مقاله تخمین میزان تاخیر تروپوسفری با استفاده از مشاهدات InSAR

بخشی از مقاله

چکیده

هدف تداخلسنجی راداری همواره دستیابی به میزان تغییر شکل زمین و تاثیر ناشی از تروپوسفر بر سیگنال مایکروویو به عنوان یکی از اصلیترین منابع محدودکنندهی دقت در این تکنیک در نظر گرفته میشود. با نگاهی نو به تداخلسنجی راداری میتوان کاربردهای دیگری در زمینههای ژئودزی و هواشناسی برای این تکنیک در نظر گرفت. در این مقاله برخلاف معمول محاسبه تاخیر ناشی از تروپوسفر به عنوان هدف پردازشهای راداری، و تاثیر مربوط به تغییر شکل بر موج راداری به عنوان عامل مزاحم در نظر گرفته شد.

با در نظر گرفتن چهار تداخلنما و با حذف اثراتی از قبیل خطای مداری، تاخیر ناشی از یونسفر و اثر توپوگرافی، فاز تداخلنماها را تنها به تغییرات لایه تروپوسفر نسبت دادیم و با محاسبه تاخیر ناشی از تروپوسفر با استفاده از دادههای هواشناسی نتایج بدست آمده را در پنج نقطه مقایسه نمودیم. بیشینه اختلاف آنها 2/8 و کمینه آنها 0/2 سانتیمتر بود که بیشترین اختلاف در محلی که همبستگی تداخلنما کمتر بود مشاهده گردید. میتوان اظهار داشت که تداخل-سنجی راداری توانایی کمک به اهداف هواشناسی و تقویت نتایج آن را دارا میباشد.

-1 مقدمه

بخارآب یکی از اجزای تشکیلدهنده جو میباشد که یکی از ویژگیهای آن تغییرات زمانی و مکانی بسیار بالا است که محاسبه این شاخص جوی را دشوار میسازد. بطور معمول از دستگاههایی مانند رادیوسوند و رادیومتر برای محاسبه بخارآب موجود در جو استفاده میگردد. قدرت تفکیک مکانی رادیوسوندها در راستای عمودی بسیار مناسب است ولی قدرت تفکیک مکانی آنها در راستای افقی و همچنین قدرت تفکیک زمانی آنها بسیار پایین است .[1] رادیومترها نیز نمیتوانند میزان تغییرات مکانی بخارآب را با دقت بالا اندازهگیری نمایند و بیشتر برای اندازهگیری بخارآب بر فراز اقیانوسها بکار میروند .[1]

بخارآب موجود در جو سرعت انتشار سیگنالها بویژه سیگنالهای راداری را تحت تاثیر خود قرار میدهند. از این تاثیر میتوان به منظور دستیابی به میزان بخارآب موجود در جو استفاده نمود و در واقع تکنیک تداخل-سنجی راداریٌ را یکی از روشهای نوین دستیابی به میزان بخارآب موجود در جو دانست. از مهمترین مطالعات انجام شده در زمینه بررسی اثر بخارآب بر موج رادار میتوان به دستاوردهای زبکر در سال [2]1997 و همچنین هانسن در سال [1] 2001 و ژولیوت در سال [4] 2013 اشاره نمود.

در این مقاله بجای اثر تغییر شکل زمین، اثر ناشی از لایه تروپوسفر به عنوان هدف پردازشهای راداری قرار خواهد گرفت و سایر اثرات از جمله خطای مداری و خطای ناشی از توپوگرافی حذف گردیده و اثر تغییر شکل زمین نیز با توجه به بازه زمانی کم بین تصاویر، صفر در نظر گرفته میشود. در نتیجه تداخلنما تنها به تغییرات لایه تروپوسفر نسبت داده میشود. از آنجایی که تداخلنما که حاصل پردازشهای راداری است و کمیتی نسبی میباشد، میبایست با استفاده از شاخصهای هواشناسی تبدیل به کمیتی مطلق گردد تا بتوان از آن برای محاسبه شاخص بخارآب در زمان تصویر اول یا تصویر دوم استفاده نمود. در این مقاله از پنج تصویر راداری ماهواره RADARSAT چهار تداخلنما بدست میآوریم. سپس با استفاده از مدل پیشبینی وضعیت آب و هوای ERA-Intrim میزان تاخیر ناشی از تروپوسفر را در زمان مربوط به تداخلنماها محاسبه نموده و با نتایج بدست آمده از تداخلسنجی راداری مقایسه مینماییم.

-2 مولفههای موجود در فاز تداخلسنجی راداری

تداخلنما تصویری است که از اختلاف فاز دو تصویر راداری بدست میآید. فاز تداخلنما شامل اثراتی از قبیل اثر ناشی از تغییر شکل زمین، خطای مداری، توپوگرافی، اثر ناشی از جو و نویز میباشد.  هرکدام از اثرات موجود در تداخلنما میتوانند به عنوان هدف پردازشهای راداری قرار گیرند. در بیشتر موارد هدف محاسبه میزان تغییر کل زمین است. در نتیجه اثرات مربوط به توپوگرافی و خطای مداری و اثر جو به عنوان عامل مزاحم درنظر گرفته میشوند و بایستی اثر ناشی از آنها از تداخلنما حذف گردد.[ 4 ]

