TELERILEVAMENTO ATTIVO A MICROONDE: IL
RADAR AD APERTURA SINTETICA (SAR)
Prof. Roberto Seu
Che cosa e’ un radar d’immagine
In un certo senso un radar d’immagine lavora come una macchina
fotografica con flash, in quanto utilizza una propria sorgente di luce
per illuminare un’area a terra e scattarne una “foto” a lunghezze
d’onda radio. Nel caso del radar la lente e la pellicola sono sostituiti
da antenna, computer e registratori, e l’immagine consente di vedere
la parte di onde radio riflesse indietro dalla superficie verso
l’antenna.
Un tipico radar misura potenza e tempo di ritardo degli echi generati
da oggetti che riflettono i segnali a microonde generati e trasmessi
dal radar. I segnali generati dal radar sono tipicamente impulsi,
eventualmente modulati, su portanti che possono andare da 300
MHz a 30 GHz e con bande che possono andare da 10 a 200 MHz.
Che cosa e’ un radar d’immagine
Nel caso di un radar d’immagine, il radar si
muove lungo un’orbita e l’area illuminata
dal radar tramite la sua antenna si muove
solidalmente lungo la superficie,
costruendo l’immagine radar.
In generale le dimensioni di un’antenna
determinano la risoluzione spaziale
ottenibile con essa. Il Radar ad Apertura
Sintetica (SAR) fa riferimento ad una
tecnica che consente di sintetizzare una
apertura molto lunga sfuttando il moto del
radar ed elaborando opportunamente gli
echi ricevuti.
Che cosa e’ un radar d’immagine
Con apertura si intende la finestra spaziale usata per
raccogliere l’energia riflessa utilizzata per formare una
immagine. Un’apertura sintetica e’ costruita muovendo
un’apertura reale attraverso una serie di posizioni lungo
l’orbita
Costruire una apertura sintetica
Mentre il radar si muove, viene trasmesso un impulso in
ciascuna posizione. Gli echi ricevuti passano attraverso il
ricevitore e vengono registrati in una “memoria degli echi”.
Poiche’ il radar e’ in movimento rispetto al terreno, gli echi
sono spostati in doppler.
Comparando le frequenze spostate in doppler con un
riferimento si possono “focalizzare” molti echi in un singolo
punto, incrementando di fatto la lunghezza dell’antenna con
cui si osserva quel singolo punto.
Il trucco nell’elaborazione SAR e’ quello di adattarsi
correttamente alla variazione in frequenza doppler per ciascun
punto dell’immagine.
Costruire una apertura sintetica
L’apertura sintetica e’ ormai una tecnica matura utilizzata per
generare immagini radar con cui si possono risolvere dettagli
anche relativamente fini.
Peraltro il SAR presenta capacita’ uniche nel formare
immagini degli oggetti osservati. Infatti poiche’ genera per
conto proprio la sorgente di illuminazione (gli impulsi radar),
esso puo’ operare in qualunque condizione di illuminazione
solare, di giorno o di notte. Inoltre, poiche’ usa
radiofrequenze, il SAR puo’ vedere anche attraverso le nubi,
la nebbia, la pioggia ecc., laddove altri sensori nel visibile e
nell’infrarosso non possono operare.
Che cosa e’ una immagine radar
Le immagini radar sono composte da molti punti (pixel,
picture element). Ciascun pixel nell’immagine radar
rappresenta la riflettivita’ radar di un’area sulla superficie
delimitata dalle capacita’ risolutive del radar: normalmente
aree scure dell’immagine sono associate a bassi valori di
riflettivita’ mentre aree piu’ chiare rappresentano zone con
piu’ alta riflettivita’ radar.
La riflettivita’ di una data area dipende dalla particolare
lunghezza d’onda utilizzata, dal contenuto d’acqua,
polarizzazione dell’onda elettromagnetica e angolo di
osservazione
Che cosa e’ una immagine radar
Un’utile regola pratica nell’analizzare le immagini radar e’ quella che una
superficie rugosa presenta un aspetto piu’ brillante. Superfici piatte
riflettono in direzione opposta a quella di illuminazione del radar. La
vegetazione risulta di solito moderatamente rugosa e quindi apare
nel’immagine radar come grigia. Data la geometria di osservazione
esistono in un’immagine radar anche zone in ombra, e quindi scure. Le
zone abitate risultano invece molto brillanti.
Che cosa e’ una immagine radar
La rifletivita’ di una superficie dipende
anche dall’uso di differenti polarizzazioni
in trasmissione e ricezione (HH, HV, VH,
VV)
La riflettivita’ superficiale e’ anche
funzione dell’angolo di incidenza e avra’
caratteristiche diverse per diverse tipologie
di target quali aree urbane, vegetazione,
oceani, monti ecc.
