Sistemi SAR (Synthetic Array Radar) University of Pavia Telecommunications and Remote Sensing Laboratory

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Camillo Norberto Martelli
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1 Sistemi SAR (Synthetic Array Radar)

2 RADAR RAdio Detection And Ranging

3 Come funziona un radar? Ci vogliono un trasmettitore e un ricevitore, collegati ad una antenna direzionale, cioè che preleva e trasmette solo entro un angolo prefissato. Il trasmettitore emette degli impulsi, di durata τ, ogni T secondi ( T dell ordine dei microsecondi). Il ricevitore recupera quello che torna indietro, nel tempo T-τ che rimane tra un impulso e il successivo. Questo significa che il range del radar copre fino a (T-τ ) *c metri. Campionando il segnale che torna (prendendone dei valori nel tempo equidistanti) si recupera il segnale riflesso a distanza diversa dal sensore.

4 Come funziona il radar? t t

5 Come funziona il radar?

6 Radar ad apertura sintetica Dato che l angolo di vista del radar permette di vedere la stessa zona mentre il satellite è in cammino, si possono combinare i ritorni per migliorare la risoluzione nella direzione di moto (azimuth). E come se si avesse invece di una sola antenna un insieme (array) di antenne, che però è artificiale (synthetic). Un modo semplice per tener conto dei contributi nelle diverse posizioni è l effetto Doppler. Dato che il satellite è in movimento, la lunghezza d onda che riceve dipende dalla sua posizione rispetto al bersaglio (minore in avvicinamento, maggiore in allontanamento)

7 Radar ad apertura sintetica λ + lungo λ + corto

8 Effetto della rugosità del terreno La rugosità superficiale è di solito il fattore dominante nel determinare la luminosità dei pixel dell'immagine radar. Quanto più la superficie è ruvida, maggiore è la dispersione, e maggiore quindi l'energia elettromagnetica inviata nuovamente al sensore. La rugosità superficiale non è una caratteristica assoluta, ma dipende dalla lunghezza d'onda e dall'angolo di incidenza. Solitamente una superficie è considerata "ruvida" se ha significative variazioni del profilo di altezza pari ad almeno metà della lunghezza dell'onda incidente proiettata sulla normale locale.

9 Rugosità

11 Double scattering L effetto di Double scattering si verifica quando un'onda già riflessa da un bersaglio viene intercettata da un altro bersaglio e riflessa verso il sensore. Se le riflessioni si verificano su superfici piane si chiama corner reflector", e l'effetto è particolarmente forte. La presenza di corner reflector è una caratteristica tipica in ambienti urbani, e provoca la comparsa di caratteristiche tessiturali. A volte, l angolo di riflessione è causato deliberatamente per la calibrazione, utilizzando tetraedri riflettenti (detti corner cube ).

12 Double scattering

13 Angolo di incidenza locale Quanto più l'orientamento di una superficie è praticamente perpendicolare alla direzione di propagazione, maggiore è l'energia che l'area invia al sensore. Le aree che "guardano" il sensore risultano quindi più luminose delle altre. Allo stesso modo, strutture che hanno un orientamento principale (come le strade e gli edifici) avranno una diversa apparenza nelel immagini radar in funzione all'angolo di incidenza locale. In scene urbane la cosa si riflette nella presenza del cosiddetto "effetto cardinale".

14 Cardinal effect

15 Effetto della rugosità dei materiali

16 Problemi di geometria

17 Layover e Foreshortening Questi fenomeni intervengono quando ci sono dei rilievi, come ad esempio delle catene montuose o delle case (in dipendenza della risoluzione spaziale). Il foreshortening è l effetto per cui un rilievo risulta compresso verso il radar, e allungato nella direzione opposta.

18 Foreshortening e layover Il fenomeno è più sensibile nelle zone lontane dal sensore che in quelle vicine, in dipendenza dell altezza del sensore. Conta anche l angolo di vista.

19 Affievolimento e speckle L affievolimento e lo speckle sono processi intrinseci simili al rumore, che degradano la qualità dell immagine rilevata da un sistema di acquisizione coerente. Sono dovuti alle interferenze tra echi da oggetti che distano tra di loro meno di una lunghezza d onda. L interferenza locale, che può essere costruttiva o distruttiva in misura praticamente imprevedibile, si manifesta nell immagine con pixel particolarmente chiari o particolarmente scuri.

20 Immagine con speckle

21 Affievolimento e speckle Effettuare la media di più dati indipendenti sulla stessa porzione di terreno riduce l'effetto dell'affievolimento e dello "speckle". Vi sono due principali approcci : filtrazione "multi-look", separa l'apertura sintetica in più sottoaperture che generano dati indipendenti (diverse bande doppler nel SAR) effettuazione della media (incoerente) tra pixel adiacenti. La riduzione di questi effetti è ottenuta al prezzo di una riduzione della risoluzione spaziale.

