Introducción a la
percepción remota
mediante radar
Esquema del curso
·
¿Por qué se emplea la percepción remota
mediante radar?
·
Fundamentos del radar
– SAR
– Resolución y ángulo de incidencia
– Frecuencia y polarización
·
Características de la imagen
–
Desplazamiento topográfico
– Moteado
·
Mecanismos de reflexión de las microondas
·
Introducción a los sensores
¿Por qué emplear la percepción
remota mediante radar?
·
Fuente de iluminación controlable
-puede ver a través de nubes, lluvia y en la noche
·
Las imágenes pueden ser de resolución fina (3-10 m)
·
A diferencia de los sensores ópticos, con los radares
se pueden identificar características asociadas a la
rugosidad del terreno
·
Algunas características de la superficie se pueden
distinguir mejor en las imágenes de radar:
– hielo, ondas en la superficie del mar
– humedad del suelo, cantidad de vegetación
– objetos creados por el hombre,
Ej.
edificios
– estructuras geológicas
Radar es el acrónimo del inglés de
detección y
localización por radio
.
Un sistema de radar tiene tres funciones primordiales:
- Transmitir señales de microondas (radio) hacia una
escena
- Recibir la porción de la energía transmitida, que se
refleja hacia el sensor desde la escena iluminada
- Observar la potencia de la señal reflejada y el tiempo
necesario para que la señal regrese al sensor
El radar tiene su propia fuente de energía y por lo tanto,
puede funcionar durante el día o la noche y sin importar la
nubosidad. A este tipo de sistema se le conoce como un
sistema de percepción remota activo.
RADAR - Radio Detection And Ranging
detección y localización por radio
Eco
Pulso
Alcanc
e
El espectro electromagnético es una representación de la
energía en función de la frecuencia (ó número de onda).
La energía viaja a la velocidad de la luz en forma de
ondas y se puede detectar a través de su interacción con
el medio ambiente.
Algunas características de la energía electromagnética
son: frecuencia, polarización y longitud de onda
(inversamente proprocional a la frecuencia).
La percepción remota mediante radares emplea la
porción del espectro electromagnético en donde se
presentan las microondas, que tienen frecuencias entre
0.3 y 300 GHz (y longitudes de onda entre 1m y 1mm).
¿Qué es el Radar de Apertura Sintética (SAR)?
· Es un sistema de radar de iluminación lateral que produce una imagen de resolución fina de la superficie bajo observación.
· Al moverse a lo largo de su trayectoria, el radar ilumina hacia un lado de la dirección de vuelo franjas continuas y paralelas entre sí, de la superficie en estudio y acumula la información de las microondas que se reflejan. La señal que se graba a bordo, se procesa apropiadamente para formar una imagen digital.
· La distancia entre el radar y el objetivo en la superficie en la dirección perpendicular al vuelo, se le llama alcance.
· Se le conoce como azumit a la distancia a lo largo de la trayectoria.
· En un sistema de radar, la resolución tiene dos dimensiones, una en la dirección del alcance y otra en la del azimut.
· Mediante un procesamiento digital de la señal, la imagen puede enfocarse y obtenerse así, una resolución mejor que la de un radar convencional.
Concepto de apertura sintética
Apertura sintética
Primera vez que el SAR percibe el objeto Nadir Banda o área iluminada Trayectoria sobre el terreno Trayectoria de vuelo Última vez que el SAR
percibe el objeto
Objeto Distancia recorrida por el SAR
mientras el objeto se encontraba a la vista– apertura sintética
La resolución del sensor tiene dos dimensiones: una en la dirección del alcance y la otra en la del azimut. No se debe confundir la resolución de un sensor SAR con el distanciamiento entre píxeles que resulta del muestreo realizado por el procesador de las imágenes.
Alcance
La resolución en la dirección del alcance se determina por las características del radar y las del procesador, esencialmente esas características de la señal a lo largo de la trayectoria entre el sensor y la superficie iluminada. La resolución en la
dirección del alcance depende de la longitud del pulso transmitido; un pulso corto proporciona mejor resolución. La señal del radar se graba en el dominio del alcance. Esta señal, ya en forma digital, se proyecta al plano del terreno al procesar la imagen.
