La obtención de imágenes de alta resolución con barrido amplio ( HRWS ) es una rama importante de la obtención de imágenes con radar de apertura sintética (SAR), una técnica de teledetección capaz de proporcionar imágenes de alta resolución independientemente de las condiciones meteorológicas y de la iluminación solar. Esto hace que el SAR sea muy atractivo para la observación sistemática de procesos dinámicos en la superficie de la Tierra, lo que resulta útil para la vigilancia medioambiental , el mapeo de los recursos terrestres y los sistemas militares.
La tecnología SAR ha proporcionado información estructural del terreno a los geólogos para la exploración minera, [1] derrames de petróleo , [2] límites en el agua a los ambientalistas, mapas del estado del mar y de los peligros del hielo a los navegantes, [3] e información de inteligencia, vigilancia, reconocimiento y detección a las operaciones militares. [4]
Los sistemas SAR convencionales tienen la limitación de que solo se puede lograr una amplia franja de cobertura a expensas de una resolución azimutal degradada . Dado que tanto las franjas de cobertura amplias como la salida de alta resolución son importantes, esto plantea desafíos y requisitos contradictorios en el diseño de sistemas SAR a bordo del espacio y nuevos algoritmos relacionados.
Los sistemas SAR de alta resolución de última generación son bastante limitados en cuanto a su capacidad de adquisición. [ cita requerida ]
Un ejemplo es el TerraSAR-X , un satélite alemán de observación de la Tierra. Su carga útil principal es un sensor de radar de banda X (3,1 cm), con diferentes modos de funcionamiento, lo que le permite proporcionar múltiples modos de obtención de imágenes para registrar imágenes con diferentes anchos de franja, resoluciones y polarizaciones (consulte la figura para obtener más detalles). En el modo de mapa de franjas (resolución espacial de 3 m), necesita 10 semanas para cartografiar la masa continental global de la Tierra. Esta limitación también planteó un desafío en el diseño del TanDEM-X , que es el satélite gemelo del TerraSAR-X. Volando en formación cerrada a solo unos cientos de metros de distancia, los dos satélites están obteniendo imágenes del terreno debajo de ellos simultáneamente, pero desde diferentes ángulos. Se necesita un año para lograr una adquisición interferométrica global de la masa continental de la Tierra para el TanDEM-X.
Para superar esto, algunos científicos proponen la misión Tandem-L, que es un ejemplo destacado. [5] El concepto de la misión Tandem-L se basa en el uso de dos satélites que operan en la banda L (longitud de onda de 24 cm), que tiene una longitud de onda mucho más larga en comparación con la banda X. La longitud de onda más larga le permite cumplir con los requisitos para una medición tomográfica de la estructura tridimensional de la vegetación y las regiones de hielo, también para el estudio a gran escala de deformaciones con precisión milimétrica.
Las futuras misiones SAR pueden requerir una capacidad de mapeo uno o incluso dos órdenes de magnitud mejor que la de Tandem-L, cuyo objetivo es la investigación de procesos dinámicos en la superficie de la Tierra. Para ello, se requiere un instrumento SAR extremadamente potente, capaz de mapear toda la superficie de la Tierra dos veces por semana, en plena polarización y con una resolución espacial muy por debajo de los 10 m. Por otro lado, algunas otras misiones requieren una resolución espacial mucho mayor.
Con un solo satélite, solo se puede lograr una cobertura frecuente y sin interrupciones si se captura una franja amplia.
El ancho de franja limita el intervalo de repetición de pulsos (PRI) o, equivalentemente, la frecuencia de repetición de pulsos (PRF), que equivale a 1/PRI de la siguiente manera.
Si el sensor SAR vuela a una velocidad de , y hay dos objetivos P y Q en el suelo, el ángulo acimutal se calcula como . Para los SAR de ancho de banda pequeño, la relación lineal habitual entre la frecuencia acimutal y el ángulo con la longitud de onda se describe de la siguiente manera:
Para optimizar el rendimiento y controlar el rango de ambigüedades, el PRI debe ser mayor que el tiempo que se tarda en recolectar los datos de toda la franja iluminada. Sin embargo, por otro lado, para evitar niveles de ambigüedad de acimut enormes, un PRI grande implica la adopción de un ancho de banda Doppler pequeño y restringe la resolución de acimut alcanzable. [6]
Un ejemplo es la combinación de centros de fase desplazados en acimut con el ScanSAR de baja resolución o el modo de observación del terreno mediante escaneos progresivos (TOPS). [7]
Al igual que en el ScanSAR clásico, [8] se utilizan ráfagas azimutales para mapear varias franjas. En la segunda imagen se muestra el funcionamiento innovador de los sistemas SAR multicanal en modos de ráfaga, donde se consideran configuraciones multicanal con una sola antena de transmisión ("Tx") y varias antenas de recepción ("Rx"). La Tx y la Rx se pueden realizar en plataformas separadas, así como por separado en la misma plataforma o incluso integradas en la misma antena mediante la tecnología de módulo de transmisión y recepción (T/R).
