El Radar de Apertura Sintética

Complemento a los sensores ópticos para la observación de la Tierra

Carlos Duarte Muñoz

Fecha: 2017-05-03


Compartir:

En muchas aplicaciones de percepción remota es deseable obtener imágenes de la tierra durante la noche o cuando hay nubes u ocurren otros fenómenos climáticos que impiden la transmisión de las imágenes ópticas a través de la atmósfera. El radar de apertura sintética (SAR por sus siglas en inglés: Synthetic Aperture Radar) proporciona esta capacidad ya que no depende de la radiación solar reflejada o la radiación térmica emitida por la tierra para funcionar, sino que emite su propia radiación electromagnética para realizar sondeos. Además, las ondas electromagnéticas empleadas en el SAR no se ven afectadas por las nubes, la niebla y la lluvia, por lo que puede adquirir imágenes independientemente de las condiciones meteorológicas.

 

El SAR aprovecha las características de propagación de largo alcance de las señales de radar y la gran capacidad de procesamiento de información de las actuales computadoras digitales para proporcionar imágenes de alta resolución en las que se pueden inferir propiedades de la superficie reflectora. Estas propiedades incluyen: rugosidad de la superficie, estructura física, y propiedades de conducción eléctrica, entre otras.

 

¿Qué es el radar?

 

La palabra radar es un acrónimo de RAdio Detection and Ranging un concepto desarrollado durante la segunda guerra mundial para detectar la presencia de aeronaves enemigas. El radar se utilizó inicialmente para determinar la distancia a la que se encontraban las aeronaves a partir de recibir la energía electromagnética que rebotaba en su superficie después de ser emitida por un transmisor de radio de alta frecuencia. Dado que las ondas electromagnéticas se propagan a la velocidad de la luz, basta con medir el tiempo que tarda la señal en ir y regresar a un objeto para calcular a qué distancia se encuentra éste del radar. Cabe mencionar que solamente una fracción muy pequeña de la señal emitida por el radar regresa para ser detectada. La magnitud de la energía dispersada depende del material y las propiedades de su superficie. Esto se puede apreciar gráficamente en la Fig. 1.

 

 

 

 

 

Figura 1. Distribución de la energía que incide en una superficie impactada por un pulso de radar.

 

Asimismo, un radar permite medir la velocidad relativa de un objeto con respecto al radar a partir del efecto Doppler. El efecto Doppler es el cambio de frecuencia de las ondas electromagnéticas que percibe un observador con respecto a la frecuencia que emite una fuente en movimiento relativo al observador. Este cambio de frecuencia está dado por:

 

fo = f/(1 ± vf /c)

 

donde:

 

fo es la frecuencia que registra el observador.

c es la velocidad de luz

vf es la velocidad relativa de la fuente respecto al observador

f es la frecuencia emitida por la fuente

El signo (+) se usa cuando el objeto se aleja de la fuente, mientras que el signo (−) se usa cuando el objeto se acerca a la fuente.

 

Es preciso remarcar que la velocidad vf es la velocidad relativa entre la fuente y el observador. Por ejemplo, si una aeronave se está acercando a un radar, ésta percibirá un aumento de frecuencia respecto a la frecuencia emitida por el radar que dependerá de la velocidad de la aeronave respecto al radar.

 

 

Fig 2. Representación gráfica del efecto Doppler.

 

 

El SAR

 

A través del tiempo, la tecnología del radar ha evolucionado muchísimo y se han desarrollado diversos tipos de radares que aprovechan tanto la medición de distancias como la medición de velocidades para obtener información útil de objeto lejanos. Uno de estos tipos de radar es el SAR:

 

El SAR es un sistema de radar que se emplea en vehículos espaciales y aéreos que utiliza el movimiento relativo entre la antena y una región de interés con el fin de obtener una resolución espacial más fina de la que se obtendría si el radar y la región de interés estuvieran fijos uno con respecto al otro. El SAR es un tipo de radar que produce imágenes de vista lateral, es decir los pulsos electromagnéticos son enviados hacia el terreno en dirección perpendicular al vuelo del vehículo y se implementa mediante una antena montada en un plataforma móvil desde la cual se ilumina repetidamente una escena objetivo con pulsos de ondas de radio que pueden tener longitudes de onda desde un metro hasta milímetros.