Azimut
En un radar convencional, la resolución en la dirección del azimut se determina por el ancho angular del haz. Para que dos objectos puedan ser identificados
independientemente, deben estar separados en la dirección del azimut por una distancia mayor al ancho del haz en el terreno. El SAR sintetiza una antena (virtual) muy grande al grabar la fase de la señal de las microondas que recibe, y mediante un procesamiento adecuado, se adquiere una resolución en la dirección del azimut que depende del largo de esa antena sintética y es inversamente proporcional al tamaño de la antena real.
Resolución en la dirección del azimut
En un radar convencional (i.e. de apertura real), la
resolución en la dirección del azimut la determina el ancho
del haz en esa dirección.
En un radar de apertura sintética (SAR) el procesamiento
de la fase de la señal permite una resolución en la
dirección del azimut, más fina que la que correspondería a
la longitud de la antena.
ancho original
del haz en la
dirección
del azimut
partir del procesado de Resolución en la dirección del azimut a
Celda o célula de resolución
Fuente: Raney, 1998
rR = resolución en la dirección del alcance rA= resolución en la dirección del azimut
r
RÁngulo de incidencia
Se refiere al 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 cambia a lo
largo de la dirección del alcance. Por lo tanto, la geometría de
visualización un una misma imagen es diferente de punto a punto en
la dirección del alcance.
Ángulo de incidencia local
El ángulo de incidencia local toma en cuenta la inclinación local del la
superficie iluminada.
El ángulo de incidencia local influye de forma determinante en la
brillantez de la imagen.
La mayoría de los radares de percepción remota operan con señales de longitudes de onda entre .5 cm y 75 cm. La frecuencia de las microondas se clasifica de manera arbitraria en bandas identificadas por letras. Las que se emplean más comúnmente en los radares son: Banda-X: de 2.4 a 3.75 cm (12.5 a 8 GHz). Ampliamente utilizada para el reconocimiento militar y a nivel comercial. Se utiliza en el SAR CV-580 (Departamento del Ambiente, Canadá)
Banda-C: de 3.75 a 7.5 cm (14 a 8 GHz). Se utiliza en muchos SARs espaciales, tales como el ERS-1 y RADARSAT.
Banda-S: de 7.5 a 15 cm (4 a 2 GHz). Utilizada en el Almaz.
Banda-L: de 15 a 30 cm (2 a 1 GHz). Se utilizó en el SEASAT y en el JERS-1. Banda-P: de 30 a 100 cm (1 a 0.3 GHz). Utilizada en el AIRSAR de JPL/NASA.
La capacidad de penetrar a través de la precipitación o a través de la capa superior de la corteza terrestre, aumenta con la longitud de onda. La señal de los radares que operan en longitudes de onda mayores de 2 cm casi no se deteriora por la presencia de nubes. Por otra parte, la lluvia representa un factor importante para la señal con longitud de onda menor que 4 cm.
Longitud de onda aproximada
de las microondas utilizades
Selección de la frecuencia del radar 1
·
De acuerdo a cada aplicación :
-
La longitud de onda del radar se selecciona de
acuerdo a la escala del fenómeno o de las
características del terreno que se desean identificar.
-
e.g.
Identificación del hielo, características de
escalas relativamente pequeñas. Se selecciona la
banda-X
-
e.g.
Cartografía geológica, características grandes.
Se selecciona la banda-L
-
e.g.
