Eφαρμογές Ραντάρ συνθετικού ανοίγματος SAR (Synthetic Aperture Radar)

Από RemoteSensing Wiki

Περιγραφή

Το ραντάρ συνθετικού ανοίγματος SAR είναι ένα ενεργό μικροκυματικό όργανο τηλεπισκοπικής παρακολούθησης ποικίλων περιβαλλοντικών φαινομένων που παράγει υψηλής ανάλυσης εικόνες της επιφάνειας της γης σε όλες τις καιρικές συνθήκες και μέχρι σήμερα έχει αποτελέσει μέρος του ωφέλιμου φορτίου των δορυφόρων ERS-1 και ERS-2, του ευρωπαϊκού διαστημικού γραφείου ESA, του Ιαπωνικού δορυφόρου JERS-1 και του δορυφόρου Radarsat του Καναδά. Στο μέλλον, περισσότεροι δορυφόροι όπως ο Envisat του ESA, θα χρησιμοποιούν το συγκεκριμένο σύστημα περιβαλλοντικής παρακολούθησης.

Εφαρμογές SAR

Σημαντικές και ποικίλες εφαρμογές, όπως περιβαλλοντική παρακολούθηση, χαρτογράφηση περιοχών της γης που παρουσιάζουν ιδιαίτερο επιστημονικό ενδιαφέρον καθώς επίσης και διάφορα στρατιωτικά συστήματα απαιτούν απεικόνιση μεγάλων περιοχών με εξαιρετικά υψηλή ανάλυση. Πολλές φορές οι εικόνες, αυτές, χρειάζεται να ληφθούν σε άσχημες καιρικές συνθήκες ή ακόμη κατά τη διάρκεια της νύχτας, επομένως το συγκεκριμένο ραντάρ καθίσταται ιδιαίτερα χρήσιμο για τις περιπτώσεις αυτές, αφού μπορεί να συλλέγει δεδομένα και πληροφορίες τόσο κατά τη διάρκεια της ημέρας όσο και της νύχτας (τα ραντάρ παρέχουν τη δική τους πηγή ενέργειας), ανεξάρτητα από τις καιρικές συνθήκες που επικρατούν. Τα συστήματα SAR εκμεταλλεύονται τα χαρακτηριστικά μεγάλης ακτίνας διάδοσης των σημάτων ραντάρ και την ικανότητα επεξεργασίας σύνθετης πληροφορίας που μπορούν να τους παρέχουν τα σύγχρονα ψηφιακά ηλεκτρονικά συστήματα, ώστε με τη σειρά τους να παράγουν ιδιαίτερα υψηλής ανάλυσης εικόνες. Η τεχνολογία του ραντάρ συνθετικού ανοίγματος παρέχει στους γεωλόγους πληροφορία σχετικά με τη δομή του εδάφους για εξερεύνηση ορυκτών, στους περιβαλλοντολόγους πληροφορία για διαρροές διαφόρων επικίνδυνων ελαίων σε θαλάσσιες περιοχές, στους κυβερνήτες πλοίων πληροφορίες σχετικές με την κατάσταση της θάλασσας και χάρτες που επιδεικνύουν επικίνδυνες βραχώδεις περιοχές ή την ύπαρξη παγόβουνων και σε στρατιωτικές επιχειρήσεις αναγνωριστικές πληροφορίες κρίσιμων στόχων. Υπάρχουν πολλές άλλες πιθανές εφαρμογές οι οποίες διευρύνονται με το πέρασμα του χρόνου καθώς η μείωση του κόστους των ηλεκτρονικών συστημάτων έχει ήδη ξεκινήσει να ανάγει την τεχνολογία SAR σε οικονομικότερη για χρήσεις μικρότερης κλίμακας.

