Teledetectie Curs 8

8/9/2019 Teledetectie Curs 8

1/10

CURS 8

RADAR

Regiunea microundelor a spectrului EM prezint dou oportuniti pentru

colectarea datelor de teledetecie. Prima, ca i radiaia din intervalul 8-14 m,

suprafaa Pmntului emite microunde ca rezultat al temperaturii sale, n acord

cu relaia Stefan-Boltzmann i cu legea lui Wien. A doua, microundele pot fi

generate artificial ca unde coerente (radar).

Fig. 1 Diversele gazedin atmosfer absorbenergia solar n diferitelelungimi de und printranziii de vibraie i derotaie. Ca rezultat, curbelede iradian solarmsurate n afara spaiului

curba de sus din (a) ila suprafa curba de josdin (a) sunt foarte diferite.Energia disponibil pentruinteraciunile cu materia la

suprafa se mparte nferestre atmosfericediscrete separate de benzidominate de absorbiaatmosferic (n gri). n (b)sunt prezentate principaleleferestre atmosferice pentru

poriunea util din spectrulelectromagnetic (EM) lascar logaritmic, n termende procente transmise prinatmosfer. Aceste dougrafice, mpreun cu

proprietile spectrale alematerialelor naturale,formeaz baza pentruconstrucia sistemelor deteledetecie.


2/10

Toate materialele deasupra lui zero absolut emit microunde, dar pentru

temperatura ambiental a Terrei (300K) energia din aceast zon este foarte

sczut.

Codarea regiunii microundelor utilizat de sistemele radar

Codul benzii Lungimea de und (cm)Ka

K

Ku

X

C

S

LP

0.8 1.1

1.1 1.7

1.7 2.4

2.4 3.8

3.8 7.5

7.5 15

15 3030 - 100

PENTRU A EVITA INTERFERENA NTRE RADIAIA EMIS I CEA

CARE SE NTOARCE DE LA SUPRAFA, ILUMINAREA IMPLIC PULSURI.

PERIOADA PULSURILOR E CRUCIAL ASTFEL CA TOAT RADIAIA CE SE

NTOARCE DE LA SUPRAFA S AJUNG NAINTE DE TRANSMISIA UNUI

ALT PULS. PERIOADA DEPINDE DE DISTANA MAXIM LATERAL

LATERAL SAU DE RAZ, DEOARECE CU CT RAZA ESTE MAI MARE, CUATT VA FI MAI MARE TIMPUL DE NTOARCERE LA ANTEN.

DEOARECE RADARUL SE PROPAG CU VITEZA LUMINII PERIOADA

ESTE DE ORDINUL MICROSECUNDELOR.

RSPUNSUL ANTENEI LA ENERGIA CARE SE NTOARCE DE LA

SUPRAFA PENTRU FIECARE PULS CONST DIN DOU MSURTORI: A

ENERGIEI CE SE NTOARCE I A TIMPULUI (T). ACEST TIMP ESTE O

MSUR A DISTANEI PN LA SUPRAFAA DE UNDE SE NTOARCEENERGIA (DISTANA ESTE DE DOU ORI CEA DINTRE PLATFORM I

OBIect).

r = (ct cos )/2

unde este unghiul de depresie scade pe msur ce crete distana.


3/10

Rezoluia pe imaginile radar depinde de doi parametri: lungimea pulsului i

limea fasciculului.

a.Lungimea fiecrui puls (c , unde este timpul, iar c este viteza luminii)

controleaz rezoluia legat de distan. Pentru a distinge dou obiecte aflate la

sol semnalul d la fiecare obiect trebuie s ajung la anten la timpi diferii. Orice

suprapunere ntre cele dou seturi de semnale va avea ca rezultat o combinare a

celor dou pe imagine. Separaia minim dintre obiecte este umtate din

lungimea pulsului sau c /2.

Rezoluia la sol (cea corespunztoare pe imagine) variaz totui cu unghiul

de depresie :

Rr = (c cos /2)

i crete la deprtare de platform. Totui este independent de altitudinea

platformei.

b.Limea fasciculului radar este exprimat de un unghi ( ) este direct

proporional cu lungimea de und radar ( ) i invers proporional cu lungimea

antenei (L).

Linia de la sol iluminat de fiecare puls depinde de distana fa de

platform cu creterea distanei, crete i conul de iluminare.

