4. Sensores RADAR

4.1Dispersión radar de superficies4.2Polarimetría radar

TRANSPARENCIAS DE TELEDETECCIÓN

Antoni BroquetasAdriano Camps

Dpto. de TSC-UPC

Marzo de 2000

4. Sensores RADAR

4.1Dispersión radar de superficies4.2Polarimetría radar4.3Radares de apertura total i sintética (SAR)4.4Reconstrucción de imágenes SAR4.5Corrección geomètrica y reducción de ruido en SAR 4.6Otros sensores: dispersómetros y altímetros

SIR-C/X-SAR Isla Isabela 3-D Galapagos

Curva espectral de la transmisión atmosférica

¿ Por qué Microondas?

• Las nubes e hidrometeoros son transparentes.

• No dependen de la iluminación solar.

• Capaces de penetrar vegetación, nieve, suelo.

• Alta sensibilidad a: distancia, rugosidad, humedad, viento.

• Iluminación coherente: fase, polarización de la onda.

TELEDETECCIÓN DE MICROONDAS:

Técnicas activas: Radares (SAR, Dispersómetros, Altímetros).

Técnicas pasivas: Radiómetros.

Transmisión atmos. en condiciones de claridad y dirección vertical

Efecto de las nubes en la trans. Efecto de la lluvia en la trans.

ESPECTRO DE MICROONDAS

Frecuencia: 1 - 100GHz

(1 GHz =1.000.000.000 Hz)

Longitud de onda λλ:30 cm - 3 mm

Denominación de las bandas:

P 0.3 - 1 GHz

L 1 - 2 GHz

S 2 - 4 GHz

C 4 - 8 GHz

X 8 - 12 GHz

Ku 12 - 18 GHz

K 18 - 26 GHz

Ka 26 - 40 GHz

Bandas milimétricas > 40 GHz

• Normalmente se trabaja a grandesdistancias:

• Existen también aplicaciones a cortas distancias:

- Radares de instrumentación:

medida de la reflectividad de objetos ysuperficies.

- Sistemas tomográficos:

aplicaciones biomédicas e industriales.

PlataformasSatélites

Aviones /Helicópteros

AIRBORNE SAR

SISTEMAS ACTIVOS: RADARES

Blanco puntual( tamaño < res. Espacial )

(( )) LR

GPP t

r 43

22

4ππ

σσλλ==

atmósferapérdidas:L

sistemapérdidas:L

LLLPérdidas

a

s

as=Ecuación de potencias RADAR

La cadena de valor enTeledetección

OperadorSensor(Satélite,Avión)

Reconstruc.CalibraciónAlmacenam.

ServiciosDistrib.Control deAcceso

ServiciosExtracciónParámetros Usuarios

Telemetría Imágenes Mapas

Datos ≠≠ Información ≠≠ Conocimiento ≠≠ Decisiones

Actividad

ideal isotrópicoblancoundeárea

blancodelradarrectaSección∆∆==:σσ

radarelsobredispersadoeléctricocampo:E

blancoelsobreincidenteeléctricocampo:E

EE

R

s

i

i

s

R

224lim ππσσ

∞∞→→==

LA SECCIÓN RECTA RADAR

modela la potencia de eco retornada por el blanco

σσ tiene dimensiones de Área: m2 o dBsm

)(log10)( 2mdBsm σσσσ ==

σσ puede interpretarse como el producto de tresfactores:

Sección Recta Radar

σσ = A.geométrica * Directividad retrodispersión * Eficiencia

SECCIÓN RECTA RADAR (Ejemplos: 1)

Esfera metálica

D→→1 σσ →→Ageom

Esto es para objetos eléctric. grandes tamaño >>λλ

Placa metálica normal a la dirección de incidencia

D>>1 σσ >>Ageom

SECCIÓN RECTA RADAR (Ejemplos: 2)

Esto es para objetos eléctric. grandes tamaño >>λλ

Placa metálica oblícua a la dirección de incidencia

D<<1 σσ <<Ageom

SECCIÓN RECTA RADAR (Ejemplos: 3)

Esto es para objetos eléctric. grandes tamaño >>λλ

RFK Stadium

GEOLOGY

North shore of LakeSuperior, July 1991.

wide swath mode

displays 63kmacross the range

look direction to thesouth.

The near edge of theimage, at the top, isat 45° and the faredge is at 85°incidence anglerespectively.

The wide range ofshallow viewingangles is ideal forenhancing subtleterrain featureswhich can be on theorder of 2m inheight.

SIR-C/X-SAR Aorounga impact crater, Chad

SIR-C/X-SAR Galeras Volcano, Colombia

• Rayleigh o de baja frecuencia

• Mie o resonante

• Región óptica o de alta frec.