قسمت اعظم اختلاف فاز مشاهده شده ناشی از اختلاف در نقطه دید است. این اختلاف به دلیل شیفت کم ایجاد شده در مسیرهای مداری بین دو تصویربرداری میباشد. طبق شرط تداخلسنجی تصاویر نباید شیفتی بیشتر از نصف طول موج با هم داشته باشند. در صورت برقرار نبودن این شرط، اثر تداخلسنجی به صفر میرسد. از آنجا که یک تصویر راداری میتواند 6000 پیکسل در راستای برد داشته باشد، تفاوت در نقطه دید میتواند بطور معمول صدها اثر تولید کند. همگرایی یا واگرایی مسیر مداری، حتی اگر کمتر از 1 متر باشد، میتواند اثراتی روی تداخلنما تولید کند. با استفاده از اطلاعات مداری این مؤلفه تقریبا حذف میشود .[5] با حذف مؤلفه مداری، به دلیل اینکه رادار توپوگرافی زمین را از دو نقطه دید مختلف مشاهده میکند، اثر ناشی از اختلاف دید آشکار میشود.

این مؤلفه توپوگرافی منجر به اثراتی میشود که توپوگرافی را مانند خطوط منحنی میزان در برمیگیرد که به این طرحها اثرات توپوگرافی میگویند. برای اندازهگیری بزرگی این کمیت، از مفهوم ارتفاع ابهام که شیفت ارتفاعی مورد نیاز برای تولید اثر توپوگرافی است، استفاده میشود. بزرگی این کمیت میتواند از بینهایت - اگر ماهواره دو تصویر را از موقعیت های دقیقاً یکسان کسب کند، که اثرات ناشی از اختلاف دید تا حدودی حذف میشود - تا مقادیری در حدود 10 متر - بواسطه حداکثر فاصله جدایی مداری، که بواسطه آن اثرات ناشی از اختلاف دید به بیشینه خود برسد - تغییر کند. به جز در مواردی که اندازهگیری ارتفاع زمین مد نظر است، اثر توپوگرافی به عنوان یک تاثیر مزاحم در نظر گرفته میشود و آن را غالبا به کمک مدل رقومی ارتفاعی زمین یا روشهای چند گذره تداخلسنجی حذف مینمایند.

با حذف اثرات ناشی از توپوگرافی و مداری و تغییر شکل زمین اثرات ناشی از جو آشکار میگردد. چگونگی و حالت جوی در مورد تصاویری که در زمانهای مختلف اخذ میشوند یکسان نیست. هر گونه تغییر در تروپسفر یا یونسفر بین دو تاریخ میتواند طول ظاهری مسیر بین زمین و ماهواره را تغییر دهد. تغییرات یونسفریک نیز میتواند انتشار راداری را متأثر کند. بطور کلی تغییر در فشار، دما و رطوبت جو میتواند بصورت تغییر فاز در تداخلنما نمایان شود.

تداخلنماهایی که از منظرهای شب هنگام اخذ شده است، به نظر همبستگی بیشتری دارند و اثرات جوی کمتری نسبت به منظرهای روز هنگام دارند. این موضوع میتواند به دلیل وضعیت ساکن گیاهان و همچنین وضعیت ثابت جو در شب هنگام باشد. اثر جو به جز در موارد محدود، به عنوان یک اثر مخرب و البته بسیار پیچیدهتر از اثرات دیگر، مطرح است. جو به دلیل تغییرات محلی نسبتا محسوس، تغییرات قابل توجهی را به ضریب شکست محیط وارد میسازد که حاصل این اثر، تغییرات گسترده و ناهمگن وارد بر فاز موج خواهد بود.

جو میتواند تا بیش از 15سانتیمتر مشاهدات را دچار خطا نماید که این رقم در مقایسه با دقت قابل انتظار از تصاویر تداخلسنجی بسیار زیاد است و ارزش مطالعات را به طورکلی از بین می برد .[6] از دید دیگر چنانچه مشاهدات راداری با فاصله زمانی بسیار نزدیک برداشت شده است، میتوان با حذف اثرات توپوگرافی و خط مبنا و نویز و همچنین ناچیز در نظرگرفتن تغییرات سطحی، به کمک دادههای روزمره زمینی، شاخصهای ستونی جوی را با دقت قابل قبولی تخمین زد. در این میان اثر غیرعمود بودن موج راداری میتواند صحت محاسبات را با خطر مواجه نماید.

در همه سامانههای راداری موجود، یک نوسانساز، استحکام فرکانس را در زمان بازسازی دریچه مصنوعی، تا حدود 1 ثانیه حفظ میکند. برای زمانهای بلندتر ممکن است فرکانس دستخوش تغییر شود و تداخلهایی بین دو تصویر فاز تولید کند. این تداخلها اثر مصنوعی عمود بر مسیر ماهواره تولید میکنند. در سیستمهای کنونی نوسانسازها بهبود داده شدهاند. علاوه بر این عامل، برخی عوامل محیطی نظیر تغییر در مشخصه های انعکاسی زمین نیز، میتواند فاز تداخلنما را دستخوش تغییر کند. مدل کردن مؤلفه نویز سیستم دشوار است و معمولاً ناچیز انگاشته میشوند. اثر نویز میتواند به کمک روشهای پردازش تصویر کاهش یابد.