radar de apertura sintética interferométrica

El radar de apertura sintética (SAR) es un tipo de radar que utiliza un procesamiento sofisticado de datos para producir un haz efectivo muy estrecho. Permite obtener imágenes de objetivos relativamente inmóviles; los objetivos en movimiento pueden aparecer borrosos o desplazados en las imágenes. El SAR es una forma de teledetección activa: la antena transmite radiación que se refleja en el área de la imagen, a diferencia de la teledetección pasiva, donde la reflexión se detecta a partir de la iluminación ambiental. Por lo tanto, la adquisición de imágenes SAR es independiente de la iluminación natural y permite tomar imágenes de noche. El radar utiliza radiación electromagnética en frecuencias de microondas ; la absorción atmosférica en las longitudes de onda típicas del radar es muy baja, lo que significa que las observaciones no se ven afectadas por la nubosidad.

El SAR utiliza la amplitud y la fase absoluta de los datos de la señal de retorno. En cambio, la interferometría utiliza la fase diferencial de la radiación reflejada, ya sea a partir de múltiples pasadas a lo largo de la misma trayectoria o de múltiples centros de fase desplazados (antenas) en una sola pasada. Dado que la onda saliente es producida por el satélite, se conoce la fase y se puede comparar con la fase de la señal de retorno. La fase de la onda de retorno depende de la distancia a la Tierra, ya que la longitud del trayecto de ida y vuelta a la Tierra consta de varias longitudes de onda completas más una fracción de longitud de onda. Esto se observa como una diferencia de fase o un desplazamiento de fase en la onda de retorno. La distancia total al satélite (es decir, el número de longitudes de onda completas) se conoce en función del tiempo que tarda la energía en realizar el viaje de ida y vuelta al satélite; pero es la fracción adicional de longitud de onda la que resulta de particular interés y se mide con gran precisión.

En la práctica, la fase de la señal de retorno se ve afectada por varios factores que, en conjunto, pueden hacer que la fase absoluta de retorno en cualquier adquisición de datos SAR sea esencialmente arbitraria, sin correlación entre píxeles. Para obtener información útil de la fase, es necesario aislar y eliminar algunos de estos efectos. La interferometría utiliza dos imágenes de la misma área tomadas desde la misma posición (o, para aplicaciones topográficas, desde posiciones ligeramente diferentes) y calcula la diferencia de fase entre ellas, produciendo una imagen conocida como interferograma. Esta se mide en radianes de diferencia de fase y, debido a la naturaleza cíclica de la fase, se registra como franjas repetitivas que representan cada una un ciclo completo de 2π .

El factor más importante que afecta la fase es la interacción con la superficie terrestre. La fase de la onda puede cambiar al reflejarse , dependiendo de las propiedades del material. La señal reflejada de cualquier píxel es la suma de las contribuciones a la fase de muchos "objetivos" más pequeños en esa área terrestre, cada uno con diferentes propiedades dieléctricas y distancias al satélite, lo que significa que la señal de retorno es arbitraria y completamente incorrelacionada con la de los píxeles adyacentes. Sin embargo, es importante destacar que es consistente: siempre que nada cambie en el suelo, las contribuciones de cada objetivo deberían sumarse de forma idéntica en cada ocasión y, por lo tanto, eliminarse del interferograma.

Una vez eliminados los efectos del suelo, la señal principal presente en el interferograma es la contribución de los efectos orbitales. Para que la interferometría funcione, los satélites deben estar lo más cerca posible de la misma posición espacial al adquirir las imágenes. Esto significa que no se pueden comparar imágenes de dos plataformas satelitales con órbitas diferentes, y para un satélite dado, deben utilizarse datos de la misma órbita. En la práctica, la distancia perpendicular entre ellos, conocida como línea base , suele conocerse con una precisión de pocos centímetros, pero solo puede controlarse en una escala de decenas a cientos de metros. Esta pequeña diferencia provoca una diferencia de fase regular que varía suavemente a lo largo del interferograma y que puede modelarse y eliminarse.

La ligera diferencia en la posición del satélite también altera la distorsión causada por la topografía , lo que implica que se introduce una diferencia de fase adicional debido a un efecto estereoscópico . Cuanto mayor sea la línea base, menor será la altura topográfica necesaria para producir una franja de cambio de fase, conocida como altitud de ambigüedad . Este efecto puede aprovecharse para calcular la altura topográfica y utilizarse para generar un modelo digital de elevación (MDE).