 

Los múltiples ecos recibidos sucesivamente en las diferentes posiciones de la antena a medida que ésta se mueve en una trayectoria, son procesados matemáticamente para crear una “imagen” de la región de interés. Dado que cada punto de la superficie refleja varias veces los pulsos del radar durante el trayecto de la antena en movimiento, la información de cada punto se recombina para generar una imagen de mayor resolución que la que correspondería a una antena fija y de ahí el origen del término “apertura sintética”, ya que para generar una imagen con una resolución equivalente con una antena fija requeriría que la longitud de la antena fuera impracticamente grande.

 

Para ilustrar lo anterior, consideremos el siguiente ejemplo: La resolución angular de un sistema de radar está dada aproximadamente por λ/d, donde λ es la longitud de onda de la señal de radar y d es la apertura (diámetro) de la antena. Con estos datos calculemos el diámetro de la antena que requeriría un radar montado en un satélite de órbita baja que opere a una distancia de 300 km de la superficie de la tierra para dar una resolución lineal de 30 cm (δ=0.3m) y que opere a una frecuencia de 10 GHz (Banda X)

 

La longitud de la onda de radar está dada por λ=c/f, donde f es la frecuencia y c es la velocidad de la luz (3x108 m/seg). En estas condiciones  λ= (3x108 m/seg)/(1010 Hz), es decir, λ=0.03 m, es decir, la longitud de onda de la señal de radar es de 3 cm.

 

El diámetro que tendría que tener la antena para obtener una resolución de 30 cm, es por lo tanto:

 

d= λ/δ·R=0.03m/0.3m·300·103m = 30 km.

 

Definitivamente un tamaño impráctico si se considera una antena estacionaria, por lo que es ahí donde entran las ventajas del SAR.

 

De las derivaciones matemáticas que explican el funcionamiento del SAR se establece que la resolución espacial máxima alcanzable por un SAR es aproximadamente igual a la mitad del diámetro de la antena del radar y no depende ni de la frecuencia de operación ni de la altitud de la plataforma. Este es un resultado intuitivamente sorprendente pero matemáticamente válido que se aprovecha para obtener imágenes de alta resolución a través de la tecnología SAR.

 

El procesamiento de las señales del SAR toma en cuenta tanto la magnitud de la señal recibida, su retraso de propagación así como el cambio de frecuencia que experimenta debido al efecto Doppler creado por la velocidad relativa de la antena con respecto a la superficie reflejada.

 

 

Fig 3. Funcionamiento de un SAR

 

La explicación del funcionamiento del SAR dada anteriormente es muy simplista, ya que los principios matemáticos que se utilizan para la formación de imágenes en un SAR son complejos y están fuera del alcance de este artículo de divulgación. Los lectores interesados en profundizar en el tema pueden consultar la bibliografía que se presenta al final de artículo.

 

Para construir la imagen de un SAR se requiere de un conocimiento exacto de la trayectoria de vuelo y la velocidad de la plataforma. Asimismo, a diferencia de los sensores ópticos, la visualización de los datos crudos del un SAR no da ninguna información útil sobre la escena. Es sólo después del procesamiento de señal que se obtiene una imagen.

