Teoria : Sistemas de Radar
Princípios Físicos
O que é radar?
- O termo Radar ("Radio Detection And Ranging")
tem sido utilizado de forma genérica para classificar os
sistemas que operam na faixa de freqüência de microondas
e foram utilizados inicialmente para fins militares durante a
Segunda Guerra Mundial e posteriormente para fins civis a partir
da década de 70.
Por quê se utiliza radar?
- Porque a região espectral de operação
permite a alta transmissão das ondas eletromagnéticas
na atmosfera independente da iluminação solar, mesmo
quando a atmosfera se apresenta nublada ou durante precipitações,
podendo assim gerar imagens sob as condições mais
adversas. A transmissão das ondas eletromagnéticas
por um meio é diretamente proporcional ao comprimento de
onda, desta forma quanto menor a freqüência do radar
maior será a sua penetração.
Percentual de transmissão através
da atmosfera terrestre para uma porção do espectro
eletromagnético. Fonte: Curlander et al. (1991), p.5.
- A extensão da penetração
depende da umidade, da densidade da vegetação, bem
como do comprimento de onda. Assim comprimento de onda menores
interagem com as camadas superficiais da vegetação
e os comprimentos de onda mais longos com as camadas inferiores
da vegetação, podendo em alguns casos, até
mesmo interagir com o solo ou mesmo com o subsolo.
Penetração de sinais de Radar
em vegetação. Fonte: Ulaby et al. (1981a), p.4.
- Enquanto que na faixa do espectro ótico
a interação ocorre a nível de ressonância
molecular na superfície de contato, em microondas a resposta
é condicionada a geometria e as profundidades das grandezas
dielétricas da superfície.
- A combinação por sua vez de imagens
por microondas e do espectro ótico permite uma maior compreensão
dos alvos por inferir diferentes propriedades dos mesmos.
Quais sistemas de radar existem?
- Os sistemas de radar podem ser agrupados em imageadores
e não imageadores. Os imageadores compreendem os sistemas
de antena rotatória, os radares de visada lateral de abertura
real (SLAR) e os radares de visada lateral de abertura sintética
(SAR). Entre os não imageadores destacam-se os escaterômetros,
os espectrômetros e os altímetros.
- SLAR-RAR (Radares de Visada Lateral de Abertura
Real) foram os primeiros sistemas imageadores por microondas,
os quais foram utilizados durante a II Guerra Mundial como auxiliares
a bombardeiros noturnos.
- O SLAR possui uma antena que ilumina lateralmente
os alvos com um feixe que é amplo verticalmente e estreito
horizontalmente. A varredura de geração da imagem
é produzida pelo próprio movimento da aeronave durante
a passagem sobre a área a ser recoberta. Este radar apresenta
o inconveniente de possuir a resolução azimutal
diretamente proporcional à distância entre a antena
e o alvo imageado, e inversamente proporcional ao comprimento
de onda da antena utilizada no imageamento. Desta forma, para
se obter uma melhor resolução azimutal, ou se diminuía
a distância entre o radar e o alvo, ou se aumentava o comprimento
da antena.
- O Radar de Abertura Sintética (SAR), desenvolvido
na década de 50, resolve os problemas do SLAR, uma vez
que a resolução azimutal deste sistema independe
da distância entre o radar e o alvo. A utilização
para uso civil iniciou-se na década de 70 , quando alguns
programas foram realizados , utilizando-se imagens de radar a
bordo de aeronaves.
- A utilização de radar a nível
orbital iniciou-se com o lançamento do SEASAT em 1978,
e com base em seus dados , a NASA iniciou o Programa SIR ("Shuttle
Imaging Radar"), que consistiria de uma série de vôos
de curta duração. Dentro deste programa foram lançados
o SIR-A e o SIR-B em 1981 e 1984 e o SIR-C em 1994. Missões
mais longas iniciaram-se com o lançamento do ALMAZ-1 em
1981, ALMAZ-2 em 1991, ERS-1 em 1991 e JERS-1 em 1992, ERS-2 em
1995 e o RADARSAT em 1995.
Quais aplicações em ciências
ambientais são possíveis?
- Geologia:
- Análise de estruturas geológicas
(fraturas, falhas, dobras e foliações); litotipos,
geomorfologia (relevo e solos) e hidrografia para pesquisa de
recursos minerais;
- Avaliação do potencial dos recursos
hídricos superficiais e subterrâneos;
- Identificação de áreas para
prospeção mineral.
- Agricultura:
- Planejamento e monitorização agrícola;
- Identificação, mapeamento e fiscalização
de culturas agrícolas;
- Determinação relativa da umidade
de solos; eficiência de sistemas de irrigação.
