干渉合成開口レーダー

干渉合成開口レーダー（略称InSAR、または旧称IfSAR）は、測地学やリモートセンシングで用いられるレーダー技術である。この測地学的手法では、2枚以上の合成開口レーダー（SAR）画像から、衛星^{[1] [2] [3]または航空機に戻ってくる}波の位相の差を利用して、地表変形または数値標高の地図を生成する。この技術は、数日から数年にわたるミリメートル規模の変形の変化を測定できる可能性がある。地震、火山、地滑りなどの自然災害の地球物理学的モニタリングや、特に地盤沈下や構造安定性のモニタリングといった構造工学の分野に応用されている。

合成開口レーダー(SAR) は、レーダー データの高度な処理によって非常に狭い有効ビームを生成するレーダーの一種です。比較的動かないターゲットの画像を作成するために使用できます。動くターゲットは、作成された画像内でぼやけたり、位置がずれたりします。SAR はアクティブ リモート センシングの一種です。アンテナは画像領域から反射された放射線を送信します。パッシブ センシングでは周囲の照明からの反射が検出されますが、SAR 画像の取得は自然光に左右されず、夜間でも画像を撮影できます。レーダーはマイクロ波周波数の電磁放射を使用します。一般的なレーダー波長での大気の吸収は非常に低いため、雲の覆いによって観測が妨げられることはありません。

SAR は、返送信号データの振幅と絶対位相を利用します。対照的に、干渉法では、同じ軌道に沿った複数のパスからの反射放射、および/または 1 回のパス上の複数の位相中心 (アンテナ) からの反射放射の微分位相を使用します。送信波は衛星によって生成されるため、位相は既知であり、返送信号の位相と比較できます。返送波の位相は、地上までの距離に依存します。これは、地上までの経路長が、いくつかの全波長と波長の一部で構成されるためです。これは、返送波の位相差または位相シフトとして観察できます。衛星までの合計距離 (つまり、全波長の数) は、エネルギーが衛星まで往復するのにかかる時間に基づいてわかりますが、特に重要なのは、余分な波長の一部であり、非常に正確に測定されます。

実際には、戻り信号の位相はいくつかの要因の影響を受け、これらの要因が組み合わさって、SAR データ収集における絶対位相戻りが基本的に任意になり、ピクセル間の相関がなくなります。位相から有用な情報を得るには、これらの影響の一部を分離して除去する必要があります。干渉法では、同じ位置 (地形アプリケーションの場合はわずかに異なる位置) から同じ領域を撮影した 2 つの画像を使用し、それらの位相の差を検出して、干渉画像と呼ばれる画像を生成します。これは位相差のラジアンで測定され、位相の周期性のため、それぞれが完全な2π周期を表す繰り返し縞として記録されます。

位相に影響を与える最も重要な要因は、地表との相互作用です。波の位相は、物質の特性に応じて反射時に変化することがあります。任意の 1 つのピクセルから反射された信号は、その地上エリアにある多数の小さな「ターゲット」からの位相への寄与の合計です。ターゲットはそれぞれ異なる誘電特性と衛星からの距離を持ち、返される信号は任意であり、隣接するピクセルからの信号とはまったく相関がありません。ただし重要なのは、それが一貫していることです。地上で何も変化がなければ、各ターゲットからの寄与は毎回同じ合計になり、したがって干渉縞から除去されます。

地上効果が除去されると、インターフェログラムに存在する主な信号は軌道効果による寄与になります。干渉法が機能するには、画像を取得するときに衛星が可能な限り同じ空間位置になければなりません。つまり、異なる軌道にある 2 つの衛星プラットフォームからの画像を比較することはできず、特定の衛星については同じ軌道トラックのデータを使用する必要があります。実際には、ベースラインと呼ばれるそれらの間の垂直距離は、数センチメートル以内であることがわかっていることがよくありますが、数十から数百メートルのスケールでのみ制御できます。このわずかな違いにより、インターフェログラム全体で滑らかに変化する規則的な位相差が発生するため、モデル化して除去することができます。

