Radar interférométrique à ouverture synthétique - Interferometric synthetic-aperture radar
Le radar interférométrique à synthèse d'ouverture , en abrégé InSAR (ou déconseillé IfSAR ), est une technique radar utilisée en géodésie et en télédétection . Cette méthode géodésique utilise deux ou plusieurs images radar à synthèse d'ouverture (SAR) pour générer des cartes de déformation de surface ou d'élévation numérique , en utilisant les différences de phase des ondes qui retournent au satellite ou à l'avion. La technique peut potentiellement mesurer les changements à l'échelle millimétrique de la déformation sur des périodes allant de quelques jours à plusieurs années. Il a des applications pour la surveillance géophysique des risques naturels, par exemple les tremblements de terre, les volcans et les glissements de terrain, et en génie des structures , en particulier la surveillance des affaissements et de la stabilité structurelle .
Technique
Radar d'ouverture synthétique
Le radar à synthèse d'ouverture (SAR) est une forme de radar dans laquelle un traitement sophistiqué des données radar est utilisé pour produire un faisceau efficace très étroit. Il peut être utilisé pour former des images de cibles relativement immobiles ; les cibles en mouvement peuvent être floues ou déplacées dans les images formées. Le SAR est une forme de télédétection active - l' antenne transmet le rayonnement qui est réfléchi par la zone d'image, par opposition à la détection passive, où la réflexion est détectée à partir de l'éclairage ambiant. L'acquisition d'images SAR est donc indépendante de l'éclairage naturel et les images peuvent être prises de nuit. Le radar utilise un rayonnement électromagnétique à des fréquences micro- ondes; l'absorption atmosphérique aux longueurs d'onde radar typiques est très faible, ce qui signifie que les observations ne sont pas empêchées par la couverture nuageuse.
Phase
Le SAR utilise l' amplitude et la phase absolue des données du signal de retour. En revanche, l'interférométrie utilise la phase différentielle du rayonnement réfléchi, soit à partir de plusieurs passages le long de la même trajectoire et/ou à partir de plusieurs centres de phase déplacés (antennes) sur un seul passage. L'onde sortante étant produite par le satellite, la phase est connue, et peut être comparée à la phase du signal de retour. La phase de l'onde de retour dépend de la distance au sol, puisque la longueur du trajet jusqu'au sol et retour consistera en un certain nombre de longueurs d'onde entières plus une fraction d'une longueur d'onde. Ceci est observable comme une différence de phase ou un déphasage dans l'onde de retour. La distance totale jusqu'au satellite (c'est-à-dire le nombre de longueurs d'onde entières) est connue en fonction du temps qu'il faut à l'énergie pour faire l'aller-retour jusqu'au satellite, mais c'est la fraction supplémentaire d'une longueur d'onde qui est particulièrement intérêt et est mesuré avec une grande précision.
En pratique, la phase du signal de retour est affectée par plusieurs facteurs, qui ensemble peuvent rendre le retour de phase absolu dans toute collection de données SAR essentiellement arbitraire, sans corrélation de pixel à pixel. Pour obtenir des informations utiles de la phase, certains de ces effets doivent être isolés et supprimés. L'interférométrie utilise deux images de la même zone prises à partir de la même position (ou, pour les applications topographiques, de positions légèrement différentes) et trouve la différence de phase entre elles, produisant une image appelée interférogramme. Ceci est mesuré en radians de différence de phase et, en raison de la nature cyclique de la phase, est enregistré sous forme de franges répétitives qui représentent chacune un cycle complet de 2π.
Facteurs affectant la phase
Le facteur le plus important affectant la phase est l'interaction avec la surface du sol. La phase de l'onde peut changer à la réflexion , en fonction des propriétés du matériau. Le signal réfléchi par n'importe quel pixel est la contribution additionnée à la phase de nombreuses « cibles » plus petites dans cette zone au sol, chacune avec des propriétés diélectriques et des distances différentes du satellite, ce qui signifie que le signal renvoyé est arbitraire et complètement non corrélé avec celui de la zone adjacente. pixels. Mais surtout, il est cohérent – à condition que rien sur le terrain ne change, les contributions de chaque cible devraient s'additionner de manière identique à chaque fois, et donc être supprimées de l'interférogramme.