- Cartografia:
- Levantamento planimétrico (escalas 1:20.000
a 1:50.000);
- Levantamento altimétrico (interferometria).
- Florestas:
- Gerenciamento e planejamento de florestas;
- Determinação de grandes classes
de florestas;
- Identificação da ação
de determinadas doenças;
- mapeamento de desflorestamento;
- Identificação de áreas de
corte seletivo;
- Estimativa de biomassa.
- Gelo e neve:
- Mapeamento/classificação de gelo;
- Monitoramento de degelo-inundações.
- Hidrologia:
- Gerenciamento e planejamento dos recursos hídricos;
- Detecção de umidade do solo;
- Interpretação de parâmetros
hidrológicos: transmissividade, direção de
fluxo, permeabilidade, vazão, etc;
- Meio Ambiente:
- Planejamento e monitorização ambiental;
- Identificação, avaliação
e monitorização de recursos hídricos e dos
processos físicos do meio ambiente (assoreamentos, erosão,
escorregamentos, etc);
- Identificação e análise
da degradação causadas por mineração,
deposição de resíduos, ação
antrópica etc;
- Identificação, análise e
monitorização de riscos ambientais.
- Oceanografia:
- Monitorização do estado do mar,
correntes, frentes de vento;
- Espectro de ondas para modelos numéricos
de previsão
- Mapeamento de topografia submarina (condições
específicas)
- Poluição marinha causada por derrames
de óleo e filmes
- detecção de barcos - pesca ilegal;
- Apoio para estabelecimento de rotas marítimas.
- Uso da Terra
- Planejamento do uso da terra;
- Classificação de solos;
- Classificação do uso da terra;
- Inventário, monitoramento ("change
detection"), planejamento;
- Padrões de irrigação/déficit
hídrico;
- Salinização de solos.
Como são geradas as imagens de radar?
- A geometria básica de um sistema de imageamento
por Radar de Abertura Sintética é mostrado abaixo.
Nesse sistema, a plataforma (avião ou satélite)
com o sensor SAR se desloca a uma velocidade V em relação
ao solo, a uma altura H, apontando a antena lateralmente com um
ângulo
em relação
ao nadir.
Geometria do sistema SAR
- A medida que a plataforma se desloca o transmissor
envia pulsos de largura Tp a intervalos regulares de T segundos.
Pulso transmitido
- O pulso transmitido é modulado linearmente
em freqüência (conhecido como "chirp"), com
uma variação de freqüência entre um valor
mínimo
e um valor máximo
. Esta variação de freqüência
é conhecida como largura de banda do pulso,
,
e determina a resolução na direção
perpendicular ao vôo (range).
- Para entender melhor o que ocorre em um sistema
de imageamento SAR, utiliza-se como modelo o comportamento de
um alvo pontual, desde a sua entrada até a saída
do campo visual da antena.
- A figura abaixo mostra o imageamento de um ponto
P, desde a sua entrada no campo visual da antena, no instante
, até sua saída no instante
. No intervalo de tempo
o radar envia um certo número N de pulsos, dessa maneira
coleta-se N amostras do eco do ponto P nesse intervalo. Estas
amostras são armazenadas em algum dispositivo de memória.
Durante o intervalo
a plataforma SAR
se desloca V.
metros, que é conhecido
como o comprimento da "Abertura Sintética".
Intervalo da abertura sintética
.
- O eco recebido de dada pulso enviado, sofre uma
variação de freqüência devido a velocidade
V da plataforma. Essa variação é conhecida
como efeito Doppler. A variação de freqüência
no intervalo
até
é conhecida como largura de banda Doppler,
.
- As variações de freqüência
e
influenciam
diretamente nas resoluções de "range"
e azimute respectivamente, quanto maiores, menores são
as resoluções.
- Os dados (ecos) adquiridos no sistema SAR necessitam
de processamento para que seja gerada uma imagem correspondente
a esses dados. No passado esse processamento era feito por sistema
ótico, pouco flexível, impreciso e caro. Com o desenvolvimento
de computadores cada vez mais rápidos, foi possível
gerar imagens SAR digitais mais precisas, através de algoritmos
apropriados.
- Processamento "Multi-Look" consiste
em dividir a abertura sintética em visadas (looks).
Figura 5.6 - Exemplo de "multi-look",
no. "looks"= 3.
- A imagem final é composta pela média
das imagens de cada "look", geradas separadamente. Assume-se
que as imagens de cada "look" sejam estatisticamente
independentes entre si. Esta técnica aumenta a relação
sinal-ruído da imagem final, proporcional a raiz quadrada
do número de "looks", diminuindo o efeito do
ruído Speckle.
