Formação de Imagens de SAR

Transcrição

1 Formação de Imagens de SAR Natural Resources Ressources naturelles Canada Canada

2 Formação de Imagens de SAR -Tópicos- Princípios e Geometria de SAR Equação de Radar Antenas, Polarização, Ganho da antena, Equação de radar Abertura Real de um SAR Definição, Conceito, Geometria, Retroespalhamento puntual Processamento de SAR Conceitos, Compressão na direção de alcance e em azimute (conceitos e diagrama), Processamento na direção de alcance e em azimute Geometria das imagens de SAR ( Terreno com relevo acidentado ) Propriedades do SAR Incerteza do nível de sinal, Incerteza da fase do sinal, Múltiplas visadas

3 Princípio do Radar de Abertura Sintética Direção do vôo Alvo Fonte: Centro Canadense de Sensoriamento Remoto

4 Dados dos Sinais Em sensoriamento remoto por radar, alvos terrestres são iluminados inúmeras vezes pelo sensor Antes da formação da imagem, os dados coletados são denominados de sinais

5 Geometria de Vôo do SAR Faixa de Imageamento Alcance próximo ( Near range ) Alcance inclinado Direção do vôo Alcance distante ( Far range ) Altitude Alcance no terreno ( Ground range ) Ângulo de incidência Azimute Fonte: Adaptado de K. Raney

6 Antenas Uma antena acopla ondas eletromagnéticas que se propagam no espaço e que partem ou chegam em uma linha de transmissão. dependente da freqüência direcional dependente da polarização Em aplicações de SAR, o eixo que define a orientação do campo elétrico da onda com relação à antena define a polarização da onda. O caso geral constitui-se de ondas polarizadas e com forma elíptica A antena focaliza as ondas irradiadas em um feixe tridimensional. Por questão de eficiência, a abertura de irradiação é > 1 comprimento de onda áreas grandes de irradiação (aberturas) podem produzir feixes estreitos o ganho de uma antena é determinado por - perdas elétricas - área do feixe (ângulo sólido)

7 Polarização de uma Onda Eletromagnética Campo Elétrico Polarização vertical Polarização horizontal

8 Conceitos de Ganho da Antena PONTO IRRADIADOR ÂNGULO SÓLIDO ILUMINADO 4π GANHO = 1 L 2 Φ 1 Φ 2 IRRADIADOR DE ABERTURA FINITA ÂNGULO SÓLIDO ILUMINADO / = ψ Φ 1 = K 1 λ / L1, 2 = K 2 λ/ L2 π GANHO = 4 / ψ Φ Φ Φ π K 1, K 2 -CONSTANTES L1 1/2 LIMITE DE POTÊNCIA (-3dB) GANHO DE UMA ANTENA CORRESPONDE AO GANHO DE UMA DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA (A (THE ANTENA ANTENNA FOCALIZA FOCUSES A RADIAÇÃO ELECTROMAGNETIC ELETROMAGNÉTICA) RADIATION)

9 Equação de Radar O sinal transmitido é concentrado em um feixe (ângulo sólido) por uma antena O sinal se propaga em direção ao terreno localizado a uma distância R como um trem de onda com frentes com fase esférica. Os campos de ondas eletromagnéticas interagem com o interior dos objetos físicos terrestres e produzem uma distribuição de ondas reirradiadas (espalhamento). As ondas secundárias que se propagam em direção à antena receptora fornecem o sinal recebido. A razão entre a potência do sinal recebido e a potência que seria recebida se o dispersor fosse isotrópico é a seção transversal de radar da superfície. Longe da superfície, os campos dos sinais retroespalhados se somam para formar ondas com frentes cuja fase é esférica. Os campos das ondas retroespalhadas que chegam até a antena receptora e possuem polarização correta, definem o sinal recebido. A forma do feixe da antena deve ser levado em consideração.

10 Equação de Radar ILUMINAÇÃO ESPALHAMENTO RECEPÇÃO

11 Abertura Real de um SAR A abertura real de um SAR corresponde ao intervalo do pulso transmitido no plano de alcance inclinado, onde todos os sinais voltam para a antena receptora ao mesmo tempo. Todos os sinais em um mesmo alcance voltam ao radar ao mesmo tempo e são separáveis apenas pelo efeito Doppler. Para um chirp transmitido de comprimento τ, o retorno instantâneo de radar a uma distância R contém retornos de superfície correspondentes ao intervalo de alcance inclinado c τ /2, cada um codificado individualmente na freqüência de chirp. Em uma superfície lisa, os contornos constantes de freqüência Doppler formam uma família de hipérboles e os contornos constantes de alcance formam uma família de círculos. A abertura real determina o grau de influência de um evento de saturação do radar.

12 Célula de Resolução da Abertura Real Célula de abertura real Arco de alcance constante Todas os retroespalhamentos desta área chegam ao radar ao mesmo tempo

13 Eco do Alvo Puntual em um Sistema de Radar de Abertura Sintética MOVIMENTO DO VEÍCULO ESPACIAL VELOCIDADE DE TRANSFERÊNCIA DE DADOS = PRF X NÚMERO DE ELEMENTOS DO ALCANCE ANTENA REGISTRO DE DADOS FORMA DE ONDA TRANSMITIDA V(+) ALVO PUNTUAL HISTÓRIA DA FASE COMPRIMENTO DO CHIRP AZIMUTE COMPRIMENTO DA ABERTURA SINTÉTICA AZIMUTE ALCANCE ALVO PUNTUAL ALCANCE

14 Processamento de SAR 1 Quando o feixe de iluminação do radar atinge um dado ponto no terreno, toda a informação relativa a esse ponto é adquirida e armazenada como uma história de fase bidimensional (alcance e azimute). Na ausência de saturação de radar, todas as histórias de fase de todos os pontos da imagem são linearmente combinadas em uma série temporal para formarem os dados do sinal de SAR. O processamento de SAR decodifica a assinatura da fase de cada ponto na direção do alcance e em azimute e focaliza esta informação em uma resposta ao impulso. A largura em azimute e em alcance da resposta ao impulso correspondem às resoluções em azimute e em alcance. O teorema de Nyquist requer que os dados processados sejam amostrados pelo menos duas vezes para cada largura de resposta ao impulso. Estas amostras são os pixels da imagem de radar.