La penetración de la señal a través del follaje
es mayor mediante las frecuencias bajas. Se
prefiere la banda-P
Comparación de frecuencias: banda - C, L y P
Mosaicos compuestos coloreados de acuerdo a la multipolarización (cortesía de JPL) Banda L Banda P Banda CCOMPARACIÓN DE FRECUENCIAS
Flevoland, Holanda Imagen de campos agrícolas
Selección de la frecuencia del radar 2
·
En función de los factores del sistema:
- Frecuencias bajas:
Más difícil de procesar
Requieren antenas grandes
Electrónica más simple
- Frecuencias altas
Necesitan mayor potencia
Electrónica más difícil
Disponibilidad de componentes en la banda-X
·
Note que muchos SARs de investigación pueden
operar en varias frecuencias
En la polarización se toma en cuenta la orientación, la fase relativa y la periodicidad de los campos eléctricos y magnéticos de las ondas.
Las antenas de los sistemas de radar se pueden configurar para transmitir y recibir radiación electromagnética polarizada ya sea horizontal o verticalmente.
Cuando la energía transmitida es polarizada en la misma dirección que la recibida, al sistema se le conoce como de polarización similar. HH indica que la energía se
transmite y se recibe horizontalmente polarizada; VV que la energía se transmite y se recibe verticalmente polarizada.
Si la energía transmitida se polariza en una dirección ortogonal a la recibida, al sistema se le conoce como de polarización cruzada; HV indica que la transmisión es
horizontalmente polarizada mientras que la recepción es verticalmente polarizada; VH indica transmisión verticalmente polarizada y recepción horizontalmente polarizada. La reflexión de una onda de radar al chocar en una superficie puede modificar la polarización, dependiendo de las propiedades de la superficie misma. Por esta modificación, una cierta superficie puede representarse como escenas diferentes mediante las imágenes de un radar polarimétrico. En muchas ocasiones el tipo de
Polarización de las ondas electromagnéticas
Campo eléctrico
POLARIZACIÓN HORIZONTAL
Selección de la polarización
·
Por aspectos de economía, los SARs básicos u
operacionales tienen comúnmente sólo una polarización,
e.g.
HH o VV
·
Los sistemas de investigación tienden a tener polarización
múltiple, e.g.
HH, HV, VV, VH (cuadripolarización)
·
La polarización múltiple ayuda a identificar las
características físicas de la superficie reflectora:
- Alineación de estructuras con respecto al radar (HH
vs.
VV)
- Carácter aleatorio de la reflexión difusa (
e.g.
vegetación -HV)
- Estructuras angulares (
e.g.
HH, VV, fase de la señal)
- Rugosidad que induce reflexión del tipo Bragg
Hielo en al Mar de Weddell, Antártica
Victoria y Península Saanich, Canadá
Banda-L, HV
Urbana
Suburbana
Bosque
Agricultura /
tala al ras
Beneficios de la detección y el uso de
polarización múltiple
·
En cada píxel de la imágen se pueden calcular; la
matriz de reflexión difusa, la matriz de Stokes y el nivel
de la polarización
–pueden ser herramientas poderosas para la
clasificación
–tanto para la clasificación visual como la auotomática
·
La matriz de reflexión difusa puede ser útil para
–sintetizar la señal recibida en cualquier combinación
de polarización entre la transmición y la recepción
–investigar las propiedades de la reflexión de
diferentes superficies
–seleccionar la polarización para una detectabilidad
óptima
Beneficios de la multipolarización
La dirección de observación de los radares al formar la
imagen es oblicua (i.e. iluminación lateral). Existe la
posibilidad de un desplazamiento unidireccional del
relieve, similar al que se observa con la fotografía aérea.
En las fotos aéreas, los objetos altos se observan
desplazados radialmente alejándose del nadir. La
distorción del terreno en las imágenes de radar es
perpendicular a la trayectoria del vuelo (o trayectoria del
satélite), es decir que los objetos más altos se observan
desplazados hacia el sensor.
