El radar de apertura sintética ( SAR ) es una forma de radar que se utiliza para crear imágenes bidimensionales o reconstrucciones tridimensionales de objetos, como paisajes. [1] SAR utiliza el movimiento de la antena del radar sobre una región objetivo para proporcionar una resolución espacial más fina que los radares de barrido de haz estacionarios convencionales. El SAR suele montarse en una plataforma móvil, como un avión o una nave espacial, y tiene su origen en una forma avanzada de radar aerotransportado de visión lateral (SLAR). La distancia que recorre el dispositivo SAR sobre un objetivo durante el período en que la escena del objetivo está iluminada crea la gran apertura de la antena sintética (el tamaño de la antena). Normalmente, cuanto mayor sea la apertura, mayor será la resolución de la imagen, independientemente de si la apertura es física (una antena grande) o sintética (una antena móvil); esto permite al SAR crear imágenes de alta resolución con antenas físicas comparativamente pequeñas. Para un tamaño y orientación de antena fijos, los objetos que están más lejos permanecen iluminados por más tiempo; por lo tanto, el SAR tiene la propiedad de crear aperturas sintéticas más grandes para objetos más distantes, lo que resulta en una resolución espacial consistente en un rango de distancias de visualización.
Para crear una imagen SAR, se transmiten pulsos sucesivos de ondas de radio para "iluminar" la escena del objetivo y se recibe y registra el eco de cada pulso. Los impulsos se transmiten y los ecos se reciben mediante una única antena formadora de haces , con longitudes de onda que van desde un metro hasta varios milímetros. A medida que se mueve el dispositivo SAR a bordo de la aeronave o nave espacial, la ubicación de la antena en relación con el objetivo cambia con el tiempo. El procesamiento de señales de los sucesivos ecos de radar registrados permite combinar las grabaciones de estas múltiples posiciones de antena. Este proceso forma la apertura de la antena sintética y permite la creación de imágenes de mayor resolución que las que serían posibles con una antena física determinada. [2]
El SAR es capaz de realizar sensores remotos de alta resolución , independientemente de la altitud de vuelo y del clima, ya que el SAR puede seleccionar frecuencias para evitar la atenuación de la señal causada por el clima. El SAR tiene capacidad de imágenes diurnas y nocturnas, ya que el SAR proporciona la iluminación. [3] [4] [5]
Las imágenes SAR tienen amplias aplicaciones en teledetección y mapeo de superficies de la Tierra y otros planetas. Las aplicaciones de SAR son numerosas. Los ejemplos incluyen topografía, oceanografía, glaciología, geología (por ejemplo, discriminación del terreno e imágenes del subsuelo). El SAR también se puede utilizar en silvicultura para determinar la altura, la biomasa y la deforestación del bosque. El monitoreo de volcanes y terremotos utiliza interferometría diferencial . El SAR también se puede aplicar para monitorear la estabilidad de la infraestructura civil, como puentes. [6] El SAR es útil en el monitoreo ambiental, como derrames de petróleo, inundaciones, [7] [8] crecimiento urbano, [9] vigilancia militar: incluida la política estratégica y la evaluación táctica. [5] El SAR se puede implementar como SAR inverso observando un objetivo en movimiento durante un tiempo sustancial con una antena estacionaria.
Un radar de apertura sintética es un radar de imágenes montado sobre una plataforma móvil. [10] Las ondas electromagnéticas se transmiten secuencialmente, los ecos se recogen y la electrónica del sistema digitaliza y almacena los datos para su posterior procesamiento. Como la transmisión y la recepción ocurren en momentos diferentes, se asignan a diferentes posiciones pequeñas. La combinación bien ordenada de las señales recibidas crea una apertura virtual que es mucho más larga que el ancho físico de la antena. De ahí el término "apertura sintética", que le otorga la propiedad de un radar de imágenes. [5] La dirección del alcance es perpendicular a la trayectoria de vuelo y perpendicular a la dirección del azimut, que también se conoce como dirección a lo largo de la trayectoria porque está en línea con la posición del objeto dentro del campo de visión de la antena.
