El radar típico (detección y alcance de radio) mide la intensidad y el tiempo de ida y vuelta de las señales de microondas emitidas por una antena de radar y reflejadas desde una superficie u objeto distante. Las antenas de radar transmiten y reciben alternativamente pulsos de longitudes de onda de microondas específicas (en el rango de 1 cm a 1 m, correspondientes al rango de frecuencia de aproximadamente 300 MHz a 30 GHz) y polarizaciones (ondas polarizadas en un solo plano vertical u horizontal). Para los sistemas de radar de imágenes, se emiten aproximadamente 1500 pulsos de alta potencia por segundo a un objetivo o área de imágenes, y la duración del pulso (ancho de pulso) de cada pulso suele ser de 10 a 50 microsegundos (us). El pulso normalmente cubre una pequeña banda de frecuencias, centrada en una frecuencia seleccionada por el radar. Los anchos de banda típicos para radares de imágenes oscilan entre 10 y 200 MHz. En la superficie de la Tierra, la energía de un pulso de radar se dispersa en todas direcciones y una parte se refleja de regreso a la antena. Esta retrodispersión regresa al radar como un eco de radar más débil y es recibida por la antena con una polarización específica (horizontal o vertical, no necesariamente la misma que el pulso transmitido). Estos ecos se convierten en datos digitales y se pasan a un registrador de datos para su posterior procesamiento y visualización como imágenes. Suponiendo que los pulsos del radar viajan a la velocidad de la luz, es relativamente sencillo utilizar el tiempo medido del viaje de ida y vuelta de un pulso específico para calcular la distancia al objeto reflectante. El ancho de banda de pulso seleccionado determina la resolución en la dirección del rango (transversal). Un mayor ancho de banda significa una mayor resolución en esa dimensión.
El radar emite un pulso para medir el eco reflejado (retrodispersión)
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En el caso del radar de imágenes, el radar sigue la trayectoria de vuelo Con el movimiento, el área o huella iluminada por el radar se mueve a lo largo de la superficie, construyendo una imagen al hacerlo.
Utilizar el movimiento de la plataforma para crear imágenes de radar
La longitud de la antena del radar determina la resolución de la imagen en la dirección del azimut (a lo largo de la pista): cuanto más larga sea la antena , mejor será la resolución en esa dirección. El radar de apertura sintética (SAR) se refiere a una técnica para sintetizar antenas muy largas combinando las señales (ecos) recibidas por el radar a medida que avanza en su trayectoria de vuelo. La apertura se refiere a la apertura utilizada para recolectar la energía reflejada para formar una imagen, por ejemplo, para una cámara esta sería la apertura del obturador, para un radar sería la antena; La apertura sintética se construye moviendo la apertura real o antena a través de una serie de posiciones a lo largo de la trayectoria de vuelo.
Construcción de la apertura sintética
A medida que el radar se mueve, se emite un pulso en cada posición; los ecos pasan por el receptor y se graban en la "memoria de ecos" porque el radar está En relación con el movimiento del suelo, el eco de retorno tiene un desplazamiento Doppler (negativo cuando el radar se acerca al objetivo; positivo cuando se aleja). La comparación de la frecuencia desplazada Doppler con una frecuencia de referencia permite que muchas señales de retorno se "enfoquen" en un solo punto, aumentando efectivamente la longitud de la antena que genera imágenes de ese punto específico. Esta operación de enfoque, a menudo llamada procesamiento SAR, ahora se realiza digitalmente en sistemas informáticos rápidos. El truco del procesamiento SAR consiste en hacer coincidir correctamente los cambios de frecuencia Doppler en cada punto de la imagen: esto requiere un conocimiento muy preciso del movimiento relativo entre la plataforma y el objeto fotografiado (que es la causa principal de los cambios Doppler).
El radar de apertura sintética es ahora una tecnología bien establecida para generar imágenes de radar en las que se pueden resolver detalles finos. SAR ofrece capacidades únicas como herramienta de imágenes. Debido a que proporcionan su propia iluminación (pulsos de radar), pueden obtener imágenes en cualquier momento del día o de la noche, independientemente de la iluminación solar. Debido a que las longitudes de onda del radar son mucho más largas que las de la luz visible o infrarroja, los SAR también pueden "ver" a través de ambientes nublados y polvorientos, algo que los instrumentos visibles e infrarrojos no pueden.
