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Radar de apertura sintética (SAR) es un tipo de sensor de radar. El sensor SAR se monta en un avión o satélite y los apunta hacia los lados en lugar de recto hacia abajo (nadir). Es un sensor activo que envía ondas electromagnéticas a la superficie terrestre y recibe la señal reflejada. La onda electromagnética que recibe el sensor se llama retrodispersión medida. Una imagen de SAR es una representación en pantalla 2D de la retrodispersión medida.
Una imagen de SAR se entrega comúnmente como dos tipos de productos: ground range detected (GRD) y single look complex (SLC). Los productos GRD se han promediado para producir una imagen multiaspecto proyectada en el rango del suelo mediante un modelo de elipsoide de la Tierra. Una imagen GRD se almacena como una matriz de valores reales en la que el valor de cada píxel representa la amplitud de la señal de retrodispersión medida. Los productos SLC son imágenes en el plano de imagen de la adquisición de datos, que se conocen como plano de rango de inclinación. Una imagen SLC se almacena como una matriz de valores complejos en la que el valor complejo único de cada píxel representa la amplitud y la fase de la señal de retrodispersión medida.
Un número digital alto (DN) para la amplitud de un píxel de imagen de SAR representa una retrodispersión fuerte, mientras que un DN bajo representa una retrodispersión débil. La fuerza de la amplitud de la retrodispersión medida se usa para diferenciar las entidades del suelo. El retraso de tiempo entre la onda electromagnética transmitida y recibida determina la ubicación de la entidad.
Detección activa
Un sensor se puede clasificar como pasivo o activo. Un sensor pasivo, utilizando sistemas ópticos, registra las ondas electromagnéticas emitidas por el Sol y reflejadas desde la superficie del suelo. Un sensor activo, utilizado por los sistemas SAR, funciona como el origen y el receptor. Significa que el sensor transmite las ondas electromagnéticas y también registra las ondas reflejadas. A diferencia de un sensor óptico, un sensor SAR puede operar durante el día o la noche, con independencia del Sol, ya que transmite su propia señal.
Longitud de onda de microondas
Mediante la detección activa, un sensor SAR puede recopilar imágenes con longitudes de onda más largas en comparación con un sensor óptico. Aunque un sensor óptico usa longitudes de onda desde las visibles (4x10-7 metros) al infrarrojo térmico (15x10-6 metros), un sensor SAR usa longitudes de onda de microondas, que oscilan de banda K (7,5x10-3 metros) a banda P (1 metro).
Las longitudes de onda de microondas permiten que SAR sea un sistema de imágenes apto en todas las condiciones meteorológicas para la mayoría de bandas. Las longitudes de onda más largas de las bandas C, S, L y P permiten a las ondas del sensor SAR penetrar entre nubes, niebla, polvo, polución y humo, lo que hace que sea más adecuado para monitorizar trópicos húmedos y latitudes altas. Tanto las precipitaciones como las nubes reducen la intensidad de una señal de banda K, mientras que tan solo las precipitaciones reducen la señal de banda X. Los núcleos de lluvia y los hidrometeoros de tormentas intensas pueden reducir la intensidad de las señales de banda K, banda X y banda C. Una imagen de SAR de estas bandas tendrá una retrodispersión debilitada para los píxeles donde la señal se interconecta con estas entidades de tormentas intensas. Los núcleos de lluvia se producen durante los índices de precipitaciones torrenciales (superiores a 125 mm/h), mientras que los hidrometeoros son nubes compuestas por gotas de lluvia en fase líquida y de deshielo.
Las longitudes de onda de microondas que caracterizan los sistemas SAR también proporcionan información distinta sobre las propiedades físicas de la superficie terrestre, como la rugosidad, la densidad y el contenido de humedad. Las longitudes de onda de microondas normalmente se dispersan de forma distinta según la entidad que las refleja. La longitud de onda usada afecta en gran medida a las entidades capturadas en la imagen de SAR. Si la longitud de onda es más larga que la entidad de interés, la onda electromagnética no detectará la entidad. Por ejemplo, la banda L es ideal para la representación cartográfica de inundaciones en bosques tropicales, donde las cubiertas forestales oscurecen la visión del terreno de un sensor óptico. Las hojas de cubiertas forestales no se detectarán en las longitudes de onda de banda L de 15 a 30 centímetros, lo que permite que la onda penetre la cubierta forestal y genere una imagen del suelo inundado por debajo. En este escenario, los datos de banda X, con longitudes de onda de 2,4 a 3,75 centímetros, se dispersarán directamente de la cubierta forestal y crearían una imagen de SAR que resalte la cobertura en lugar del suelo inundado.
Las longitudes de onda de microondas también pueden penetrar material como tierra, nieve y hielo. Cuanto más larga sea la longitud de onda, mayor será la profundidad de penetración. Sin embargo, cuanto mayor sea el contenido de humedad del material, menor será la penetración. Esta característica se utiliza para diferenciar las condiciones de suelo congelado y sin congelar.