衛星の位置のわずかな違いによって地形による歪みも変化し、立体視効果によって位相差がさらに生じます。基線が長いほど、位相変化の縞模様（あいまいさの高度と呼ばれる）を生成するために必要な地形の高さは小さくなります。この効果を利用して地形の高さを計算し、デジタル標高モデル（DEM） を作成することができます。

地形の高さがすでにわかっている場合は、地形の位相寄与を計算して除去することができます。これは従来、2 つの方法で行われてきました。2パス法では、外部から取得したDEMの標高データを軌道情報と組み合わせて位相寄与を計算します。3パス法では、短時間で取得した 2 つの画像を使用して干渉画像を作成します。この干渉画像には変形信号がないと想定されるため、地形の寄与を表します。この干渉画像は、より長い時間間隔で取得した 3 番目の画像から減算され、変形による残留位相が得られます。

地上、軌道、地形の寄与が除去されると、干渉縞には変形信号と、残りのノイズ（以下の「困難」を参照）が含まれます。干渉縞で測定された信号は、地上ピクセルから衛星までの距離の増減によって生じる位相の変化を表すため、衛星の視線ベクトルに平行な地上運動の成分のみが位相差を観測します。入射角が小さいERS​​などのセンサーの場合、垂直方向の動きは適切に測定されますが、視線に垂直な水平方向の動き（およそ南北）には反応しません。また、垂直方向の動きと、視線の平面に平行な水平方向の動き（およそ東西）の成分を別々に解析することはできません。

位相差の 1 つの縞は、レーダー波長の半分の地盤運動によって生成されます。これは、往復移動距離が 1 波長分増加するためです。位相シフトは、インターフェログラム内の他のポイントと比較してのみ分解できます。絶対的な変形は、インターフェログラム内の 1 つの領域 (たとえば、予想される変形源から離れたポイント) が変形を経験しなかったと仮定するか、地上制御 ( GPSなど) を使用してポイントの絶対的な動きを確立することによって推測できます。

干渉法に使用できる画像の選択は、さまざまな要因によって決まります。最も単純な要因はデータの可用性です。干渉法に使用されるレーダー機器は、通常、連続的に動作することはなく、プログラムされた場合にのみデータを取得します。将来の要件に備えて、データの取得を要求できる可能性がありますが、世界の多くの地域ではアーカイブされたデータがまばらである可能性があります。データの可用性は、ベースライン基準によってさらに制限されます。適切な DEM の可用性も、2 パス InSAR の要因となる可能性があります。通常、90 m SRTMデータは多くの地域で使用できますが、高緯度地域やカバー範囲の狭い地域では、代替データセットを見つける必要があります。

地上信号を除去するための基本的な要件は、ピクセル内の個々のターゲットからの位相寄与の合計が 2 つの画像間で一定のままであり、完全に除去されることです。ただし、この基準を満たさない要因がいくつかあります。まず、2 つの画像は、同じ地上ターゲットがそのピクセルに寄与していることを保証するために、サブピクセル レベルで正確に共登録されている必要があります。また、ベースラインの最大長には幾何学的な制約があります。つまり、視野角の違いによって、1 ピクセルの幅で波長を超えて位相が変化してはなりません。地形の影響も条件に影響し、地形の勾配が大きい場合はベースラインを短くする必要があります。共登録が不十分な場合や最大ベースラインを超える場合、ピクセル位相は一貫性がなくなります。つまり、位相は滑らかに変化するのではなく、ピクセルごとに基本的にランダムになり、その領域はノイズが多く見えます。これは、各ピクセル内の位相への寄与を変える他のあらゆるものにも当てはまります。たとえば、植生の成長、地滑り、農業、積雪によって引き起こされる各ピクセル内の地上ターゲットの変化などです。