Desplazamiento del relieve en fotografía aérea
Sensor óptico
nadir Por triángulos similares
Superficie de referencia
Desplazamiento topográficas Sensor óptico
Desplazamiento del relieve en imágenes de radar
Cima de la montaña Superficie de referencia Dirección aparente de observación Proyección ortográfica de la cima de la montaña Proyección del alcance terrestre del radar de la cima de la montaña Desplazamiento horizontal de la cima de una montaña de 100m(m)
Satélite q
q
Fuente: T. Toutin, 1992, ROS and SEASAT Image Geometric Correction IEEE-IGARS, Vol. 30, No. 3, pp. Aéreo
La región de la superficie del terreno que no se ilumina por el radar se
representa como sombra en la imagen. Ya que no se recibe señal a
partir de estas regiones, las sombras aparecen con tonos muy
obscuros.
Las sombras se presentan detrás de las cumbres, en la dirección del
alcance. Son indicadoras de la dirección de iluminación del radar.
El ángulo de incidencia aumenta al alejarse del radar en la dirección del
alcance (la iluminación del terreno es más oblicua). Como resultado, se
inducen sombras más prominentes en las regiones más alejadas del
radar.
Las sombras también proporcionan información sobre la escena, tal
como la altura de un objeto. Las sombras en las imágenes de radar son
una clave importante en la interpretación del relieve del terreno.
Sombra en las imágenes de radar
Fuente: Raney, 1998 iluminación fren tede ond a distorsión sombre escenaEl escorzo en las imágenes de radar consiste en la apariencia de compresión
de aquellas características de la escena que están inclinadas hacia el radar.
El escorzo implica que el
declive afectado en una imagen tenga
una
apareciencia relativamente más brillante, lo que debe ser tomado en cuenta
por quien realice la interpretación.
El escorzo alcanza su máxima expresión cuando el declive es pronunciado y
es ortogonal a la dirección de iluminación del radar. En este caso, el ángulo
de incidencia local es igual a cero, lo que tiene como resultado que la base, el
declive y la cima de una colina se presenten de manera simultánea en la
señal que se recibe y por lo tanto, ocupan la misma posición en la imagen.
Para un declive dado, los efectos del escorzo disminuyen al aumentar el
ángulo de incidencia. A ángulo rasantes, cuando el ángulo de incidencia se
aproxima a 90°, los efectos del escorzo se eliminan prácticamente (pero
puede presentarse sombreado severo). Al elegir el ángulo de incidencia,
siempre debe considerarse un equilibrio entre la presencia de escorzo y la de
sombras en la imagen.
Escorzo
Fuente: Raney, 1998 escena desplazamiento illum in ació n frent ede onda escorzoLa inversión por relieve ocurre cuando la energía reflejada
por la porción superior de un objeto se recibe antes que
esa que proviene de la porción inferior. En este caso, al
procesar la imagen, la parte superior del objeto se verá
desplazada, o “puesta por encima” de su base.
En general, la inversión por relieve es más dominante
para geometrías de visualización con ángulos de
incidencia pequeños, tales como las que se utilizan por
los radares en satélites.
Inversión por relieve
ilum in ac ión distorsión frente d e onda escena inversión por relieve qi Fuente: Raney, 1998Desplazamiento del relieve
en imágenes de radar
Ángulo de incidencia local
0°
90º
Inversión por relieve
Escorzo
Sombra
El tipo y grado de desplazamiento del relieve en las imágenes
de radar son función del ángulo al cual el haz del radar toca
el terreno,
i.e
. depende del declive local del terreno (angulo
de incidencia local).
En un sistema coherente de radar, con el que se forman imágenes, el desvanecimiento y el moteado son procesos inherentes, del tipo “ruido”, que degradan la calidad de la imagen. El desvanecimiento se debe a la variación en el retraso de la fase de la señal que se
recibe, ocasionado por la presencia de varios reflectores en una misma célula de resolución con diferencias de posición en la dirección del alcance, menores a una longitud de onda. Por otra parte, la interferencia local constructiva y destructiva aparecen en la imagen como moteado brillante y obscuro, respectivamente.
