Aprenda sobre el Radar de Apertura Sintética (SAR) con ejemplos

El radar de apertura sintética (SAR) es una tecnología emergente en la Teledetección.

De hecho, Sentinel-1 está equipado con este tipo de sensor activo. Asimismo, Radarsat y TerraSAR utilizan un radar de apertura sintética.

La principal ventaja de esta tecnología es que puede producir sintéticamente imágenes de mayor resolución en cualquier condición meteorológica e incluso de noche.

Hoy no pretendemos entrar en detalles precisos sobre el funcionamiento de esta tecnología. En su lugar, interpretaremos las imágenes SAR con ejemplos básicos y daremos algunas aplicaciones en el mundo real.

Las capacidades del SAR similares a las del murciélago

Se dice que el radar de apertura sintética es similar a la forma en que los murciélagos utilizan la ecolocalización para navegar en una cueva.

Cuando los murciélagos vuelan en una cueva, utilizan el sonido para navegar. Por lo general, crean ondas sonoras de 50 a 120 dB. Cuando este sonido rebota en una pared y vuelve al murciélago, éste comprende la distancia basándose en el eco.

En general, los mismos principios se aplican al SAR. El satélite envía pulsos de microondas a la Tierra. Los pulsos vuelven al satélite y el sensor hace una imagen a partir de los ecos devueltos.

Radar de banda L en África

Por lo general, los radares de apertura sintética son de tipo lateral. Esto significa que no miran completamente hacia abajo en Nadir, sino en un ángulo. Este tipo de ángulo de visión tiene ventajas que mencionaré a continuación.

Como se ha mencionado anteriormente, el radar de microondas puede ver de noche y a través de las nubes y el humo. En cualquier momento del día o en cualquier tipo de condiciones meteorológicas, el SAR funciona.

En realidad, las longitudes de onda más largas pueden penetrar mejor las nubes e incluso el suelo. Por ejemplo, el radar de banda L (~24 cm) tiene longitudes de onda más largas que la banda C (~6 cm) y la banda X (~3 cm).

Tipos de dispersión del radar

El radar de barrido lateral interactúa con diferentes tipos de terreno.

Los 3 tipos principales de mecanismos de dispersión son

  • Especular
  • Difusa
  • Doble rebote

En primer lugar, proporcionaremos un esquema de cada tipo de dispersión. A continuación, daremos una interpretación de dónde se produce cada tipo de dispersión.

Superficie lisa

La reflexión en superficies lisas proviene de terrenos planos como carreteras o agua. Para este tipo de dispersión, muy poca energía del pulso transmitido regresa al sensor (similar a un espejo).

En este ejemplo, los píxeles aparecerán en negro, normalmente con valores inferiores a -20dB.

Superficie lisa (reflexión especular)

Superficie rugosa

Dispersión de la superficie rugosa, como los campos agrícolas arados y la vegetación. La dispersión va en todas las direcciones de forma difusa.

Por ejemplo, los valores típicos de los píxeles serán superiores a -20dB y en gris.

Superficie rugosa (dispersión difusa)

Doble rebote

A menudo, el doble rebote se produce en las estructuras y en los objetos hechos por el hombre. El pulso reflejado golpea una superficie tras otra y vuelve al sensor.

Por ejemplo, los valores típicos de los píxeles aparecerán en blanco con valores superiores a -10dB.

Retrodispersión de doble rebote

Interpretación de imágenes SAR

Ahora que conoce los fundamentos del radar de apertura sintética, veamos una imagen SAR con estos tipos de dispersión. En este ejemplo del Radarsat-2, la imagen muestra claramente los tres tipos de retrodispersión.

Imagen de Radarsat-2: doble rebote, reflexión especular y retrodispersión difusa

REFLEXIÓN ESPECULAR: En esta escena, hay un río que fluye en dirección este-oeste. Como se muestra en el esquema anterior, se refleja muy poca energía hacia el sensor del radar. En este caso, el píxel es oscuro con un dB bajo.

Esto también puede verse en la parte sureste con la superficie pavimentada de la carretera/aeropuerto. De nuevo, se trata de una reflexión especular de una superficie lisa.

DISPERSIÓN DE DOBLE REBOTE: Por otro lado, el blanco brillante en el centro de la imagen puede interpretarse como una característica urbana. El radar está recibiendo una retrodispersión de doble rebote, lo que significa que los pulsos transmitidos vuelven al sensor.

A esta escala no está claro qué es este objeto, pero se debe a los retornos de doble rebote. Debido a sus valores superiores a -10dB, los píxeles aparecerán como un blanco brillante.

DISPERSIÓN DIFUSA: Por último, la mayor parte de la imagen del radar es la dispersión de la superficie rugosa. Tiene un poco de dispersión especular y de doble rebote.