Si se conoce la altura de la topografía, se puede calcular y eliminar la contribución de fase topográfica. Tradicionalmente, esto se ha hecho de dos maneras. En el método de dos pasadas , se utilizan datos de elevación de un modelo digital de elevación (MDE) derivado externamente junto con la información orbital para calcular la contribución de fase. En el método de tres pasadas, se utilizan dos imágenes adquiridas con un intervalo de tiempo corto para crear un interferograma, que se supone que no tiene señal de deformación y, por lo tanto, representa la contribución topográfica. Este interferograma se resta luego de una tercera imagen con un intervalo de tiempo mayor para obtener la fase residual debida a la deformación.

Una vez eliminadas las contribuciones terrestres, orbitales y topográficas, el interferograma contiene la señal de deformación, junto con el ruido restante (véase Dificultades más adelante). La señal medida en el interferograma representa el cambio de fase causado por un aumento o disminución de la distancia entre el píxel terrestre y el satélite; por lo tanto, solo la componente del movimiento terrestre paralela al vector de la línea de visión del satélite provocará una diferencia de fase. Para sensores como el ERS, con un ángulo de incidencia pequeño , esto permite medir bien el movimiento vertical, pero resulta insensible al movimiento horizontal perpendicular a la línea de visión (aproximadamente norte-sur). Esto también significa que el movimiento vertical y las componentes del movimiento horizontal paralelas al plano de la línea de visión (aproximadamente este-oeste) no pueden resolverse por separado.

Una franja de diferencia de fase se genera por un movimiento del suelo de la mitad de la longitud de onda del radar, ya que esto corresponde a un aumento de una longitud de onda completa en la distancia de recorrido bidireccional. Los cambios de fase solo se pueden resolver en relación con otros puntos del interferograma. La deformación absoluta se puede inferir asumiendo que un área del interferograma (por ejemplo, un punto alejado de las fuentes de deformación esperadas) no experimentó deformación, o utilizando un control terrestre ( GPS o similar) para determinar el movimiento absoluto de un punto.

Diversos factores determinan la elección de las imágenes que se pueden utilizar para la interferometría. El más sencillo es la disponibilidad de datos: los instrumentos de radar utilizados para la interferometría no suelen operar de forma continua, sino que adquieren datos solo cuando se programan para ello. Para futuras necesidades, puede ser posible solicitar la adquisición de datos, pero en muchas zonas del mundo los datos archivados pueden ser escasos. La disponibilidad de datos también está limitada por los criterios de referencia. La disponibilidad de un modelo digital de elevación (MDE) adecuado también puede ser un factor para la interferometría radar de dos pasadas (InSAR); normalmente, se dispone de datos SRTM  de 90 m para muchas zonas, pero en latitudes altas o en zonas con poca cobertura, es necesario buscar conjuntos de datos alternativos.

Un requisito fundamental para la eliminación de la señal del suelo es que la suma de las contribuciones de fase de los objetivos individuales dentro del píxel permanezca constante entre las dos imágenes y se elimine por completo. Sin embargo, existen varios factores que pueden provocar que este criterio falle. En primer lugar, las dos imágenes deben estar corregistradas con precisión a nivel de subpíxel para asegurar que los mismos objetivos del suelo contribuyan a ese píxel. También existe una restricción geométrica sobre la longitud máxima de la línea base: la diferencia en los ángulos de visión no debe provocar que la fase cambie en el ancho de un píxel en más de una longitud de onda. Los efectos de la topografía también influyen en esta condición, y las líneas base deben ser más cortas si las pendientes del terreno son pronunciadas. Cuando la corregistración es deficiente o se supera la línea base máxima, la fase del píxel se vuelve incoherente: la fase se vuelve esencialmente aleatoria de píxel a píxel en lugar de variar suavemente, y el área aparece ruidosa. Esto también se aplica a cualquier otro factor que modifique las contribuciones a la fase dentro de cada píxel, por ejemplo, los cambios en los objetivos del suelo en cada píxel causados ​​por el crecimiento de la vegetación, los deslizamientos de tierra, la agricultura o la capa de nieve.