Obiettivi scientifici di un radar d’immagine
La sensibilita’ di un SAR alle caratteristiche di una superficie e,
in taluni casi anche a quelli di una struttura sottosuperficiale,
puo’ fornire importanti informazioni susuperfici terrestri, oceani
e vegetazioni che possono essere un utile complemento anche a
sensori di natura diversa.
In piu’ esiste la possibilita’ di elaborare congiuntamente
immagini prese in tempi differenti e sotto geometrie differenti e
che quindi presentano carateristiche di riflettivita’ diverse.
Ancora si puo’ pensare di integrare immagini radar con
immagini di altri sensori (data fusion) al fine di ottimizzare
l’estrazione di informazioni sula superficie osservata
Obiettivi scientifici di un radar d’immagine
OCEANI
L’interazione tra oceani e atmosfera ha un ruolo fondamentale
nella determinazione del clima della Terra.
Le immagini SAR degli oceani possono essere utilizzate per
studiare onde, venti e correnti oceaniche. Nei bassi fondali le
immagini radar possono essere correlate al fondo marino, mentre
situazioni di inquinamento da petrolio e simili possono essere
facilmente rivelati dal’analisi di immagini radar.
La distribuzione del ghiaccio marino determina in modo pesante
il bilancio del calore e delle correnti in prossimita’ dei poli. I
radar d’immagine possono essere utilizzati per studiare la loro
distribuzione stagionale
Obiettivi scientifici di un radar d’immagine
ECOSISTEMI
Gli ecologisti studiano la vita sulla Terra ed il modo in cui
differenti forme di vita interagiscono.
Con la missione SIR-C/X-SAR sono stati raccolti dati su foreste
tropicali e temperate che hanno consentito di studiare come il
terreno viene utilizzato, il tipo e l’estensione delle diverse
vegetazioni in diverse zone, gli effetti degli incendi boschivi,
delle alluvioni e della deforestazione.
Nel caso della missione in oggetto la disponibilita’ di tre
frequenze consente una migliore interpretazione dei dati
acquisiti, mentre le osservazioni multitemporali consentono la
comprensione dell’impatto sui principali cicli vitali.
Obiettivi scientifici di un radar d’immagine
IDROLOGIA
Gli idrologi studiano il ciclo globale dell’acqua ed il modo in cui
esso impatta sui processi che riguardano la terraferma.
Tali studi riguardano bacini, laghi, fiumi ma anche umidita’
contenuta nel suolo e nella vegetazione che insieme hanno un
ruolo fondamentale nei bilanci energetici globali.
In modo analogo nelle zone montagnose ed alle alte latitudini, la
copertura nevosa stagionale costituisce un serbatoio importante
per capire i cicli idrologici.
In particolare per la missione SIR-C/X-SAR e’ stato dimostrato
che i dati in banda X possono fornire informazioni sul tipo di
neve, mentre le bande C ed L consentono una stima del volume
della neve
Obiettivi scientifici di un radar d’immagine
GEOLOGIA
I geologi studiano la superficie terrestre attuale e la sua
evoluzione. I dati SAR consentono la mappatura di strutture
geologiche e delle variazioni di tipi di roccia su aree estese. Cio’
risulta particolarmente utile in zone impervie dove escursioni insitu sono complicate.
Le basse frequenze possono anche penetrare sotto la superficie
in aree deserte: cio’ consente ad esmpio di identificare strutture
geologiche importanti nascoste sotto la sabbia.
Il SAR e’ anche sensibile a scatteratori (grani di sabbia, rocce,
ecc.) che, avendo le stesse dimensioni della lunghezza d’onda,
possono essere classificati e mappati
Obiettivi scientifici di un radar d’immagine
GEOLOGIA
L’osservazione a diverse lunghezze d’onda consente lo studio di
diversi processi geologici quali erosione del suolo, trasporto,
deposizione e degradazione. Tali processi hanno un impatto sulla
sedimentazione sui corsi dei fiumi e sulle coste ed impattano
anche l’ammontare di terre disponibili per la produzione di cibo.
La sensibilita’ del radar alla rugosita’ della superficie permette
agli scienziati di studiare la storia dei cambiamenti climatici
passati e l’eta’ relativa delle superfici, giacche’ la rugosita’ di
una superficie e’ di solito legata alla piu’ o meno prolungata
esposizione agli agenti atmosferici.
