Радар із синтетичною апертурою (SAR)

Що таке радар із синтетичною апертурою?

Радар із синтетичною апертурою (SAR) — це тип активного збору даних, коли інструмент надсилає імпульс енергії, а потім записує кількість цієї енергії, відбитої після взаємодії із Землею. На відміну від оптичних зображень, які є пасивною технікою збору даних на основі випромінюваної енергії, SAR-зображення створюються в результаті реакції випромінюваного імпульсу енергії з фізичними структурами (як-от гори, ліси та морський лід) і такими умовами, як вологість ґрунту. SAR використовувався в широкому діапазоні застосувань, включаючи вивчення антарктичних айсбергів, відстеження шляхів розливів нафти в чутливі болота та картографування водно-болотних угідь Аляски.

Що таке синтетичний радар із синтетичною апертурою?

Просторова роздільна здатність радіолокаційних даних безпосередньо залежить від співвідношення довжини хвилі датчика до довжини антени датчика. Для даної довжини хвилі чим довша антена, тим вище просторова роздільна здатність. З супутника в космосі, що працює на довжині хвилі приблизно 5 см (радар C-діапазону), щоб отримати просторову роздільну здатність 10 м, вам знадобиться радарна антена довжиною приблизно 4250 м. (Це понад 47 футбольних полів!)

Антена такого розміру непрактична для супутникового датчика в космосі. Тому вчені та інженери винайшли розумний обхідний шлях — синтетичну діафрагму. У цій концепції послідовність отримання від коротшої антени об’єднується для імітації набагато більшої антени, таким чином забезпечуючи дані з вищою роздільною здатністю.

Геометрія спостережень, використана для формування синтетичної апертури для цілі P у положенні вздовж треку x = 0. Автор: Довідник NASA SAR.

Термінологія польоту та направлення

Прилад вимірює відстань між датчиком і точкою на поверхні Землі, де відбувається зворотне розсіювання сигналу. Ця відстань є похилою дальністю, яка може бути спроектована на землю, представляючи дальність землі. 

Напрямок польоту також називають уздовж траєкторії або напрямком по азимуту, а напрямок, перпендикулярний до траєкторії польоту, є поперечним напрямком або напрямком дальності.

Кут між напрямком, на який спрямована антена, і найнижчою точкою зору є кутом огляду. Кут між центром променя радіолокатора та нормаллю до місцевої топографії є ​​кутом падіння. Обидва кути іноді використовуються як синоніми, що є дійсним, лише якщо геометрія SAR спрощена, щоб нехтувати кривизною Землі та місцевою топографією. Оскільки кут огляду датчика значно впливає на поведінку зворотного розсіювання, він є одним із основних параметрів, що визначають геометрію огляду та кут падіння сигналу зворотного розсіювання. Залежно від характеристик освітленої місцевості на знімках SAR можуть з’являтися зони лежання та тіні.

Конфігурація сканування для SAR лівого напрямку з прямокутною антеною. Автор: Coert Olmsted, Scientific SAR User’s Guide. Аляска SAR Facility, 1993.

Роль частоти та довжини хвилі

Оптичні інструменти, такі як Operational Land Imager (OLI) Landsat і Multispectral Instrument (MSI) Sentinel-2, збирають дані у видимій, ближній інфрачервоній та короткохвильовій інфрачервоній частинах електромагнітного спектру. Радіолокаційні прилади використовують більші довжини хвиль у масштабі від сантиметра до метра, що дозволяє їм створювати зображення форм рельєфу, які можуть бути вкриті хмарами або під густими кронами дерев. Різні довжини хвиль SAR часто називають смугами з літерними позначеннями, такими як X, C, L і P.

Електромагнітний спектр із виділеними діапазонами SAR

Довжина хвилі є важливою характеристикою, яку слід враховувати під час роботи з SAR, оскільки вона визначає, як радіолокаційний сигнал взаємодіє з поверхнею та наскільки далеко сигнал може проникати в середовище. Наприклад, радар X-діапазону, який працює на довжині хвилі близько 3 см, має дуже малу здатність проникати в широколистяний ліс і здебільшого взаємодіє з листям у верхній частині крони дерев. З іншого боку, сигнал L-діапазону має довжину хвилі приблизно 23 см, що дозволяє йому проникати глибше крізь крону дерев і забезпечує більшу взаємодію між сигналом радара та великими гілками та стовбурами дерев. 

Довжина хвилі впливає не лише на глибину проникнення в ліси, а й на інші типи ґрунтового покриву, такі як ґрунт і лід. Наприклад, вчені та археологи використовують дані SAR, щоб допомогти знайти покинуті і забуті міста та інфраструктуру міського типу, приховані з часом густою рослинністю або пісками пустелі.

