TRANSPARENCIAS DE TELEDETECCIÓN 4. Sensores RADAR 4.1 Dispersión radar de superficies 4.2 Polarimetría radar Antoni Broquetas Adriano Camps Dpto. de TSC-UPC Marzo de 2000 4. Sensores RADAR 4.1 Dispersión radar de superficies 4.2 Polarimetría radar 4.3 Radares de apertura total i sintética (SAR) 4.4 Reconstrucción de imágenes SAR 4.5 Corrección geomètrica y reducción de ruido en SAR 4.6 Otros 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 Denominación de las bandas: Frecuencia: 1 - 100 GHz (1 GHz = 1.000.000.000 Hz) Longitud de onda λ: 30 cm - 3 mm 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 grandes distancias: Satélites Plataformas • Existen Aviones / Helicópteros también aplicaciones a cortas distancias: - Radares de instrumentación: medida de la reflectividad de objetos y superficies. - Sistemas tomográficos: aplicaciones biomédicas e industriales. AIRBORNE SAR SISTEMAS ACTIVOS: RADARES Blanco puntual ( tamaño < res. Espacial ) Ecuación de potencias RADAR Pr = Pt G 2 λ2σ (4ππ )3 R 4 L L = L s La L s : pérdidas sistema La : pérdidas atmósfera Pérdidas La cadena de valor en Teledetección Actividad Operador Sensor (Satélite, Avión) Reconstruc. Calibración Almacenam. Telemetría Servicios Distrib. Control de Acceso Imágenes Servicios Extracción Parámetros Usuarios Mapas Datos ≠ Información ≠ Conocimiento ≠ Decisiones LA SECCIÓN RECTA RADAR modela la potencia de eco retornada por el blanco ∆ σ : Sección recta radar del blanco = área de un blanco isotrópico ideal Es σ = lim 4π R Ei R→∞ 2 2 E i : campo eléctrico incidente sobre el blanco E s : campo eléctrico dispersado sobre el radar Sección Recta Radar σ tiene dimensiones de Área: m2 o dBsm σ ( dBsm ) = 10 log σ ( m ) 2 σ puede interpretarse como el producto de tres factores: σ = A.geométrica * Directividad retrodispersión * Eficiencia SECCIÓN RECTA RADAR (Ejemplos: 1) Esfera metálica D→ →1 σ →Ageom Esto es para objetos eléctric. grandes tamaño >>λ λ SECCIÓN RECTA RADAR (Ejemplos: 2) Placa metálica normal a la dirección de incidencia D>>1 σ >>Ageom Esto es para objetos eléctric. grandes tamaño >>λ λ SECCIÓN RECTA RADAR (Ejemplos: 3) Placa metálica oblícua a la dirección de incidencia D<<1 σ <<Ageom Esto es para objetos eléctric. grandes tamaño >>λ λ RFK Stadium GEOLOGY North shore of Lake Superior, July 1991. wide swath mode displays 63km across the range look direction to the south. The near edge of the image, at the top, is at 45° and the far edge is at 85° incidence angle respectively. The wide range of shallow viewing angles is ideal for enhancing subtle terrain features which can be on the order of 2m in height. SIR-C/X-SAR Aorounga impact crater, Chad SIR-C/X-SAR Galeras Volcano, Colombia Sección recta de cuerpos simples Esfera metálica de radio a Zonas de validez: • Rayleigh o de baja frecuencia σ 2πa σ →9 λ πa 2 • Mie o resonante 2πa < 0.5λ 4 ∝ f4 0.5λ < 2πa < 10λ σ oscila alrededor de πa 2 • Región óptica o de alta frec. Rayleigh Mie a 2π λ Optica σ → πa 2 2πa > 10λ Blanco superficial σ o : densidad de sección recta superficia l o coeficiente de (retro) dispersión σ o : m 2 m 2 → adimension al : dB PtG 2 λ 2σ o S λ 2 Pt G 2σ o Pr = dS → 3 4 ∫ (4π ) L S R (4π )3 R 4 L 1 Si G, σ , 4 → ctes. en S R o σ, σo dependen de: . frecuencia . ángulo de incidencia . polarización . material . rugosidad (geometría) Ondas planas { E (r , t ) = Re E o .e j (ϖt − k r ) E (r , t ) H (r , t ) = η E , H : campos eléctrico y magnético k = k .uˆ , k = ω µε ( nº de onda ), uˆ : dirección de propag. uˆ , E , H ortog. entre sí , η = µ vacío : µ = µ o = 4π .10 −7 H m , ε impedancia de onda. 1 ε = εo = 10 −9 F m 36π } Medios sin pérdidas c : velocidad de propagación = 1 µε ω 2π k= = c λ Medios con pérdidas ε es complejo ⇒ ε* ε ∗ = ε '− jε ' ' = ε '− j σ ω ← conductividad Casi siempre se utilizan las permitividades relativas. ∗ εr ε' ε '' = ε r '− jε r ' ' = −j εo εo k =ω µ ε también es complejo, jk = α + j β 2 ε' ε ' ' donde α = ω µ 1 + − 1 2 ε' 2 ' ' ε' ε β = ω µ 1 + + 1 2 ε' α: representa la atenuación de la onda: e −α r en Nep / m , en dB / m : 8,686 α β: cte. de fase en rad/m λ=2π π/β β Ejemplo: agua dulce @ 2.5 GHz, 20 °C ∗ εr = 77 − j 9 α → 2 dB / cm λ → 1,4 cm SIR-C/X-SAR Gizeh Pyramids Incidencia sobre un dieléctrico plano y homogéneo E i = yˆ E o e − j (k1 x x − k1 z z ) − j (k1 x x − k1 z z ) Er = yˆ R⊥ E o e − j (k 2 x x − k 2 z z ) Et = yˆ T⊥ E o e k ix = k i senθ i , k iz = k i cosθ i Snell k 2 senθ 2 = k1 senθ 1 η 2 cosθ 1 − η1 cosθ 2 R⊥ = η 2 cosθ 1 + η1 cosθ 2 2η 2 cosθ 1 T⊥ = η 2 cosθ 1 + η1 cosθ 2 Caso: E ortog. al plano de incidencia 1 + R⊥ = T⊥ •Para E || al plano de incidencia η1 cosθ 1 − η 2 cosθ 2 RII = η1 cosθ 1 + η 2 cosθ 2 2η1 cosθ 1 TII = η1 cosθ 1 + η 2 cosθ 2 •Ángulos particulares . θ c : ángulo crítico → reflexión total senθ c = k 2 k1 . θ B : ángulo de Brewster → transm. total para EII tgθ B = ε 2 ε1 •El análisis puede aplicarse a N capas Criterio de Rayleigh de baja rugosidad π Si ∆φ 〈 rad. 2 λ λ h〈 ⇒ σ〈 8 cosθ 8 cosθ Donde σ es la desv. típica de la rugosidad SI λ σ 〈 8 cosθ Entonces: la dispersión será muy directiva: - Una superficie rugosa para θ pequeños (vertical) puede comportarse como lisa para incidencias rasantes θ → π/2 - Una superficie ópticamente rugosa puede ser plana a todos los efectos a frecuencia de microondas. Mecanismos de dispersión superficial Modelos de dispersión superficial - Grupo de pequeños dispersores independientes uniformemente distribuidos σ (θθ) = N σo cos2 θ (Lambertiana) (N dispersores de σ = σo / unidad de área) θ es el ángulo de incidencia respecto a la normal a la superficie modelo adecuado para rugosidades muy elevadas. Modelos de dispersión superficial - Modelo de facetas: conjunto de caras planas Distancia al radar Campo dispersado Es = ∑ Esi e − j 2 kRi i Contribución faceta i Esi = Ei ⋅ RFi ⋅ D (θ , Si ) Ei = Campo incidente RF = Coef . reflexión de Fresnel D = Diagrama (directividad ) de dispersión de la faceta Modelo de facetas Si el lado L de la faceta es L>>λ λ D puede obtenerse mediante aproximación de óptica física. D (θ , S ) = ∫ e − j 2 kr dS S σ ∝ Es 2 σ = 4π R R→ ∞ 2 Es Ei 2 2 El modelo de facetas es adecuado para superficies arbitrarias con variación lenta (l>>λ λ) Resonancia Bragg N E s = ∑ E i e − j 2 kR o e − j 2 kl ∆ R l=0 E s = Ei e − j 2 kR o sen [( N + 1 )k ∆ R ] sen [k ∆ R ] E s = Ei e − j 2 kRo sen[(N + 1)k∆R ] sen[k∆R ] k)R ∆ R = L sen θ 2L max → k ∆ R = n π → sen θ = n λ ; n = 0 ,1 , 2 , L Bragg: Modela la gran directividad de pequeños rizados (ondas capilares en el mar). Modelo de Bragg: descomposición en espectro de Fourier de la superficie. σ (θ ) ≅ 8 k 4 h 2 cos 4 θ α 2W ( 2 ksen θ ) k = 2π , h : desviación estándar altura λ W = F {ρ (x) } ← autocorrel ación alturas Cada modelo tiene su margen de aplicación: pueden combinarse. ‘+’ no tiene porque ser adición de resultados. P.ej. la inclinación de la faceta interviene en la dispersión de Bragg: problemas no lineales. 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 en terreno arcilloso SIR-C/X-SAR Nile River, Sudan REFLECTIVIDAD RADAR MARINA Construcción del oleaje,regímenes y espectro Viento Mar en calma Olas pequeñas Fricción Olas con h, λ mayor Fenómenos no lineales h, λ estacionarias Disipación Atenuación ∝ λ-1 ⇒ Superficie = Olas cortas locales + Olas largas globales. Espectro en equilibrio de la altura de las olas 192 S(k) 96 Parámetros U* (cm/s) 48 Velocidad de fricción 24 12 K : No. de onda (frecuencia oleaje) K grandes: amp. crece rápid. con el viento ⇒ vector viento K pequeñas: olas globales ⇒ viento no local SIR-C/X-SAR west of Bombay, India Reflectividad radar marina: Topografía submarina Image intensity light dark Sea surface roughness Tidal flow SAR Batimetry 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 Inertial Measurement 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: August 1997 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 FORESTRY APPLICATIONS Acquired using the CCRS C-SAR (CHH) in nadir mode pixel spacing of 3.89 metres (azimuth) by 4.0 metres (range). The overflights were done during the winter to improve the contrast between the cutovers (which would be snowcovered) and the surrounding standing forest. The imagery was UTM-registered with cubic convolution re-sampling to a 5 metre x 5 metre pixel spacing. MULTITEMPORAL SAR IMAGE (Llanos, Venezuela) This image is a multi-temporal combination of 2 S7D RADARSAT images. The first image (red channel) was acquired at the beginning of the agriculture growing season (June 23, 1997) and the second image (green channel) was acquired at the end of the growing season (September 03, 1997). The third image (blue channel) was generated by subtracting the September image from the June image. Changes from the beginning to the end of the growing season are displayed as red fields. The fields in blue are a result of no change or fallow fields. Ramiro Salcedo of Instituto de Ingeniería, Caracas, Venezuela. ERS-1 Mexico City Pentágono Pipe line over Rio Grande Backscattering coefficient CCRS SAR Oxford County C band SAR composite image was created from HH and HV data, collected October 18, 1991. C (A) indicates a field of corn stubble in which no-tillage cultivation has been implemented. A B Field (B) is a permanent pasture, considered a good conservation pratice. D The corn stubble field (C) is a reduced tillage field. Field (D) is a conventional tillage field and has a higher radar backscatter due to the surface roughness of the field.