λλππ 5.02 <<a4

429 f

a∝∝

→→

λλππσσ

λλππλλ 1025.0 <<<< a

2adealrededoroscila ππσσ

λλππ 102 >>a

2aππσσ →→

Sección recta de cuerpos simples

Esfera metálica de radio a

2aππ

σσ

λλππ a

2

Mie OpticaRayleigh

Zonas de validez:

Blanco superficial

(( )) (( ))

Senctes.R1

,G,Si

4

P

4

PP

dB:aladimensionmm:

dispersiónretro)(deecoeficiento

lsuperficiarectaseccióndedensidad:

4o

43

o22t

4

o2

3t

2

r

22o

→→

→→==

→→

∫∫

σσ

ππσσλλσσ

ππλλ

σσ

σσ

LR

SGdS

RG

L S

o

σσ, σσo

dependen de:

. frecuencia

. ángulo de incidencia

. polarización

. material

. rugosidad (geometría)

Ondas planas

(( )) (( )){{ }}(( )) (( ))

ηη

ϖϖ

trEtrH

eEtrE rktjo

,,

.Re,

==

== −−

mF

mHvacío

onda.deimpedanciasíentreortog.HEu

propagdedirecciónuondadenºkukk

magnéticoyeléctricocamposHE

oo97 10

361

,10.4:

,,,ˆ

.:ˆ),(,ˆ.

:,

−−−− ========

==

====

ππεεεεππµµµµ

εεµµηη

µεµεωω

Medios sin pérdidas

λλππωω

µεµε

2

1:

====

==

ck

npropagaciódevelocidadc

Medios con pérdidas ε ε es complejo ⇒⇒ εε*

dadconductivijj ←←−−==−−==∗∗ωω

σσεεεεεεεε ''''

Casi siempre se utilizan las permitividadesrelativas.

++

++==

−−

++==

++====

−−==−−==∗∗

1'''

12'

1'''

12'

''''''

2

2

εεεεεεµµωωββ

εεεεεε

µµωωαα

ββααεεµµωω

εεεε

εεεεεεεεεε

donde

jjkcomplejo,estambiénk

jjoo

rrr

αα: representa la atenuación de la onda:

αααα 686,8:/,/ mdBenmNepene r−−

ββ: cte. de fase en rad/m λλ=2ππ/ββ

Ejemplo: agua dulce @ 2.5 GHz, 20 °C

cm

cmdBjr

4,1

/2977

→→

→→−−==∗∗

λλααεε

SIR-C/X-SAR Gizeh Pyramids

Incidencia sobre un dieléctrico plano y homogéneo

Caso: E ortog. al plano de incidencia

(( ))

(( ))

(( ))

⊥⊥⊥⊥

⊥⊥

⊥⊥

−−−−⊥⊥

−−−−⊥⊥

−−−−

==++++

==

++−−

==

==

====

==

==

==

TR

T

R

senksenkSnell

kksenkk

eETyEt

eERyEr

eEyE

iiiziiix

zkxkjo

zkxkjo

zkxkjoi

zx

zx

zx

1

coscoscos2

coscoscoscos

cos

ˆ

ˆ

ˆ

2112

12

2112

2112

1122

,

22

11

11

θθηηθθηηθθηη

θθηηθθηηθθηηθθηηθθθθ

θθθθ

2211

11

2211

2211

coscoscos2

coscoscoscos

θθηηθθηηθθηη

θθηηθθηηθθηηθθηη

++==

++−−

==

II

II

T

R

•Ángulos particulares

12

12

:.

:.

εεεεθθ

θθ

θθ

θθ

==

→→

==

→→

B

B

c

c

tg

Epara otalt

transm.Brewsterdeángulo

kksen

totalreflexióncríticoángulo

II

•Para E || al plano de incidencia

•El análisis puede aplicarse a N capas

Criterio de Rayleigh de baja rugosidad

θθλλ

σσθθ

λλ

ππφφ

cos8cos8

.2

⟨⟨⇒⇒⟨⟨

⟨⟨∆∆

h

radSi

Donde σσ es la desv.típica de la rugosidad

Entonces:

la dispersión será muy directiva:- Una superficie rugosa para θθ pequeños (vertical)puede comportarse como lisa para incidencias rasantesθθ →→ ππ/2

- Una superficie ópticamente rugosa puede ser plana atodos los efectos a frecuencia de microondas.

θλ

σcos8

⟨SI

Mecanismos de dispersión superficial

Modelos de dispersión superficial

- Grupo de pequeños dispersoresindependientes uniformemente distribuidos

σσ (θθ) = N σσo cos2 θθ (Lambertiana)

(N dispersores de σσ = σσo / unidad de área)

θθ es el ángulo de incidencia respecto a la normal a lasuperficie

modelo adecuado para rugosidades muy elevadas.

- Modelo de facetas:conjunto de carasplanas

Modelos de dispersión superficial

(( ))

facetalade

dispersióndeaddirectividmagraDiaD

FresneldereflexiónCoefR

incidenteCampoE

SDREE

eEE

F

i

iFis

kRj

iss

ii

ii

)(

.

,

2

====

==

⋅⋅⋅⋅==

== −−∑∑

θθ

Distancia al radar

Contribución faceta iCampo dispersado

Si el lado L de la faceta es L>>λλ

D puede obtenerse medianteaproximación de óptica física.