Τρόπος λειτουργίας

Το ραντάρ συνθετικού ανοίγματος SAR του ERS-1 λειτουργεί στη ζώνη C της μικροκυματικής περιοχής του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, ενώ ο αντίστοιχος αισθητήρας του JERS-1 λειτουργεί στη ζώνη L. Γενικά το ραντάρ συνθετικής οπής μπορεί να χρησιμοποιεί συχνότητες της τάξης από 1 έως 10GHz, ώστε να μπορεί να ανιχνεύει στόχους μέσα από σύννεφα, καπνούς, καταιγίδες και ομίχλη και παράγει πληροφορία διαφορετική από εκείνη των οπτικών ραντάρ που λειτουργούν στην ορατή και υπεριώδη περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Το σύστημα SAR παράγει απεικονίσεις σε κατεύθυνση κάθετη προς την ταχύτητα του αεροσκάφους (ή δορυφόρου) στο οποίο είναι τοποθετημένο. Οι παραγόμενες εικόνες είναι δύο διαστάσεων. Η μία διάσταση στην εικόνα ονομάζεται ακτίνα ή εγκάρσιο ίχνος και αποτελεί μέτρο της ορατής απόστασης από το ραντάρ στον εκάστοτε στόχο. Η μέτρηση της ακτίνας (ή του εγκάρσιου ίχνους) και η ανάλυση, επιτυγχάνονται στο σύστημα SAR με τον ίδιο τρόπο που γίνεται και στα περισσότερα από τα υπόλοιπα ραντάρ. Η ακτίνα καθορίζεται από την ακριβή μέτρηση του χρόνου που μεσολαβεί από την εκπομπή του παλμού μέχρι τη λήψη της ηχούς από το στόχο και στην απλούστερη τεχνολογία SAR, η ανάλυση της ακτίνας καθορίζεται από το εύρος του εκπεμπόμενου παλμού, για παράδειγμα, στενοί παλμοί οδηγούν σε εξαιρετική ανάλυση ακτίνας. Τα συστήματα SAR εκπέμπουν περισσότερους από 1000 παλμούς το δευτερόλεπτο και επομένως για μία ταχύτητα πτήσης 7km/sec, κάθε παλμός απέχει από τον επόμενο κατά 4 έως 10 μέτρα. Το σήμα (ηχώ) που επιστρέφει από το έδαφος στο ραντάρ καθορίζεται κυρίως από τα φυσικά χαρακτηριστικά των στοιχείων της εκάστοτε επιφάνειας, όπως η τραχύτητα του εδάφους, η γεωμετρική δομή, ο προσανατολισμός, από τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά, όπως η διηλεκτρική σταθερά, ο δείκτης υγρασίας, η αγωγιμότητα και από τη συχνότητα του ραντάρ του αισθητήρα. Η άλλη διάσταση στην παραγόμενη εικόνα από το ραντάρ συνθετικής οπής ονομάζεται αζιμούθιο ή διάμηκες ίχνος και είναι κάθετο στη διεύθυνση της ακτίνας. Αυτό που διαφοροποιεί την τεχνολογία του SAR από τα υπόλοιπα ραντάρ είναι η ικανότητά του να παράγει το αζιμούθιο της εικόνας με εξαιρετικά υψηλή ανάλυση. Προκειμένου να αποκτήσουμε αυτή την υψηλή ανάλυση στο αζιμούθιο, απαιτείται μια κεραία μεγάλων φυσικών διαστάσεων, ώστε να συγκεντρώνει τόσο την εκπεμπόμενη όσο και τη ληφθείσα ενέργεια σε μια πολύ λεπτή ακτίνα. Η λεπτότητα αυτής της ακτίνας καθορίζει την ανάλυση στο αζιμούθιο. Παρόμοια, οπτικά συστήματα, όπως τα τηλεσκόπια, απαιτούν μεγάλες οπές – κάτοπτρα ή φακούς ανάλογα σε μέγεθος προς την κεραία του ραντάρ – για να επιτύχουν υψηλή ανάλυση εικόνας.

