Interacción de la radiación electromagnética con la materia

Los sensores activos emiten una secuencia de pulsos muy cortos a la Tierra con una frecuencia y duración muy precisa (Masuelli, 2003) y reciben posteriormente su retro- dispersión. Cada píxel en una imagen de radar representa el coeficiente de retro-dispersión

(σ) de esa área sobre el terreno. El coeficiente de retro-dispersión (σ) implica una mayor complejidad porque depende de muchos factores como la rugosidad del terreno, la

geometría del terreno (pendiente y orientación al ángulo de incidencia del haz), el ángulo de

incidencia del haz y la polarización de la observación. Estos factores introducen una cierta

variabilidad en torno al coeficiente promedio de cada tipo de objeto en la superficie, principalmente afectado por su conductividad o constante dieléctrica (Chuvieco, 2002).

La rugosidad del terreno incide directamente en la intensidad de la señal de retorno,

siendo esta mayor cuando más elevada es la rugosidad. Sin embargo, el concepto de rugosidad no solo depende de la estructura de la superficie, sino también de la longitud de

onda (λ) de la observación y la variación altitudinal de la cubierta (h) (Chuvieco, 2002) (Figura 21).

Figura 21: Interacción entre un haz y una superficie. Fuente: Masuelli (2010a)

Cuando se emite un haz de micro-ondas desde un radar a la superficie terrestre, la mayor parte de ese haz es dispersado al contacto con la superficie. Según la naturaleza de los objetos en la superficie, el haz principalmente se dispersa al exterior (caso del suelo), se dispersa dentro del propio objeto (caso de la vegetación) o se refleja especularmente (caso del agua) (Chuvieco, 2002). Objetivos ásperos dispersan difusamente la energía electromagnética; la dispersión en los objetivos lisos es especular (Skolnik, 1990) (Figura 22).

Figura 22: Diferenciación de la señal de retorno de acuerdo a la rugosidad del terreno. Fuente: Masuelli (2010a)

Las superficies con pendiente hacia el sensor tienen una dispersión más fuerte que las superficies con pendiente contraria al sensor, por lo que aparecen más brillantes en una imagen de radar. Las áreas en sombra y que no son iluminadas por el sensor aparecen oscuras. La estructura alineada de calles de ciudad y edificios permite que el pulso de radar incidente rebote en las calles y nuevamente rebote en los edificios (Figura 23), lo que se denomina

doble rebote (double bounce), retornando al radar con una apariencia muy brillosa (blanca)

en la imagen de radar. Mientras que las carreteras y ferrovías, como son superficies planas aparecen oscuras (SARMAP, 2008).

Figura 23: Mecanismos de dispersión: doble rebote. Fuente: SARMAP (2008)

Dependiendo de la frecuencia y polarización de la observación, las ondas pueden penetrar la vegetación e incluso suelo seco, como nieve seca o arena, en ciertas condiciones. Generalmente, a más amplia longitud de onda, más fuerte es la penetración en los objetos (SARMAP, 2008) (Figura 24).

Figura 24: : Penetración del pulso de radar en las bandas X, C y L. Fuente: SARMAP (2008) En la geometría del terreno, el ángulo de incidencia local toma en cuenta la inclinación local (pendiente) de la superficie iluminada, por lo que su valor influye de forma determinante en la brillantez de la imagen (CCRS, 2001).

El ángulo de incidencia (θ) es el ángulo entre la dirección de iluminación del radar y la

normal a la superficie de la Tierra. Dependiendo de la altura del radar sobre la superficie de la Tierra, el ángulo de incidencia (θ) cambia a lo largo de la dirección en rango (CCRS, 2001). A mayor ángulo, en general menor pulso de retorno, porque la rugosidad y en consecuencia la dispersión es menor. Si se combina un ángulo de incidencia bajo con una longitud de onda larga, el pulso de radar puede penetrar a una cierta profundidad (Chuvieco, 2002). La interacción de las micro-ondas con la superficie es complicada porque la reflectividad de la señal de retorno es normalmente fuerte en pequeños ángulos de incidencia, y decrece con el incremento de los mismos (SARMAP 2008).

Las características eléctricas de los objetos en la superficie juegan un papel tan destacado como la geometría de observación en la señal retornada al sensor. Una de las medidas de este comportamiento es la constante dieléctrica, que intenta medir la conductividad y la reflectividad de un tipo de material. Los materiales secos ofrecen una constante dieléctrica relativamente baja entre 3 y 8, mientras que en los objetos metálicos y el agua corresponde a un valor alto de 80; los valores mencionados de la constante dieléctrica es para microondas. La presencia de agua en el suelo o la vegetación puede alterar significativamente el pulso de retorno (Chuvieco, 2002). La humedad de la cobertura es una variable que interviene en las propiedades dieléctricas de la superficie en general (Masuelli, 2010a); y, de acuerdo al contenido de humedad los objetos muy húmedos aparecen brillantes, mientras que los muy secos aparecen oscuros. Una excepción lo representan los cuerpos de agua sin olas que actúan como una superficie plana y aparecen en la imagen con color negro, porque la retro dispersión es muy baja, independientemente de la polarización utilizada. En base a las propiedades dieléctricas de los objetos, los sistemas SAR se usan para recuperar el contenido de humedad de suelo principalmente en suelo desnudo debido al gran contraste que existe entre suelo seco y suelo húmedo (SARMAP, 2008).

Con los radares se pueden identificar características de la superficie asociadas a la rugosidad del terreno, como las siguientes: hielo, ondas en la superficie del mar, humedad del suelo, cantidad de vegetación, objetos creados por el hombre (por ejemplo: edificios) y estructuras geológicas (CCRS, 2001).

Con estos antecedentes, la ecuación fundamental del radar es la siguiente:

(2-3)

A continuación Skolnik (1990), expresa la sección eficaz de retro-dispersión (σ) en

Donde: Pr indica la potencia retro-dispersada

Pt es la potencia emitida por el radar

G es un factor de ganancia de la antena λ es la longitud de onda del radar

r indica la distancia entre el sensor y la superficie

reflectividad del terreno ( ). La sección eficaz de retro-dispersión es igual a la reflectividad del terreno multiplicada por el área proyectada. Esta proyección explica el término . Entonces la expresión para la sección eficaz de retro-dispersión en término de los parámetros mencionados resulta:

a (2-4)