است. این تصویر DEM به فاز تبدیل گردیده و از تصویر اینترفروگرام قبلی کسر گردید. تصویر خروجی، اینترفروگرامی است که نشان دهنده صرفا تغییرات سطح زمین در اثر زلزله است. به منظور بررسی دقت نتایج، از شمارش تعداد فرينج ها در اینترفروگرامها و محاسبه مقدار جابجایی زمین استفاده شد که با گزارشات منتشر شده درباره مقدار جابجایی زمین در ازمیت و بم تطابق کامل دارد.
مقدمه
امروزه اغلب ماهواره های سنجش از دور در محدوده مرئی عمل میکنند و خورشید تامین کننده انرژی آنها است در حالیکه ماهواره های راداری خود تامین کننده انرژی خود بوده و به صورت فعال زمین را مورد تابش قرار داده و امواج بازگشتی را ضبط می کنند. بنابر این امکان تصویر برداری در شب با این تصاویر وجود دارد و ضمنا چون طول موج رادار (معمولا یک میلیمتر تا یک متر) حدود 100000 برابر بلندتر از طول موج امواج مرئی است امکان تصویر برداری در شرایط ابری نیز با این تصاویر وجود دارد.
با استفاده از داده های تداخل سنجی راداری می توان اطلاعات سه بعدی اشیاء را استخراج کرد. استفاده از این روش به سالهای 1960 بر می گردد جایی که ارتش آمریکا برای تهیه نقشه از استان دارین درپاناما با مقیاس 1:250000 از یک سیستم راداری هوایی و تداخل سنجی راداری استفاده کرد. اولین نتایج منتشر شده راجع به روش تداخل سنجی راداری مربوط به سطح ونوس و ماه است که توسط Regers وIngalls در سال 1969 ارائه شده است.
Graham در سال 1974 از این روش برای تهیه نقشه توپوگرافی استفاده کرد. بعد از این مطالعه تئوری تا قبل از سال 1986 هیچ مطالعه عملی انجام نشد تا اینکه در این سال درJPL در کالیفرنیا اولین نتایج عملی استفاده از این روش توسطZebker وGoldstein منتشر شد. در این مطالعه 2 آنتن SAR روی هواپیما نصب شد که یکی از آنها سیگنال را فرستاده و هر دو آنها سیگنال بازگشتی را به طور همزمان دریافت می کردند. البنه به دلیل اینکه خطاهای مربوط به دوران هواپیما تصحیح نشده بود دقت بدست آمده کافی نبود.
GabrielوGoldstein در سال 1988 این روش را توسعه داده، از داده های شاتلSIR-B به صورت دو عبوره استفاده کردند.
روش تداخل سنجی راداری دیفرانسیلی اولین بار توسطGabriel و همکاران در سال 1989 با استفاده از 3 تصویر استفاده شد. طبق نظر Gabriel در تداخل سنجی راداری دیفرانسیلی می توان به دقت 1 سانتیمتر و حتی بهتر رسید و این بدین معنی است که می توان از این روش برای اندازه گیری دقیق پدیده های ژئوفیزیکی، زمین لرزه و آتشفشان استفاده کرد.
با پرتاب ماهوارهERS-1 در جولای 1991 تعداد زیادی از داده های تداخل سنجی راداری در باند C در دسترس محققین قرار گرفت. ماهوارهERS-1 اولین ماهواره ای بود که داده های راداری مناسب برای تداخل سنجی راداری را در دسترس قرار داد. این مجموعه از داده ها امکان بررسی قابلیتها و محدودیتهای تداخل سنجی راداری را فراهم کردند.
با پرتاب ماهوارهERS-2 در اپریل 1995 داده های راداری با اختلاف زمانی یک روز از داده هایERS-1 دراختیار قرار گرفت.
از آن زمان به بعد، تعداد زیادی از محققین به بررسی جنبه های مختلف تداخل سنجی راداری با استفاده از داده های ماهواره های ERS-1 وERS-2 پرداختند.