El procesamiento 3D se realiza en dos etapas. El acimut y la dirección del alcance se enfocan para la generación de imágenes de alta resolución 2D (rango de azimut), después de lo cual se utiliza un modelo de elevación digital (DEM) [11] [12] para medir las diferencias de fase entre imágenes complejas, que es determinado desde diferentes ángulos de visión para recuperar la información de altura. Esta información de altura, junto con las coordenadas del rango de acimut proporcionadas por el enfoque SAR 2-D, proporciona la tercera dimensión, que es la elevación. [3] El primer paso requiere solo algoritmos de procesamiento estándar, [12] para el segundo paso, se utiliza un preprocesamiento adicional, como el registro conjunto de imágenes y la calibración de fase. [3] [13]
Además, se pueden utilizar múltiples líneas de base para extender las imágenes 3D a la dimensión temporal . Las imágenes SAR 4D y multi-D permiten obtener imágenes de escenarios complejos, como áreas urbanas, y tienen un rendimiento mejorado con respecto a las técnicas interferométricas clásicas, como la interferometría de dispersión persistente (PSI). [14]
Los algoritmos SAR modelan la escena como un conjunto de objetivos puntuales que no interactúan entre sí (la aproximación de Born ).
Si bien los detalles de varios algoritmos SAR difieren, el procesamiento SAR en cada caso es la aplicación de un filtro coincidente a los datos sin procesar, para cada píxel en la imagen de salida, donde los coeficientes del filtro coincidente son la respuesta de un único objetivo puntual aislado. [15] En los primeros días del procesamiento SAR, los datos sin procesar se registraban en una película y el posprocesamiento mediante filtro adaptado se implementaba ópticamente utilizando lentes de forma cónica, cilíndrica y esférica. El algoritmo Range-Doppler es un ejemplo de un enfoque más reciente.
El radar de apertura sintética determina la reflectividad 3D a partir de los datos SAR medidos. Básicamente es una estimación del espectro, porque para una celda específica de una imagen, las mediciones de SAR de valor complejo de la pila de imágenes SAR son una versión muestreada de la transformada de Fourier de reflectividad en la dirección de elevación, pero la transformada de Fourier es irregular. [16] Por lo tanto, las técnicas de estimación espectral se utilizan para mejorar la resolución y reducir el speckle en comparación con los resultados de las técnicas de imágenes SAR con transformada de Fourier convencionales. [17]
FFT (Transformada rápida de Fourier, es decir, periodograma o filtro coincidente ) es uno de esos métodos, que se utiliza en la mayoría de los algoritmos de estimación espectral, y existen muchos algoritmos rápidos para calcular la transformada de Fourier discreta multidimensional. El álgebra computacional de matriz de núcleos de Kronecker [18] es un algoritmo popular utilizado como nueva variante de los algoritmos FFT para el procesamiento en sistemas de radar de apertura sintética (SAR) multidimensionales. Este algoritmo utiliza un estudio de las propiedades teóricas de conjuntos de indexación de datos de entrada/salida y grupos de permutaciones.
Se utiliza una rama del álgebra lineal multidimensional finita para identificar similitudes y diferencias entre varias variantes del algoritmo FFT y para crear nuevas variantes. Cada cálculo de DFT multidimensional se expresa en forma matricial. La matriz DFT multidimensional, a su vez, se desintegra en un conjunto de factores, llamados primitivas funcionales, que se identifican individualmente con un diseño computacional de software/hardware subyacente. [5]
La implementación de FFT es esencialmente una realización del mapeo del marco matemático mediante la generación de variantes y la ejecución de operaciones matriciales. El rendimiento de esta implementación puede variar de una máquina a otra y el objetivo es identificar en qué máquina funciona mejor. [19]
El método espectral de Capon, también llamado método de varianza mínima, es una técnica de procesamiento de matrices multidimensionales. [22] Es un método no paramétrico basado en covarianza, que utiliza un enfoque adaptativo de banco de filtros emparejados y sigue dos pasos principales:
El filtro de paso de banda adaptativo Capon está diseñado para minimizar la potencia de salida del filtro, así como pasar las frecuencias ( ) sin atenuación alguna, es decir, para satisfacer, para cada ( ),
donde R es la matriz de covarianza , es la transpuesta conjugada compleja de la respuesta impulsiva del filtro FIR, es el vector de Fourier 2D, definido como , denota el producto de Kronecker. [22]
Por lo tanto, pasa por una sinusoide 2D a una frecuencia determinada sin distorsión y al mismo tiempo minimiza la variación del ruido de la imagen resultante. El propósito es calcular la estimación espectral de manera eficiente. [22]
La estimación espectral se da como
donde R es la matriz de covarianza y es la transpuesta compleja conjugada 2D del vector de Fourier. El cálculo de esta ecuación para todas las frecuencias requiere mucho tiempo. Se ve que el estimador de Capon hacia adelante-hacia atrás produce una mejor estimación que el enfoque clásico de capon solo hacia adelante. La razón principal detrás de esto es que mientras que el Capon hacia adelante-hacia atrás usa los vectores de datos hacia adelante y hacia atrás para obtener la estimación de la matriz de covarianza, el Capon solo hacia adelante usa solo los vectores de datos hacia adelante para estimar la matriz de covarianza. [22]
El método APES (estimación de amplitud y fase) también es un método de banco de filtros adaptados, que supone que los datos del historial de fases son una suma de sinusoides 2D en ruido.
