Введение в SAR

Доступно с лицензией Image Analyst.

Радиолокатор с синтезированной апертурой (SAR) использует уникальные методы дистанционного зондирования. Сенсор SAR устанавливается на самолете или спутнике и смотрит вбок, а не вертикально вниз (в надир). Это активный сенсор, который посылает электромагнитные волны на поверхность земли и принимает отраженный сигнал. Электромагнитная волна, принимаемая сенсором, называется измеренным обратным рассеянием. Изображение SAR представляет собой двухмерную визуализацию измеренного обратного рассеяния.

Изображение SAR обычно предоставляется в виде продуктов двух типов: ground range detected (GRD) и single look complex (SLC). Продукты GRD были усреднены для получения многоракурсного изображения, проецируемого на наземную дальность с использованием модели эллипсоида Земли. Изображение GRD хранится в виде массива действительных значений, в котором значение каждого пиксела представляет собой амплитуду измеренного сигнала обратного рассеяния. Продукты SLC представляют собой изображения в плоскости снимка в процессе съемки, называемой плоскостью наклонной дальности. Изображение SLC хранится в виде массива комплексных значений, в котором одно комплексное значение в каждом пикселе представляет амплитуду и фазу измеренного сигнала обратного рассеяния.

Высокое цифровое число (DN) для амплитуды пиксела изображения SAR соответствует сильному, а низкое DN - слабому обратное рассеяние. Сила амплитуды измеренного обратного рассеяния используется для различения объектов на земле. Временная задержка между переданной и полученной электромагнитной волной определяет местоположение объекта.

Активное зондирование

Сенсоры бывают активными и пассивными Пассивный сенсор с помощью оптических систем регистрирует электромагнитные волны, излучаемые солнцем и отраженные от поверхности земли. Активный сенсор, используемый системами SAR, работает и как источник, и как приемник. Это означает, что датчик излучает электромагнитные волны, а также регистрирует отраженные волны. В отличие от оптических сенсоров, сенсор SAR может работать и днем, и ночью независимо от солнечного света, поскольку сам излучает сигнал.

Оптический датчик (слева) работает только при ясном солнечном небе. Датчик SAR (справа) может работать днем и ночью, и даже при наличии облаков.

Микроволновые длины волн

Благодаря активному зондированию сенсор SAR может получать изображения с использованием более длинных, по сравнению с оптическим датчиком, волн. В то время как оптический сенсор фиксирует длины волн в диапазоне от видимого (4x10^-7 м) до теплового инфракрасного (15x10^-6 м), сенсор SAR использует микроволновые длины волн от K-канала (7,5x10^-3 м) до P-канала (1 м).

Такие длины волн делают SAR всепогодной системой визуализации для большинства каналов. Более длинные волны C-, S-, L- и P-каналов позволяют волнам сенсора SAR "пробивать" облака, туман, пыль, смог и дым, что делает его более подходящим для мониторинга влажных тропических областей и высоких широт. В канале K и осадки, и облака уменьшают силу сигнала, а в канал X сигнал ослабляют только осадки. Дождевые ядра и гидрометеоры во время сильных штормов могут снизить мощность сигнала K-, X- и C-каналов. У снимка SAR в этих каналах будет ослабленное обратное рассеяние для пикселов, в районе которых сигнал взаимодействовал с этими проявлениями сильного шторма. Ядра дождя возникают во время ливней (интенсивность более 125 мм/ч), а взвесь - это облака дождевых капель как в жидкой, так и в твердой форме.

Микроволновые длины, характерные для систем SAR, также предоставляют четкую информацию о таких физических свойствах земной поверхности, как ее неровность, плотность и влажность. Микроволны этих длин обычно рассеиваются по-разному в зависимости от характера отражаемой поверхности. Используемая длина волны сильно влияет на объекты, попадающие на изображение SAR. Если длина волны оказывается большей, чем интересующий объект, то он не будет обнаружен электромагнитной волной. Например, L-канал идеально подходит для картографирования паводков в тропических лесах, где кроны деревьев закрывают оптическому сенсору земную поверхность. Лист кроны не будет обнаружен волнами L-канала от длины 15-30 сантиметров, что позволяет таким волнам проникать сквозь покров крон и отразиться от затопленной земли под ними. В этом случае данные X-канала с длинами волн от 2,4 до 3,75 сантиметра будут отражаться непосредственно от растительности и создавать изображение SAR, на котором будет видна растительность, а не затопленная земля.

Микроволны также могут проникать в такие субстанции, как почва, снег и лед. Чем больше длина волны, тем больше глубина проникновения. Однако чем больше содержание влаги в материале, тем меньше глубина проникновения. Эта характеристика используется для дифференциации мерзлых и немерзлых грунтов.