(( )) dSeSDS

krj∫∫

−−== 2,θθ

El modelo de facetas es adecuado para superficies arbitrariascon variación lenta (l>>λλ)

2

222 4

i

s

Rs

E

ERE∞∞→→

==∝∝ ππσσσσ

Modelo de facetas

Resonancia Bragg

(( ))[[ ]][[ ]]Rksen

RkNseneEE

eeEE

o

o

kRjis

RkljkRjN

lis

∆∆∆∆++

==

==

−−

∆∆−−−−

==∑∑

12

22

0

( )[ ][ ]Rk

RkNeEE okRjis ∆

∆+= −

sensen 12

L,2,1,0;sen2

sen

====→→==∆∆→→

==∆∆

nnL

nRkmax

LR

θθλλ

ππ

θθ

k)R

Bragg: Modela la gran directividad de pequeñosrizados (ondas capilares en el mar).

Modelo de Bragg:

descomposición en espectro de Fourier de la superficie.

{{ }} alturas aciónautocorrel(x)F W

alturaestándardesviaciónhk

ksenWhk

←←==

==

≅≅

ρρλλ

ππθθααθθθθσσ

:,2

)2(cos8)( 2424

Cada modelo tiene su margen de aplicación: puedencombinarse.

‘+’ no tiene porque ser adición de resultados. P.ej. la inclinaciónde la faceta interviene en la dispersión de Bragg: problemas nolineales.

SIR-C/X-SAR North Atlantic Ocean

SIR-C/X-SAR Rain Cells

Profundidad de penetración en hielo

SIR-C/X-SAR Weddell Sea/ScanSAR

Profundidad de penetración enterreno arcilloso

SIR-C/X-SAR Nile River, Sudan

REFLECTIVIDAD RADAR MARINA

Fenómenos nolineales

Construcción del oleaje,regímenes y espectro

Mar encalma

Olaspequeñas

Olas con

h, λλ mayor

h, λλestacionarias

Vie

nto

Fricción Disipación

Atenuación ∝∝ λλ-1 ⇒⇒

Superficie = Olas cortas locales +Olas largas globales.

Espectro en equilibrio de la altura de las olas

K grandes: amp. crece rápid. con el viento ⇒⇒ vector viento

K pequeñas: olas globales ⇒⇒ viento no local

S(k)192

96

48

24

12

Parámetros U* (cm/s)

Velocidad de fricción

K : No. de onda(frecuencia oleaje)

SIR-C/X-SAR west ofBombay, India

Reflectividad radar marina: Topografía submarina

SAR Batimetry

Tidal flow

Image intensity

dark

light

Sea surface roughness

Batimetric map

Dispersión volumétrica

Dispersión volumétrica

ESAR (DLR), Processed by RSL

Platform: Dornier Do-228

Frequency: X-Band (9.6 GHz)

Bandwidth: 100 MHz

Polarisation: VV

Number of Looks: 18 Azimuth,

2 Range Motion Compensation:based on DGPS and InertialMeasurement Unit (IMU)

Original Ground Resolution: 1.5 m

Area: 1.1 x 1.1 km

E-SAR DLR, Processed by RSL

Frequency: L-Band (1.3 GHz)

Bandwidth: 100 MHz

Polarisation: multipol, image is HH

Number of Looks: 8 Azimuth, 2

Range Original Ground Resolution:1.5 m max

Area: 1.1 x 1.1 km

Location: Near City of Solothurn,

Switzerland Flight Campaign: August1997

ESAR (DLR), Processed by RSL

Frequency: P-Band (0.45 GHz)

Bandwidth: 18 MHz

Polarisation: multipol, image is HH

Number of Looks: 16 Azimuth, 2

Range Original Ground Resolution:8.5 m max

Area: 1.1 x 1.1 km

Acquired using the CCRS C-SAR (C-HH) in nadir mode pixel spacing of 3.89metres (azimuth) by 4.0 metres (range).

The overflights were done during thewinter to improve the contrast betweenthe cutovers (which would be snow-covered) and the surrounding standingforest.

The imagery was UTM-registered withcubic convolution re-sampling to a 5metre x 5 metre pixel spacing.

FORESTRY APPLICATIONS

This image is a multi-temporalcombination of 2 S7D RADARSATimages. The first image (redchannel) was acquired at thebeginning of the agriculture growingseason (June 23, 1997) and thesecond image (green channel) wasacquired at the end of the growingseason (September 03, 1997). Thethird image (blue channel) wasgenerated by subtracting theSeptember image from the Juneimage.

Changes from the beginning to theend of the growing season aredisplayed as red fields. The fields inblue are a result of no change orfallow fields.

Ramiro Salcedo of Instituto deIngeniería, Caracas, Venezuela.

MULTITEMPORAL SAR IMAGE (Llanos, Venezuela)

ERS-1 Mexico City

Pentágono

Pipe line over Rio Grande

Backscattering coefficient

CCRS SAR Oxford County

C band SAR composite image was created fromHH and HV data, collected October 18, 1991.

A

B

C

D

Field (D) is a conventional tillagefield and has a higher radarbackscatter due to the surfaceroughness of the field.

(A) indicates a field of cornstubble in which no-tillagecultivation has beenimplemented.

Field (B) is a permanent pasture,considered a good conservationpratice.

The corn stubble field (C) is areduced tillage field.