- O processamento "multi-look" provoca
uma degradação na resolução em azimute,
uma vez que as imagens de cada "look" possuem uma largura
de banda menor que a largura total
, ou
seja:
onde "nl" é
igual ao número de "looks".
- A resolução em azimute nesse caso
torna-se "nl" vezes menor que a imagem de apenas um
"look".
Como é o formato
de uma imagem SAR?
- As imagens geradas de 1 "look" são
fornecidas no formato "complexo", para que seja possível
o conhecimento da fase de cada pixel da imagem. A figura mostra
a representação do pixel no formato complexo, onde
Uq e Ui são as componentes real e imaginária respectivamente,
A é o módulo do número complexo representando
a amplitude do pixel e
a fase do pixel
complexo. Em geral as componentes Uq e Ui são codificadas
em 16 bits, fazendo com que um pixel complexo necessite de 32
bits para sua representação.
Representação do pixel no formato
complexo
- As imagens "multi-look" normalmente
são representas em imagens de Amplitute, ou seja:
- As imagens de Amplitude são também
conhecidas como imagens detectadas linearmente. Para esse tipo
de imagens, em geral se utiliza um representação
de 16 ou 8 bits por pixel.
- As imagens também podem ser representadas
em Intensidade, ou seja:
- As imagens de Intensidades são de detecção
quadrática e necessitam em geral de 32 bits para a representação
de cada pixel.
Quais distorções radiométricas
existem em imagens de radar?
- A qualidade radiométrica do dado SAR é
afetada por fatores inerentes ao instrumento, bem como à
geometria de iluminação. As duas principais causas
de distorções radiométricas que prejudicam
a interpretação das imagens de radar são:
o ruído "speckle" e o efeito do padrão
da antena.
O que é e como eliminar o ruído
Speckle?
- O Speckle é um ruído multiplicativo
proporcional a intensidade do sinal recebido. O efeito visual
deste ruído proporciona uma textura granulosa que pode
dificultar a interpretação das imagens de radar,
reduzindo a separabilidade entre os objetos da cena.
- Existem dois métodos para se diminuir
o ruído Speckle: a filtragem e o processamento "multi-look".
Os filtros devem manter o valor médio do retorno do radar
(backscatter), preservar as bordas presentes na imagem e as informações
de textura.
- O ruído Speckle está sempre associado
a sistemas de imageamento coerente, tais como os obtidos por microondas,
laser e ultra-sonografia. Considera-se que em uma célula
de resolução de uma cena imageada, existam um número
muito grande de elementos difusores, aleatoriamente distribuídos,
de tal forma que esses elementos podem interferir uns aos outros
construtivamente e destrutivamente, fazendo aparecer variações
súbitas na intensidade da imagem, caracterizando o ruído
Speckle.
Célula de resolução
e o "backscatter" resultante
- Muitos filtros espaciais tem sido desenvolvidos
para a redução do ruído Speckle e para o
aumento da relação sinal-ruído, objetivando
uma melhoria na separabilidade entre os alvos da superfície,
com a mínima perda de informação.
- Filtro de Frost [Frost-1982]:
é um filtro convolucional linear, derivado da minimização
do erro médio quadrático sobre o modelo multiplicativo
do ruído. Neste filtro incorpora-se a dependência
estatistica do sinal original, uma vez que se supõe uma
função de correlação espacial exponencial
entre pixels. É um filtro adaptativo que preserva a estrutura
de bordas.
- Filtro de Lee [Lee-1981]:
adota um modelo multiplicativo para o ruído e obedece o
critério de "local linear minimum mean square error".
Local, porque utiliza estatísticas locais do pixel a ser
filtrado, admitindo a não estacionaridade da média
e da variância do sinal. É um filtro linear porque
realiza uma linearização por expansão em
série de Taylor da multiplicação do sinal
e o ruído em torno da média, utilizando apenas os
termos lineares. O resultado da linearização transforma
o modelo multiplicativo do ruído em aditivo, ou seja, o
ruído e o sinal tornam-se independentes; e, finalmente,
"minimum mean square error", porque minimiza o erro
médio quadrático através do filtro de Wiener
(filtro baseado no critério de mínimo erro médio
quadrático). O filtro de Lee é um filtro adaptativo
e geral.
- Filtro de Kuan/Nathan
[Kuan et al.-1982]: adota o modelo multiplicativo. O procedimento
é semelhante àquele de Lee, onde a estimação
ponto a ponto é feita utilizando-se o filtro de Wiener.