Para la mayoría de las longitudes de onda de microondas, las entidades horizontales suaves como carreteras, pistas de aeropuertos, lechos de lagos secos, suelo aplanado, agua estancada y arena reflejan las ondas electromagnéticas lejos del sensor y exhiben píxeles con retrodispersión débil (DN bajo). Del mismo modo, para la mayoría de las longitudes de onda de microondas, los objetos artificiales caracterizados por material reflectante y geometrías nítidas, como edificios y barcos, reflejan las ondas electromagnéticas de vuelta al sensor y muestran píxeles con retrodispersión fuerte (DN alto).
La siguiente tabla resume las distintas entidades y aplicaciones posibles para las bandas individuales y sus longitudes de onda asociadas:
Aplicaciones de radar para cada tipo de banda
| Aplicación | Banda K | Banda X | Banda C | Banda S | Banda L | Banda P |
|---|---|---|---|---|---|---|
Longitud de onda (cm) | 0,75 a 2,4 | 2,4 a 3,75 | 3,75 a 7,5 | 7,5 a 15 | 15 a 30 | 30 a 100 |
Penetración de precipitaciones |  | | | | ||
Penetración de núcleos de lluvia o hidrometeoros | | | | |||
Penetración en nubes, niebla, polvo, esmog o humo | | | | | | |
Penetración baja a moderada en la cubierta forestal | | | ||||
Penetración alta en la cubierta forestal | | | ||||
Penetración en aluviones secos | | | | | | |
Penetración en nieve seca o hielo | | | | | | |
Penetración en suelo húmedo | | | | | | |
Representación cartográfica de la superficie de la Tierra | | | | | | |
Mapa de inundaciones | | | | | | |
Representación cartográfica de hierba inundada | | | | |||
Representación cartográfica de vegetación de carrizo y matorrales inundados | | |||||
Representación cartográfica de cubierta forestal inundada | | | ||||
Representación cartográfica de cubierta forestal | | | ||||
Monitorización del hielo marino | | | | | | |
Representación cartográfica de vertidos de petróleo | | | | | | |
Monitorización de la humedad del suelo | | | | | | |
Polarización
Además de detectar longitudes de onda más largas, la detección activa también ofrece la capacidad de controlar la polarización de las ondas electromagnéticas transmitidas. Al hacer que el sensor SAR defina la polarización transmitida y recibida, la imagen de SAR resultante puede resaltar distintas entidades en la superficie terrestre según la retrodispersión. La polarización de datos de SAR se indica con dos letras, la primera corresponde a la polarización transmitida y la segunda corresponde a la polarización recibida.
La entidad de imágenes de SAR polarizada dual es una característica de datos polarizados VV, VH o datos polarizados HH, HV. Para los productos VV, VH, el sensor transmite ondas polarizadas verticalmente y recibe ondas polarizadas verticalmente (VV) u ondas polarizadas horizontalmente (VH). Del mismo modo, para los productos HH, HV, el sensor transmite ondas polarizadas horizontalmente y recibe ondas polarizadas horizontalmente (HH) u ondas polarizadas verticalmente (HV). Si las ondas transmitidas y recibidas comparten la misma polarización, los datos se describen como copolarizados. Si las ondas transmitidas y recibidas no comparten la misma polarización, se consideran que los datos tienen polarización cruzada. Al igual que con la longitud de onda, la polarización transmitida y recibida utilizada afecta enormemente a las entidades capturadas en la imagen de SAR y se debe tener en cuenta.
Resolución espacial
La detección activa permite a un sensor SAR aumentar sintéticamente su resolución espacial. Un sensor SAR emite ondas electromagnéticas con impulsos de frecuencia variable que sirven como marcador en las ondas recibidas. A medida que un satélite orbita o un avión vuela a lo largo de su recorrido, el sensor SAR genera una imagen de un punto en la superficie del suelo varias veces. El marcador de impulsos de frecuencia se utiliza para identificar la ubicación de las ondas recibidas. Esta característica combinada con las técnicas de procesamiento de señales permite a un sensor SAR con una antena corta elongar sintéticamente su antena, lo que mejora su resolución espacial. Para identificar la ubicación de la onda recibida en el suelo, el sensor SAR debe estar orientado hacia el lado. Si un sensor SAR tiene un aspecto nadir (apuntado directamente hacia abajo), no puede utilizar el tiempo de viaje para distinguir entre entidades una distancia igual desde el sensor en lados opuestos.
Si bien las características de un sensor SAR proporcionan una representación en pantalla única de las entidades del suelo, también presentan desafíos de procesamiento únicos. Entre los desafíos más comunes se incluye la eliminación del ruido térmico, la aplicación de calibración para recuperar un valor de retrodispersión significativo, el filtrado del ruido de moteado y la eliminación de distorsiones radiométricas y geométricas.