¿Qué es una imagen de radar?
Las imágenes de radar están compuestas por muchos puntos o píxeles.
Cada píxel (elemento de imagen) en la imagen del radar representa la retrodispersión del radar para esa área en el suelo: las áreas más oscuras de la imagen representan una retrodispersión baja y las áreas más claras representan una retrodispersión alta. Una característica brillante significa que la mayor parte de la energía del radar se refleja de regreso al radar, mientras que una característica oscura significa que se refleja poca energía. La retrodispersión desde un área objetivo a una longitud de onda específica variará según una variedad de condiciones: el tamaño de los dispersores en el área objetivo, el contenido de humedad del área objetivo, la polarización del pulso y el ángulo de visión. Cuando se utilizan diferentes longitudes de onda, la retrodispersión también será diferente.
Los científicos miden la retrodispersión, también conocida como sección transversal del radar, en unidades de área (como metros cuadrados). La retrodispersión generalmente está relacionada con el tamaño del objeto, donde los objetos aproximadamente del tamaño de la longitud de onda (o más grandes) aparecen brillantes (es decir, ásperos) y los objetos más pequeños que la longitud de onda aparecen oscuros (es decir, suaves). Los científicos de radar suelen utilizar una medición de retrodispersión llamada sección transversal de radar normalizada, que es independiente de la resolución de la imagen o del tamaño de píxel. La unidad de sección transversal normalizada del radar (sigma0.) es el decibel (dB). Valor típico de sigma0. Para superficies naturales, el rango va desde 5 dB (muy brillante) hasta -40 dB (muy oscuro).
Una regla general útil al analizar imágenes de radar es que cuanto mayor o más brillante sea la retrodispersión de la imagen, más rugosa será la superficie de la que se visualiza. Las superficies planas que reflejan poca o ninguna energía de microondas hacia el radar siempre aparecerán oscuras en las imágenes de radar. La vegetación es generalmente más basta en la mayoría de los rangos de longitud de onda del radar y aparece gris o gris claro en las imágenes de radar. Las superficies orientadas hacia el radar tienen una retrodispersión más intensa y aparecerán más brillantes en la imagen del radar que las superficies inclinadas en dirección opuesta al radar. Por ejemplo, algunas áreas no iluminadas por el radar, como las laderas traseras de las montañas, están en sombras y aparecerán más oscuras. Cuando las calles o edificios de la ciudad están alineados de esta manera, los pulsos entrantes del radar pueden rebotar en la calle, luego rebotar en el edificio nuevamente (llamado doble rebote) y regresar directamente al radar, donde aparecen muy perceptibles en el radar. Imagen brillante (blanca). Las carreteras y autopistas son superficies planas, por lo que parecen oscuras. Sin una línea de edificios, los pulsos del radar se reflejarían directamente en un color gris claro, como una superficie muy rugosa.
Obtener imágenes de diferentes tipos de superficies con radar
La retrodispersión también es sensible a las propiedades eléctricas del objetivo, incluido el contenido de agua. Los objetos más húmedos aparecerán más brillantes, mientras que los objetivos más secos aparecerán más oscuros. La excepción a esto es una masa de agua lisa, que actuará como una superficie plana y reflejará los pulsos del objetivo; estos objetos aparecerán negros;
La retrodispersión también variará dependiendo del uso de diferentes polarizaciones. Algunos SAR pueden transmitir pulsos en polarización horizontal (H) o vertical (V) y recibir pulsos en H o V, produciendo una combinación de HH (transmisión horizontal, recepción horizontal), VV, HV o VH. Además, algunos SAR pueden medir la fase del pulso de entrada (una longitud de onda = fase 2pi) y, por lo tanto, la diferencia de fase en grados devuelta por las señales HH y VV. Esta diferencia puede considerarse como una diferencia en el tiempo de ida y vuelta de las señales HH y VV y, a menudo, es el resultado de las características estructurales de los dispersores. Estos SAR también miden el coeficiente de correlación de los ecos HH y VV, que puede considerarse como una medida de cuán similares (entre 0/disimilares y 1/similares) son los dispersores HH y VV.