El estimador espectral APES tiene interpretación de filtrado de 2 pasos:
Empíricamente, el método APES da como resultado picos espectrales más amplios que el método Capon, pero estimaciones espectrales más precisas para la amplitud en SAR. [25] En el método Capon, aunque los picos espectrales son más estrechos que los de los APES, los lóbulos laterales son más altos que los de los APES. Como resultado, se espera que la estimación de la amplitud sea menos precisa para el método Capon que para el método APES. El método APES requiere aproximadamente 1,5 veces más cálculo que el método Capon. [26]
El método SAMV es un algoritmo basado en la reconstrucción de señales dispersas sin parámetros. Alcanza una superresolución y es resistente a señales altamente correlacionadas. El nombre enfatiza su base en el criterio de varianza mínima asintótica (AMV). Es una poderosa herramienta para la recuperación de las características de amplitud y frecuencia de múltiples fuentes altamente correlacionadas en entornos desafiantes (por ejemplo, número limitado de instantáneas, baja relación señal-ruido ). Las aplicaciones incluyen imágenes de radar de apertura sintética y localización de varias fuentes. .
El método SAMV es capaz de lograr una resolución superior a algunos métodos paramétricos establecidos, por ejemplo, MUSIC , especialmente con señales altamente correlacionadas.
La complejidad computacional del método SAMV es mayor debido a su procedimiento iterativo.
Este método de descomposición subespacial separa los vectores propios de la matriz de autocovarianza en los correspondientes a señales y al desorden. [5] La amplitud de la imagen en un punto ( ) viene dada por:
donde es la amplitud de la imagen en un punto , es la matriz de coherencia y es el hermitiano de la matriz de coherencia, es la inversa de los valores propios del subespacio de desorden, son vectores definidos como [5]
donde ⊗ denota el producto de Kronecker de los dos vectores.
MUSIC detecta frecuencias en una señal realizando una descomposición propia en la matriz de covarianza de un vector de datos de las muestras obtenidas de las muestras de la señal recibida. Cuando todos los vectores propios se incluyen en el subespacio de desorden (orden del modelo = 0), el método EV se vuelve idéntico al método Capon. Por tanto, la determinación del orden del modelo es fundamental para el funcionamiento del método EV. El valor propio de la matriz R decide si su correspondiente vector propio corresponde al desorden o al subespacio de señal. [5]
Se considera que el método MUSIC tiene un rendimiento deficiente en aplicaciones SAR. Este método utiliza una constante en lugar del subespacio de desorden. [5]
En este método, el denominador se equipara a cero cuando una señal sinusoidal correspondiente a un punto en la imagen SAR está alineada con uno de los vectores propios subespaciales de la señal, que es el pico en la estimación de la imagen. Por tanto, este método no representa con precisión la intensidad de dispersión en cada punto, sino que muestra los puntos particulares de la imagen. [5] [28]
El algoritmo de retroproyección tiene dos métodos: retroproyección en el dominio del tiempo y retroproyección en el dominio de la frecuencia . La retroproyección en el dominio del tiempo tiene más ventajas que la retroproyección en el dominio de la frecuencia y, por lo tanto, es más preferida. La retroproyección en el dominio del tiempo forma imágenes o espectros haciendo coincidir los datos adquiridos del radar con los que espera recibir. Puede considerarse como un filtro adaptado ideal para radares de apertura sintética. No es necesario tener un paso de compensación de movimiento diferente debido a su calidad para manejar movimientos/muestreo no ideales. También se puede utilizar para diversas geometrías de imágenes. [29]
En GEO-SAR, para centrarse especialmente en la trayectoria en movimiento relativo, el algoritmo de retroproyección funciona muy bien. Utiliza el concepto de Procesamiento Azimutal en el dominio del tiempo. Para la geometría terrestre del satélite, GEO-SAR desempeña un papel importante. [30]
El procedimiento de este concepto se elabora de la siguiente manera. [30]