Une fois les effets de sol supprimés, le signal majeur présent dans l'interférogramme est une contribution des effets orbitaux. Pour que l'interférométrie fonctionne, les satellites doivent être le plus près possible de la même position spatiale lors de l'acquisition des images. Cela signifie que les images de deux plates-formes satellites avec des orbites différentes ne peuvent pas être comparées, et pour un satellite donné, les données de la même trajectoire orbitale doivent être utilisées. En pratique, la distance perpendiculaire entre eux, appelée ligne de base , est souvent connue à quelques centimètres près mais ne peut être contrôlée qu'à une échelle de quelques dizaines à quelques centaines de mètres. Cette légère différence provoque une différence de phase régulière qui change en douceur à travers l'interférogramme et peut être modélisée et supprimée.
La légère différence de position du satellite modifie également la distorsion causée par la topographie , ce qui signifie qu'une différence de phase supplémentaire est introduite par un effet stéréoscopique . Plus la ligne de base est longue, plus la hauteur topographique nécessaire pour produire une frange de changement de phase est petite, connue sous le nom d' altitude d'ambiguïté . Cet effet peut être exploité pour calculer la hauteur topographique, et utilisé pour produire un modèle numérique d'élévation (MNE).
Si la hauteur de la topographie est déjà connue, la contribution de la phase topographique peut être calculée et supprimée. Cela se fait traditionnellement de deux manières. Dans le deux-pass procédé, l' élévation des données d'un dérivé de l' extérieur DEM est utilisé en conjonction avec l'information orbitale pour calculer la contribution de phase. Dans la méthode à trois passes , deux images acquises à un court laps de temps sont utilisées pour créer un interférogramme, qui est supposé n'avoir aucun signal de déformation et représente donc la contribution topographique. Cet interférogramme est ensuite soustrait d'une troisième image avec un temps de séparation plus long pour donner la phase résiduelle due à la déformation.
Une fois les contributions sol, orbitales et topographiques supprimées, l'interférogramme contient le signal de déformation, ainsi que le bruit restant (voir Difficultés ci-dessous). Le signal mesuré dans l'interférogramme représente le changement de phase causé par une augmentation ou une diminution de la distance entre le pixel au sol et le satellite, par conséquent, seule la composante du mouvement du sol parallèle au vecteur ligne de visée du satellite entraînera une différence de phase. observé. Pour les capteurs comme l' ERS avec un petit angle d'incidence, cela mesure bien le mouvement vertical, mais est insensible au mouvement horizontal perpendiculaire à la ligne de visée (approximativement nord-sud). Cela signifie également que le mouvement vertical et les composantes du mouvement horizontal parallèles au plan de la ligne de visée (approximativement est-ouest) ne peuvent pas être résolus séparément.
Une frange de différence de phase est générée par un mouvement du sol de la moitié de la longueur d'onde du radar, car cela correspond à une augmentation de longueur d'onde entière de la distance de déplacement dans les deux sens. Les déphasages ne peuvent être résolus que par rapport à d'autres points de l'interférogramme. La déformation absolue peut être déduite en supposant qu'une zone de l'interférogramme (par exemple un point éloigné des sources de déformation attendues) n'a subi aucune déformation, ou en utilisant un contrôle au sol ( GPS ou similaire) pour établir le mouvement absolu d'un point.
Des difficultés
Divers facteurs régissent le choix des images qui peuvent être utilisées pour l'interférométrie. Le plus simple est la disponibilité des données – les instruments radar utilisés pour l'interférométrie ne fonctionnent généralement pas en continu, acquérant des données uniquement lorsqu'ils sont programmés pour le faire. Pour les besoins futurs, il peut être possible de demander l'acquisition de données, mais pour de nombreuses régions du monde, les données archivées peuvent être rares. La disponibilité des données est en outre limitée par des critères de référence. La disponibilité d'un DEM approprié peut également être un facteur pour l'InSAR à deux passes ; généralement, des données SRTM à 90 m peuvent être disponibles pour de nombreuses zones, mais à des latitudes élevées ou dans des zones de faible couverture, des ensembles de données alternatifs doivent être trouvés.
