Procesamiento de Imágenes de Radar

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Introducción al Procesamiento de Imágenes de Radar

El término Radar ("Radio Detection And Ranging") es utilizado de forma genérica para clasificar los sistemas que operan en la faja de frecuencia de microondas.

Estos sistemas fueron utilizados inicialmente para fines militares durante la Segunda Guerra Mundial y, posteriormente, para fines civiles a partir de la década del 70.

La creciente utilización de la técnica de digitalización de imagen por microondas  se debe a las características propias del sistema digitalizador, en que la región espectral de operación permite la alta transmisión de las ondas electromagnéticas en la atmósfera independiente de la iluminación solar, tanto cuando la atmósfera se presenta nublada como durante precipitaciones, pudiendo así generar imágenes bajo las condiciones mas adversas.

La transmisión de las ondas electromagnéticas por un medio es directamente proporcional a la longitud de onda; de esta forma, cuanto menor la frecuencia del radar mayor será  su penetración. Esta facilidad permite digitalización de imágenes donde los sistemas digitalizadores en la región del visible y del infrarojo se muestran ineficientes, principalmente en situaciones de extensa cobertura de nubes, como es el caso de la región amazónica.

La figura a continuación presenta la curva  porcentual de transmisión de las ondas, por largo de onda, que abarca la región del visible, infrarojo y microondas.

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La extensión de la penetración depende de la humedad, de la densidad de la vegetación, tanto como de la longitud de onda. Así,  longitudes de onda menores interactúan con las capas superficiales de la vegetación, y longitudes de onda mas largos, interactúan con las capas inferiores de la vegetación, pudiendo en algunos casos, hasta interactuar con el suelo o el subsuelo.radar_02.gif - 35746 Bytes                   Figura - Penetración de señales de Radar en vegetación. Fuente: Ulaby et al (1981a), p.4.

En cuanto en la faja del espectro óptico, la interacción  ocurre en nivel de resonancia molecular en la superficie de contacto, en microondas la respuesta es acondicionada a la geometría y a las profundidades de las propiedades dieléctricas de la superficie.

La combinación, a su vez, de imágenes por microondas y del espectro óptico permite una mayor comprensión de los objetivos, permitiendo inferir diferentes propiedades de los mismos.

Los sistemas de radar pueden ser agrupados en digitalizadores y no digitalizadores (Ulaby et al., 1981a). Los digitalizadores comprenden los sistemas de antena rotatoria, los radares de visión lateral de abertura real (SLAR) y los radares de visión lateral de abertura sintética (SAR). Entre los no digitalizadores se destacan los escaterómetros, los espectrómetros y los altímetros.

Sistemas y Aplicaciones

Los radares  SLAR-RAR (Radares de Visión Lateral de Abertura Real) fueron los primeros sistemas digitalizadores por microondas, los cuales fueron utilizados durante la II Guerra Mundial como auxiliares en bombardeos nocturnos.

El SLAR posee una antena que ilumina lateralmente los objetivos con un faja que es amplia verticalmente y estrecha horizontalmente. La barrida de generación de la imagen es producida por el propio movimiento de la aeronave durante la pasada sobre el área a ser cubierta. Este radar presenta el inconveniente de poseer la resolución azimutal directamente proporcional a la distancia entre la antena y el objetivo  digitalizado, e inversamente proporcional a la longitud de onda de la antena utilizada en el digitalización de imagen.

De esta forma, para obtener una mejor resolución azimutal, o se diminuía la distancia entre el radar y el objetivo, o se aumentaba el largo de la antena.

Con el advenimiento del Radar de Abertura Sintética (SAR), desarrollado  en la década de 50, este problema fue solucionado, una vez que la resolución azimutal de este sistema no depende de la distancia entre el radar y el objetivo.

La utilización para uso civil se inició en la década de 70 , cuando algunos programas fueron realizados, utilizándose imágenes de radar a bordo de aeronaves.