Esto puede provenir de las tierras de cultivo anuales, la vegetación, las hierbas u otras características. Es dispersión difusa porque no hay una cantidad alta o baja de retrodispersión en la imagen.

Ejemplos de aplicaciones del radar de apertura sintética

¿Cómo podemos aplicar estos conceptos del SAR a las aplicaciones del mundo real? Existen cientos de aplicaciones de teledetección. Del mismo modo, el SAR tiene aplicaciones en el medio ambiente, la seguridad y el ejército, entre otras. De hecho, la primera comparte el mismo acrónimo que SAR (búsqueda y rescate).

En las misiones de búsqueda y rescate, las condiciones meteorológicas suelen ser malas. En el caso de los incendios forestales, el humo puede bloquear completamente la visibilidad. Como el SAR por microondas no se ve afectado por este tipo de condiciones, los rescatistas lo utilizan para encontrar objetos artificiales en el suelo. En concreto, busca la dispersión de doble rebote en el lugar del accidente. O incluso donde se produce una inundación, si hay reflexión especular (píxeles oscuros).

Los científicos utilizan el radar de apertura sintética para estimar la elevación de la superficie con la Misión Topográfica de Radar del Transbordador Espacial inSAR. Este satélite utilizó la interferometría (inSAR) generando uno de los modelos de elevación más precisos de todo el globo. Además, los científicos utilizan inSAR para el desplazamiento del terreno basándose en las diferencias de fase.

Desplazamiento del terreno por interferometría de radar InSAR

Como se ha indicado anteriormente, el SAR consiste en comprender las características de la superficie basándose en la retrodispersión. Por eso utilizamos el SAR durante los vertidos de petróleo y para entender las olas del océano. Durante un derrame de petróleo, el petróleo flota en el agua suprimiendo las olas. Esto crea una superficie más lisa, que aparece oscura en la imagen del radar. Sin embargo, si se buscara un barco en el Ártico, se buscaría un doble rebote o píxeles brillantes en una imagen SAR.

Por último, el radar de microondas es sensible a la constante dieléctrica de los elementos. Por ello, los investigadores intentan estudiar la humedad del suelo mediante un radar de apertura sintética. En la agricultura, los agricultores pueden utilizarlo para conocer la humedad en los primeros centímetros de un perfil de suelo desnudo. Incluso para cartografiar los humedales, los científicos utilizan la técnica de descomposición de Touzi.

Un poco más de profundidad en la tecnología

La polarización se refiere a la orientación de la onda de radar de la antena SAR. Las líneas de fuerza eléctrica y magnética son perpendiculares entre sí, pero es el campo eléctrico el que determina la dirección de la polarización de la onda. El radar de apertura sintética utiliza una antena que puede transmitir en la polarización horizontal (H) o vertical (V).

Cuando la onda electromagnética se dispersa desde un objetivo, el estado de polarización de una onda electromagnética puede cambiar. Cuando el sensor recibe la onda de retorno, mide el grado de cambio de polarización del objetivo. Por ejemplo, puede ser de polarización H o V, o ambas simultáneamente.

Para la polarización simple, estos son los pares típicos de transmisión y recepción.

  • HH – para transmisión horizontal y recepción horizontal
  • VV – para transmisión vertical y recepción vertical
  • HV – para transmisión horizontal y recepción vertical
  • VH – para transmisión vertical y recepción horizontal

La ventaja es que se puede inferir más información sobre las características de la superficie. Por ejemplo, podemos utilizar técnicas de descomposición como la de Freeman-Durden para obtener la cantidad de dispersión superficial, de doble rebote y de volumen en una imagen SAR.

Por último, es de apertura sintética porque puede crear imágenes de mayor resolución. Al recibir la retrodispersión a lo largo de la longitud del radar de apertura sintética, puede generar sintéticamente una imagen de mayor resolución para un objetivo puntual en la Tierra. Toda la longitud del radar de apertura sintética tiene la información de retrodispersión del objetivo puntual. Cuando toda la información de retrodispersión se fusiona, es como una “apertura sintética”.

Conclusión

Sin experiencia en radares, puede parecer un montón de píxeles. No se obtiene una imagen bonita utilizada en un mapa.

En cualquier caso, las imágenes de radar pueden ser ruidosas y a menudo requieren ser suavizadas. Pero utilizando técnicas de descomposición y un poco de interpretación del SAR, de repente las imágenes del SAR se convierten en una herramienta valiosa.

Si quieres probar a utilizar el radar de apertura sintética, echa un vistazo a nuestra lista de 15 fuentes gratuitas de imágenes de satélite.

Y no olvides que existen programas de teledetección de código abierto, como la caja de herramientas Sentinel-1, que ayudan a analizar y visualizar las imágenes SAR.

Traducido desde: gisgeography

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