Por Daniel Hogan (In-Q-Tel CosmiQ Works) y Jason Brown (Capella Space) con los equipos CosmiQ Works y Capella.

 

Cuando se les pide que dibujen una "imagen de satélite", la mayoría de las personas visualizan algo como el lado izquierdo de la figura de arriba. Es una imagen óptica, una fotografía, aunque tomada con una cámara muy potente. Pero las imágenes ópticas no son la única forma de visualizar la superficie de la tierra desde un satélite o un avión.

El radar de apertura sintética, o SAR, es una forma completamente diferente de generar una imagen al iluminar activamente el suelo en lugar de utilizar la luz del sol como con las imágenes ópticas. El lado derecho de la imagen de arriba muestra cuán diferentes se ven las imágenes de SAR de las imágenes ópticas. Estas diferencias presentan desafíos pero también crean nuevas capacidades. Una de las principales ventajas del SAR es simple: incluso la mejor cámara óptica montada en avión o satélite es menos útil por la noche e inútil cuando hay nubes o humo. El SAR puede capturar imágenes de noche y ver a través de las nubes y el humo. Es una tecnología de 24 horas para todo clima.

En esta noticia cubriremos los conceptos básicos de cómo funciona el SAR, qué lo hace único y qué lo hace útil. Incluso (o especialmente) si nunca antes ha oído hablar de SAR, ¡esta serie es para usted!

¿CÓMO FUNCIONA EL RADAR DE APERTURA SINTÉTICO?

El radar de apertura sintética es una forma de crear una imagen utilizando ondas de radio. Las ondas de radio utilizadas en SAR suelen oscilar entre aproximadamente 3 cm y unos pocos metros de longitud de onda, que es mucho más larga que la longitud de onda de la luz visible, que se utiliza para crear imágenes ópticas. Estas longitudes de onda caen dentro de la parte de microondas del espectro en la siguiente figura.

Figura 1. Comparación de longitud de onda, frecuencia y energía para el espectro electromagnético. (Crédito: Imagine the Universe de la NASA)

 

RADAR es un acrónimo de RAdio Detection And Ranging. El radar es un sistema activo que genera sus propias ondas de radio y las transmite desde su antena hacia un objetivo. Dependiendo de las propiedades del objetivo y la geometría de la imagen, la antena del radar recibirá toda, parte o nada de la energía de las ondas de radio (esta es la parte de detección del RADAR). Esta señal recibida viajará durante un período de tiempo proporcional a la distancia del objetivo desde la antena (esta es la parte de alcance del RADAR).

Figura 2. Geometría de radar de imágenes (Crédito: NASA)

 

Radar de apertura real (RAR)

El radar de imágenes laterales es diferente de un radar de visión delantera, como el radar meteorológico. Si una antena de radar, que amplifica la señal transmitida y recibida, se transporta en un avión o en un satélite en órbita, se puede usar un radar para hacer una imagen del suelo debajo. El radar que mira hacia adelante no puede crear imágenes. Dicha imagen de radar se forma transmitiendo pulsos de energía de radiofrecuencia (RF) hacia el suelo y al costado de la aeronave, y midiendo la fuerza del retorno (a veces llamado "eco") y el tiempo que tarda en Haga el viaje de ida y vuelta a la antena. De esta manera, el suelo se "escanea" en dos dimensiones. Una dimensión es la dimensión de "rango". Los objetos se colocan en esta dimensión de acuerdo con su distancia del radar. La segunda dimensión es la dimensión "a lo largo de la trayectoria" (o "rango transversal" o "acimut"). En esta dimensión, el suelo es escaneado por el rayo que se mueve por el suelo a una velocidad igual a la velocidad de la plataforma (avión o satélite), y los objetos se colocan en esta dimensión según la posición del avión a lo largo de la pista. Se crea una imagen a partir de las señales reflejadas en ambas dimensiones.

La resolución espacial, la capacidad de resolver objetos en el suelo, difiere en la dirección del alcance (perpendicular a la dirección del vuelo) en comparación con la dirección del azimut (paralela a la dirección del vuelo). En el "radar de apertura real", la resolución de rango se define por el ancho de los pulsos transmitidos desde la antena. La resolución del azimut está determinada por el ancho de la huella del haz en el suelo, y el ancho del haz es inversamente proporcional a la longitud de la antena. Una longitud de antena corta corresponde a un ancho de haz amplio (huella del haz en el suelo). Debido a que volar una antena lo suficientemente grande como para generar una resolución de azimut razonable en el espacio es prohibitivo, esto limita la resolución espacial en la dirección del azimut. El desarrollo de algoritmos de procesamiento avanzados resolvió este problema, lo que dio lugar a una nueva generación de radares de imágenes denominados Synthetic Aperture Radar.