Механізми поляризації та розсіювання

Поляризація означає орієнтацію площини, в якій коливається передана електромагнітна хвиля. Радар може збирати сигнали в різних поляризаціях, контролюючи аналізовану поляризацію як на шляхах передачі, так і на прийомі. Хоча орієнтація може відбуватися під будь-яким кутом, датчики SAR зазвичай передають лінійно поляризовані. Горизонтальна поляризація позначається літерою H, а вертикальна — літерою V.

Перевага радарних датчиків полягає в тому, що поляризацію сигналу можна точно контролювати як на передачі, так і на прийомі. Сигнали, випромінювані у вертикальній (V) і отримані в горизонтальній (H) поляризації, позначатимуться VH. Крім того, сигнал, який випромінювався горизонтально (H) і отримував горизонтально (H), позначався б HH і так далі. Вивчення потужності сигналу від цих різних поляризацій несе інформацію про структуру зображеної поверхні на основі таких типів розсіювання: шорстка поверхня, об’єм і подвійний відскок.

• Шорстке розсіювання на поверхні, наприклад, спричинене голим ґрунтом або водою, найбільш чутливе до VV-розсіювання
• Об’ємне розсіювання, спричинене листям і гілками в пологах лісу, найбільш чутливе до крос-поляризованих даних, таких як VH або HV
• Розсіювання подвійного відскоку спричинене будівлями, стовбурами дерев або затопленою рослинністю та найбільш чутливе до поляризованого сигналу HH

Сильне розсіювання в HH вказує на переважання розсіювання подвійного відскоку (наприклад, стеблова рослинність, споруди, створені людиною), тоді як сильне VV відноситься до розсіювання грубої поверхні (наприклад, оголена земля, вода); просторові варіації подвійної поляризації вказують на розподіл об’ємних розсіювачів (наприклад, рослинність і типи ґрунту з високим проникненням, такі як пісок або інші сухі пористі ґрунти). Авторство: Довідник NASA SAR.

Важливо відзначити, що кількість сигналу, який приписується різним типам розсіювання, може змінюватися залежно від довжини хвилі, оскільки зміни довжини хвилі призводять до змін глибини проникнення випромінюваного сигналу. Наприклад, сигнал C-діапазону проникає лише у верхні шари пологу лісу, і тому він відчуватиме здебільшого шорсткість, змішану з обмеженою кількістю об’ємного розсіювання. Однак сигнал L-діапазону або P-діапазону матиме набагато глибше проникнення та відчуватиме сильно посилене гучне розсіювання, а також збільшення кількості подвійного відскоку, спричиненого такими об’єктами, як стовбури дерев.

Чутливість вимірювань SAR до структури лісу та проникнення в полог на різних довжинах хвиль, які використовуються для дистанційного спостереження поверхні землі з повітря або з космосу. Автор: Довідник NASA SAR.

Роздільна здатність і Speckle

Просторова роздільна здатність радара визначає мінімальний відрив між вимірюваннями, які прилад здатний розрізнити, і визначає кількість спеклів, що вводяться в систему. Speckle — це явище розсіювання, яке виникає через те, що просторова роздільна здатність приладу недостатня для визначення окремих розсіювачів. Speckle можна відтворити, якщо умови отримання ідентичні, тоді як шум має випадковий характер. Плямистість видаляється мультипроглядом. Чим вище просторова роздільна здатність радара, тим більше об’єктів на землі можна розрізнити. Термін «просторова роздільна здатність» часто плутають із розміром пікселя, який є відстанню між пікселями в напрямку азимута та відстані до землі після обробки даних.

Інтерферометрія

Дані SAR дозволяють використовувати метод аналізу, який називається інтерферометрією. У разі використання з SAR цей метод аналізу називається інтерферометричним SAR або InSAR. InSAR використовує інформацію про фазу, записану приладом, для вимірювання відстані від приладу до цілі. Коли принаймні два спостереження однієї цілі проводяться в різний час, відстань разом із додатковою геометричною інформацією від приладу може бути використана для вимірювання змін у рельєфі земної поверхні. Ці вимірювання є дуже точними (до рівня сантиметра) і можуть бути використані для визначення зон деформації після таких подій, як виверження вулканів і землетруси.

На цьому інтерферометричному зображенні SAR (InSAR) ERS-2 видно деформацію поверхні Окмок, вулкана на Алеутських островах. Кожен колірний цикл відображає 2,8 см руху поверхні землі. Автор: Архівний центр NASA Alaska Satellite Facility

Доступність даних

У наведеній нижче таблиці перераховані прилади SAR, які мають або зараз видають дані, а також параметри даних.

Джерело: EARTHDATA