22 Diagramma di radiazione Le antenne non trasmettono potenza con uguale intensità in tutte le direzioni. La zona centrale dell immagine tende ad essere sovrailluminata rispetto ai lati, ed occorre compensare.

23 Distorsione di scala Conoscendo la geometria di acquisizione si può correggere a posteriori la distorsione di scala. Figura 1: l asse orizzontale è la distanza in portata; Figura 2: l asse orizzontale è la distanza reale sul terreno.

24 Interferometria: l idea Con un insieme di dati, si può ottenere solo una singola distanza, quindi ce ne servono due. Stesso principio della triangolazione o della stereoscopia La realizzazione con un radar usa due antenne

25 Diverse tipologie di interferometria Interfermetria longitudinale (along-track): La seconda acquisizione è lungo la stessa orbita. In pratica, ci potrebbero essere due satelliti (tandem) o due antenne a bordo dello stesso satellite. Interferometria trasversale (across-track): La seconda acquisizione è ortogonale all orbita della piattaforma. Abbiamo bisogno di due passaggi dello stessa satellite o due antenne. Interferometria Differenziale (DInSAR): almeno tre immagini.

26 Passaggio singolo o ripetuto Per registrare le due immagini necessarie per l'interferometria, al satellite potrebbe essere richiesto di ripetere il passaggio sulla stessa area. Singolo passaggio: un solo passaggio, e quindi due antenne Passaggio ripetutp: passaggi multipli, e quindi una sola antenna.

27 Due immagini due fasi! (I due sensori guardano al bersaglio con lo stesso angolo di vista )

28 E infine Dopo un passaggio detto phase unwrapping la fase viene tradotta in un Digital Elevation Model (DEM)

29 Il Vesuvio University of Pavia Telecommunications and Remote Sensing Laboratory

30 Esempi dalla SRTM

31 Polarizzazione Il radar, come abbiamo visto, ha anche la possibilità di trasmettere e ricevere onde con diversa polarizzazione. Ciò è utile per applicazioni nel campo della mappatura della vegetazione (risposta dovuta alle foglie e ai tronchi).

32 Penetrazione Il radar penetra attraverso tutti gli ostacoli che hanno dimensione piccola rispetto alla lunghezza d onda (pioggia, grandine, ma anche foglie e sabbia). Questo permette di poter avere diverse immagini per diverse frequenze (lunghezze d onda).

33 Seasat Il primo sistema radar di uso civile è stato il Seasat della NASA. Lanciato nel giugno 1978, funzionò per soli 99 giorni prima della rottura di un circuito. Quando funzionò, diede le prime immagini in banda L (lunghezza d onda di 23.5 cm), con polarizzazione HH, vista a destra del satellite, con un angola di 20 gradi dalla verticale, o nadir.

34 SIR-C Le missioni dello shuttle con radar a bordo sono state tre, nell aprile 1994, ottobre 1994 e febbraio In tutti i casi si è usato un radar in banda C. completamente polarimetrico, con risoluzione a terra di circa 15 m. Insieme, sono stati uttenuti dati in banda L, P e X.

35 Immagini particolari

36 ERS I satelliti ERS-1 e -2 sono stati lanciati dall ESA nel 1991 e nel 1995, rispettivamente. ERS-1 ha smesso di funzionare nel Il radar è a polarizzazione VV, in banda C. Nel perido di tempo in cui sono convissuti, i due satelliti hanno dato immagini della stessa area a terra a distanza di un giorno (missione tandem ).

37 Immagini multitemporali

38 RADARSAT-1 Il satellite è canadese, lanciato nel Ha una risoluzione spaziale migliore degli altri sensori (fino a 7 m nel fine mode ) e ha diverse possibilità di angoli di vista (7 beam). Il radar è in banda C, polarizzazione VV. Grazie alla possibilità di avere diversi angoli, può dare immagini ogni pochi giorni.

39 0 30 S 60 N 60 S W 60 E 180 W 120 E La costellazione COSMO/SkyMed Constellazione fatta da : 3 satelliti con sensori ottici, IR/ NIR 4 satelliti con un sensore SAR Caratteristiche operazionali Tempo di risposta rapido (12 ore) Immagini ad alta qualità con risoluzione a terra adeguata (da 100 m a 2 m) Dati da misure radar e multi/iperspettrali Capacità di operare in qualsiasi situazione di tempo 30 N o

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