Une exigence fondamentale de la suppression du signal de masse est que la somme des contributions de phase des cibles individuelles au sein du pixel reste constante entre les deux images et soit complètement supprimée. Cependant, plusieurs facteurs peuvent faire échouer ce critère. Premièrement, les deux images doivent être co-enregistrées avec précision à un niveau inférieur au pixel pour s'assurer que les mêmes cibles au sol contribuent à ce pixel. Il existe également une contrainte géométrique sur la longueur maximale de la ligne de base - la différence d'angles de vision ne doit pas entraîner un changement de phase sur la largeur d'un pixel de plus d'une longueur d'onde. Les effets de la topographie influencent également la condition, et les lignes de base doivent être plus courtes si les gradients de terrain sont élevés. Lorsque le co-enregistrement est médiocre ou que la ligne de base maximale est dépassée, la phase de pixel deviendra incohérente - la phase devient essentiellement aléatoire d'un pixel à l'autre plutôt que de varier en douceur, et la zone apparaît bruyante. Cela est également vrai pour tout ce qui modifie les contributions à la phase au sein de chaque pixel, par exemple les modifications des cibles au sol dans chaque pixel causées par la croissance de la végétation, les glissements de terrain, l'agriculture ou la couverture neigeuse.
Une autre source d'erreur présente dans la plupart des interférogrammes est causée par la propagation des ondes dans l'atmosphère. Si l'onde a voyagé dans le vide, il devrait théoriquement être possible (sous réserve d'une précision de synchronisation suffisante) d'utiliser le temps de parcours dans les deux sens de l'onde en combinaison avec la phase pour calculer la distance exacte au sol. Cependant, la vitesse de l'onde dans l'atmosphère est inférieure à la vitesse de la lumière dans le vide et dépend de la température de l'air, de la pression et de la pression partielle de la vapeur d'eau. C'est ce retard de phase inconnu qui empêche le calcul du nombre entier de longueurs d'onde. Si l'atmosphère était horizontalement homogène sur l'échelle de longueur d'un interférogramme et verticalement sur celle de la topographie alors l'effet serait simplement une différence de phase constante entre les deux images qui, puisque la différence de phase est mesurée par rapport à d'autres points de l'interférogramme, ne contribue pas au signal. Cependant, l'atmosphère est latéralement hétérogène sur des échelles de longueur à la fois plus grandes et plus petites que les signaux de déformation typiques. Ce signal parasite peut sembler complètement indépendant des caractéristiques de surface de l'image, cependant, dans d'autres cas, le retard de phase atmosphérique est causé par une inhomogénéité verticale à basse altitude et cela peut entraîner des franges semblant correspondre à la topographie.
Diffuseur persistant InSAR
Les techniques de diffusion persistante ou permanente sont un développement relativement récent de l'InSAR classique, et reposent sur l'étude de pixels qui restent cohérents sur une séquence d'interférogrammes. En 1999, des chercheurs du Politecnico di Milano , en Italie, ont développé une nouvelle approche multi-images dans laquelle on recherche dans la pile d'images des objets au sol fournissant des réflexions radar cohérentes et stables vers le satellite. Ces objets peuvent avoir la taille d'un pixel ou, plus communément, la taille d'un sous-pixel et sont présents dans chaque image de la pile. Cette implémentation spécifique est brevetée.
Certains centres de recherche et entreprises ont été inspirés pour développer des variantes de leurs propres algorithmes qui permettraient également de surmonter les limites de l'InSAR. Dans la littérature scientifique, ces techniques sont collectivement appelées interférométrie à diffuseur persistant ou techniques PSI. Le terme d'interférométrie à diffusion persistante (PSI) a été proposé par l'Agence spatiale européenne (ESA) pour définir la deuxième génération de techniques d'interférométrie radar. Ce terme est aujourd'hui communément accepté par les scientifiques et la communauté des utilisateurs finaux.
De telles techniques sont généralement plus utiles dans les zones urbaines avec de nombreuses structures permanentes, par exemple les études PSI des sites européens de géorisques entreprises par le projet Terrafirma. Le projet Terrafirma fournit un service d'information sur les risques liés aux mouvements du sol, distribué dans toute l'Europe par l'intermédiaire de commissions et d'institutions géologiques nationales. L'objectif de ce service est d'aider à sauver des vies, à améliorer la sécurité et à réduire les pertes économiques grâce à l'utilisation d'informations PSI de pointe. Au cours des 9 dernières années, ce service a fourni des informations relatives à l'affaissement et au soulèvement urbains, la stabilité des pentes et les glissements de terrain, la déformation sismique et volcanique, les côtes et les plaines inondables.
Réalisation d'interférogrammes
La chaîne de traitement utilisée pour produire des interférogrammes varie selon le logiciel utilisé et l'application précise, mais comprendra généralement une combinaison des étapes suivantes.