A diferença estre eles, entretanto, consiste no fato de
que no filtro de Kuan/Nathan não se realiza nenhuma aproximação.
É tambem um filtro adaptativo e geral.
- A Figura 5.9 mostra a imagem original (ERS-1,
8 "looks") e as correspondentes imagens filtradas, utilizando
os seguintes filtros: Filtro de média 5x5, Filtro de Frost
adaptadivo, Filtro de mediana, Filtro de Lee fixo e Filtro de
Kuan fixo (janela = 3).





Imagem original (ERS-1, 8 "looks") e as correspondentes
imagens filtradas, utilizando: Filtro de média 5x5, Filtro
de Frost adaptativo, Filtro de mediana, Filtro de Lee fixo e Filtro
de Kuan fixo (janela = 3).
- Medidas quantitativas realizadas nos filtros
testados, mostraram que os filtros de Lee, Kuan, Frost e de Média
preservam o valor médio da imagem. Os filtros não
específicos para ruído Speckle, Média e Mediana,
apresentam uma considerável redução no desvio
padrão, implicando em uma grande perda de informação
(perda de resolução). O filtro de Frost apresentou
a máxima preservação de textura e uma menor
perda de informação.
- A utilização de um determinado
filtro é dependente da aplicação desejada.
Para uma determinada aplicação, se o fator mais
importante for:
- Relação sinal-ruído - Filtro
de Média.
- Mínima perda de resolução
- Filtro de Frost.
- Relação sinal-ruído e mínima
perda de resolução - Filtro de Frost.
O que é e como corrigir o efeito do
padrão de antena?
- As variações de baixa freqüência
no brilho das imagens na direção de "range"
são causados pela perda de potência relacionada com
a geometria de visada lateral, que decai com
no caso das imagens SAR, onde R é a distância entre
a antena e um dado ponto na imagem.
- Esse problema é mais acentuado em imagens
adquiridas por avião, pois a razão entre o Rmin
(inicio da faixa imageada) e Rmax (fim da faixa) é bem
menor em relação das imagens adquiridas por satélites,
onde a razão é praticamente 1.
Variação do "range"
para aeronave e satélite
- Esta perda de potência é corrigida
no instante da aquisição de cada pulso, através
do STC (Sensitivity Time Control) , visando a correção
do decaimento da potência. Devido a imperfeição
no sistema STC ou outras perturbações da eletrônica
do radar (variação do ganho do amplificador durante
o tempo de aquisição do eco), mecânicas ou
elétrica, a correção não é
perfeita, permanecendo alguma variação residual.
- O algoritmo para correção
do padrão de antena consiste em
gerar um Padrão através da média das colunas
da imagem. A média das colunas devem ser tomadas em regiões
(janelas) tão homogêneas quanto possíveis.
Deve-se garantir que exista a média em toda a direção
de "range".
- O Padrão obtido através da média
das colunas deve ser filtrado (ajustado) para que se obtenha somente
as variações de baixa freqüência.
- Dois métodos podem ser utilizados na filtragem
(ajuste). O primeiro método é o da média
móvel, que consiste em filtrar o Padrão através
de um filtro de média, onde o número de pontos da
média é definido pelo tamanho da janela da interface.
O segundo método é o ajuste por polinômio,
onde o grau do polinômio é selecionado através
da interface.
- Após a filtragem do Padrão, a imagem
pode ser corrigida. Um dos métodos de correção
é o multiplicativo, que consiste em multiplicar o valor
do pixel sendo processado, V(i,j), por um fator dado pela razão
entre o valor médio do Padrão, P e o valor do Padrão
ajustado, P(j), ou seja:
onde j é o índice de coluna da imagem
(direção de "range").
A Figura 5.11 apresenta.
(a)
(b)
Imagem original (a) (imagem do sistema SAR-580 do
Rio Tapajós obtida durante a missão SAREX-1992),
e a corrigida (b).
Padrão original com flutuações
de alta freqüência e ajustado (polinômio de grau
8) para retirar as flutuações.
Quais distorções geométricas
estão presentes em imagens de radar?
- As distorções geométricas
são induzidas pela variação da elevação
na superfície ou pela mudança de atitude da plataforma
(velocidade, direção e altitude). A variação
da elevação na superfície resulta em distorções
conhecidas como encurtamento de rampa (foreshortening), inversão
(layover) e sombra.
- O "layover" acontece quando o topo
de um alvo é imageado antes da base, causando inversão
do terreno, com as partes altas mapeadas como baixas e vice-versa.
Este efeito é sempre mais intenso quando se tem ângulos
de incidência pequenos, como é o caso de sistemas
orbitais em geral.