Для волн большей части микроволнового диапазона гладкие горизонтальные объекты, такие как дороги, взлетно-посадочные полосы аэропортов, высохшие дна озер, сглаженная почва, стоячая вода и песок, отражают электромагнитные волны сенсора, получая пикселы со слабым обратным рассеянием (низкое DN). Точно так же для волн большей части микроволнового диапазона искусственные объекты, характеризующиеся хорошо отражающим волны материалом и "угловатой" геометрией, например, здания и корабли, отражают электромагнитные волны обратно к сенсору, получая в результате пикселы с сильным обратным рассеянием (высокое DN).

В следующей таблице показаны различные объекты и варианты практического применения для отдельных каналов и соответствующих им длин волн:

Применение	K-канал	X-канал	C-канал	S-канал	L-канал	P-канал
Длина волны (см)	0,75 - 2,4	2,4 - 3,75	3,75 - 7,5	7,5 - 15	15 - 30	30 - 100
Проникновение
Проникновение сквозь растительный покров от низкого до средней сомкнутости крон
Проникновение сквозь растительный покров высокой сомкнутости крон
Проникновение сквозь ядра дождя и взвесь
Проникновение сквозь осадки
Проникновение сквозь облака, туман, пыль, смог или дым
Проникновение сквозь сухие аллювиальные отложения
Проникновение сквозь рыхлый снег и лед
Проникновение сквозь влажную почву
Картография
Картографирование лесов
Картографирование затопленных лугов
Картографирование затопленной тростниковой и кустарниковой растительности
Картографирование затопленных лесов
Мониторинг морских льдов
Картографирование разливов нефти
Картографирование земной поверхности
Картографирование паводков
Мониторинг влажности почв

Примечание:

В этой таблице перечислены приложения, которые могут быть возможны с учетом длины волны; однако это не гарантирует, что они будут применимы к набору данных радара и местоположению.

Поляризация

Помимо излучения более длинных волн активное зондирование также обеспечивает возможность управления поляризацией этих электромагнитных волн. Благодаря тому, что сенсор SAR определяет как излучаемую, так и принимаемую поляризацию, на итоговом изображении SAR на основе обратного рассеяния можно выделить различные объекты на поверхности земли. Поляризация данных SAR обозначается двумя буквами, первая из которых означает излучаемую поляризацию, а вторая — принимаемую.

Изображения SAR с двойной поляризацией содержат либо данные с поляризацией VV, VH, либо данные с поляризацией HH, HV. Для продуктов VV, VH сенсор излучает волны с вертикальной поляризацией, а принимает волны с вертикальной (VV) и горизонтальной (VH) поляризацией. А для продуктов HH, HV сенсор излучает волны с горизонтальной поляризацией и принимает волны с горизонтальной (HH) и вертикальной поляризацией (HV). Если у излучаемых и принимаемых волн одинаковая поляризация, данные описываются как сополяризационные. Если у излучаемых и принимаемых волн разная поляризация, данные считаются кроссполяризационными. Как и в случае с длиной волны, используемая излучаемая и принимаемая поляризация сильно влияет на объекты, захватываемые изображением SAR, и это необходимо учитывать.

Пространственное разрешение

Активное зондирование позволяет датчику SAR искусственно увеличивать свое пространственное разрешение. Сенсор SAR излучает электромагнитные волны с чирпом различной частоты, который служит маркером в принимаемых волнах. Когда спутник двигается по орбите (или самолет летит по своей траектории), сенсор SAR несколько раз отображает точку на поверхности земли. Маркер чирпа используется для определения местоположения принятых волн. Этот объект в сочетании с методами обработки сигнала позволяют сенсору SAR с короткой антенной искусственно удлинять антенну, что повышает его пространственное разрешение. Чтобы определить местоположение на земле принимаемой волны, сенсор SAR должен смотреть вбок. Если сенсор SAR будет направлен в надир (то есть вертикально вниз), он не сможет использовать время в пути, чтобы различать между собой объекты, находящиеся на одинаковом расстоянии от сенсора на противоположных сторонах.

Увеличение размера диафрагмы камеры для данного датчика позволяет пропускать больше света, тем самым увеличивая разрешение снимков.

Хотя характеристики сенсора SAR обеспечивают уникальную визуализацию наземных объектов, они также приводят к сложностям при обработке данных. Среди проблем, которые необходимо решить, можно отметить устранение тепловых шумов, калибровку для получения значимой величины обратного рассеяния, устранение спекл-шума и устранение радиометрических и геометрических искажений.

По мере того, как спутник вращается вокруг Земли, датчик многократно захватывает изображение. Сочетание этого с методами обработки сигнала позволяет датчику SAR (с короткой антенной) искусственно удлинять свою антенну для получения большей апертуры.