Al utilizar conjuntos diferentes de datos para visualizar la misma porción de terreno,
promediando las muestras independientes, se pueden reducir efectivamente el deterioro de la calidad de la imagen por desvanecimiento y moteado. Esto puede hacerse de la
siguiente manera:
• Filtrar observaciones múltiples. La apertura sintética completa se divide en sub-aperturas más pequeñas, generando observaciones o imágenes independientes de una región en particular, basándose en la fase de la señal (posición angular de un objeto o una región). Las diferentes “observaciones” se asocian a diferentes bandas de la frecuencia Doppler.
• Promediando (incoherentemente) los píxeles adyacentes.
Al reducir estos efectos se mejora la resolución radiométrica a costa de la resolución espacial.
Moteado
Interferencia constructiva
Interferencia destructiva
Resultado
Resultado
Ejemplo de blanco homogéneo
Interferencia constructiva
Grados variables de interferencia (entre constructiva y destructiva)
Ondas de radar coherentes
Campo de maíz
Bosque
300 m
Blanco espacialmente uniforme
Textura fina Blanco espacialmente no-uniformeTextura gruesa
300 m
La rugosidad de la superficie influye en la reflexión de la
energía de las microondas, lo que tiene como consecuencia la
brillantez de las características que se observan en las
imágenes de radar.
Las superficies horizontales lisas reflejan casi toda la energía
incidente en forma especular, en una dirección alejándose del
radar. Estas superficies son llamadas especulares (del latín
speculum
, que significa espejo). Las superficies especulares,
como regiones de aguas tranquilas o las autopistas
pavimentadas, aparecen obscuras en las imágenes de radar.
Las microondas incidentes sobre una superficie rugosa se
reflejan en muchas direcciones. Esto se conoce como reflexión
difusa o esparcimiento. Las superficies con vegetación causan
reflexión difusa, y se presentan con tonos brillantes en las
Reflexión difusa y especular
Reflexión difusa Reflexión especular
En general, las escenas observadas por un SAR consisten
en dos tipos de superficies reflejantes; reflectores
distribuidos y reflectores discretos.
Los reflectores discretos se caracterizan por su forma
geométrica relativamente simple, como un edificio. El
elemento clásico utilizado para representar la reflexión
discreta es el reflector angular, una forma geométrica que
tiene caras que se intersectan entre sí con ángulos (casi)
rectos (como la intersección de un camino pavimentado y
un edificio alto).
Los reflectores distribuidos son regiones o superficies
cuya geometría y/o estructura induce una gran cantidad de
reflexiones individuales de las microondas. Estas
reflexiones individuales tienen fase aleatoria entre sí,
como el resultado de la reflexión de las copas de los
árboles en un bosque o de la de campos agrícolas.
Un radar mide la componente de la energía de las
microondas que se regresa por la misma trayectoria del
haz de iluminación incidente, después de reflejarse difusa
o especularmente por la superficie bajo observación.
La rugosidad de una superficie reflectora se determina de manera
relativa con respecto a la longitud de onda del radar y al ángulo de
incidencia.
Generalmente, una superficie se considera lisa si sus escalas
geométricas de variaciones máximas son considerablemente
menores que la longitud de onda del radar. En términos de una
longitud de onda determinada, una superficie dada es
relativamente más rugosa al aumentar el ángulo de incidencia.
Comúnmente, las superficies rugosas aparecen más billantes en
las imágenes de radar que las superficies lisas, aunque estén
compuestas de los mismos materiales. En general, una
superficie rugosa se define como esa que tiene variaciones de
altura típicas, del orden de la mitad de la longitud de onda del
radar.
Rugosidad de la superficie
Patrones de reflexión de las microondas
Onda incidente Patrón de reflexión
Lisa
Onda incidente Onda incidente
Rugosa Moderadamente rugosa
Algunos objetos pequeños pueden aparecer extremadamente brillantes en
las imágenes de radar, dependiendo de su configuración geométrica.
El lado de un edificio o un puente, combinado con reflexión procedente del
terreno es un ejemplo de reflector angular.
Dos superficies que se intersectan y forman un ángulo recto de cara al radar,
definen un reflector angular llamado diedro. La señal que regresa al radar a
partir de un reflector diedro es intensa, sólo cuando las superficies reflectoras
tienen una orientación cercana a la perpendicular de la dirección de la
iluminación.