Capon y APES pueden producir estimaciones espectrales más precisas con lóbulos laterales mucho más bajos y picos espectrales más estrechos que el método de transformada rápida de Fourier (FFT), que también es un caso especial de los enfoques de filtrado FIR. Se ve que aunque el algoritmo APES proporciona picos espectrales ligeramente más amplios que el método Capon, el primero produce estimaciones espectrales generales más precisas que el segundo y el método FFT. [25]
El método FFT es rápido y sencillo pero tiene lóbulos laterales más grandes. Capon tiene alta resolución pero alta complejidad computacional. EV también tiene alta resolución y alta complejidad computacional. APES tiene una resolución más alta, más rápido que capón y EV pero una alta complejidad computacional. [10]
El método MUSIC generalmente no es adecuado para imágenes SAR, ya que blanquear los valores propios del desorden destruye las faltas de homogeneidad espacial asociadas con el desorden del terreno u otra dispersión difusa en las imágenes SAR. Pero ofrece una resolución de frecuencia más alta en la densidad espectral de potencia (PSD) resultante que los métodos basados en la transformada rápida de Fourier (FFT). [31]
El algoritmo de retroproyección es computacionalmente costoso. Es especialmente atractivo para sensores que son de banda ancha, gran angular y/o tienen aperturas largas y coherentes con un movimiento sustancial fuera de la pista. [32]
SAR requiere que las capturas de eco se realicen en múltiples posiciones de antena. Cuantas más capturas se realicen (en diferentes ubicaciones de antena), más confiable será la caracterización del objetivo.
Se pueden obtener múltiples capturas moviendo una sola antena a diferentes ubicaciones, colocando múltiples antenas estacionarias en diferentes ubicaciones, o combinaciones de las mismas.
La ventaja de una única antena móvil es que se puede colocar fácilmente en cualquier número de posiciones para proporcionar cualquier número de formas de onda monoestáticas. Por ejemplo, una antena montada en un avión realiza muchas capturas por segundo mientras el avión viaja.
Las principales ventajas de las múltiples antenas estáticas son que se puede caracterizar un objetivo en movimiento (suponiendo que la electrónica de captura sea lo suficientemente rápida), que no se necesita ningún vehículo o maquinaria de movimiento y que las posiciones de las antenas no necesitan derivarse de otra información, a veces poco confiable. (Un problema con el SAR a bordo de un avión es conocer las posiciones precisas de las antenas mientras el avión viaja).
Para múltiples antenas estáticas, son posibles todas las combinaciones de capturas de formas de onda de radar monoestáticas y multiestáticas . Sin embargo, tenga en cuenta que no es ventajoso capturar una forma de onda para cada una de ambas direcciones de transmisión para un par de antenas determinado, porque esas formas de onda serán idénticas. Cuando se utilizan múltiples antenas estáticas, el número total de formas de onda de eco únicas que se pueden capturar es
donde N es el número de posiciones de antena únicas.
La antena permanece en una posición fija. Puede ser ortogonal a la trayectoria de vuelo o puede estar ligeramente entrecerrado hacia adelante o hacia atrás. [5]
Cuando la apertura de la antena recorre la trayectoria de vuelo, se transmite una señal a una velocidad igual a la frecuencia de repetición del pulso (PRF). El límite inferior de la PRF está determinado por el ancho de banda Doppler del radar. La retrodispersión de cada una de estas señales se agrega de forma conmutativa píxel por píxel para lograr la resolución de acimut fina deseada en las imágenes de radar. [33]
La apertura sintética del foco viene dada por
donde es el ángulo formado entre el principio y el final de la imagen, como se muestra en el diagrama de imágenes con foco y es la distancia del alcance.
El modo foco ofrece una mejor resolución, aunque para una zona de terreno más pequeña. En este modo, el haz de iluminación del radar se dirige continuamente a medida que el avión se mueve, de modo que ilumina la misma zona durante un período de tiempo más largo. Este modo no es un modo tradicional de imágenes de tira continua; sin embargo, tiene una alta resolución de azimut. [28] En [34] se ofrece una explicación técnica del SAR puntual desde los primeros principios.