 

Cabe mencionar también que la imagen generada no tiene una correspondencia uno a uno con una imagen óptica, ya que, a diferencia de las imágenes ópticas que están formadas por luz de muchas frecuencias, la imagen del SAR se genera a partir de una sola frecuencia de radar. Además, como se utiliza el efecto Doppler para generar los elementos de la imagen, si existen cuerpos en movimiento dentro del campo de observación, su posición en la imagen generada podría ser errónea, ya que el procesamiento que usa el SAR para generar imágenes asume que la escena es estática. Por lo anterior, la interpretación de las imágenes generadas por un SAR requiere de especialistas.


En las Figuras 4 y 5 se presentan ejemplos de imágenes obtenidas con SAR.

 

Fig. 4. Imagen SAR en Banda Ku de la Base Naval de Jacksonville, Fla., cortesía de  Sandia National Laboratories, Airborne ISR.

 

Fig. 5. Mapa digital en 3D del Monte Everest tomada con el ALOS-2 cortesía de JAXA,

 

Efectos de la superficie del terreno sobre las imágenes de un SAR.

 

Las imágenes generadas por un SAR dependen de las propiedades de la superficie del terreno. La rugosidad de la superficie tiene efectos sobre cómo la señal se dispersa o absorbe, por lo que una superficie lisa refleja la mayor parte de la señal incidente y en consecuencia muy poca señal se regresa al sensor. En el caso opuesto, una señal rugosa dispersa mucho la señal y hace que una porción importante de ésta se regrese al sensor. Es por esto que las superficies muy lisas, como los cuerpos de agua, aparecen negros en las imágenes de radar.

 

La humedad de un objeto cambia sus propiedades eléctricas. Cuando un objeto es húmedo, la dispersión de la superficie domina sobre otros efectos y esto hace que las ondas electromagnéticas no penetren por debajo de la superficie. En los objetos secos en donde la longitud de onda es larga con respecto a la rugosidad de la superficie, las ondas electromagnéticas pueden ser capaces de penetrar por debajo de la superficie. Esto cambia la representación del objeto en la imagen.

 

Los objetos compuestos con una buena conductividad eléctrica como los metales,  muestran una fuerte reflexión y por lo tanto un aspecto más brillante en la imagen de radar. Ejemplos de ello son los vehículos, los barcos y las vías de ferrocarril.

 

Aplicaciones del SAR

 

El SAR se ha convertido en una de las herramientas más valiosas para la percepción remota. Con resoluciones de menos de un metro se utiliza para la observación del hielo marino, la medición de las variaciones de los glaciares, la recolección de datos de viento, lluvia, erosión y para la identificación de áreas potenciales  de deslizamiento y predicción de sequías, entre muchas otras aplicaciones. El SAR también sirve para hacer mapas en tres dimensiones capaces de detectar pequeñas diferencias en altura de la superficie del suelo del orden de milímetros por lo que se ha convertido en una herramienta útil para monitorear los riesgos causados por desplazamientos de terreno causados por fenómenos volcánicos y tectónicos, entre muchos otros.

 

El SAR es un auxiliar indispensable en la evaluación de daños causada por fenómenos hidrometeorológicos debido a que el radar puede penetrar la cubierta de nubes que acompaña al clima severo. Por esta razón, las imágenes de SAR son a menudo la única fuente confiable de información precisa sobre la magnitud y el grado de destrucción causados por una inundación.

 

Los satélites SAR orbitan la Tierra en una órbita polar heliosíncrona y funcionan en el rango de las microondas. Las bandas de frecuencia predominantes en el SAR son la banda L, la banda C y la banda X. Existen muchos satélites SAR en operación, entre los que se encuentran los siguientes:

 

 

 

Bibliografía:

 

Christopher F. Barnes, Synthetic Aperture Radar, Wave Theory Foundations, C. F. Barnes, 2014.

Henri Maître (editor), Processing of Synthetic Aperture Radar (SAR) Images, Wiley, 2013.

 

TAGS: Radar, Tierra, Apertura Sintética, observación, sensores ópticos, ,,

Revista Hacia El Espacio de divulgación de la ciencia y tecnologia espacial de la Agencia espacial Méxicana.