Radar de apertura sintética (SAR)

Para mitigar los efectos no deseados de la mala resolución de azimut del radar de apertura real, el movimiento de la antena a lo largo de la dirección azimutal se utiliza para "sintetizar" o dar el efecto de una antena larga como se muestra en la Figura 3.

Para mitigar los efectos no deseados de la mala resolución de azimut del radar de apertura real, el movimiento de la antena a lo largo de la dirección azimutal se utiliza para "sintetizar" o dar el efecto de una antena larga como se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Generación de apertura sintética (Crédito: NASA)

 

Este proceso de síntesis es posible porque un dispersor (objetivo) en el suelo permanece dentro del haz de radar de apertura real para muchos pulsos de radar. La suma de las reflexiones de todos estos pulsos permite sintetizar una antena grande con un ancho de haz mucho más estrecho, lo que da como resultado una mejor resolución espacial en la dirección del azimut. Esta técnica es aplicable tanto a sistemas aéreos como a sistemas espaciales.

 

INTERPRETACIÓN DE IMAGEN SAR

Si bien las imágenes creadas por SAR se pueden convertir en un mapa del terreno reconocible, existen importantes diferencias entre las imágenes ópticas y las imágenes de SAR. Las imágenes de SAR se consideran un tipo de imágenes no literales porque no parecen una imagen óptica que generalmente es intuitiva para los humanos. Estos aspectos deben entenderse para poder realizar una interpretación precisa de la imagen.

Sombreado

Las sombras se producen por las mismas razones por las que se forman las sombras en las imágenes ópticas: un objeto bloquea el camino de la radiación directa: luz visible en el caso de imágenes ópticas y haz de radar en el caso de SAR. Sin embargo, a diferencia de las imágenes ópticas en las que se pueden ver objetos en sombras debido a la dispersión atmosférica, no hay información en una sombra SAR porque no hay señal de retorno.

Escorzo

Debido a que el SAR es un instrumento de medición de distancia que mira hacia los lados, los retornos retrodispersados ​​se organizarán en la imagen según la distancia entre el objetivo y la antena a lo largo del plano inclinado (plano de imagen de radar). Esto provoca algunas distorsiones geométricas interesantes en las imágenes, como el escorzo. Como se ve en la Figura 4, la pendiente A-B se comprime en el plano inclinado porque la señal del radar llega al punto B poco después de alcanzar el punto A en el tiempo. Esto hace que un objeto alto con una pendiente, como una montaña, parezca más empinado, con una apariencia de "borde" delgado y brillante. Tenga en cuenta que el ángulo de visión del sensor afecta el escorzo; un ángulo de mirada más grande disminuirá el efecto.

Figura 4. Geometría de escorzo (Crédito: NASA) Figura 5. Geometría de escala (Crédito: NASA)

 

Escala

La escala es un ejemplo extremo de acortamiento en el que el objeto es tan alto que la señal del radar llega al punto B antes de llegar al punto A. Esto hace que los retornos del punto B se coloquen en la imagen más cercana al sensor (rango cercano) y al punto oscuro. A, como si la cima se hubiera cubierto al pie de la montaña.

 

Figura 6. Ejemplos de efectos geométricos en imágenes SAR (Crédito de la imagen: ERS, ESA 2011. Obtenido de ASF DAAC 20 de enero de 2020.

Los efectos de estos fenómenos se alteran según el ángulo de visión del sensor. Un ángulo de mirada más grande aumenta el efecto de las sombras (alargando la sombra), mientras que minimiza el efecto de la escala (menos escala). Un ángulo de mirada más pequeño tiene el efecto contrario. La Figura 6 ofrece ejemplos de estos efectos en terrenos accidentados. La Figura 7, por su parte, muestra un ejemplo de cómo los edificios en un entorno urbano se ven distorsionados por los mismos efectos. Todos los edificios altos aparecen dispuestos horizontalmente debido a la escala.

