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干渉SARの原理

干渉SARってなに?

SAR(合成開口レーダー)とは

レーダーは、アンテナから電波を発射し、観測する対象物に当たって反射された電波を観測します。反射された電波の強さから、対象物の大きさや表面の性質がわかります。 また、電波が戻ってくるまでの時間を測定することで、対象物までのおおまかな距離も測定できます。
レーダーで観測する場合、どの程度まで細かい対象物を判別できるかという分解能は、アンテナを大きくればするほどよくなります。しかし、人工衛星などに搭載できるアンテナの大きさには限りがあります。そこで、飛翔体(人工衛星や飛行機など)が移動しながら電波を送受信して、大きな開口を持ったアンテナの場合と等価な画像が得られるように、人工的に「開口」を「合成」するのが「合成開口レーダー」と呼ばれる技術です。図のように、実開口長が小さなアンテナでも、飛翔しながら電波送受信を行い、仮想的に大きなアンテナを構成する合成開口技術により、進行方向の分解能を高めています。
合成開口技術による分解能の向上のイメージ
しかし、合成開口技術だけでは、進行方向と直交する方向の分解能は変化しません。
直交方向の分解能は、アンテナと目標の間の距離分解能に依存します。この距離分解能を向上させるには、送信波のパルス幅をできるだけ狭くすればよいのです。ところが、パルス幅を狭くすると、送信波の平均電力が少なくなるために、受信してもノイズが多くなってしまいます。そこで、パルス圧縮技術を用いて、送信電力を大きくしたまま見かけ上の送信パルス幅を小さくします。
この合成開口技術とパルス圧縮技術の2つの処理を行うことによって、地表に格子状のメッシュが構成され、その一つ一つの画素(ピクセル、場合によるが通常は数メートル四方程度の大きさ)ごとに反射波の強度などが測定されます。
 SARでは、地表からの反射波の強弱を画像化します。反射波の強度は、黒~白で表示し、強度の小さい場所ほど黒く、大きな場所ほど白くなります。 反射波の強度は、地形や地表面の状態で変化するため、この黒~白の濃淡で、地形や地物を判別することができます。
富士山付近のSAR干渉画像
 

干渉SARとは

SARを使うと、地表の対象物からのレーダー反射波の強度に加えて、反射波の「位相」を得ることができます。電波は波の一種ですから、「山」や「谷」からできており、位相はその場所が波のどこにあたるのか(山なのか谷なのか)を表すものです。
この位相にはアンテナから地表までの距離の情報が含まれており、アンテナと地表の間の距離(実際には往復するので2倍)を電波の波長で割ったときの端数が求められます。ただしこのままでは、整数分まで含んだ波数の全体ではなく、端数分しか解らないため、情報としての利用が難しくなります。例えば、長いものさし(巻尺)に目盛りはあっても、その目盛りに数字が書いていないような状態を想像してみましょう。数字がないので全体が何メートルなのかは分かりません。しかし、2本のものさしを並べて測ったときに生じる差は小さいため、目盛りの差(2目盛り分)があることが読み取れます。このように、地表の同一の場所に対して2回のSAR観測を実施し、それらを干渉させて差をとることによって、このわずかな距離差の情報を利用することが可能になります。これが、干渉SAR技術です。通常のレーダー技術のみで距離を測定する場合、その精度が数m程度なのに対し、干渉SARではcmレベルでの測定が可能です。

 SAR電波で距離を測るイメージ

電波を使って、対象物までの距離を測定する場合、対象物までの間に電波の波の「山」と「谷」が何個あるかを数えるのは至難の技ですが、2回の観測の差をとれば、対象物の移動距離を詳細に求めることができます。人工衛星を利用する場合は、ほぼ同一の軌道を飛行した異なる時期の観測が利用されます。こうして、2つの観測の差をとることによって、地面の変動を捉えます。

 地面の変動とSAR干渉画像の概念図

SAR干渉画像の縞模様の色は、その地点の2回のSARデータの距離の差から生じた位相の差を表しています。たとえば、ある場所の位相差が0ならその場所は水色、60度なら青色、180度なら赤色…といった具合です。位相差が360度というのは、電波がレーダーと地表の間を往復した距離が、ちょうど1波長分変化したことを表します。
人工衛星「だいち2号」のSARレーダーの波長は約24cmですから、360度の位相差は約12cmの変動を表します(往復測定を片道に直すために2で割る)。同様に位相差60度の地点は 24×(60/360)/2≒2.0cmの変動を表します。
このように位相差は変動量に対応するので、結局、縞の色はその場所の変動の大きさを表すわけです。
位相は360度まで増えるとそこで0に戻ってしまいます。つまり、360度の整数倍の変動は同じ位相にしか見えません。これは、電波の波がお互いに同じ形をしているので区別がつかないことによります。
この位相差が360度ごとに戻ってしまうことに対応して、干渉SARで得られる地表変動には、(レーダー波の波長)/2の整数倍の任意性があります。
つまり「だいち2号」のSAR干渉画像で、ある地点の色が5センチメートルの変動に対応する場合、その地点は実際には(5±12×n)cm(nは整数。0、1、2、・・・)のどれかの変動があるわけです。
まず、SAR干渉画像で地表変動がゼロだとわかっている場所を基準にして、そこから色が移り変わっていき、はじめて同じ色になったら、その場所はちょうど360度の位相差、つまり変動は12cmであると判断できます。色の縞模様がちょうど2周目なら2倍の24cmです。これをつなげていくという技術を使うと、実際の地表変動の大きさの絶対値を知ることができます。

位相と変動量の違い

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