Interaciunea radarului cu materialele de la suprafa

Ceea ce se ntmpl cu energia electromagnetic n pulsul radar cnd

acesta ntlnete suprafaa depinde de patru factori majori:

- atitudinea suprafeei;

- rugozitatea i heterogenitatea suprafeei i a materialelor de sub

suprafa;

- lungimea de und, polarizaia i unghiul de depresie al radarului, care suntvariabile controlabile;

- proprietile electrice ale suprafeei constanta dielelctric a materialelor

de la suprafa.

n ordinea descresctoare a importanei, toate ajut la determinarea

proporiei energiei microundelor incidente pe care suprafaa o disperseaz napoi


4/10

direct ctre antena de la bordul avionului sau platformei orbitale. Aceasta are

impact asupra tonului imaginii radar. Cu ct tonul este mai strlucitor cu atr mai

mare este energia dispersat ctre anten.

O msur a intensitii energiei dispersate napoi ctre anten de la un

punct int este seciunea radar. Aceasta este aria unei suprafee ipotetice care

disperseaz energia radar egal n toate direciile i care va napoia aceeai

energie ctre anten ca i punctul int. O msur a energiei dispersate napoi

de la o int cu suprafa mare, cum ar fi un cmp, este coeficientul de

dispersie radar. Acesta este seciunea radar medie pe unitatea de arie. Este o

cantitate adimensional i variaz pe cteva ordine de magnitudine exprimat ca

de 10 ori logaritmul su, n decibeli (dB). Coeficientul de dispersie radar este

msura fundamental a proprietilor radar ale suprafeei i determin tonulsuprafeei pe imaginea radar.

Constanta dielectric complex

n cazul radarului constanta dielectric a materialelor este responsabil de

proporia n care energia radar este reflectat de ctre material i aceea care o

penetreaz.

Materialele cu constant dielectric mare, cum sunt metalele i apa, suntreflectori exceleni i absorb foarte puin energie. Cu ct constanta dielectric

este mai sczut, cu att mai mult energie este absorbit i cu att este mai

mare potenialul de penetraie sub suprafa. Constanta dielectric nu este o

funcie simpl de und, dar variaz relativ puin pentru marea majoritate a rocilor

i solurilor, pe intervalul obinuit de lungimi de und radar.

Solurile uscate au constante dielectrice n intervalul 3-8. Ele sunt destul de

sczute pentru a permite penetrarea unei pri semnificative din energia radar

incident n materialele uscate pn la adncimi de 6 m n banda L radar.

Penetrarea este posibil doar atunci cnd suprafaa topografic este neted din

punct de vedere radar. Sosirile de la suprafa apar doar atunci cnd

subsuprafaa are o component radar. Deoarece apa are un maxim al constantei

dielectrice de 80, principala cauz a variaiei acestui parametru n roci i soluri


5/10

este coninutul lor n umiditate. Pe msur ce coninutul n umiditate crete,

crete i constanta dielectric ntr-un mod aproximativ liniar. Totui, constanta

dielectric a apei crete pe msur ce crete lungimea de und (fig. 2) i acest

lucru influeneaz proprietilor din domeniul radar ale solurilor umede. Deoarece

chiar i solurile saturate conin puin ap efectele nu sunt marcante.

Penetrarea radarului n sol este exprimat n termeni ai numrului de

lungimi de und. Ecuaiile complexe ce genereaz acest comportament

sugereaz c pentru proprietile constantei dielectrice acelai numr de unde

penetreaz, indiferent de lungimea de und. Deci, cu ct lungimea de und este

mai mare, cu att mai mare este penetrarea.

Studii recente indic faptul c coninuturi n umiditate mai mari de 1% sunt

rspunztoare de orice penetraie, astfel c acest fenomen poate fi exploatatdoar n terenurile hiperaride ale deerturilor terestre i pe planete ca Venus i

Marte.

Deoarece frunzele plantelor au un coninut de umiditate foarte mare,

vegetaia are o constant dielectric mai mare dect a materialelor naturale

uscate. Ca rezultat doar o cantitate mic din energia radar este capabil s

penetreze ctre suprafaa de dedesubt, funcie de natura i densitatea

acoperiului vegetal. Fig. 2 sugereaz c cu ct lungimea de und radar estemai mare cu att ea este mai capabil s penetreze vegetaia i s ofere

informaii despre suprafa fa de lungimile de und mai mici.