Los diferentes ángulos de visión también afectan la retrodispersión. El ángulo de la trayectoria afectará la retrodispersión de características muy lineales: áreas urbanas, cercas, hileras de cultivos, olas del océano, fallas. El ángulo de las ondas del radar en la superficie de la Tierra (llamado ángulo de incidencia) también provocará cambios en la retrodispersión: ángulos de incidencia bajos (normales a la superficie) darán como resultado una retrodispersión alta que disminuirá a medida que aumenta el ángulo de incidencia;
La retrodispersión del radar es una función del ángulo de incidencia (θ)I
Programa de radar de la NASA/JPL
El programa de radar de la NASA/JPL comenzó en 1978 con el SEASAT Synthetic Radar de apertura (SAR). SEASAT es un radar de visión fija de polarización única y de frecuencia única (banda L con una longitud de onda de 24 centímetros o 9,4 pulgadas).
Shuttle Imaging Radar-A (SIR-A) se lanzó en el transbordador espacial en 1981 y también es un radar de banda L con un ángulo de visión fijo. SIR-B (1984) añadió capacidad de visión múltiple al radar de polarización única de banda L. SIR-C/X-SAR es una empresa conjunta entre la NASA, la Agencia Espacial Alemana (DARA) y la Agencia Espacial Italiana (Agencia Espacial Italiana). SIR-C/X-SAR proporciona mayores capacidades que Seasat, SIR-A y SIR-B al adquirir imágenes de tres longitudes de onda de microondas (λ), banda L (λ ~ 24 cm o 9,4 pulgadas) y polarización cuádruple en banda c (; λ ~ 6 cm o 2,4 pulgadas) con polarización cuádruple y banda X (λ ~ 3 cm) con polarización VV; SIR-C/X-SAR también tiene un ángulo de visión variable y puede obtener imágenes en ángulos de incidencia de 20 a 65 grados. SIR-C/X-SAR voló en el transbordador espacial en abril y octubre de 1994, proporcionando dos temporadas de datos de radar. Los tamaños de imagen típicos para productos de datos SIR-C son 50 km x 100 km y resoluciones entre 10 y 25 metros.
Mientras desarrollaba un radar de imágenes aerotransportado, la NASA/JPL construyó y operó una serie de sistemas de radar de imágenes aerotransportados. Actualmente, NASA/JPL mantiene y opera un sistema aerotransportado de búsqueda y rescate, llamado AIRSAR/TOPSAR, pilotado por aviones DC-8 de NASA. En un modo de funcionamiento, el sistema es capaz de recopilar simultáneamente las cuatro polarizaciones (HH, HV, VH y VV) en tres frecuencias: banda L (λ ~ 24 cm); banda C (λ ~ 6 cm); λ~ 68 cm). En otro modo de funcionamiento, el sistema AIRSAR/TOPSAR recoge las cuatro polarizaciones (HH, HV, VH y VV) en dos frecuencias: banda L (λ ~ 24 cm) y banda P (λ ~ 68 cm), al mismo tiempo. , funciona como interferómetro en la banda C y al mismo tiempo genera datos de altura del terreno. AIRSAR/TOPSAR también tiene un modo de interferómetro de trayectoria para medir la velocidad actual. El tamaño de imagen típico de los productos AIRSAR/TOPSAR es de 12 km x 12 km y la resolución bidimensional es de 10 metros. Los productos de mapas topográficos generados por el sistema TOPSAR tienen una precisión de altura de 1 metro en áreas relativamente planas y una precisión de altura de 5 metros en áreas montañosas.
JPL está trabajando en el diseño de un sistema de radar de imágenes multiparamétricas de vuelo libre como el de la misión SIR-C/X-SAR. JPL también está trabajando en una misión cartográfica global (TOPSAT) que utilizará interferometría de radar para generar mapas topográficos del mundo de alta calidad y monitorear cambios topográficos en áreas propensas a terremotos y actividad volcánica.
Para consultar sobre la disponibilidad de datos de radar de imágenes del sistema AIRSAR/TOPSAR o de la misión SIR-C, SIR-B, SIR-A o Seasat, comuníquese con:
Centro de datos de radar
Estación de correo 300 - 233
Laboratorio de propulsión a chorro
4800 Oak Grove Avenue
Pasadena, CA: 91109
Fax: (818) 393 2640
Información de contacto adicional
Si es un usuario de Internet y desea obtener más información sobre el programa de radar de imágenes de NASA/JPL, visite el sitio web World Wide Servidor web en: http://southport.jpl.nasa.gov/