La Interferometría radar de apertura sintética, a veces abreviada como InSAR o IfSAR, es una técnica RADAR utilizada en geodesia y en teledetección. Esta técnica se basa en el estudio del patrón de interferencia de fase de las ondas de dos imágenes SAR (synthetic aperture radars: ‘radares de apertura sintética’ montados en satélites activos o en aeronaves). El patrón de interferencia o interferograma se usa para generar mapas de desplazamientos de la superficie terrestre, y mapas de elevación del terreno.
La precisión del InSAR para medir deformaciones del terreno es variable y proporcional a la longitud de onda radar utilizada. Normalmente varía desde unos pocos cm en intervalos de tiempo de pocos días (debido a que la señal está dominada por efectos atmosféricos) hasta pocos mm por año cuando se usan decenas de imágenes en intervalos de años. La precisión del InSAR para medir elevaciones del terreno es proporcional a la separación física entre las antenas radar que adquieren las imágenes, usualmente del orden de decenas de metros.
El InSAR tiene aplicaciones en la vigilancia geofísica de peligros naturales ―por ejemplo: terremotos, erupciones volcánicas y deslizamientos de tierra―, y también en ingeniería estructural, en particular la vigilancia de la subsidencia y la estabilidad estructural.
miniaturadeimagen|340px|Interferograma producido usando datos del ERS-2, del 13 de agosto al 17 de septiembre de 1999, que abarcó el terremoto del 17 de agosto de 1999 en İzmit (Turquía). Fotografía de NASA/JPL-Caltech.
Técnica Radar de apertura sintética miniaturadeimagen|Imagen de amplitud del radar de apertura sintética, del volcán Kilauea. Imagen de NASA/JPL-Caltech.
El radar de apertura sintética (SAR) es una forma de radar en donde se utilizan complejos procesamientos de datos para producir un haz muy estrecho y efectivo. Solamente se puede utilizar con instrumentos en movimiento sobre objetivos relativamente inmóviles. Es una forma de teledetección activa: la antena genera radiación «iluminante» que luego es reflejada desde el blanco (en cambio en la teledetección pasiva se detecta el reflejo de la radiación lumínica ambiente). Por lo tanto, la adquisición de la imagen es independiente de la iluminación natural y las imágenes se pueden tomar durante la noche. El radar usa radiación electromagnética a través de frecuencias de microondas, por lo que las observaciones no se ven afectadas por la cubierta de nubes, ya que en longitudes de onda típicas de radar la absorción de la atmósfera es muy baja.
Fase miniaturadeimagen|Diferencias de fase.
La mayoría de las aplicaciones con radar de apertura sintética hacen uso de la amplitud de la señal de retorno (desde el objetivo), e ignoran los datos de fase. En cambio la interferometría utiliza la fase de la radiación reflejada. Como la onda de salida es producida y emitida por el satélite, la fase se conoce, y se puede comparar con la fase de la señal de retorno. La fase de retorno de la onda depende de la distancia al suelo, ya que la distancia ida y vuelta al suelo se compondrá de un número entero de longitudes de onda más alguna fracción de longitud de onda. Esto se puede observar como diferencias de fase (o deriva de fase) en la onda retornante. La distancia total al satélite (o sea, el número de longitudes de onda completas) no se conoce, pero la fracción extra de una longitud de onda se puede medir con extrema precisión.
En la práctica, la fase se ve afectada por otros varios factores, que en conjunto hacen que el retorno en bruto de la fase de la imagen del radar de apertura sintética, sea esencialmente arbitrario, sin correlación entre un píxel y otro. Para obtener alguna información útil de la fase, algunos de esos efectos se deben aislar y eliminar. La interferometría utiliza dos imágenes del campo de exploración tomadas desde el mismo lugar de examen (o, para aplicaciones topográficas, posiciones ligeramente diferentes), encuentra la diferencia de fase entre ellas, y produce una imagen conocida como interferograma. Las diferencias de fase se miden en radianes y ―debido a la naturaleza cíclica de la fase― se registran como franjas repetitivas que representan un ciclo completo de 2π.
Factores que afectan a la fase El factor más importante que afecta a la fase es la interacción con la superficie del suelo. La fase de la onda puede cambiar por reflexión, dependiendo en las propiedades del material. La señal reflejada retornante de algún píxel es la contribución sumada a la fase de muchos pequeños «objetivos» en esa zona de tierra, cada uno con diferentes propiedades dieléctricas y diferentes distancias al satélite. Por eso la señal de retorno es arbitraria y totalmente no correlacionada con la de los píxeles adyacentes. Sin embargo, posee una propiedad importante: es coherente. Entonces, siempre que no cambie nada en tierra, las contribuciones de cada objetivo sumarán de manera idéntica cada vez, y por lo tanto se pueden eliminar del interferograma.