Se pueden producir reflexiones más intensas con un reflector triedro. Estos
son formados por la intersección de tres superficies planas perpendiculares
entre sí, abiertas de cara al radar.
Los reflectores angulares se utilizan comúnmente en la investigación. Al
colocarlos en posiciones determinadas, pueden funcionar como puntos de
referencia en las imágenes de radar
.
La reflexión difusa por volumen (esparcimiento por volumen)
está relacionada a procesos de reflexión múltiple dentro de un
medio físico, tal como la parte superior de la vegetación en un
maizal o las copas de los árboles de un bosque. Este tipo de
reflexión también puede ocurrir por capas de suelo muy seco,
capas de arena o de hielo.
La reflexión por volumen es importante ya que influye en la
retro-reflexión total observada por el radar. El radar recibe
ambas señales, la componente reflejada por la superficie y esa
reflejada por volumen.
La intensidad de la reflexión por volumen depende de las
propiedades físicas del medio reflector (particularmente de las
variaciones de la constante dieléctrica) y de las características
del radar (longitud de onda, polarización y ángulo de
Reflexión de las microondas
Retro reflexión difusa de la copa
Retro reflexión difusa del suelo
Reflexión suelo-tronco
(Reflector angular)
La presencia de humedad aumenta la constante dieléctrica (número complejo)
de un material. La constante dieléctrica influye en la capacidad del material
para absorber, reflejar y transmitir la energía de las microondas.
El contenido de humedad de un material puede cambiar sus propiedades
eléctricas. Esto afecta la forma en que un material aparece en la imagen de
radar. La apariencia de materiales idénticos puede ser diferente, según la
cantidad de humedad que contengan.
La reflectividad y en consecuencia la brillantez de la imagen de la mayoría de
la vegetación natural y de las surperficies naturales, aumenta con el contenido
de humedad.
Las microondas pueden penetrar materiales muy secos, como las arenas del
desierto. La reflexión resultante es función de las propiedades de las capas
superficiales y subsuperficiales. En general, mientras más larga sea la longitud
de onda del radar, mayor será la penetración de la energía dentro del material.
Comparación entre SAR de satélite y
SAR de aeronave
·
Ventajas de SAR de satélite
– Mayor cobertura por segundo (
Km
2/s
)
– Costos de operación menores ($/
Km
2)
– Sin restricciones por las condiciones de vuelo o la
proximidad de aeropuertos
– Visualización de áreas más amplias
– Procesamiento de la señal más simple (sin compensación
por el movimiento)
·
Desventajas
– Más caro de diseñar, construir y lanzar
– Más difícil que proporcione polarización múltiple y varias
frecuencias
– Imposibilidad de volar a sitios específicos ante alguna
solicitud especial
Comparación de la geometría
de las imágenes
aéreo 10 – 100 km espacial 25 – >500 km SAR ESPACIAL SAR AÉREOSelección del ancho del área iluminada
·
Limitada por las ambigüedades en la dirección del
alcance y la capacidad en el procesamiento de los
datos.
·
Necesario llegar a un acuerdo para decidir entre la
resolución en la dirección del azimut, el número de
observaciones (imágenes independientes), y la
capacidad de procesamiento.
·
Para satélites: 30 - 150 Km típico
·
Para aeronaves: 10 - 100 Km típico
·
RADARSAT puede operar con haz de iluminación
amplio al reducir la resolución y al utilizar
cuidadosamente la ganancia de la antena para
controlar las ambigüedades en la dirección del
alcance.
·
RADARSAT y el futuro Envisat utilizan ScanSAR para
áreas iluminadas extra amplias
Modos de adquisición de imágenes
del SAR del RADARSAT-1
Haces Estándar
Haces AnchosScanSAR
Trayectoria del satélite Haces Extendidos
- Ángulos de incidencia bajos
Haces de Resolución Fina
Haces Extendidos - Ángulos de incidencia altos