Uno de los pasos clave es el procesamiento azimutal multicanal. Un SAR multicanal en azimut puede interpretarse como un sistema lineal de funciones de filtro que caracterizan las respuestas de impulso de las aperturas individuales en amplitud y fase en función de la frecuencia Doppler . A la izquierda se muestra un modelo general del sistema.
caracteriza la escena, mientras que es la respuesta al impulso de acimut de un sistema de apertura única, lo que produce lo que da la señal SAR monoestática equivalente. Las funciones representan el canal entre el transmisor (Tx) y cada receptor (Rx ) con respecto a la respuesta al impulso monoestático, lo que da como resultado la respectiva señal SAR multicanal . Suponiendo un solo transmisor y varios canales receptores, la distancia física a lo largo de la trayectoria entre Rx y está dada por Δx, mientras que λ representa la longitud de onda de la portadora, representa el rango de inclinación y y representan las velocidades del sensor y del haz en el suelo, respectivamente.
Después de la recepción, cada señal es muestreada en acimut por la frecuencia de muestreo (PRF) y, por lo tanto, el ancho de banda máximo de la señal es N⋅PRF de acuerdo con la frecuencia de muestreo efectiva. Una caracterización compacta de todo el sistema se proporciona entonces mediante la matriz , donde se debe notar la dependencia del parámetro PRF.
Según un teorema de muestreo generalizado, N representaciones independientes de una señal, cada una submuestreada a 1/N de la frecuencia de Nyquist de la señal, permiten la "reconstrucción" inequívoca de la señal original a partir de los espectros Doppler alias de las N representaciones. Esto significa que cualquier señal limitada en banda está determinada de forma única en términos de las respuestas o, equivalentemente, por las respectivas funciones . Esto es válido independientemente de la distribución espacial de la muestra siempre que las muestras no coincidan en el espacio. Entonces, la inversión de produce una matriz que contiene en sus filas N funciones, cada una de las cuales representa el filtro para el procesamiento multicanal del canal
La señal original se recupera filtrando cada canal con su filtro de "reconstrucción" adecuado y la posterior combinación coherente de todos los canales del receptor ponderados. La pérdida de resolución asociada al hecho de compartir la apertura sintética entre diferentes franjas se compensa mediante la recopilación de ecos de radar con múltiples aperturas azimutales desplazadas.
Un posible inconveniente de los métodos multicanal ScanSAR o TOPS es el centroide Doppler bastante alto, [9] que es uno de los parámetros más importantes que se deben estimar al calcular imágenes SAR. Para algunos de los objetivos fotografiados, en caso de que se desee una alta resolución. Además, los ángulos de estrabismo altos también pueden dificultar el registro conjunto en aplicaciones interferométricas.
Además del ScanSAR multicanal, son de gran interés los conceptos basados en la grabación simultánea de ecos de diferentes pulsos, transmitidos por un iluminador de haz ancho y procedentes de diferentes direcciones. [10]
Porque tiene las siguientes ventajas: las múltiples aperturas que se desplazan a lo largo de la trayectoria pueden adquirir muestras adicionales a lo largo de la apertura sintética y, al mismo tiempo, permiten una supresión eficiente de las ambigüedades de acimut. Además, al controlar un haz receptor altamente directivo que sigue el pulso del radar a medida que viaja sobre el terreno, los múltiples canales en elevación pueden mejorar la relación señal-ruido (SNR) sin reducir el ancho de la franja. Además, las arquitecturas avanzadas de SAR multicanal pueden evitar el uso de antenas Tx y Rx separadas y permitir un aumento del área de cobertura sin la necesidad de alargar la antena o emplear modos de ráfaga.
Para lograr estos beneficios, la antena receptora generalmente se divide en múltiples subaberturas, y cada una de ellas se conecta a sus canales receptores individuales. Luego, las señales de subabertura registradas digitalmente se combinan en un procesador espaciotemporal para formar simultáneamente múltiples haces independientes y recopilar información adicional sobre la dirección de los ecos de radar dispersos.
Una alternativa a una matriz planar es una antena reflectora en combinación con una matriz de alimentación digital, que es de especial interés para los sistemas de radar de baja frecuencia que operan en la banda L y P (1 m), [11] combina las capacidades de formación de haz digital con la alta directividad de una antena reflectora grande.