ほとんどのインターフェログラムに存在するもう 1 つの誤差源は、大気中を伝わる波の伝播によって発生します。真空中を波が伝わった場合、理論的には (タイミングの精度が十分であれば) 波の往復移動時間と位相を組み合わせて地面までの正確な距離を計算することができます。ただし、大気中を伝わる波の速度は真空中の光速よりも遅く、気温、気圧、水蒸気分圧に依存します。 ^[4]この未知の位相遅延により、波長の整数倍が計算されません。大気がインターフェログラムの長さスケールにわたって水平方向に均一で、地形の長さスケールにわたって垂直方向に均一である場合、その影響は 2 つの画像間の位相差が一定になるだけであり、位相差はインターフェログラム内の他の点を基準にして測定されるため、信号には影響しません。ただし、大気は、一般的な変形信号よりも長い長さスケールと短い長さスケールの両方で横方向に不均一です。この偽信号は、画像の表面の特徴とはまったく関係がないように見える場合がありますが、他の場合には、大気の位相遅延は低高度での垂直方向の不均一性によって引き起こされ、その結果、縞模様が地形に対応するように見えることがあります。

持続的または永久散乱体技術は、従来の InSAR から比較的最近開発されたもので、一連の干渉縞にわたって一貫性を保つピクセルを研究することに依存しています。1999 年、イタリアのミラノ工科大学の研究者は、衛星に一貫した安定したレーダー反射を提供する地上の物体を画像のスタックから検索する新しいマルチ画像アプローチを開発しました。これらの物体はピクセル サイズ、またはより一般的にはサブピクセル サイズであり、スタック内のすべての画像に存在します。この特定の実装は特許を取得しています。

いくつかの研究センターや企業は、InSAR の限界も克服できる独自のアルゴリズムのバリエーションを開発しようと奮起しました。科学文献では、これらの技術はまとめて持続散乱干渉法または PSI 技術と呼ばれています。持続散乱干渉法 (PSI) という用語は、欧州宇宙機関 (ESA) によって、第 2 世代のレーダー干渉法を定義するために提案されました。この用語は、現在では科学界やエンド ユーザー コミュニティで広く受け入れられています。

一般的に、このような技術は、Terrafirmaプロジェクトによって実施されたヨーロッパの地質災害サイトのPSI研究のように、多くの恒久的な構造物がある都市部で最も役立ちます。^[5] Terrafirmaプロジェクトは、地盤変動ハザード情報サービスを提供しており、国立地質調査所や機関を通じてヨーロッパ全土に配信されています。このサービスの目的は、最先端のPSI情報を使用することで、人命を救い、安全性を向上させ、経済的損失を減らすことです。過去9年間、このサービスは都市の沈下と隆起、斜面の安定性と地滑り、地震と火山の変形、海岸線と洪水平野に関する情報を提供してきました。

インターフェログラムを生成するために使用される処理チェーンは、使用されるソフトウェアと正確なアプリケーションによって異なりますが、通常は次の手順の組み合わせが含まれます。

インターフェログラムを生成するには、2 つの SAR 画像が必要です。これらは、前処理済みのものでも、InSAR 処理の前にユーザーが生データから生成したものでもかまいません。まず、相関手順を使用して2 つの振幅画像間のオフセットと形状の差を検出し、2 つの画像を共登録する必要があります。次に、1 つの SAR 画像が他の画像の形状と一致するように再サンプリングされます。つまり、各ピクセルが両方の画像で同じ地上領域を表します。次に、2 つの画像の各ピクセルをクロス乗算してインターフェログラムを形成し、地球の曲率による干渉位相を除去します。このプロセスは平坦化と呼ばれます。変形アプリケーションでは、DEM をベースライン データと組み合わせて使用​​し、干渉位相への地形の寄与をシミュレートし、これをインターフェログラムから除去できます。