15 Processamento de SAR 2 Como as coordenadas naturais dos dados na direção de alcance e em azimute não são separáveis, as etapas de processamento no azimute e no alcance são acopladas. Deslocamento e curvatura de alcance - resolução versus larguradofeixe - desvio angular do feixe - rotação da Terra O processamento é feito no sistema de coordenadas naturais do radar, isto é, o plano de alcance inclinado. As representações da superfície da Terra através de imagens de radar requerem projeção ao longo de arcos de alcance constante para a elevação da superfície da Terra em cada ponto. Os dados do RADARSAT são geralmente projetados num modelo elipsóide da Terra ao nível do mar.

16 Compressão de um Alvo Puntual ou Focalização COMPRESSÃO DE ALCANCE CURVATURA DE ALCANCE COMPRIMENTO DO CHIRP COMPRIMENTO DA ABERTURA DE VISADA SIMPLES DESLOCAMENTO DE ALCANCE TAXA DE COMPRESSÃO DO ALCANCE = RESOLUÇÃO NA DIREÇÃO DO ALCANCE COMPRIMENTO DO CHIRP RESOLUÇÃO NA DIREÇÃO DO ALCANCE COMPRESSÃO EM AZIMUTE RESOLUÇÃO EM AZIMUTE VISADA 1 VISADA 2 VISADA 3 VISADA 4 PROPORÇÃO DA COMPRESSÃO EM AZIMUTE COMPRIMENTO DA ABERTURA DAS VISADAS SIMPLES = RESOLUÇÃO EM AZIMUTE

17 Pulsos de Radar Um sistema de radar transmite um pulso de longa duração O alvo terrestre reflete o pulso transmitido de volta para o radar O processamento em alcance reúne e combina várias amostras de pulsos retroespalhados O processamento azimutal reúne e combina vários pulsos retroespalhados por um alvo

18 Processamento do Alcance ALCANCE - Linha de visada entre o radar e o alvo iluminado DIREÇÃO DO ALCANCE - Perpendicular à direção de vôo (ou azimute) do sensor - Também definida como direção transversal ou de cross-track RESOLUÇÃO NA DIREÇÃO DO ALCANCE - É uma característica da imagem, determinada pela largura da banda do sistema ou pelo comprimento efetivo do pulso

19 AZIMUTE DIREÇÃO AZIMUTAL Processamento em Azimute RESOLUÇÃO AZIMUTAL COMPRESSÃO AZIMUTAL - Geralmente usado para indicar a distância linear na direção de vôo - Direção paralela à linha de vôo, também conhecida como direção ao longo da trajetória - Resolução característica da dimensão azimutal - Limitada pela largura da banda Doppler do sistema - No domínio do sinal de SAR, os dados brutos se espalham nas direções do azimute e do alcance, devendo ser comprimidos coerentemente para atingirem o potencial de resolução total do instrumento. A compressão azimutal consiste em correlacionar coerentemente o sinal recebido com a função de réplicadoazimute.

20 Perfil de um Terreno Acidentado e suas Feições em uma Imagem de Radar ALTITUDE DA AERONAVE ACIMA DO TERRENO SUPERFÍCIE DE REFERÊNCIA NO PICO DA MONTANHA PRIMEIRO RETORNO DA MONTANHA NADIR INVERSÃO DE RELEVO RETORNO DA BASE DO VALE SOMBRA DO RADAR PLANO DO ALCANCE INCLINADO ARCOS DE ALCANCE CONSTANTE NADIR BASE DO VALE TOPO DA MONTANHA BASE DO VALE SUPERFÍCIE DE REFERÊNCIA DO PRIMEIRO PLANO PROJEÇÃO DO MAPA

21 Incerteza do Sinal e Relação Sinal/Ruído 6 5 ESFERA DE RUÍDO INCERTEZA DO SINAL (db) RELAÇÃO SINAL/ RUÍDO (db) "TARGET" VETOR CAMPO ELECTRIC ELÉTRICO FIELD DO VECTOR ALVO

22 Ruído de Fase vs. Relação Sinal/Ruído ESFERA DE RUÍDO ERRO QUADRÁTICO MÉDIO DO RUÍDO DE FASE (GRAUS) RELAÇÃO SINAL/RUIÍDO (db) VETOR CAMPO ELÉTRICO DO ALVO

23 Conceito de Múltipla Visada VISADA SPECKLE - Cada uma das sub-imagens usadas para formar a imagem integrada de saída, implementada no processador. - Flutuação estatística ou incerteza associada com o brilho de cada pixel de uma imagem de radar, devido à iluminação e processamento coerentes.

24 Conceito de Múltipla Visada (cont.) Uma imagem de visada simples usa todos os sinais refletidos por um alvo terrestre para criar uma imagem simples A imagem conterá speckle, mas terá a maior resolução capaz de ser alcançada Imagens independentes de uma mesma área podem ser formadas pelo processamento digital de imagens de SAR, através do uso de subconjuntos de sinais refletidos. Calcula-se posteriormente a média destas imagens para criar uma única imagem de múltipla visada A imagem resultante possuirá resolução inferior, mas terá menos speckle