Development of a bistatic InSAR simulator for ground motion estimation

In recent years, surveying and monitoring ground movement has become a necessary tool for assessing infrastructure stability, forecasting natural hazards and understanding long-term geophysical processes. This Master's thesis investigates velocity estimation in multi-pass bistatic SAR interferometry, focusing on the estimation of both line-of-sight and across-track velocity components. To achieve this, a bistatic InSAR simulator is developed to provide a physically accurate simulation which accounts for the complexities and the benefits of a bistatic acquisition geometry. To assess the performance of velocity estimation, a controlled scenario is generated, consisting of a moving scene with known ground displacements. An important part of this work relies on the modeling of the decorrelation effects in multi-pass interferometry. The main effects taken into account are the temporal decorrelation, which leading to a loss of coherence due to the change of surface scatterers properties over time and baseline decorrelation, which arises from orbital baseline variations across multiple passes. The velocity estimation is performed by following an FFT-based approach applies to a stack of SAR images to retrieve velocity maps over different observation periods. The study evaluates the impact of different observation time intervals (6 months and 2 years) on velocity accuracy through a comprehensive statistical analysis, to quantify the reliability of the estimated velocities. The results confirm that longer observation times significantly improves the estimation accuracy, reducing phase noise and decorrelation effects. This research contributes to the advancement of bistatic multi-pass InSAR techniques for ground motion monitoring, with potential applications in geophysical studies, infrastructure monitoring and environmental risk analysis.

Negli ultimi anni, il rilevamento e il monitoraggio dei movimenti del terreno sono diventati uno strumento necessario per valutare la stabilità delle infrastrutture, prevedere i rischi naturali e comprendere i processi geofisici a lungo termine. Questa tesi Magistrale studia la stima della velocità nell'interferometria SAR bistatica multi passaggio, concentrandosi sull'estrazione delle componenti di velocità sia lungo la linea di vista, che trasversali. A tal fine, viene sviluppato un simulatore InSAR bistatico per fornire una simulazione fisicamente accurata che tenga conto delle complessità e dei vantaggi di una geometria di acquisizione bistatica. Per valutare le prestazioni della stima della velocità, viene generato uno scenario controllato che consiste in una scena in movimento con spostamenti del terreno noti. Una parte importante di questo lavoro si basa sulla modellazione degli effetti di decorrelazione nell'interferometria multi passaggio. I principali effetti presi in considerazione sono la decorrelazione temporale, che porta a una perdita di coerenza dovuta al cambiamento delle proprietà degli scatters di superficie nel tempo, e la decorrelazione della linea di base, che deriva dalle variazioni della linea di base orbitale attraverso più passaggi. La stima della velocità viene eseguita seguendo un approccio basato sulla FFT, applicato ad una pila di immagini SAR per ricavare mappe di velocità su diversi periodi di osservazione. Lo studio valuta l'impatto di diversi intervalli di osservazione (6 mesi e 2 anni) sull'accuratezza della velocità attraverso un'analisi statistica completa, per quantificare l'affidabilità delle velocità stimate. I risultati confermano che tempi di osservazione più lunghi migliorano significativamente l'accuratezza della stima, riducendo il rumore di fase e gli effetti di decorrelazione. Questa ricerca contribuisce al progresso delle tecniche InSAR bistatiche multi passaggio per il monitoraggio del movimento del suolo, con potenziali applicazioni negli studi geofisici, nel monitoraggio delle infrastrutture e nell'analisi del rischio ambientale.