Otra fuente de error presente en la mayoría de los interferogramas es causada por la propagación de las ondas a través de la atmósfera. Si la onda viajara a través del vacío, teóricamente sería posible (con suficiente precisión en la sincronización) usar el tiempo de viaje de ida y vuelta de la onda en combinación con la fase para calcular la distancia exacta al suelo. Sin embargo, la velocidad de la onda a través de la atmósfera es menor que la velocidad de la luz en el vacío y depende de la temperatura del aire, la presión y la presión parcial del vapor de agua. ^{[ 4 ]} Es este retardo de fase desconocido el que impide calcular el número entero de longitudes de onda. Si la atmósfera fuera horizontalmente homogénea en la escala de longitud de un interferograma y verticalmente en la de la topografía, el efecto sería simplemente una diferencia de fase constante entre las dos imágenes que, dado que la diferencia de fase se mide en relación con otros puntos del interferograma, no contribuiría a la señal. Sin embargo, la atmósfera es lateralmente heterogénea en escalas de longitud tanto mayores como menores que las señales de deformación típicas. Esta señal espuria puede parecer completamente ajena a las características de la superficie de la imagen; sin embargo, en otros casos, el retardo de fase atmosférico se debe a la inhomogeneidad vertical a bajas altitudes, lo que puede provocar que aparezcan franjas que parecen corresponderse con la topografía.

Las técnicas de dispersores persistentes o permanentes son un desarrollo relativamente reciente del InSAR convencional y se basan en el estudio de píxeles que permanecen coherentes a lo largo de una secuencia de interferogramas. En 1999, investigadores del Politécnico de Milán , Italia, desarrollaron un nuevo enfoque multiimagen en el que se busca en la pila de imágenes objetos en tierra que proporcionen reflexiones de radar consistentes y estables hacia el satélite. Estos objetos pueden tener el tamaño de un píxel o, más comúnmente, ser de tamaño subpíxel, y están presentes en todas las imágenes de la pila. Esta implementación específica está patentada.

Algunos centros de investigación y empresas se inspiraron para desarrollar variantes de sus propios algoritmos que también superaran las limitaciones de InSAR. En la literatura científica, estas técnicas se conocen colectivamente como interferometría de dispersores persistentes o técnicas PSI. El término interferometría de dispersores persistentes (PSI) fue propuesto por la Agencia Espacial Europea (ESA) para definir la segunda generación de técnicas de interferometría de radar. Este término es actualmente ampliamente aceptado por la comunidad científica y los usuarios finales.

Estas técnicas suelen ser más útiles en áreas urbanas con muchas estructuras permanentes, por ejemplo, los estudios PSI de sitios de riesgo geológico europeos realizados por el proyecto Terrafirma. ^{[ 5 ]} El proyecto Terrafirma proporciona un servicio de información sobre riesgos de movimientos sísmicos, distribuido por toda Europa a través de servicios e instituciones geológicas nacionales. El objetivo de este servicio es ayudar a salvar vidas, mejorar la seguridad y reducir las pérdidas económicas mediante el uso de información PSI de vanguardia. Durante los últimos 9 años, este servicio ha proporcionado información relacionada con la subsidencia y el levantamiento urbanos, la estabilidad de taludes y deslizamientos de tierra, la deformación sísmica y volcánica, las costas y las llanuras aluviales.

InSAR puede utilizarse para medir la deformación tectónica , por ejemplo, los movimientos del terreno debidos a terremotos . Se utilizó por primera vez para el terremoto de Landers de 1992 , ^{[ 8 ]} pero desde entonces se ha utilizado ampliamente para una gran variedad de terremotos en todo el mundo. En particular, los terremotos de Izmit de 1999 y Bam de 2003 fueron estudiados exhaustivamente. ^{[ 9 ] [ 10 ]} InSAR también puede utilizarse para monitorear la fluencia y la acumulación de tensión en fallas .