Deux images SAR sont nécessaires pour produire un interférogramme ; ceux-ci peuvent être obtenus prétraités ou produits à partir de données brutes par l'utilisateur avant le traitement InSAR. Les deux images doivent d'abord être co-enregistrées , en utilisant une procédure de corrélation pour trouver le décalage et la différence de géométrie entre les deux images d'amplitude. Une image SAR est ensuite ré-échantillonnée pour correspondre à la géométrie de l'autre, ce qui signifie que chaque pixel représente la même surface au sol dans les deux images. L'interférogramme est alors formé par multiplication croisée de chaque pixel dans les deux images, et la phase interférométrique due à la courbure de la Terre est supprimée, processus appelé aplatissement. Pour les applications de déformation, un DEM peut être utilisé en conjonction avec les données de base pour simuler la contribution de la topographie à la phase interférométrique, cela peut ensuite être retiré de l'interférogramme.
Une fois que l'interférogramme de base a été produit, il est généralement filtré à l' aide d'un filtre adaptatif à spectre de puissance pour amplifier le signal de phase. Pour la plupart des applications quantitatives, les franges consécutives présentes dans l'interférogramme devront alors être déroulées , ce qui implique d'interpoler sur les sauts de phase de 0 à 2π pour produire un champ de déformation continu. À un moment donné, avant ou après le dépliage, des zones incohérentes de l'image peuvent être masquées. L'étape finale de traitement consiste à géocoder l'image, qui rééchantillonne l'interférogramme de la géométrie d'acquisition (liée à la direction du trajet du satellite) dans la projection géographique souhaitée .
Matériel
Dans l'espace
L'exploitation initiale de l'InSAR par satellite comprenait l'utilisation des données Seasat dans les années 1980, mais le potentiel de la technique a été élargi dans les années 1990, avec le lancement d' ERS-1 (1991), JERS-1 (1992), RADARSAT-1 et ERS-2 (1995). Ces plates-formes ont fourni les orbites stables et bien définies et les lignes de base courtes nécessaires à l'InSAR. Plus récemment, la mission STS-99 de la NASA de 11 jours en février 2000 a utilisé une antenne SAR montée sur la navette spatiale pour recueillir des données pour la mission de topographie radar de la navette . En 2002, l' ESA a lancé l'instrument ASAR, conçu pour succéder à l'ERS, à bord d' Envisat . Alors que la majorité des InSAR à ce jour ont utilisé les capteurs de la bande C, des missions récentes telles que ALOS PALSAR , TerraSAR-X et COSMO-SkyMed élargissent les données disponibles dans les bandes L et X.
Plus récemment, l'ESA a lancé Sentinel-1A et Sentinel-1B , deux capteurs en bande C. Ensemble, ils fournissent une couverture InSAR à l'échelle mondiale et sur un cycle de répétition de 6 jours.
Aéroporté
Les systèmes aéroportés d'acquisition de données InSAR sont construits par des sociétés telles que l'américain Intermap , l'allemand AeroSensing et le brésilien OrbiSat .
Terrestre ou au sol
L'interférométrie SAR terrestre ou au sol (GBInSAR ou TInSAR) est une technique de télédétection pour la surveillance des déplacements de pentes, d'escarpements rocheux, de volcans, de glissements de terrain, de bâtiments, d'infrastructures etc. Cette technique est basée sur les mêmes principes opérationnels de l'interférométrie SAR par satellite. , mais l'ouverture synthétique du radar (SAR) est obtenue par une antenne se déplaçant sur un rail au lieu d'un satellite se déplaçant sur une orbite. La technique SAR permet d'obtenir une image radar 2D du scénario étudié, avec une résolution élevée (le long de la ligne de visée instrumentale) et une résolution transversale (le long de la direction de balayage). Deux antennes émettent et reçoivent respectivement des signaux hyperfréquences et, en calculant le déphasage entre deux mesures prises à deux instants différents, il est possible de calculer le déplacement de tous les pixels de l'image SAR. La précision de la mesure du déplacement est du même ordre de grandeur que la longueur d'onde EM et dépend également des conditions locales et atmosphériques spécifiques.
Applications
Tectonique
InSAR peut être utilisé pour mesurer les déformations tectoniques , par exemple les mouvements du sol dus aux tremblements de terre . Il a d'abord été utilisé pour le tremblement de terre des Landers de 1992 , mais a depuis été largement utilisé pour une grande variété de tremblements de terre dans le monde entier. En particulier, les séismes d' Izmit de 1999 et de Bam de 2003 ont fait l'objet d'études approfondies. InSAR peut également être utilisé pour surveiller le fluage et l'accumulation de contraintes sur les failles .
Volcanique
InSAR peut être utilisé dans une variété de contextes volcaniques , y compris la déformation associée aux éruptions , la déformation entre les éruptions causée par des changements dans la distribution du magma en profondeur, la propagation gravitationnelle des édifices volcaniques et les signaux de déformation volcano-tectoniques. Les premiers travaux sur l'InSAR volcanique comprenaient des études sur l'Etna et le Kilauea , de nombreux autres volcans étant étudiés au fur et à mesure que le champ se développait. La technique est maintenant largement utilisée pour la recherche universitaire sur la déformation volcanique, bien que son utilisation en tant que technique de surveillance opérationnelle pour les observatoires volcaniques ait été limitée par des problèmes tels que les temps de répétition orbitale, le manque de données archivées, la cohérence et les erreurs atmosphériques. Récemment, InSAR a été utilisé pour étudier les processus de rifting en Éthiopie.
Affaissement
L' affaissement du sol provenant de diverses causes a été mesuré avec succès à l'aide d'InSAR, en particulier l'affaissement causé par l'extraction de pétrole ou d'eau dans des réservoirs souterrains, l' exploitation minière souterraine et l'effondrement d'anciennes mines. Ainsi, InSAR est devenu un outil indispensable pour répondre de manière satisfaisante à de nombreuses études de subsidence. Tomás et al. a réalisé une analyse des coûts qui a permis d'identifier les points forts des techniques InSAR par rapport aux autres techniques conventionnelles : (1) une fréquence d'acquisition de données et une couverture spatiale plus élevées ; et (2) un coût annuel inférieur par point de mesure et par kilomètre carré.
Glissements de terrain
Bien que la technique InSAR puisse présenter certaines limites lorsqu'elle est appliquée aux glissements de terrain, elle peut également être utilisée pour surveiller les caractéristiques du paysage telles que les glissements de terrain .
Flux de glace
Le mouvement et la déformation glaciaires ont été mesurés avec succès par interférométrie par satellite. La technique permet de mesurer à distance et à haute résolution les changements dans la structure glaciaire, l'écoulement glaciaire et les changements dans la dynamique des glaces, qui sont tous en accord étroit avec les observations au sol.
Surveillance des infrastructures et des bâtiments
InSAR peut également être utilisé pour surveiller la stabilité des structures bâties. Les données SAR à très haute résolution (telles que celles dérivées du mode TerraSAR-X StripMap ou du mode COSMO-Skymed HIMAGE) sont particulièrement adaptées à cette tâche. InSAR est utilisé pour surveiller les agglomérations routières et ferroviaires, la stabilité des digues, l'ingénierie médico-légale et de nombreuses autres utilisations.
Génération DEM
Les interférogrammes peuvent être utilisés pour produire des cartes d'élévation numériques (MNE) en utilisant l' effet stéréoscopique causé par de légères différences de position d'observation entre les deux images. Lors de l'utilisation de deux images produites par le même capteur avec une séparation dans le temps, il faut supposer que les autres contributions de phase (par exemple provenant de déformations ou d'effets atmosphériques) sont minimes. En 1995, les deux satellites ERS ont volé en tandem avec une séparation d'un jour à cet effet. Une deuxième approche consiste à utiliser deux antennes montées à une certaine distance l'une de l'autre sur la même plate-forme et à acquérir les images en même temps, ce qui garantit l'absence de signaux atmosphériques ou de déformation. Cette approche a été suivie par la mission SRTM de la NASA à bord de la navette spatiale en 2000. Les DEM dérivés d'InSAR peuvent être utilisés pour des études ultérieures de déformation en deux passes, ou pour une utilisation dans d'autres applications géophysiques.
Voir également
Lectures complémentaires
- B. Kampes, Radar Interferometry – Persistent Scatterer Technique , Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, Pays-Bas, 2006. ISBN 978-1-4020-4576-9
Les références
Liens externes
- InSAR, un outil de mesure de la déformation de la surface de la Terre Matthew E. Pritchard
- Fiche d'information USGS InSAR
- Principes InSAR , publication ESA, TM19, février 2007.