La utilización de radar orbital se inició con el lanzamiento del SEASAT en 1978, y con base en sus datos , la NASA inició el Programa SIR ("Shuttle Imaging Radar"), que consistiría de una serie de vuelos de corta duración. Dentro de este programa fueron lanzados el SIR-A y el SIR-B en 1981 y 1984 y el SIR-C en 1994. Misiones mas largas se iniciaron con el lanzamiento del ALMAZ-1 en 1981, ALMAZ-2 en 1991, ERS-1 en 1991 y JERS-1 en 1992, ERS-2 en 1995 y el RADARSAT en 1995.

A continuación son presentadas las principales aplicaciones con radar en las diversas áreas ambiental:

Geología:

Agricultura:

Cartografía:

Florestas:

Hielo y nieve:

Hidrología:

Medio Ambiente:

Oceanografía:

Uso de la tierra:

seta_a3.gif - 268 BytesTópicos de Radar


Generación de Imágenes SAR

La geometría básica de un sistema de digitalización de imagen por Radar de Abertura Sintética es mostrada en la figura abajo. En ese sistema, la plataforma (avión, el satélite) con el sensor SAR se desplaza a una velocidad V en relación al suelo, a una altura H, apuntando la antena lateralmente con un ángulo en relación al nadir.

Figura - Geometría del sistema SAR

A medida que la plataforma se desplaza el transmisor envía pulsos de ancho Tp a intervalos regulares de T segundos, como muestra la figura abajo

Figura - Pulso transmitido

El pulso transmitido es modulado linealmente en frecuencia (conocido como "chirp"), con una variación de frecuencia entre un valor mínimo  y un valor máximo . Esta variación de frecuencia es conocida como ancho  de banda del pulso, , y determina la resolución en la dirección perpendicular al vuelo (range).

Para entender mejor lo que ocurre en un sistema de digitalización de imagen SAR, utilizase como modelo el comportamiento de un objetivo puntual, desde la entrada hasta la salida del campo visual de la antena.

La figura siguiente muestra el digitalización de imagen de un ponto P, desde a su entrada en el campo visual de la antena, en el instante , hasta la salida en el instante . En el intervalo de tiempo el radar envía un cierto número N de pulsos, de esa manera se colectan N muestras del eco del punto P, en ese intervalo. Estas muestras son almacenadas en algún dispositivo de memoria. Durante el intervalo , la plataforma SAR  se desplaza  V. metros, que es conocido como el ancho de la "Abertura Sintética".

Figura - Intervalo de la abertura sintética .

El eco recibido de un cierto pulso enviado, sufre una variación de frecuencia debido la velocidad V de la plataforma. Esa variación es conocida como efecto Doppler. La variación de frecuencia en el intervalo hasta é conocida como ancho de banda Doppler, .

Las variaciones de frecuencia e influencian directamente en las resoluciones de "range" y azimut respectivamente; cuanto mayores, mejores son las resoluciones.

Los datos (ecos) adquiridos por un sistema SAR necesitan pasar por un procesamiento que va a generar una imagen sobre esos datos. En el pasado, ese procesamiento era hecho por sistemas ópticos, poco flexibles, imprecisos y caros. Con el desarrollo de computadores cada vez más rápidos, es posible generar imágenes SAR digitales mas precisas, mediante algoritmos apropiados.

Procesamiento "Multi-Look"

El proceso "multi-Look" consiste en dividir la abertura sintética en visiones (looks). La figura abajo ilustra un ejemplo de la división de la abertura sintética en 3 "looks".

Figura - Ejemplo de "multi-look", no"looks"= 3.

La imagen final es compuesta por la media de las imágenes de cada "look",   que son generados separadamente. Se asume que las imágenes de cada "look" sean estadísticamente independientes entre si. Esta técnica aumenta la relación señal-ruido de la imagen final, proporcional a la raíz cuadrada del número de "looks", disminuyendo, así,  el efecto del ruido Speckle.

El procesamiento "multi-look" provoca una degradación en la resolución en azimut, una vez que las imágenes de cada "look" poseen un ancho de banda menor que el ancho total , el sea:

donde "nl" es igual al número de "looks".

 

La resolución en azimut en ese caso se torna "nl" veces menor que la imagen de un "look".

 

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