BRILLO DE PÍXEL

Si bien una imagen de radar puede parecer una imagen óptica monocromática, esta impresión es engañosa. La intensidad de los píxeles en una imagen de radar no es indicativa del color del objeto (como en una fotografía en color). En cambio, la intensidad depende de la cantidad de energía que transmite el sensor SAR (como el brillo de la fuente de iluminación), las propiedades del material del objeto, la forma física del objeto y el ángulo desde el que se ve el objeto.

Parámetros del sensor

Los parámetros de diseño y operación permiten a los ingenieros tener control sobre la señal de retorno reflejada (llamada retrodispersión). Los ingenieros diseñan y modelan el sistema y los parámetros operativos para maximizar los retornos del radar y, por lo tanto, la información recopilada contra objetivos específicos. Durante el diseño, se eligen la longitud de onda y la polarización del sistema (que se comentan a continuación) y, una vez lanzado, no se pueden cambiar. Estos parámetros fijos del sensor dictan en cierto nivel el brillo resultante de un píxel en una imagen en particular.

La longitud de onda afecta la resolución del acimut, pero también tiene importantes implicaciones para la penetración, ver Figura 8. En general, la penetración del radar aumenta con la longitud de onda.

El ángulo de visión afecta la escala y la sombra como se describió anteriormente, pero también puede tener un efecto en el brillo de los píxeles porque cambia la forma en que el rayo del radar interactúa con el objeto.

La polarización en transmisión y recepción también afecta el brillo del píxel como se describe en la siguiente sección.

Figura 8. Penetración de radar por frecuencia

 

Sin embargo, implementar todas estas mejoras requirió tomar decisiones difíciles. Aplazamos el inicio del servicio en 8 meses para completar y validar el diseño evolucionado de Sequoia. El satélite también duplicó su tamaño, pasando de 48 kg a 100 kg. Sin embargo, a pesar de estas opciones, estamos encantados con el resultado: un satélite SAR de clase mundial que ofrece lo que nuestros clientes necesitan y esperan.

Parámetros de superficie

Los parámetros de la superficie que afectan el brillo de los píxeles son la rugosidad de la superficie del material, con respecto a la longitud de onda del sistema y el material de dispersión (la constante dieléctrica del objeto). Si la rugosidad de la superficie del material es suave con respecto a la longitud de onda del sistema, el haz del radar se refleja (Figura 9) de acuerdo con la ley de reflexión. A esto se le llama reflexión especular. Si la superficie es rugosa con respecto a la longitud de onda del sistema, el rayo del radar se dispersa en todas las direcciones. Esto se llama dispersión difusa. La rugosidad variable de la superficie da como resultado cantidades variables de dispersión difusa y brillo de píxeles variable. La constante dieléctrica del material de dispersión es una propiedad física de un material que determina qué tan reflectante es ese material a las ondas electromagnéticas. Los objetos metálicos y el agua tienen una constante dieléctrica más alta y son más reflectantes, sin embargo, dado que son suaves con respecto a la longitud de onda del sistema, y ​​generalmente planos, el rayo del radar se refleja de forma especular, lejos del sensor.

Además, ciertas características de la superficie provocarán un reflejo especular hacia el sensor, al rebotar en múltiples superficies. Una reflexión de doble rebote se llama retorno diedro y un retorno de triple rebote se llama retorno triédrico. Estos son causados por superficies lisas orientadas en ángulos de 90 grados entre sí, como se ve en la figura 10.

Figura 10. Dispersión diedra

 

Speckle 

El SAR es un método de obtención de imágenes coherente porque las ondas de radio en un haz de radar están alineadas en el espacio y el tiempo. Esta coherencia proporciona muchas ventajas (es necesaria para que funcione el proceso de apertura sintética), pero conduce a un fenómeno llamado moteado. El speckle es una variación de "sal y pimienta" en el brillo de los píxeles que degrada la calidad de las imágenes de SAR, lo que dificulta la interpretación de las imágenes. El speckle se produce porque a menudo hay muchas dispersiones individuales en un píxel dado, lo que conduce a una interferencia positiva (sal) y negativa (pimienta) entre los píxeles con un retorno de retrodispersión constante.

 

MÁS INFORMACIÓN... 

Esperamos haber provisto un panorama general de lo que son las imágenes SAR. Si tiene alguna duda por favor contáctenos.