introducción a la percepción remota mediante radar

Centro Canadiense de Percepción Remota, Ministerio de Recursos Naturales de CanadáNatural Resources Ressources naturellesCanada Canada

Introducción a lapercepción remota mediante radar

Centro Canadiense de Percepción Remota, Ministerio de Recursos Naturales de Canadá

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 puedendistinguir 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 ylocalización 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 tiemponecesario 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 unsistema de percepción remota activo.

RADAR


RADAR - Radio Detection And Rangingdetección y localización por radio

Eco

Pulso

Alcance


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).

El espectro electromagnético


El espectro electromagnético


¿Qué es el Radar de Apertura Sintética (SAR)?

� Es un sistema de radar de iluminación lateral que produce una imagen deresolución 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 sintéticaApertura sintética

Primera vez que el SAR percibe el objeto

Nadir

Banda o áreailuminada

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 ala vista– apertura sintética


La resolución del sensor tiene dos dimensiones: una en la dirección del alcance y laotra en la del azimut. No se debe confundir la resolución de un sensor SAR con eldistanciamiento entre píxeles que resulta del muestreo realizado por el procesador de las imágenes.

AlcanceLa 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 ladirección 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.

AzimutEn un radar convencional, la resolución en la dirección del azimut se determina por elancho 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 unprocesamiento adecuado, se adquiere una resolución en la dirección del azimut que depende del largo de esa antena sintética y es inversamente proporcional al tamañode la antena real.

Resolución


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 anchodel haz en esa dirección.

En un radar de apertura sintética (SAR) el procesamientode la fase de la señal permite una resolución en ladirección del azimut, más fina que la que correspondería a la longitud de la antena.

ancho original del haz en ladireccióndel azimutpartir del procesado de

Resolución en la dirección del azimut a

la señal


Celda o célula de resolución

Fuente: Raney, 1998

rR = resolución en la dirección del alcance rA = resolución en la dirección del azimut

rR

r A


Ángulo 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 radarsobre 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 lasuperficie 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 ondaentre .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, talescomo 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 lacorteza 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.

Microondas


Longitud de onda aproximada de las microondas utilizades

por los radares indicados


Selección de la frecuencia del radar 1

� De acuerdo a cada aplicación :

� La longitud de onda del radar se selecciona deacuerdo a la escala del fenómeno o de las características del terreno que se desean identificar.

� e.g. Identificación del hielo, características deescalas 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. Seprefiere la banda-P

En general, la banda-C es una buena alternativa


Comparación de frecuencias: banda - C, L y P

Mosaicos compuestos coloreados de acuerdoa la multipolarización(cortesía de JPL)

Banda L Banda P

Banda C

COMPARACIÓN DE FRECUENCIASFlevoland, 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 - e.g. JPL AIRSAR, SIR-C, Convair-580


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, alsistema se le conoce como de polarización similar. HH indica que la energía setransmite y se recibe horizontalmente polarizada; VV que la energía se transmite y serecibe verticalmente polarizada.

Si la energía transmitida se polariza en una dirección ortogonal a la recibida, al sistemase le conoce como de polarización cruzada; HV indica que la transmisión es horizontalmente polarizada mientras que la recepción es verticalmente polarizada; VHindica transmisión verticalmente polarizada y recepción horizontalmente polarizada.

La reflexión de una onda de radar al chocar en una superficie puede modificar lapolarización, 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 desuperficie se puede inferir a partir de éstas imágenes.

Polarización


Polarización de las ondas electromagnéticasCampo eléctrico

POLARIZACIÓN HORIZONTAL

POLARIZACIÓN VERTICAL


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 polarizaciónmúltiple, 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

(e.g. océanos -VV)


Hielo en al Mar de Weddell, Antártica

Banda-C, HH Banda-L, HV Banda-L, HH


Victoria y Península Saanich, Canadá

Banda-L, HV

Banda-C, HH Banda-L, HHBanda-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 nivelde 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 dediferentes superficies

–seleccionar la polarización para una detectabilidad óptima


Beneficios de la multipolarización

Mosaico compuesto


La dirección de observación de los radares al formar laimagen es oblicua (i.e. iluminación lateral). Existe laposibilidad 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. Ladistorción del terreno en las imágenes de radar esperpendicular a la trayectoria del vuelo (o trayectoria delsatélite), es decir que los objetos más altos se observan desplazados hacia el sensor.

Desplazamiento del relieve


Desplazamiento del relieve en fotografía aéreaSensor óptico

nadir

Por triángulos similares

Superficie de referencia

Desplazamiento topográficas Sensor óptico

d = Dislocación horizontal de la cima de una montaña de 100 m(m)

*


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

�

�

Fuente: T. Toutin, 1992, ROS and SEASAT Image Geometric Correction IEEE-IGARS, Vol. 30, No. 3, pp. 603-609.

Aéreo


La región de la superficie del terreno que no se ilumina por el radar serepresenta como sombra en la imagen. Ya que no se recibe señal apartir de estas regiones, las sombras aparecen con tonos muy obscuros.

Las sombras se presentan detrás de las cumbres, en la dirección delalcance. Son indicadoras de la dirección de iluminación del radar.

El ángulo de incidencia aumenta al alejarse del radar en la dirección delalcance (la iluminación del terreno es más oblicua). Como resultado, seinducen 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 sonuna clave importante en la interpretación del relieve del terreno.