基本的なインターフェログラムが生成されると、通常は適応型パワースペクトル フィルタを使用してフィルタリングされ、位相信号が増幅されます。ほとんどの定量的アプリケーションでは、インターフェログラム内に存在する連続した縞模様をアンラップする必要があります。これには、0 から 2π の位相ジャンプを補間して連続した変形フィールドを生成することが含まれます。アンラップの前または後のある時点で、画像の非コヒーレント領域がマスクされる場合があります。最終処理段階では、画像のジオコーディングが行われます。これは、取得ジオメトリ (衛星の経路の方向に関連) から目的の地理的投影にインターフェログラムを再サンプリングします。

衛星ベースの InSAR の初期の利用には、1980 年代のSeasatデータの使用が含まれていましたが、1990 年代にはERS-1 (1991 年)、JERS-1 (1992 年)、RADARSAT-1、ERS-2 (1995 年) の打ち上げにより、この技術の可能性は拡大しました。これらのプラットフォームは、InSAR に必要な安定した明確な軌道と短いベースラインを提供しました。最近では、2000 年 2 月に行われた 11 日間の NASA STS-99ミッションで、スペース シャトルに搭載された SAR アンテナを使用して、シャトル レーダー地形図ミッション(SRTM)のデータが収集されました。2002 年、ESA はERS ​​の後継として設計された ASAR 機器をEnvisatに搭載して打ち上げました。これまでのInSARの大部分はCバンドセンサーを利用してきましたが、ALOS PALSAR、TerraSAR-X、COSMO-SkyMedなどの最近のミッションでは、LバンドとXバンドで利用可能なデータが拡大しています。

CバンドセンサーであるSentinel-1AとSentinel-1Bは、それぞれ2014年と2016年にESAによって打ち上げられました。これらを組み合わせることで、6日間の繰り返し周期で地球規模のInSARカバレッジを提供します。

航空機搭載型InSARデータ収集システムは、アメリカのIntermap、ドイツのAeroSensing、ブラジルのOrbiSatなどの企業によって構築されています。^[6]

地上または地上ベースの SAR 干渉法 (TInSAR または GBInSAR) は、斜面、^[7]、岩崖、火山、地滑り、建物、インフラストラクチャなどの変位を監視するためのリモート センシング技術です。この技術は、衛星 SAR 干渉法と同じ動作原理に基づいていますが、レーダーの合成開口 (SAR) は、軌道上を移動する衛星ではなく、レール上を移動するアンテナによって取得されます。SAR 技術により、調査対象のシナリオの 2D レーダー画像を、高いレンジ解像度 (機器の視線に沿って) とクロスレンジ解像度 (スキャン方向に沿って) で取得できます。2 つのアンテナがそれぞれマイクロ波信号を発信および受信し、2 つの異なる時間に行われた 2 つの測定値間の位相差を計算することで、SAR 画像のすべてのピクセルの変位を計算できます。変位測定の精度は、EM 波長と同じ桁であり、特定の地域および大気の状態にも依存します。

InSARは、地震による地盤変動などの地殻変動の測定に使用できます。InSARは1992年のランダース地震で初めて使用されましたが^[8]、それ以来、世界中のさまざまな地震に広く利用されてきました。特に、1999年のイズミット地震と2003年のバム地震は広範囲に研究されました。^{[9] [10] InSARは、}断層のクリープや歪みの蓄積を監視するためにも使用できます。

InSARは、噴火に伴う変形、深部でのマグマ分布の変化によって引き起こされる噴火間の歪み、火山体の重力による広がり、火山テクトニック変形シグナルなど、さまざまな火山の状況で使用できます。 ^[11]火山InSARの初期の研究には、エトナ山^[12]とキラウエア^[13]の研究が含まれており、分野の発展に伴い、さらに多くの火山が研究されています。この技術は現在、火山変形の学術研究に広く使用されていますが、火山観測所の運用監視技術としての使用は、軌道繰り返し時間、アーカイブデータの欠如、一貫性、大気誤差などの問題により制限されています。^{[14] [15]最近、InSARはエチオピアの}リフトプロセスの研究に使用されています。^[16]

