Polarimetria de Radar. Natural Resources Ressources naturelles Centro Canadiense de Sensoriamento Remoto, Ministerio de Recursos Naturales de Canadá

Transcrição

1 Polarimetria de Radar Natural Resources Ressources naturelles Canada Canada

2 Polarimetria de Radar Polarimetria é a ciência que utiliza medidas da matriz de dispersão de polarização total para inferir propriedades físicas da superfície terrestre A matriz de dispersão é medida por um sistema de SAR através de uma transmissão com duas polarizações ortogonais Durante a transmissão, as duas polarizações ortogonais são alternadas em pulsos sucessivos Durante a recepção, as duas polarizações são recebidas simultaneamente, gerando quatro canais de dados recebidos Por exemplo, em impulsos ímpares, são medidos HH e HV, e em impulsos pares, são medidos VV e VH.

3 Tipos de Polarização Linear POLARIZAÇÃO VERTICAL POLARIZAÇÃO HORIZONTAL

4 Escolha da Polarização SARs básicos ou operacionais normalmente têm uma única polarização por razões de economia. Ex: HH ou VV Os sistemas de pesquisa tendem a ter polarizações múltiplas. Ex: HH, HV, VV, VH (polarização quádrupla) Polarizações múltiplas ajudam a distinguir a estrutura física das superfícies dispersoras: O alinhamento com relação ao radar (HH vs. VV) A aleatoreidade do espalhamento (ex: vegetação - HV) As estruturas angulares (ex: HH VV ângulo de fase) Espalhamento de Bragg (ex: oceanos - VV)

5 Vantagens da Polarização Quádrupla A matriz de dispersão, a matriz de Stokes e a assinatura de polarização podem ser computadas para cada pixel pode-se constituir em uma ferramenta potente de classificação para ambas as classificações visual e automática A matriz de dispersão pode ser usada para sintetizar o retorno com qualquer polarização para investigar as propriedades de espalhamento de diferentes superfícies para otimizar a polarização para uma detectabilidade ótima

6 Sistemas Atuais de Radares Polarimétricos Radares aerotransportados JPL AIRSAR bandas P, L, C Convair-580 canadense bandas C, X EMISAR dinamarquês bandas L, C Radares orbitais NASA/DLR SIR-C/X-SAR

7 Sistemas Futuros de Radares Polarimétricos RADARSAT-2 Um satélite com polarimetria completa e banda C (2003) ENVISAT Um satélite de banda C e polarização alternada (2001) SIVAM Um SAR aereotransportado com polarização completa e banda e L Para vigilância da Amazônia (2000)

8 Exemplos de Imagens com Polarização Múltipla

9 Identificação de Alvos Utilizando Polarimetria Imagem SAR banda L HH Half Moon Bay, California julho de 1994 Refletor de canto Cessna Beechcraft Distância Trajetória de vôo 300 graus a leste do Norte Verdadeiro Assinatura de polarização do Cessna banda P Triédrico Mundo natural Beechcraft Banda P Cilindro retorno fraco em uma direção Dipolo sem retorno em uma direção Beechcraft Banda L 1/4 de onda segunda direção mostrada Diedro Diplano estreito diedro com uma direção atenuada

10 Imagem HH VV Pode Detectar Aeronaves em Meio à Folhagem

11 Processamento de Dados Polarimétricos Cada canal de polarização deve ser recebido e processado separadamente O ganho e a fase relativa de cada canal devem ser cuidadosamente controlados e medidos O processamento deve ser coerente na fase Os dados de cada canal devem ser rigorosamente co-registrados Os dados finais de 4 canais são convertidos para o formato da matriz de Stokes e comprimidos

12 Requisitos de Polarização Os dados de radar polarimétrico devem ser calibrados para: ganho de cada canal (desequilíbrio de canais) fase de cada canal (fase de HH vs. VV) linha cruzada (ex: H interferindo no canal V) correçãodoruído radiometria absoluta A calibração deve ser efetuada através de uma combinação de: eletrônica interna medidas de refletores de canto medidas com ruído uniforme

13 Convair-580 SAR Condado de Oxford C A:Palha de milho A B: Pastagem B D C: Palha/Mecanização D: Campo agrícola

14 Classificação de Imagens A classificação das imagens é feita a partir de um conjunto de parâmetros medidos pelas imagens de radar Para cada freqüência, são medidos 9 parâmetros independentes, conforme representados na matriz de Stokes Pode-se calcular a média dos pixels da matriz de Stokes para reduzir o ruído e melhorar a precisão da classificação em detrimento da resolução espacial Além da amplitude de cada canal (ou razões de amplitude), a diferença de fase co-polar (ângulo de HH VV*) é um poderoso discriminador de feições

15 Península de Victoria & Saanich SIR-C Área urbana Área suburbana Floresta Área agrícola / desmatamentos Banda C, HH Banda L, HV Banda L, HH

16 Tópicos Avançados - Polarimetria Notas Slide 7 Esta imagem mostra uma composição colorida de 3 componentes polarimétricos. A partir do canto superior esquerdo, da esquerda para a direita: Composição colorida HH vermelho VV verde HV azul Slide 8 A assinatura de polarização mostra a magnitude e as propriedades da energia espalhada por um objeto quando este é iluminado por uma energia com uma certa polarização. A onda de iluminação poderia, por exemplo, ter uma polarização horizontal linear, mas a onda espalhada poderia ter qualquer orientação e elipticidade. O gráfico no painel superior direito mostra a intensidade da energia espalhada como uma função da orientação e da elipticidade. Este gráfico pode ser criado a partir de dados recebidos por um radar polarimétrico. Cada objeto dispersor tem uma única assinatura de polarização que varia em função do ângulo de visada do radar, do ângulo de incidência, da freqüência e da polarização. Apesar da complexidade dos muitos parâmetros envolvidos, às vezes a assinatura de polarização medida pode ser utilizada para identificar objetos específicos em certos locais da imagem. Exemplos de refletores que apresentam propriedade únicas de espalhamento são mostrados no painel inferior direito. No painel inferior esquerdo, cada grupo de pixels é marcado com um símbolo indicando o mecanismo de espalhamento dominante identificado pelo radar polarimétrico. Observe como as assinaturas da aeronave Beechcraft se diferem nas bandas P e L. Slide 9 O retroespalhamento de radar de um aeronave é dominado pelo espalhamento do tipo double bouncing, enquanto o de uma folhagem é dominado pelo espalhamento difuso. Estes tipos de retroespalhamento são facilmente distinguidos por um radar polarimétrico; por isso, se houver um radar que é capaz de penetrar a folhagem (como um radar que opera na banda P), há uma boa possibilidade de se localizar uma aeronave acidentada. Slide 13 Esta é uma das primeiras imagens polarimétricas de radar produzidas pelo sistema canadense Convair-580. Esta composição colorida de SAR na banda C foi criada a partir de dados HH e HV

17 obtidos em 18 de outubro de (A) indica um campo com restos culturais de milho, plantado num sistema de plantio direto. O campo (B) corresponde a uma área com pastagem permanente, sob boas condições de conservação. O campo com restos culturais de milho (C) corresponde a uma área com reduzida mecanização. O campo (D) é um campo com mecanização convencional e apresenta m retroespalhamento de radar elevado devido à rugosidade superficial do terreno. Slide 15 Este é um bom exemplo de como as polarizações e freqüências múltiplas podem ser combinadas para proporcionar classificações úteis do terreno.