Στην τεχνολογία SAR χρησιμοποιείται πολύ χαμηλότερη συχνότητα από τα οπτικά συστήματα, έτσι ακόμα και ραντάρ συνθετικού ανοίγματος με μέτρια ανάλυση απαιτούν κεραίες με φυσικές διαστάσεις μεγαλύτερες από αυτές που μπορούν να μεταφερθούν σε πλατφόρμες στον αέρα. Πρόκειται για κεραίες με μήκη της τάξης κάποιων εκατοντάδων μέτρων. Εντούτοις τα ραντάρ που βρίσκονται τοποθετημένα σε αεροσκάφη ή δορυφόρους μπορούν να συλλέγουν πληροφορία, καθόλη τη διάρκεια που τα σκάφη αυτά διανύουν στον αέρα αντίστοιχη απόσταση, προς το απαιτούμενο φυσικό μήκος της κεραίας και στη συνέχεια να επεξεργάζονται την πληροφορία, αυτή, σαν να προερχόταν από μια πραγματική κεραία μεγάλων φυσικών διαστάσεων. Η απόσταση που διανύει το αεροσκάφος στον αέρα ώστε να συμπληρώσει το πραγματικά απαιτούμενο φυσικό μέγεθος της κεραίας, ονομάζεται συνθετικό άνοιγμα (οπή). Αποτέλεσμα του μεγάλου αυτού συνθετικού ανοίγματος είναι ένα συνθετικό στενό εύρος ακτίνας το οποίο με τη σειρά του οδηγεί σε καλύτερη ανάλυση από αυτή που επιτυγχάνεται με τη χρήση μιας μικρότερου φυσικού μεγέθους κεραίας. Η επίτευξη καλής ανάλυσης στο αζιμούθιο μπορεί να περιγραφεί και από τη σκοπιά του φαινομένου Doppler. Η θέση ενός στόχου κατά μήκος της τροχιάς πτήσης καθορίζει τη συχνότητα Doppler από την ηχώ του. Στόχοι που βρίσκονται μπροστά από το αεροσκάφος παράγουν θετική ολίσθηση Doppler, ενώ στόχοι που βρίσκονται πίσω από το αεροσκάφος παράγουν αρνητική ολίσθηση Doppler. Καθώς το αεροσκάφος διανύει την απόσταση ¨συνθετικού ανοίγματος¨, η ηχώ από τους διάφορους στόχους αναλύεται σε έναν αριθμό συχνοτήτων Doppler. Η ολίσθηση Doppler κάθε στόχου καθορίζει το αζιμούθιο της θέσης του. Τα προηγούμενα δίνουν μια ιδέα για την κατανόηση του τρόπου λειτουργίας του συγκεκριμένου ραντάρ, όμως η τεχνολογία του SAR δεν είναι τόσο απλή όσο περιγράφηκε. Συγκεκριμένα, η εκπομπή παλμών στενού εύρους για την επίτευξη πολύ υψηλής ανάλυσης δεν είναι ιδιαίτερα πρακτική. Στην πράξη εκπέμπονται μεγαλύτεροι παλμοί με διαμόρφωση ευρείας ζώνης, με αποτέλεσμα να περιπλέκεται η επεξεργασία της ακτίνας του στόχου, αλλά να μειώνονται οι απαιτήσεις ισχύος του εκπομπού. Επιπρόσθετα, για απαιτήσεις πολύ υψηλής ανάλυσης, η ακτίνα και το αζιμούθιο θα πρέπει να λαμβάνονται ως ζεύγος αλληλοεξαρτώμενων δεδομένων κατά την επεξεργασία της εικόνας, κάτι το οποίο περιπλέκει αρκετά την υπολογιστική διαδικασία του συστήματος. Όλες οι εικόνες που παράγονται από το SAR έχουν ψευδή χρώματα, καθώς δεν ορίζεται η έννοια των πραγματικών χρωμάτων στην περιοχή της αόρατης μικροκυματικής ακτινοβολίας που εκπέμπεται από το ραντάρ. Οι περισσότερες εικόνες SAR είναι μονόχρωμες, ωστόσο πολλές φορές λαμβάνονται από την ίδια περιοχή της επιφάνειας της γης πολλαπλές εικόνες σε διαφορετικές χρονικές στιγμές, οι οποίες υπερτίθενται η μία πάνω στην άλλη με αποτέλεσμα να δημιουργούνται πολυχρονικές εικόνες ψευδών χρωμάτων. Το χρώμα σε αυτές τις φωτογραφίες υποδηλώνει τις μεταβολές που λαμβάνουν χώρα στη συγκεκριμένη περιοχή, οι οποίες μπορεί να οφείλονται σε μια ποικιλία παραγόντων, όπως η υγρασία ή ο άνεμος ή η ανάπτυξη της βλάστησης στο έδαφος και οι συνθήκες που επικρατούν στη θάλασσα.

                                                                         Σχήμα 1: Εικόνα μέσω του αισθητήρα SAR

Εφαρμογές SAR

Οι εφαρμογές του συστήματος SAR αυξάνονται σχεδόν καθημερινά, καθώς καινούριες τεχνολογίες και καινοτόμες ιδέες αναπτύσσονται ολοένα και περισσότερο. Όπως έχει ήδη τονιστεί το SAR είναι ιδιαίτερα δημοφιλές εξαιτίας του γεγονότος ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί με την ίδια αποτελεσματικότητα μέρα και νύχτα και σε άσχημες καιρικές συνθήκες, αλλά επιπλέον μπορεί να απεικονίσει μια διαφορετική όψη ενός στόχου, χρησιμοποιώντας πολύ μικρότερες ηλεκτρομαγνητικές συχνότητες από τους υπόλοιπους οπτικούς αισθητήρες. To SAR μπορεί να ικανοποιήσει πολλές από τις απαιτήσεις του στρατού που αφορούν την αναγνώριση και παρακολούθηση στόχων, μπορεί να παρέχει τη δυνατότητα για αυτόνομη πλοήγηση και καθοδήγηση σε όλες τις καιρικές συνθήκες, επίσης μπορεί να διεισδύσει σε διάφορα υλικά τα οποία είναι οπτικά αδιαφανή και επομένως μη ορατά από άλλες οπτικές τεχνικές, έτσι μπορεί να απεικονίσει στόχους οι οποίοι βρίσκονται ανάμεσα σε φυλλώματα, σε θάμνους ή ακόμα και κάτω από το έδαφος. Τέλος, το SAR, όπως ήδη έχει αναφερθεί χρησιμοποιείται για μια μεγάλη ποικιλία περιβαλλοντικών εφαρμογών, όπως η παρακολούθηση διαφόρων καιρικών φαινομένων – ρυθμός βροχόπτωσης, χιονόπτωσης κ.λ.π. – εντοπισμός πετρελαιοκηλίδων σε ωκεανούς, ανίχνευση και παρακολούθηση καμένων δασικών εκτάσεων καθώς και αλλαγών στην επιφάνεια του εδάφους.