InSARは、さまざまな原因による地盤沈下、特に地下貯留層からの石油や水の抽出、 ^[17]地下採掘、古い鉱山の崩壊^[18]によって引き起こされる地盤沈下を測定するのに成功しています。このように、InSARは多くの地盤沈下研究に満足のいく結果をもたらすために不可欠なツールとなっています。Tomásら^{[19] は}コスト分析を行い、他の従来の技術と比較したInSAR技術の最大の長所を特定しました。(1) データ取得頻度と空間カバレッジが高いこと、(2) 測定点および平方キロメートルあたりの年間コストが低いことです。

InSAR技術は地すべりに適用する際にはいくつかの限界があるが^[20]、地すべりなどの地形の特徴を監視するためにも使用できる。^{[21] [22] [23]}

Tomásら^[24]は、地すべりとInSARに関する出版物の傾向に関する文献調査を実施しました。彼らは、出版物の傾向がべき乗モデルに従うことを発見しました。これは、前世紀に始まったにもかかわらず、InSARがますます話題になり、地すべりを研究するための貴重なツールとして確立されていることを示しています。

氷河の動きと変形は衛星干渉計を使って測定され、成功している。この技術により、氷河構造、氷の流れ、氷の力学の変化を遠隔で高解像度で測定することができ、その結果はすべて地上観測とよく一致する。^[25]

InSARは建造物の安定性を監視するためにも使用できます。^[26]非常に高解像度のSARデータ（TerraSAR-X StripMapモードやCOSMO-Skymed HIMAGEモードから得られるものなど）は、このタスクに特に適しています。InSARは、高速道路や鉄道の集落の監視、^{[27] [28]}堤防​​の安定性、^[29]法医学工学^[30]など、さまざまな用途に使用されています。

干渉縞は、2 つの画像間の観測位置のわずかな違いによって生じる立体効果を利用して、デジタル標高マップ(DEM)を作成するために使用できます。同じセンサーによって生成された 2 つの画像を時間的に離して使用する場合は、他の位相寄与 (たとえば、変形や大気の影響) が最小限であると想定する必要があります。1995 年には、この目的のために 2 つのERS​​衛星が 1 日の間隔を置いて並行して飛行しました。2 つ目の方法は、同じプラットフォーム上に一定の距離を置いて取り付けられた 2 つのアンテナを使用して、同時に画像を取得することです。これにより、大気や変形の信号が存在しないことが保証されます。この方法は、 2000 年にスペース シャトルに搭載された NASA のSRTMミッションで採用されました。InSAR から生成された DEM は、後の 2 パス変形研究や、その他の地球物理学的アプリケーションで使用できます。

^{活発な変形地域と呼ばれる活発な持続散乱体のクラスター[31] [32] [33]}を半自動的に識別し、それらを広い地域にわたるさまざまな潜在的な変形プロセス（例：地滑り、陥没穴、建物の沈下、地盤沈下）と予備的に関連付けるためのさまざまな手順が開発されています。^[34]

• コヒーレンス（物理学）
• 光ヘテロダイン検出
• リモートセンシング
• ROI PAC

• B. カンペス、「レーダー干渉法 - 持続散乱体技術」、Kluwer Academic Publishers、ドルドレヒト、オランダ、2006 年。ISBN 978-1-4020-4576-9 

ウィキメディア・コモンズには、干渉合成開口レーダーに関連するメディアがあります。

• InSAR、地球表面の変形を測定するツール マシュー・E・プリチャード
• USGS InSAR ファクトシート 2009-06-25 にWayback Machineでアーカイブ
• InSAR 原則、ESA 出版物、TM19、2007 年 2 月。