Cu excepia efectului de pentrare, constanta dielectric este un factor minor

n controlul tonului i texturii imaginilor radar. Ele sunt dominate n principal de

efectele de pant i de rugozitatea suprafeei.


6/10

Fig. 2 Pe msur ce lungimea de und a radiaiei microundelor crete,crete i constanta dielectric efectiv a apei. n cazul benzilor radar Ka i Xconstanta dielectric a apei variaz ntre 30 i 45, n timp ce pentru banda L eaatinge un maxim de 80. Rocile i solurile conin rar mai mult de 15% ap, astfelc efectul umiditii asupra proprietilor lor dielectrice este redus considerabilfa de graficul de mai sus. Din graficul prezentat putem deduce c, deoarececonstanta dielectric a apei scade la lungimi de und mai mici, banda radar Kaeste cea mai potrivit s ptrund sub suprafa. Totui, fizica feomenului nearat c undele radar ptrund n egal msur materialele cu aceeaiumiditate, indiferent de lungimea de und. Deci, contrar ateptrilor, banda L-radar este cea mai eficient n relevarea trsturilor de sub suprafa.

Rugozitatea

Suprafaa perfect neted a unui material cu o constant dielectric mare

acioneaz ca o oglind pentru radar, aa cum face i pentru alte tipuri de

radiaie. Fiind direcionate lateral fa de platform, pulsurile radar ntlnesc

suprafaa orizontal la un unghi acut i sunt reflectate departe de anten la

acelai unghi, fr a fi dispersate. Aceast reflexie de tip rsfrngtor are ca

rezultat o trstur total neagr pentru suprafeele netede (fig. 3a). Acolo unde

suprafaa neted este la un unghi drept fa de fasciculul radar, reflexia este

direct ctre anten, dnd un rspuns strlucitor intens. Dunele de nisip i valurile

oceanelor prezint frecvent acest efect. Reflectorii netezi cu feele aezate la

unghiuri drepte dau reflexii multiple ntre faete. Acesta este principiul din spatele

reflectorilor de col plasai n vrful catargului ambarcaiunilor mici, astfel ca ele

s poat fi detectabile de radarul de navigaie. Legat de unghiul sub care unda


7/10

radar intr n cavitatea unui reflector col, reflexiile dintre faete asigur

ntoarcerea direct a energiei la anten (fig. 3b). Reflectorii col apar n natur la

interseciile dintre strate i fisurile rectangulare dintre roci cum sunt gresiile,

calcarele i lavele. Ele dau natere la scnteieri n interiorul unei zone cu un ton

uniform ce caracterizeaz astfel de roci.

Fig. 3 Modul n care radarul este dispersat depinde de unghiul de inciden ide rugozitatea suprafeei. Prezentm patru posibiliti: (a) o suprafa orizontal i

perfect neted, (b) un reflector col, (c) o suprafa rugoas, (d) o suprafa rugoasnatural

O suprafa rugoas este alctuit din nenumrate neregulariti care imitreflectorii col, pe cnd altele dau natere la interaciuni mult mai complexe.

Efectul net este de dispersie a energiei radar difuz n toate direciile. Unele

ntoarceri ajung la anten ca semnal msurabil (fig. 3c). Rugozitatea, pentru

scopul interaciunii cu radiaia EM este un termen relativ ce depunde de

lungimea de und i unghiul de inciden Dou relaii (ec 1 i 2) permit

cuantificarea rugozitii. n termeni de nlime a neregularitilor rugozitatea (h)

este determinat de lungimea de und () i de unghiul de inciden (). O

suprafa ce apare neted pentru radiaie satisface criteriul lui Rayleigh:

sin25


8/10

sin4.4 >H (2)

Comportamentul undelor radar la suprafeele naturale este complex.

Suprafeele rugoase disperseaz energia difuz n toate direciile, pe cnd

suprafelele cu rugozitate intermediar combin componentele rsfrngtoare idispersiv (fig. 3d). Tonul suprafeelor naturale orizontale pe imaginile radar sunt

de aceea rezultatul combinat al rugozitii lor i n mai mic msur al constantei

dielectrice a materialelor din care este format.