InSAR puede utilizarse en una variedad de entornos volcánicos , incluyendo la deformación asociada con erupciones , la tensión entre erupciones causada por cambios en la distribución del magma en profundidad, la expansión gravitacional de edificios volcánicos y las señales de deformación volcano-tectónica. ^{[ 11 ]} Los primeros trabajos sobre InSAR volcánico incluyeron estudios en el Monte Etna , ^{[ 12 ]} y Kilauea , ^{[ 13 ]} y muchos más volcanes fueron estudiados a medida que el campo se desarrollaba. La técnica ahora se utiliza ampliamente para la investigación académica sobre la deformación volcánica, aunque su uso como técnica de monitoreo operativo para observatorios volcánicos ha sido limitado por problemas tales como tiempos de repetición orbital, falta de datos archivados, coherencia y errores atmosféricos. ^{[ 14 ] [ 15 ]} Recientemente, InSAR se ha utilizado para estudiar procesos de rifting en Etiopía. ^{[ 16 ]}

La subsidencia del terreno por diversas causas se ha medido con éxito utilizando InSAR, en particular la subsidencia causada por la extracción de petróleo o agua de depósitos subterráneos, ^{[ 17 ]} la minería subterránea y el colapso de minas antiguas. ^{[ 18 ]} Por lo tanto, InSAR se ha convertido en una herramienta indispensable para abordar satisfactoriamente muchos estudios de subsidencia. Tomás et al. ^{[ 19 ]} realizaron un análisis de costos que permitió identificar los puntos más fuertes de las técnicas InSAR en comparación con otras técnicas convencionales: (1) mayor frecuencia de adquisición de datos y cobertura espacial; y (2) menor costo anual por punto de medición y por kilómetro cuadrado.

Aunque la técnica InSAR puede presentar algunas limitaciones cuando se aplica a deslizamientos de tierra, ^{[ 20 ]} también puede utilizarse para monitorear características del paisaje como deslizamientos de tierra . ^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}

Tomás et al. ^{[ 25 ]} realizaron un estudio bibliométrico sobre las tendencias en las publicaciones relacionadas con deslizamientos de tierra e InSAR. Descubrieron que las tendencias de publicación siguen un modelo de potencia, lo que indica que, a pesar de su inicio en el siglo pasado, InSAR es un tema de creciente relevancia y se ha consolidado como una valiosa herramienta para el estudio de deslizamientos de tierra.

El movimiento y la deformación de los glaciares se han medido con éxito mediante interferometría satelital. Esta técnica permite la medición remota y de alta resolución de los cambios en la estructura glaciar, el flujo de hielo y las variaciones en la dinámica del hielo, los cuales coinciden estrechamente con las observaciones terrestres. ^{[ 26 ]}

InSAR también puede utilizarse para monitorizar la estabilidad de estructuras construidas. ^{[ 27 ]} Los datos SAR de muy alta resolución (como los derivados del modo StripMap de TerraSAR-X o del modo HIMAGE de COSMO-Skymed) son especialmente adecuados para esta tarea. InSAR se utiliza para la monitorización de asentamientos ferroviarios y de carreteras, ^{[ 28 ] [ 29 ]} la estabilidad de diques, ^{[ 30 ]} la ingeniería forense ^{[ 31 ]} y muchos otros usos.

Los interferogramas pueden utilizarse para generar mapas digitales de elevación (MDE) aprovechando el efecto estereoscópico causado por las ligeras diferencias en la posición de observación entre las dos imágenes. Al utilizar dos imágenes producidas por el mismo sensor con una separación temporal, se debe asumir que otras contribuciones de fase (por ejemplo, debidas a la deformación o a efectos atmosféricos) son mínimas. En 1995, los dos satélites ERS volaron en tándem con un día de separación para este propósito. Un segundo enfoque consiste en utilizar dos antenas montadas a cierta distancia en la misma plataforma y adquirir las imágenes simultáneamente, lo que garantiza la ausencia de señales atmosféricas o de deformación. Este enfoque fue seguido por la misión SRTM de la NASA a bordo del transbordador espacial en el año 2000. Los MDE derivados de InSAR pueden utilizarse posteriormente para estudios de deformación de dos pasadas o para otras aplicaciones geofísicas.

Se han desarrollado varios procedimientos para identificar de forma semiautomática grupos de dispersores persistentes activos, ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]} generalmente denominados áreas de deformación activa, y asociarlos preliminarmente con diferentes tipos potenciales de procesos de deformación (por ejemplo, deslizamientos de tierra, sumideros, asentamientos de edificios, subsidencia del terreno) en amplias áreas. ^{[ 35 ]}