La arquitectura basada en reflector ofrece la posibilidad de utilizar todos los elementos del conjunto simultáneamente para la transmisión de un haz amplio sin desbordamiento, como se desea para una iluminación de franja amplia.
En el caso de un reflector parabólico con un conjunto de elementos de alimentación cerca del punto focal, las señales que llegan desde una dirección determinada suelen corresponder a un solo elemento de alimentación activado o a un subconjunto muy pequeño de ellos. Esta propiedad podría reducir la complejidad de implementación y los costes de un radar de formación de haz digital.
Sin embargo, este método también tiene su inconveniente, que es la presencia de rangos ciegos a lo largo de la franja, ya que el radar no puede recibir mientras está transmitiendo.
Una alternativa interesante a una antena plana es un reflector, alimentado por un conjunto multicanal. Un reflector parabólico enfoca una onda plana que llega a uno o un pequeño subconjunto de elementos de alimentación. Como los ecos de la franja llegan como ondas planas desde ángulos de observación cada vez mayores, uno necesita leer solo un elemento de alimentación después del otro para dirigir un haz de alta ganancia en conjunto con los ecos que llegan. Una desventaja del modo multihaz es la presencia de rangos ciegos a lo largo de la franja, ya que el radar no puede recibir mientras está transmitiendo. [12] [13]
Se han sugerido varias técnicas innovadoras que utilizan múltiples aperturas de recepción ("Rx") para superar las limitaciones inherentes del SAR convencional para realizar imágenes HRWS. Para un rendimiento óptimo, la relación entre la velocidad del sensor y los desplazamientos a lo largo de la trayectoria de las subaberturas debe dar como resultado centros de fase efectivos igualmente espaciados, lo que conduce a un muestreo uniforme de la señal recibida. Esto requiere que la frecuencia de pulso óptima sea igual a .
Si se elige una PRF no óptima, las muestras recopiladas se espacian de manera no uniforme. Esto requiere un paso de procesamiento adicional después de la conversión descendente y la cuantificación de la señal de azimut de múltiples aperturas antes de que se puedan aplicar algoritmos monoestáticos convencionales (como el algoritmo de rango Doppler (RDA) [14] y el algoritmo de escala de chirrido (CSA) [15] ). Para esto, las señales de apertura individuales se consideran canales Rx independientes (consulte la figura inferior, A/D significa convertidor analógico a digital). El propósito del procesamiento de azimut es combinar canales, cada uno con un ancho de banda de , submuestreado con para obtener una señal muestreada efectivamente con , que alcanza el criterio de Nyquist promediando después del procesamiento. Por lo tanto, la señal de salida está libre de aliasing en el caso óptimo.
Como se mencionó en la sección anterior, los modos multihaz tienen una desventaja que es la presencia de rangos ciegos a lo largo de la franja, ya que el radar no puede recibir mientras está transmitiendo. El SAR escalonado [16] puede superar este inconveniente al variar continuamente el PRI de manera cíclica, lo que permite obtener imágenes de una franja amplia y continua sin la necesidad de una antena larga con múltiples aperturas.
Esto funciona porque en las imágenes SAR por satélite, la longitud de la antena y la resolución de acimut requerida establecen un límite superior para el PRI seleccionado . El PRI , a su vez, limitará el ancho máximo de franja continua en el rango oblicuo, que solo está ligeramente influenciado por la longitud del pulso transmitido sin comprimir . El intervalo de tiempo continuo en el que se puede recibir el eco del radar está limitado superiormente por el intervalo de tiempo entre el final de un pulso transmitido y el comienzo del siguiente, digamos . Sin embargo, cuando el radar está transmitiendo, el dispositivo no puede recibir el eco del radar, por lo que el radar solo puede recibir una señal de los objetivos que están incluidos dentro de . La diferencia entre estos dos intervalos de tiempo causa el área de rango ciego que está dada por , donde es la velocidad de la luz en el espacio libre.
Si el PRI es uniforme, los rangos ciegos permanecerán inalterados a lo largo del acimut y, después de la compresión en acimut, la imagen tendrá franjas ciegas de ancho . Si el PRI varía, sin embargo, los rangos ciegos aún existen, pero la posición de estos rangos ciegos también varía y será diferente para cada pulso transmitido, porque el pulso transmitido solo está relacionado con los pulsos transmitidos anteriores. Entonces, cuando se toma en consideración la apertura sintética general, resulta que en cada rango oblicuo, solo faltan algunos de los pulsos transmitidos, por lo que es posible obtener una imagen SAR en una franja amplia y continua. La figura de la derecha muestra la ubicación del rango ciego tanto del PRI fijo como del PRI variado .