Criteriul Rayleigh arat destul de clar faptul c lungimea de und radar

ajut la determinarea a ceea ce este rugos sau neted. Tabelul 1 arat valori

limit ale nlimii medii a neregularitilor suprafeei asociate cu diferite categorii

de rugozitate pentru trei lungimi de und radar frecvent utilizate.

Tabelul 1 Rugozitatea suprafeei (n cm) raportat la lungimea de und, obinut dincriteriul lui RayleighRugozitate banda-Ka banda-X banda-LNeted

Intermediar

Rugos

0.28

0.96

8.04

POLARIZAIA

CA I LUMINA VIZIBIL, TRANSMISIA I RECEPIA ENERGIEI RADAR

SE POATE FACE N MOURI DIFERITE DE POLARIZARE. PENTRU RADAR

POLARIZAREA SE FACE ORIZONTAL (H) SAU VERTICAL (V). CEA MAI

OBINUIT COMBINAIE ESTE TRANSMISIA ORIZONTAL I RECEPIA

TOT ORIZONTAL (CODAT HH). TRANSMISIA ORIZONTAL I RECEPIA

VERTICAL (HV) PRODUCE O IMAGINE POLARIZAT NCRUCIAT

(CROSS-POLARIZED). ACESTEA DOU SUNT CELE MAI UTILIZATE.INTERACIUNEA DINTRE SUPRAFA I UNDELE RADAR DE OBICEI

LAS SENSUL POLARIZAIEI NESCHIMBAT. TOTUI POATE APARE O

DEPOLARIZAIE SAU ROTAIE A PLANULUI DE POLARIZAIE. PROPORIA

DEPOLARIZAIEI SAU ROTAIA CU 90 poate fi obinut pe imagini de


9/10

polarizaie incruciat. Acolo unde exist vegetaie exist mari anse s apar

astfel de fenomene (datorit structurii de frunze, ramuri etc.).

Interpretarea imaginilor radar

Procesele ce produc tonul i textura pe imaginile radar variaz i sunt foarte

complexe.

Strategia de adoptat:

-aplicarea iniial a ctorva din principiile fotointerpretrii clasice, apoi

analiza acstor trsturi pe imagini radar luate din direcii diferite. Perechile de

imagini radar colectate cu direcii diferite de vedere sau cu diferite unghiuri de

depresie induc o paralax i, ca i n cazul aerofotogramelor, permit o analiz

stereoscopic.

Imaginile multipolarizate i multifrecven ofer informaii adiionale desprecompoziia i textura materialelor de la suprafaa terenului. Acestea conin date

cantitative ce pot fi analizate prin tehnici de procesare sau prin comparare cu alte

tipuri de date.

Trsturile geologice pe imaginile radar

Cea mai vizibil trstur pe imaginile radar este modul n care

accentueaz topografia suprafeei. n anumite privine seamn cu imaginileluate la un unghi al soarelui foarte mic. Umbrirea puternic ajut ochiul s

aprecieze topografia datorit efectului pseudo-streoscopic.

Aceast accentuare a trsturilor topografice este foarte important pentru

interpretarea structurilor geologice ce au dedesubt forme distructive majore (ex.

atitudinea stratelor componente i faliile, cutele i limitele intruziunilor

magmatice).

O alt proprietate a radarului pune n eviden structurile prin efectul

reflectorilor col (ex. n cazul fisurilor sau a discontinuitilor dispuse la unghiuri

drepte). Toat energia ce ilumineaz unghiul se ntoarce la anten producnd o

trstur alb.


10/10

De asemenea, radarul scoate n eviden caracteristicile proceselor

erozionale sau construcionale, lucru deosebit de important n terenuri glaciare

(se vd mai bine structurile drenajului).

n condiii de ariditate excesiv o parte din energia radar care se ntoarce la

anten provine se sub suprafa. n deerturi hiperaride informaiile radar ne

ofer informaii directe despre trsturile reliefului ngropat. Radarul este singura

metod de teledetecie ce face acest lucru posibil, dar doar studiile de teren pot

confirma de la ce adncime provine informaia. De mare important n aceste

medii este detectarea limitei dintre nisip (dune) i roca de baz ce ne ofer

informaii despre modelele erozionale premergtoare invaziei nisipului.

Teledetectie Curs 8

Documents

Transcript of Teledetectie Curs 8