Sombra en las imágenes de radar


Sombra en las imágenes de radar

Fuente: Raney, 1998

iluminación

frent

ede

ond

a

distorsión sombre

escena


El escorzo en las imágenes de radar consiste en la apariencia de compresiónde 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 yes ortogonal a la dirección de iluminación del radar. En este caso, el ángulode incidencia local es igual a cero, lo que tiene como resultado que la base, eldeclive y la cima de una colina se presenten de manera simultánea en laseñal 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 elángulo de incidencia. A ángulo rasantes, cuando el ángulo de incidencia seaproxima a 90°, los efectos del escorzo se eliminan prácticamente (peropuede 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


Escorzo

Fuente: Raney, 1998

escena

desplazamiento

illuminación

frente

de onda

escorzo


La inversión por relieve ocurre cuando la energía reflejada por la porción superior de un objeto se recibe antes queesa que proviene de la porción inferior. En este caso, alprocesar 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 deincidencia pequeños, tales como las que se utilizan por los radares en satélites.

Inversión por relieve


Inversión por relieve

iluminación

distorsión

frente de onda

escena

inversión por relieve

�i

Fuente: Raney, 1998


Desplazamiento del relieve en imágenes de radar

Ángulo de incidencia local0° 90º

Inversión por relieve Escorzo Sombra

El tipo y grado de desplazamiento del relieve en las imágenesde radar son función del ángulo al cual el haz del radar tocael terreno, i.e. depende del declive local del terreno (angulode incidencia local).


En un sistema coherente de radar, con el que se forman imágenes, el desvanecimiento y elmoteado 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 serecibe, ocasionado por la presencia de varios reflectores en una misma célula de resolucióncon 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 lasiguiente manera:

• Filtrar observaciones múltiples. La apertura sintética completa se divide en sub-aperturas más pequeñas, generando observaciones o imágenes independientes deuna región en particular, basándose en la fase de la señal (posición angular de unobjeto o una región). Las diferentes “observaciones” se asocian a diferentes bandasde la frecuencia Doppler.

• Promediando (incoherentemente) los píxeles adyacentes.Al reducir estos efectos se mejora la resolución radiométrica a costa de la resolución espacial.

Desvanecimiento y moteado


MoteadoInterferencia constructiva

Interferencia destructiva

Resultado

Resultado

Ejemplo de blanco homogéneo

Interferencia constructiva

Interferencia destructiva

Grados variables de interferencia (entre constructiva y destructiva)

Ondas de radar coherentes


Campo de maíz Bosque

300 m

Blanco espacialmente uniformeTextura fina

Blanco espacialmente no-uniformeTextura gruesa

300 m

Moteado


La rugosidad de la superficie influye en la reflexión de laenergía de las microondas, lo que tiene como consecuencia labrillantez 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 latínspeculum, 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 imágenes de radar.

Reflexión difusa y reflexión especular


Reflexión difusa y especular

Reflexión difusa Reflexión especular

Reflector angular


En general, las escenas observadas por un SAR consistenen dos tipos de superficies reflejantes; reflectores distribuidos y reflectores discretos.

Los reflectores discretos se caracterizan por su formageométrica 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).

Reflexión de las microondas 1


Los reflectores distribuidos son regiones o superficiescuya geometría y/o estructura induce una gran cantidad dereflexiones 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 delhaz de iluminación incidente, después de reflejarse difusao especularmente por la superficie bajo observación.

Reflexión de las microondas 2


La rugosidad de una superficie reflectora se determina de manera relativa con respecto a la longitud de onda del radar y al ángulo deincidencia.

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


Rugosidad de la superficie Patrones de reflexión de las microondas

Onda incidente Patrón de reflexión

Lisa

Onda incidente Onda incidente

RugosaModeradamente rugosa

Patrón de reflexiónPatrón de reflexión


Algunos objetos pequeños pueden aparecer extremadamente brillantes enlas imágenes de radar, dependiendo de su configuración geométrica.

El lado de un edificio o un puente, combinado con reflexión procedente delterreno 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 apartir de un reflector diedro es intensa, sólo cuando las superficies reflectoras tienen una orientación cercana a la perpendicular de la dirección de lailuminación.

Se pueden producir reflexiones más intensas con un reflector triedro. Estosson 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. Alcolocarlos en posiciones determinadas, pueden funcionar como puntos dereferencia en las imágenes de radar.

Reflectores angulares


Reflectores angulares


La reflexión difusa por volumen (esparcimiento por volumen)está relacionada a procesos de reflexión múltiple dentro de unmedio físico, tal como la parte superior de la vegetación en unmaizal 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 recibeambas 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 característicasdel radar (longitud de onda, polarización y ángulo deincidencia).

Reflexión difusa por volumen


Reflexión de las microondas

Retro reflexión difusade la copa

Retro reflexión difusadel suelo

Reflexión suelo-tronco

(Reflector angular)

Reflexión copa-suelo


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 lacantidad 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 contenidode 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 longitudde onda del radar, mayor será la penetración de la energía dentro del material.

Contenido de humedad


Comparación entre SAR de satélite y SAR de aeronave

� Ventajas de SAR de satélite– Mayor cobertura por segundo (Km2/s)– Costos de operación menores ($/Km2)– 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– Menor resolución en general


Comparación de la geometríade las imágenes

aéreo 10 – 100 kmespacial 25 – >500 km

SAR ESPACIAL

SAR AÉREO

O ANCHO DES ÁREA ILUMINADA


Selección 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 lacapacidad 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


RADARSAT-1


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

introducción a la percepción remota mediante radar

Documents