Una vez que se han eliminado los efectos del suelo, la señal principal presente en el interferograma es una contribución de efectos orbitales. Para que la interferometría funcione, cuando se adquieren las imágenes los satélites deben estar tan cerca como sea posible y en la misma posición espacial. Esto significa que no se pueden comparar las imágenes de dos plataformas de satélite diferentes con diferentes órbitas, y se deben utilizar los datos de un determinado satélite desde la misma trayectoria orbital. En la práctica, la distancia perpendicular entre ellos, conocida como «línea de base», a menudo se conoce dentro de un marco de pocos centímetros, pero solo se puede controlar en una escala de decenas a cientos de metros. Esta pequeña diferencia genera una diferencia regular en la fase que cambia suavemente a través del interferograma y que puede ser modelada y eliminada.
miniaturadeimagen|Interferograma correspondiente a Kilauea, mostrando las franjas topográficas (NASA/JPL-Caltech)
La ligera diferencia en la posición del satélite también altera la distorsión causada por la topografía, lo que significa que se introducirá una diferencia de fase adicional debido a un efecto estereoscópico. Cuanto más larga sea la línea de base, menor será la altura topográfica necesaria para producir una franja de cambio de fase ―conocida como altitud de ambigüedad―. Este efecto se puede aprovechar para calcular la altura topográfica, y se utiliza para producir un DEM (digital elevation model: modelo de elevación digital).
Si la altura topográfica ya se conoce, la contribución de la fase topográfica puede ser calculada y eliminada. Y se hace tradicionalmente hecho de dos maneras. En el método dos-pasos, la data de la elevación desde un modelo digital del terreno (DEM) externamente derivados, y usados en conjunto con información orbital para calcular la contribución de la fase. En el método de tres pasos: dos imágenes adquiridas en corto tiempo de separación, se utilizan para crear un interferograma, suponiéndose que no tiene señal de deformación y por lo tanto representan la contribución topográfico. Este interferograma se resta de una tercera imagen, con una separación de tiempo más largo, para dar la fase residual debido a la deformación.
Una vez eliminando las contribuciones de suelo, topografía, orbitales, el interferograma contiene la señal de información, junto con cualquier ruido restante (vea Dificultades con InSAR). The signal measured in the interferogram represents the change in phase caused by an increase or decrease in distance from the ground píxel to the satellite, therefore only the component of the ground motion parallel to the satellite line of sight vector will cause a phase difference to be observed. For sensors like ERS with a small incidence angle this measures vertical motion well, but is insensitive to horizontal motion perpendicular to the line of sight (approximately north-south). It also means that vertical motion and components of horizontal motion parallel to the plane of the line of sight (approximately east-west) cannot be separately resolved.
One fringe of phase difference is generated by a ground motion of half the radar wavelength, since this corresponds to a whole wavelength increase in the two-way travel distance. Phase shifts are only resolvable relative to other points in the interferogram. Absolute deformation can be inferred by assuming one area in the interferogram (for example a point away from expected deformation sources) experienced no deformation, or by using a ground control (GPS or similar) to establish the absolute movement of a point.
Dificultades con el InSAR
El tipo de imagen que se puede utilizar para una interferometría depende de una serie de factores. Siendo el más simple la disponibilidad de datos, ya que los radares utilizados en interferometría no operan de manera continua, realizando adquisición de datos solo cuando se les programa para dicha tarea. Para requerimientos futuros quizás sea posible solicitar la adquisición de datos, pero para muchas áreas del mundo los datos en archivo (disponibles) son escasos. La disponibilidad de datos está constreñida por el criterio de línea de base. La disponibilidad de un MDE Modelo Digital de Elevación apropiado puede ser un factor para InSAR de dos pasadas; comúnmente 90m (30 actualmente) los datos de SRTM están disponibles para mucha áreas, pero a grandes latitudes o en áras de poor coverage deben buscarse base de datos alternativas.
Un requerimiento fundamental para la eliminación de la señal del suelo es que la sumatoria de las contribuciones de fase de los blancos individuales dentro del pixel permanezcan constantes entre las dos imágenes y que sea completamente removida. Sin embargo hay muchos factores que pueden causar que este criterio falle. Primeramente las dos imágenes tienen que estar exactamente co-registradas a un nivel sub-pixel para asegurar que los blancos contribuyendo a ese pixel son los mismos. There is also a geometric constraint on the maximum length of the baseline - the difference in viewing angles must not cause phase to change over the width of one píxel by more than a wavelength. The effects of topography also influence the condition, and baselines need to be shorter if terrain gradients are high. Where co-registration is poor or the maximum baseline is exceeded the píxel phase will become incoherent - the phase becomes essentially random from píxel to píxel rather than varying smoothly, and the area appears noisy. This is also true for anything else that changes the contributions to the phase within each píxel, for example changes to the ground targets in each píxel caused by vegetation growth, landslides, agriculture or snow cover.