Imagem com efeito "layover", caracterizado
pelas faixas de cor branca.
- O "foreshortening" ocorre quando a
área imageada possui relevo pronunciado. Neste caso as
encostas voltadas para o nadir apresentam-se mais curtas.

- As correções destes efeitos requerem
processamento adicionais, pois necessitam da informação
do Modelo Numérico de Terreno (MNT).
O que é a conversão Slant to
Ground Range?
- É necessária devido a visada lateral
do radar. A visada lateral faz com que a imagem obtida tenha uma
projeção inclinada em relação ao solo
provocando uma compressão da imagem. Esta compressão
varia ao longo da faixa imageada, quanto mais próximo os
pixels da imagem estiverem do nadir, mais comprimidos estes serão.
A conversão da imagem da projeção inclinada
para a projeção no solo é chamada de conversão
"slant to ground range".
- A imagem "slant" (na projeção
inclinada) esta relacionada com o modo de aquisição
em radares de visada lateral.
Amostragem do eco recebido a intervalos Ta
- O processo de amostragem faz com que a informação
contida em cada intervalo Ta, não tenha a mesma área
para as amostras situadas no "range" próximo
em relação as do "range" distante, devido
a variação do ângulo de incidência
.
Imagem em "Slant"
e "Ground Range"
- A imagem formada é chamada de "inclinada"
ou em "slant range". Essa imagem possui uma distorção
geométrica, pois as amostras SR igualmente espaçadas
na faixa imageada não são igualmente espaçados
no chão, GR. Para que a imagem possa ser registrada e geocodificada,
as amostras no chão devem ser igualmente espaçadas,
para tanto necessita-se converter a imagem de "slant"
para "ground range".
- A conversão consiste em projetar as amostras
(pixels) no chão e depois reamostrá-las com um espaçamento
uniforme. Para se fazer a conversão são utilizados
parâmetros referentes a geometria do SAR como a altura do
vôo, distância mínima (distância entre
o sensor e o primeiro pixel), tempo mínimo (tempo registrado
entre o sensor e o primeiro pixel). Estes parâmetros em
geral estão presentes no cabeçalho da imagem selecionada.
Caso não estejam, devem-se preencher os campos da altura
e da distância inclinada mínima ou do ângulo
de incidência mínimo ou do tempo mínimo.
Qualquer um dos três últimos parâmetros é
suficiente para a conversão.
- Outra informação que deve ser considerada
é a posição do imageamento do lado esquerdo
ou direito, que pode ser identificado através de sombras
na imagem provocada pela visada lateral do SAR.
- Para reamostrar a imagem inclinada a fim de
se obter uma amostragem uniforme no solo, podem ser utilizadas
três tipos de interpoladores, ou seja:
- Vizinho mais próximo
- Este interpolador deve ser usado quando se deseja manter os
valores dos níveis de cinza da imagem sem gerar valores
intermediários, este interpolador preserva as estatísticas
da imagem.
- Linear - interpola
através de uma reta.
- Cúbico - interpola
através de uma parábola.
- A relação entre a resolução
em "slant range",
, e em "ground
range",
,, depende do ângulo
de incidência
, da seguinte forma:
- A conversão ideal é aquela que
leva em conta o modelo numérico do terreno (MNT), possibilitando
a correção das distorções provocada
pelos efeitos de inversão (layover), sombra e encurtamento.
- Em geral, nem sempre o MNT correspondente a imagem
é disponível. Imagens obtidas por plataformas aerotransportadas,
de regiões não montanhosas, são em geral
convertidas para "ground range" supondo-se a terra plana.
Nesse tipo de imagem o ângulo de incidência é
alto devido a baixa altitude da plataforma, com isso, o efeito
"layover" praticamente não existe, existindo
apenas o problema de sombra se a região for montanhosa.
A Figura 5.17 mostra uma imagem em "slant range"
(a) do Rio Tapajós obtida pelo sistema SAR-580 durante
a missão SAREX (1992), e sua correspondente em "ground
range" (b). Nota-se que o lado direito da imagem (a),"range"
próximo, esta mais comprimido que a da imagem (b), devido
a amostragem não uniforme do terreno.
(a)
("range" distante) --------------------
("range" próximo)
(b)
Imagem em "slant range" (a) do
Rio Tapajós obtida pelo sistema SAR-580 durante a missão
SAREX (1992), e sua correspondente em "ground range"
(b).
- Nota-se que o lado direito da imagem (a),"range"
próximo, esta mais comprimido que a da imagem (b), devido
a amostragem não uniforme do terreno.