اگر چه تحقیقات اولیه با روش تداخل سنجی راداری بر روی تخمین توپوگرافی تاکید داشتند. اما در سالهای اخیر تحقیقات وسیعی بر روی استفاده از این تکنیک برای اندازه گیری حرکت و تغییرات سطح زمین با استفاده از ماهواره هایRADARSAT، JERS-1 ، Envisat ، ERS-1/2 انجام شده است 2]و6و. [ 7
در این روش با تفاضل اطلاعات فاز در دو عبور مختلف می توان نقشه جزئیات تغییرات سطح زمین با توان تفکیک چند ده متر و دقت چند میلیمتر تهیه کرد. برای این منظور باید ابتدا دو تصویر با دقت زیر پیکسل به یکدیگر ثبت شوند.
سپس با تفاضل فازهای نقاط متناظر اینترفروگرام تولید شود که به دلیل طبیعت تصویر برداری رادار با دریچه مصنوعی این تصاویر دارای اطلاعات مربوط به مقدار مطلق فاز نمی باشند و داده های فاز موجود به صورت نهان شده در بازه 0 − 2π می باشد. در این مرحله بازیابی مقدار مطلق فاز با استفاده از فاز نهان شده که بازیابی فاز نامیده می شود انجام می شود. پس از این مراحل با دانستن پارامترهای هندسی می توان فازهای بازیابی شده را به اطلاعات ارتفاعی تبدیل نمود. این روش برای مطالعه تغییرات سطح زمین بخصوص در مواردی که نقشه برداری زمینی مشکل است کاربرد دارد.
به دلیل اینکه هیچ یک از ماهواره های موجود در مدار برای تداخل سنجی راداری طراحی نشده اند و اینترفروگرام یک محصول جانبی این ماهواره ها محسوب می شود لذا طراحی ماهواره ها ی موجود در مدار برای InSAR بهینه نبوده، تصاویر خواسته های مورد نیاز را برآورده نکرده و مدارهای ماهواره ها برای این منظور بهینه نیستند . علاوه بر آن تداخل سنجی راداری هنگامی امکان پذیر است که سطح زمین در فاصله بین دو عبور ماهواره تغییر چندانی نکرده باشد و یا به عبارت دیگر دو تصویر همگن باشند. باید توجه داشت که اشیاء ساخت بشر مانند ساختمانها در مناطق شهری و یا صخره های بزرگ حتی برای مدتی طولانی در تصاویر با همگنی بالا مشاهده می شوند این در حالی است که مناطق جنگلی حتی اگر تصاویر مربوط به دو روز متوالی هم باشند می توانند نا همگن باشند. از طرف دیگر تغییر شرایط اتمسفری و بخار آب موجود در هوا باعث شیفت فاز و ایجاد نویز در تصاویر می شود. علی رغم این محدودیتها داده های ماهواره های راداری موجود مانند ERS1/2 ، JERS-1 ، Envisat ،RADARSAT به عنوان منابع مهمی برای مطالعه زلزله استفاده می شوند.
تداخل سنجی راداری دیفرانسیلی
تغییرات سطح زمین با استفاده از تداخل سنجی راداری دیفرانسیلی با دقت نسبی چند سانتیمتر یا کمتر قابل انـدازه گیری است. این تکنیک بر اساس چند مشاهده تداخل سنجی استوار است. هندسه سه مشاهده یک صـحنه در شـکل(1 ) نشان داده شده است .
اختلاف فاز بین دو مشاهده اول برابر است با
این مقدار بین مشاهده اول و سوم برابر است با:
با موازی فرض کردن دو اشعه نور، نسبت بین دو اختلاف فاز برابر نسبت بین مؤلفه های موازی خط مبنا با جهـت دیـد است. بنابر این:
که در این معادله aII و bII مولفه های موازی خط مبنا هستند.
فرض کنیم که سطح زمین در مشاهده سوم تغییر کرده است. بنابر این برای اینترفروگرام دوم، علاوه بر اختلاف فاز مربوط به توپوگرافی، فاز اضافی هم مربوط به جابه جائی سطح ∆r وجود دارد. بنابر این:
با حذف اثر توپوگرافی با کم کردن دو اینترفروگرام بدست آمده داریم:
