رادار الفتحة التركيبية التداخلي

الرادار ذو الفتحة التركيبية (SAR) هو نوع من الرادار يستخدم معالجة متطورة لبيانات الرادار لإنتاج حزمة فعّالة ضيقة جدًا. يُستخدم لتكوين صور للأهداف الثابتة نسبيًا؛ أما الأهداف المتحركة فقد تظهر ضبابية أو مشوهة في الصور المُشكّلة. يُعدّ الرادار ذو الفتحة التركيبية شكلًا من أشكال الاستشعار عن بُعد النشط، حيث يُرسل الهوائي إشعاعًا ينعكس من منطقة الصورة، على عكس الاستشعار السلبي الذي يعتمد على رصد الانعكاس من الإضاءة المحيطة. ولذلك، فإنّ عملية التقاط صور الرادار ذي الفتحة التركيبية مستقلة عن الإضاءة الطبيعية، ويمكن التقاط الصور ليلًا. يستخدم الرادار الإشعاع الكهرومغناطيسي بترددات الميكروويف ؛ ويكون امتصاص الغلاف الجوي عند أطوال موجات الرادار النموذجية منخفضًا جدًا، مما يعني أن الغطاء السحابي لا يعيق عمليات الرصد.

تعتمد تقنية الرادار ذي الفتحة التركيبية (SAR) على سعة وطور الإشارة العائدة. في المقابل، تستخدم تقنية التداخل الطور التفاضلي للإشعاع المنعكس، إما من عدة مسارات على طول المسار نفسه، أو من مراكز طور متعددة متباعدة (هوائيات) في مسار واحد. وبما أن الموجة الصادرة تُنتجها القمرة الصناعية، فإن طورها معروف، ويمكن مقارنته بطور الإشارة العائدة. يعتمد طور الموجة العائدة على المسافة إلى سطح الأرض، لأن طول المسار ذهابًا وإيابًا يتكون من عدد من الأطوال الموجية الكاملة بالإضافة إلى جزء من الطول الموجي. ويمكن ملاحظة ذلك كفرق في الطور أو إزاحة طور في الموجة العائدة. تُعرف المسافة الكلية إلى القمرة الصناعية (أي عدد الأطوال الموجية الكاملة) بناءً على الزمن الذي تستغرقه الطاقة للعودة ذهابًا وإيابًا إلى القمرة الصناعية، ولكن الجزء الإضافي من الطول الموجي هو ما يهم بشكل خاص، ويُقاس بدقة عالية.

عمليًا، تتأثر طور إشارة العودة بعدة عوامل، ما يجعل طور العودة المطلق في أي عملية جمع بيانات رادار الفتحة التركيبية (SAR) عشوائيًا إلى حد كبير، دون أي ترابط بين البكسلات. وللحصول على أي معلومات مفيدة من الطور، يجب عزل بعض هذه التأثيرات وإزالتها. تستخدم تقنية التداخل صورتين لنفس المنطقة مأخوذتين من نفس الموضع (أو، في التطبيقات الطبوغرافية، من مواضع مختلفة قليلًا)، وتجد فرق الطور بينهما، ما ينتج صورة تُعرف باسم مخطط التداخل. يُقاس هذا الفرق بالراديان ، وبسبب الطبيعة الدورية للطور، يُسجل على شكل أهداب متكررة، يمثل كل منها دورة كاملة مقدارها 2π .

يُعدّ التفاعل مع سطح الأرض العاملَ الأهمّ المؤثر على الطور. قد يتغير طور الموجة عند انعكاسها ، تبعًا لخصائص المادة. تمثل الإشارة المنعكسة من أي بكسل مجموع مساهمات العديد من "الأهداف" الأصغر في تلك المنطقة الأرضية، ولكل منها خصائص عازلة كهربائية مختلفة ومسافات متباينة عن القمر الصناعي، ما يعني أن الإشارة المرتدة عشوائية تمامًا وغير مرتبطة بإشارات البكسلات المجاورة. مع ذلك، فهي ثابتة؛ فإذا لم يطرأ أي تغيير على سطح الأرض، فإن مجموع مساهمات كل هدف يجب أن يكون متطابقًا في كل مرة، وبالتالي تُحذف من مخطط التداخل.

بعد إزالة تأثيرات الأرض، تصبح الإشارة الرئيسية في مخطط التداخل ناتجة عن تأثيرات المدار. ولضمان فعالية قياس التداخل، يجب أن تكون الأقمار الصناعية متقاربة قدر الإمكان في نفس الموقع المكاني عند التقاط الصور. وهذا يعني أنه لا يمكن مقارنة الصور الملتقطة من منصتين فضائيتين بمدارين مختلفين، ويجب استخدام بيانات من نفس المسار المداري لقمر صناعي معين. عمليًا، تُعرف المسافة العمودية بينهما، والمعروفة بخط الأساس ، بدقة تصل إلى بضعة سنتيمترات، ولكن لا يمكن التحكم بها إلا على نطاق يتراوح بين عشرات ومئات الأمتار. يُحدث هذا الاختلاف الطفيف فرقًا منتظمًا في الطور يتغير بسلاسة عبر مخطط التداخل، ويمكن نمذجته وإزالته.

يؤدي الاختلاف الطفيف في موقع القمر الصناعي إلى تغيير التشوه الناتج عن التضاريس ، مما يعني ظهور فرق طور إضافي بفعل التأثير المجسم . وكلما زاد طول خط الأساس، قلّ الارتفاع الطبوغرافي اللازم لإنتاج حافة تغيير الطور - المعروفة باسم ارتفاع الغموض . ويمكن استغلال هذا التأثير لحساب الارتفاع الطبوغرافي، واستخدامه لإنتاج نموذج الارتفاع الرقمي (DEM).

إذا كان ارتفاع التضاريس معروفًا مسبقًا، يُمكن حساب مساهمة الطور الطبوغرافي وإزالتها. تقليديًا، يتم ذلك بطريقتين. في طريقة المرور المزدوج ، تُستخدم بيانات الارتفاع من نموذج الارتفاع الرقمي المُستمد خارجيًا مع معلومات المدار لحساب مساهمة الطور. أما في طريقة المرور الثلاثي ، فتُستخدم صورتان تم التقاطهما بفارق زمني قصير لإنشاء مخطط تداخل، يُفترض أنه لا يحتوي على إشارة تشوه، وبالتالي يُمثل مساهمة التضاريس. ثم يُطرح مخطط التداخل هذا من صورة ثالثة بفارق زمني أطول للحصول على الطور المتبقي الناتج عن التشوه.

بعد إزالة تأثيرات الأرض والمدار والتضاريس، يحتوي مخطط التداخل على إشارة التشوه، بالإضافة إلى أي ضوضاء متبقية (انظر قسم الصعوبات أدناه). تمثل الإشارة المقاسة في مخطط التداخل التغير في الطور الناتج عن زيادة أو نقصان المسافة بين بكسل الأرض والقمر الصناعي، وبالتالي فإن مركبة حركة الأرض الموازية لمتجه خط رؤية القمر الصناعي فقط هي التي ستُحدث فرقًا في الطور. بالنسبة لأجهزة الاستشعار مثل ERS ذات زاوية السقوط الصغيرة، يقيس هذا المخطط الحركة الرأسية بدقة، ولكنه غير حساس للحركة الأفقية العمودية على خط الرؤية (شمال-جنوب تقريبًا). كما يعني ذلك أيضًا أنه لا يمكن فصل الحركة الرأسية ومكونات الحركة الأفقية الموازية لمستوى خط الرؤية (شرق-غرب تقريبًا).

ينتج عن حركة أرضية تساوي نصف طول موجة الرادار هدب واحد من فرق الطور، إذ يُعادل ذلك زيادةً في مسافة الانتقال ذهابًا وإيابًا بمقدار طول موجة كاملة. ولا يمكن تمييز إزاحات الطور إلا بالنسبة لنقاط أخرى في مخطط التداخل. ويمكن استنتاج التشوه المطلق بافتراض أن منطقةً ما في مخطط التداخل (كنقطة بعيدة عن مصادر التشوه المتوقعة مثلاً) لم تتعرض لأي تشوه، أو باستخدام نقطة تحكم أرضية ( مثل نظام تحديد المواقع العالمي GPS ) لتحديد الحركة المطلقة لنقطة ما.

تتحكم عوامل عديدة في اختيار الصور التي يمكن استخدامها في قياس التداخل. أبسط هذه العوامل هو توافر البيانات، إذ لا تعمل أجهزة الرادار المستخدمة في قياس التداخل عادةً بشكل مستمر، بل تجمع البيانات فقط عند برمجتها لذلك. قد يكون من الممكن طلب الحصول على البيانات لتلبية الاحتياجات المستقبلية، ولكن قد تكون البيانات المؤرشفة شحيحة في العديد من مناطق العالم. كما أن توافر البيانات مقيد بمعايير أساسية. وقد يكون توافر نموذج الارتفاع الرقمي المناسب عاملاً مهماً أيضاً في تقنية قياس التداخل الراداري ثنائي المسار؛ فغالباً ما تتوفر بيانات SRTM  بدقة 90 متراً للعديد من المناطق، ولكن في خطوط العرض العليا أو في المناطق ذات التغطية الضعيفة، يجب البحث عن مجموعات بيانات بديلة.

من المتطلبات الأساسية لإزالة إشارة الأرض أن يظل مجموع مساهمات الطور من الأهداف الفردية داخل البكسل ثابتًا بين الصورتين، وأن تُزال هذه المساهمات تمامًا. مع ذلك، توجد عدة عوامل قد تؤدي إلى فشل هذا المعيار. أولًا، يجب تسجيل الصورتين بدقة متناهية على مستوى البكسل الفرعي لضمان مساهمة نفس أهداف الأرض في ذلك البكسل. كما يوجد قيد هندسي على الحد الأقصى لطول خط الأساس، إذ يجب ألا يتسبب اختلاف زوايا الرؤية في تغيير الطور على عرض بكسل واحد بأكثر من طول موجة واحدة. وتؤثر التضاريس أيضًا على هذا الشرط، ويجب أن تكون خطوط الأساس أقصر إذا كانت انحدارات التضاريس عالية. عندما يكون التسجيل ضعيفًا أو يتم تجاوز الحد الأقصى لخط الأساس، يصبح طور البكسل غير متماسك، أي يصبح الطور عشوائيًا من بكسل إلى آخر بدلًا من أن يتغير بسلاسة، وتظهر المنطقة مشوشة. وينطبق هذا أيضًا على أي شيء آخر يغير المساهمات في المرحلة داخل كل بكسل، على سبيل المثال التغييرات التي تطرأ على الأهداف الأرضية في كل بكسل بسبب نمو النباتات أو الانهيارات الأرضية أو الزراعة أو الغطاء الثلجي.

يُعدّ انتشار الموجات عبر الغلاف الجوي مصدرًا آخر للخطأ في معظم صور التداخل. فلو انتقلت الموجة عبر الفراغ، لكان من الممكن نظريًا (شريطة دقة التوقيت الكافية) استخدام زمن انتقال الموجة ذهابًا وإيابًا مع الطور لحساب المسافة الدقيقة إلى سطح الأرض. إلا أن سرعة الموجة عبر الغلاف الجوي أقل من سرعة الضوء في الفراغ، وتعتمد على درجة حرارة الهواء وضغطه والضغط الجزئي لبخار الماء. ^{[ 4 ]} هذا التأخير الطوري غير المعروف هو ما يمنع حساب عدد صحيح من الأطوال الموجية. فلو كان الغلاف الجوي متجانسًا أفقيًا على مقياس طول صورة التداخل وعموديًا على مقياس التضاريس، لكان التأثير ببساطة فرق طور ثابت بين الصورتين، وهو ما لا يُسهم في الإشارة، لأن فرق الطور يُقاس بالنسبة إلى نقاط أخرى في صورة التداخل. مع ذلك، فإن الغلاف الجوي غير متجانس جانبيًا على مقاييس طول أكبر وأصغر من إشارات التشوه النموذجية. قد تبدو هذه الإشارة الزائفة غير مرتبطة تمامًا بخصائص سطح الصورة، ومع ذلك، في حالات أخرى يكون تأخير الطور الجوي ناتجًا عن عدم التجانس الرأسي على ارتفاعات منخفضة، وقد يؤدي ذلك إلى ظهور أهداب تتوافق مع التضاريس.

تُعدّ تقنيات التشتت المستمر أو الدائم تطورًا حديثًا نسبيًا عن تقنية InSAR التقليدية، وتعتمد على دراسة وحدات البكسل التي تحافظ على تماسكها عبر سلسلة من صور التداخل. في عام ١٩٩٩، طوّر باحثون في جامعة بوليتكنيكو دي ميلانو بإيطاليا منهجًا جديدًا متعدد الصور، حيث يتم البحث في مجموعة الصور عن أجسام على الأرض تُوفّر انعكاسات رادارية متسقة ومستقرة إلى القمر الصناعي. قد تكون هذه الأجسام بحجم بكسل، أو في الغالب، بحجم أصغر من البكسل، وتتواجد في كل صورة من الصور المُجمّعة. هذا التطبيق مُسجّل ببراءة اختراع.

استلهمت بعض المراكز البحثية والشركات تطوير نسخ معدلة من خوارزمياتها الخاصة التي من شأنها التغلب على قيود تقنية InSAR. في الأدبيات العلمية، تُعرف هذه التقنيات مجتمعةً باسم تقنيات قياس التداخل باستخدام المشتتات المستمرة (PSI). وقد اقترحت وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) مصطلح قياس التداخل باستخدام المشتتات المستمرة (PSI) لوصف الجيل الثاني من تقنيات قياس التداخل الراداري. ويحظى هذا المصطلح اليوم بقبول واسع النطاق في الأوساط العلمية وبين المستخدمين النهائيين.

تُعدّ هذه التقنيات عادةً أكثر فائدةً في المناطق الحضرية التي تضمّ العديد من المنشآت الدائمة، كما في دراسات الرصد الزلزالي للمواقع الجيولوجية الخطرة في أوروبا التي أجراها مشروع Terrafirma. ^{[ 5 ]} يُقدّم مشروع Terrafirma خدمة معلومات حول مخاطر حركة الأرض، تُوزّع في جميع أنحاء أوروبا عبر هيئات المسح الجيولوجي الوطنية والمؤسسات. يهدف هذا المشروع إلى المساهمة في إنقاذ الأرواح، وتعزيز السلامة، والحدّ من الخسائر الاقتصادية من خلال استخدام أحدث تقنيات الرصد الزلزالي. على مدى السنوات التسع الماضية، وفّرت هذه الخدمة معلوماتٍ تتعلّق بهبوط وارتفاع المناطق الحضرية، واستقرار المنحدرات والانهيارات الأرضية، والتشوّهات الزلزالية والبركانية، والخطوط الساحلية والسهول الفيضية.

يمكن استخدام تقنية InSAR لقياس التشوه التكتوني ، مثل حركة الأرض الناتجة عن الزلازل . استُخدمت هذه التقنية لأول مرة في زلزال لاندرز عام 1992 ، ^{[ 8 ]} ومنذ ذلك الحين، استُخدمت على نطاق واسع في رصد مجموعة متنوعة من الزلازل حول العالم. وعلى وجه الخصوص، خضع زلزالا إزميت عام 1999 وبام عام 2003 لدراسات مستفيضة. ^{[ 9 ] [ 10 ]} كما يمكن استخدام تقنية InSAR لرصد الزحف وتراكم الإجهاد على الصدوع .

يمكن استخدام تقنية InSAR في بيئات بركانية متنوعة ، بما في ذلك التشوه المصاحب للانفجارات البركانية ، والإجهاد بين الانفجارات الناتج عن تغيرات توزيع الصهارة في الأعماق، والانتشار الجاذبي للمنشآت البركانية، وإشارات التشوه البركاني التكتوني. ^{[ 11 ]} شملت الدراسات المبكرة لتقنية InSAR البركانية دراسات على جبل إتنا ، ^{[ 12 ]} وكيلويا ، ^{[ 13 ]} مع دراسة العديد من البراكين الأخرى مع تطور هذا المجال. تُستخدم هذه التقنية الآن على نطاق واسع في البحوث الأكاديمية حول التشوه البركاني، على الرغم من أن استخدامها كتقنية رصد تشغيلية لمراصد البراكين كان محدودًا بسبب مشكلات مثل أوقات تكرار المدار، ونقص البيانات المؤرشفة، والتماسك، والأخطاء الجوية. ^{[ 14 ] [ 15 ]} وقد استُخدمت تقنية InSAR مؤخرًا لدراسة عمليات التصدع في إثيوبيا. ^{[ 16 ]}

تم قياس هبوط الأرض الناتج عن أسباب متنوعة بنجاح باستخدام تقنية InSAR، ولا سيما الهبوط الناجم عن استخراج النفط أو المياه من الخزانات الجوفية، ^{[ 17 ]} والتعدين تحت السطحي وانهيار المناجم القديمة. ^{[ 18 ]} وبذلك، أصبحت تقنية InSAR أداة لا غنى عنها لإجراء العديد من دراسات الهبوط بكفاءة. أجرى توماس وآخرون ^{[ 19 ]} تحليلًا للتكلفة سمح بتحديد أبرز مزايا تقنيات InSAR مقارنةً بالتقنيات التقليدية الأخرى، وهي: (1) زيادة معدل جمع البيانات والتغطية المكانية؛ و(2) انخفاض التكلفة السنوية لكل نقطة قياس ولكل كيلومتر مربع.

على الرغم من أن تقنية InSAR قد تواجه بعض القيود عند تطبيقها على الانهيارات الأرضية، ^{[ 20 ]} إلا أنه يمكن استخدامها أيضًا لرصد معالم المناظر الطبيعية مثل الانهيارات الأرضية . ^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}

أجرى توماس وآخرون ^{[ 25 ]} دراسة ببليومترية حول اتجاهات المنشورات المتعلقة بالانهيارات الأرضية وتقنية InSAR. ووجدوا أن اتجاهات النشر تتبع نموذجًا أسيًا، مما يشير إلى أنه على الرغم من ظهورها في القرن الماضي، فإن تقنية InSAR تمثل موضوعًا متزايد الأهمية، وقد أصبحت أداة قيّمة لدراسة الانهيارات الأرضية.

تم قياس حركة الأنهار الجليدية وتشوهها بنجاح باستخدام تقنية التداخل الفضائي. تتيح هذه التقنية قياسًا عن بُعد عالي الدقة للتغيرات في بنية الأنهار الجليدية، وتدفق الجليد، والتحولات في ديناميكيات الجليد، وكلها تتوافق بشكل كبير مع الملاحظات الأرضية. ^{[ 26 ]}

يمكن استخدام تقنية InSAR أيضًا لمراقبة استقرار المنشآت المبنية. ^{[ 27 ]} وتُعد بيانات الرادار ذي الفتحة التركيبية عالية الدقة (مثل تلك المستمدة من نمط TerraSAR-X StripMap أو نمط COSMO-Skymed HIMAGE) مناسبةً بشكل خاص لهذه المهمة. تُستخدم تقنية InSAR لمراقبة هبوط الطرق السريعة والسكك الحديدية، ^{[ 28 ] [ 29 ]} واستقرار السدود، ^{[ 30 ]} والهندسة الجنائية، ^{[ 31 ]} والعديد من الاستخدامات الأخرى.

يمكن استخدام صور التداخل لإنتاج خرائط الارتفاع الرقمية (DEMs) بالاستفادة من التأثير المجسم الناتج عن اختلافات طفيفة في موقع الرصد بين الصورتين. عند استخدام صورتين مُلتقطتين بواسطة نفس المستشعر بفارق زمني، يجب افتراض أن تأثيرات الطور الأخرى (مثل تأثيرات التشوه أو الغلاف الجوي) ضئيلة. في عام 1995، حلّق قمرا ERS الصناعيان معًا بفارق يوم واحد لهذا الغرض. يتمثل نهج آخر في استخدام هوائيين مثبتين على مسافة معينة على نفس المنصة، والتقاط الصور في الوقت نفسه، مما يضمن عدم وجود إشارات جوية أو تشوه. وقد اتبعت وكالة ناسا هذا النهج في مهمة SRTM على متن مكوك الفضاء عام 2000. يمكن استخدام خرائط الارتفاع الرقمية المُستمدة من تقنية InSAR في دراسات التشوه اللاحقة التي تتطلب مسارين، أو في تطبيقات جيوفيزيائية أخرى.

طُوِّرت إجراءات متنوعة لتحديد تجمعات النقاط المشتتة النشطة والمستمرة بشكل شبه آلي، ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]} والتي يُشار إليها عادةً باسم مناطق التشوه النشطة، وربطها مبدئيًا بأنواع مختلفة من عمليات التشوه المحتملة (مثل الانهيارات الأرضية، والبالوعات، وهبوط المباني، وهبوط الأرض) عبر مناطق واسعة. ^{[ 35 ]}