APPLICAZIONI SAR
MONITORAGGIO ESONDAZIONI
L’immagine mostra tre fiumi in
un’area ad ovest di Nijmegen
(Olanda). Le aree esondate sono
evidenziate in magenta scuro
mentre le righe piu’ chiare e sottili
mostrano il normale percorso dei
canali
APPLICAZIONI SAR
MONITORAGGIO ESONDAZIONI
Francia, Dicembre 2003
Il 5 Dicembre 2003 un importante
evento meteo ha causato piogge
insistenti sul sud della Francia,
portando all’esondazione del
Rhone, causando l’allagamento
della citta’ di Arles e di altre zone
circostanti
APPLICAZIONI SAR
MONITORAGGIO ESONDAZIONI
Le parti piu’ scure di queste
immagini SAR (Envisat e
ERS-2) mostrano la foce
del Rhone e parte del suo
percorso nell’interland
dove, le avverse condizioni
meteo, hanno provocato
l’esondazione del fiume con
notevoli danni a cose e
persone
APPLICAZIONI SAR
MONITORAGGIO INQUINAMENTO MARINO
Il 3 Giugno 2003 un cargo cinese
ha avuto un incidente al largo
delle coste svedesi perdendo una
quantita’ significativa di olio
combustibile. La macchia scura in
basso a destra dell’immagine
mostra come il SAR di ERS-2 ha
visualizzato l’evento
APPLICAZIONI SAR
MONITORAGGIO ASSETTO DEL TERRITORIO
FIRENZE
Da questa immagine SIR-C/XSAR e’ possibile riconoscere il
contesto urbano della citta’ di
Firemze, il fiume Arno, i ponti
e la stazione ferroviaria di S.
Maria Novella.
L’area mostrata misura 20 Km
x 17 Km
APPLICAZIONI SAR
MONITORAGGIO ASSETTO DEL TERRITORIO
L’immagine a sinistra e’ stata prodotta dal SAR ERS-2 nel 1999 e
mostra le coste del Dubai. L’immagine a destra e’ stata prodotta da
ASAR il mese scorso e mostra la forte cementificazione avvenuta in
questo periodo e soprattutto l’inizio della costruzione di un’isola
artificiale (all’interno del cerchio bianco)
APPLICAZIONI SAR
MONITORAGGIO DEL TERRITORIO
L’impatto di un asteroide o di una
cometa parecchie centinaia di milioni
di anni or sono, ha lasciato il segno
in un paesaggio che risulta
chiaramente visibile in questa
immagine SAR di un’area del nord
del Chad, deserto del Sahara. Il
cratere chiaramente visibile
dall’immagine SAR e’ largo circa 17
Km. L’uso del SAR in questi casi
consente anche la rivelazione di
strutture sepolte sotto la sabbia
APPLICAZIONI SAR
MONITORAGGIO DEL TERRITORIO
Queste immagini mostrano una
zona dell’Egitto centromeridionale (oasi di Safsaf) vista
da due sensori: a sinistra un
sensore ottico (Landsat) a destra
un SAR (SIR-C/X-SAR)
Mentre il sensore ottico mostra esclusivamente i dettagli della
superficie , il SAR riesce a penetrare per circa un paio di metri
svelando le strutture rocciose sottostanti la sabbia, come ad
esempio dei canali di drenaggio (in basso a sinistra)
APPLICAZIONI SAR
MONITORAGGIO DEL TERRITORIO
Una striscia di dati del SIR-A
e’ stata qui sovrapposta ad una
immagine ottica (Landsat) di
una zona nella parte occidentale
del deserto in Egitto.
Il SAR mostra la presenza di
antichi canali (wadis)
prosciugati e ricoperti dalla sabbia. L’identificazione di questi wadis
dove un tempo l’acqua scorreva liberamente, aiuta gli archeologi ad
individuare antichi insediamenti umani
APPLICAZIONI SAR
MONITORAGGIO DEL TERRITORIO
DEATH VALLEY, CALIFORNIA
Da questa immagine si ha una idea di
come il radar sia sensibile alla rugosita’ del
terreno. Infatti le zone piu’ “luminose”
sono le montagne che circondano il bacino,
piatto, della Death valley. Queste immagini
sono state utilizzate dai geologi per
studiare l’evoluzione delle zone alluvionali
in funzione delle variazioni climatiche e
dei terremoti
APPLICAZIONI SAR
RADARSAT 2
Radarsat 2 e’ una missione SAR finanziata dall’Agenzia Spaziale
Canadese che trasporta un sensore multimodo e
multipolarizzazione
APPLICAZIONI SAR
RADARSAT 2
Date le caratteristiche del sensore, ci si
aspetta un contributo determinante nel
monitoraggio ambientale in caso di
condizioni di rischio o di calamita’
naturali, come ad esempio alluvioni,
uragani o inquinamento ambientale
APPLICAZIONI SAR
RADARSAT 2
Grazie alla risoluzione ed alla capacita’ di operare in
multipolarizzazione, Radarsat2 potra’ fornire un supporto
fondamentale nel monitoraggio delle zone agricole
APPLICAZIONI SAR
RADARSAT 2
La risoluzione ottenibile e la possibilita’ di operare in
multipolarizzazione, fanno di radarsat 2 anche un importante
strumento per il controllo della navigazione marittima