Mientras funciona como modo de escaneo SAR, el haz de la antena barre periódicamente y, por lo tanto, cubre un área mucho más grande que los modos de foco y mapa de franjas. Sin embargo, la resolución del azimut se vuelve mucho menor que en el modo de mapa de franjas debido a la disminución del ancho de banda del azimut. Claramente se logra un equilibrio entre la resolución del azimut y el área de escaneo del SAR. [35] Aquí, la apertura sintética se comparte entre las subfranjas y no está en contacto directo dentro de una subfranja. Se requiere operación en mosaico en las direcciones de azimut y alcance para unir las ráfagas de azimut y las subfranjas de alcance. [28]
Las ondas de radar tienen una polarización . Diferentes materiales reflejan ondas de radar con diferentes intensidades, pero los materiales anisotrópicos como la hierba a menudo reflejan diferentes polarizaciones con diferentes intensidades. Algunos materiales también convertirán una polarización en otra. Emitiendo una mezcla de polarizaciones y utilizando antenas receptoras con una polarización específica, se pueden recoger varias imágenes de una misma serie de pulsos. Con frecuencia se utilizan tres de estas polarizaciones RX-TX (HH-pol, VV-pol, VH-pol) como tres canales de color en una imagen sintetizada. Esto es lo que se ha hecho en la imagen de la derecha. La interpretación de los colores resultantes requiere pruebas importantes de materiales conocidos.
Los nuevos avances en polarimetría incluyen el uso de cambios en los retornos de polarización aleatorios de algunas superficies (como hierba o arena) y entre dos imágenes de la misma ubicación en diferentes momentos para determinar dónde ocurrieron cambios no visibles para los sistemas ópticos. Los ejemplos incluyen túneles subterráneos o caminos de vehículos que circulan por el área que se está fotografiando. Se ha desarrollado una observación SAR mejorada de las mareas negras mediante modelos físicos apropiados y el uso de mediciones totalmente polarimétricas y polarimétricas duales.
La polarimetría SAR es una técnica utilizada para obtener información física cualitativa y cuantitativa para aplicaciones terrestres, de nieve y hielo, oceánicas y urbanas basada en la medición y exploración de las propiedades polarimétricas de dispersores naturales y artificiales. La clasificación del terreno y el uso de la tierra es una de las aplicaciones más importantes del radar polarimétrico de apertura sintética (PolSAR). [36]
La polarimetría SAR utiliza una matriz de dispersión (S) para identificar el comportamiento de dispersión de los objetos después de una interacción con una onda electromagnética. La matriz está representada por una combinación de estados de polarización horizontal y vertical de señales transmitidas y recibidas.
donde, HH es para transmisión horizontal y recepción horizontal, VV es para transmisión vertical y recepción vertical, HV es para transmisión horizontal y recepción vertical, y VH – para transmisión vertical y recepción horizontal.
Las dos primeras de estas combinaciones de polarización se denominan igual polarizadas (o copolarizadas), porque las polarizaciones de transmisión y recepción son las mismas. Las dos últimas combinaciones se denominan polarización cruzada porque las polarizaciones de transmisión y recepción son ortogonales entre sí. [37]
El modelo de potencia de dispersión de tres componentes de Freeman y Durden [38] se utiliza con éxito para la descomposición de una imagen PolSAR, aplicando la condición de simetría de reflexión utilizando una matriz de covarianza. El método se basa en mecanismos de dispersión físicos simples (dispersión de superficie, dispersión de doble rebote y dispersión de volumen). La ventaja de este modelo de dispersión es que es sencillo y fácil de implementar para el procesamiento de imágenes. Hay dos enfoques principales para la descomposición de una matriz polarimétrica 3 3. Uno es el enfoque de matriz de covarianza lexicográfica basado en parámetros físicamente mensurables, [38] y el otro es la descomposición de Pauli, que es una matriz de descomposición coherente. Representa toda la información polarimétrica en una única imagen SAR. La información polarimétrica de [S] podría representarse mediante la combinación de las intensidades en una única imagen RGB donde todas las intensidades anteriores se codificarán como un canal de color. [39]
Para el análisis de imágenes PolSAR, puede haber casos en los que la condición de simetría de reflexión no se cumpla. En esos casos, se puede utilizar un modelo de dispersión de cuatro componentes [36] [40] para descomponer imágenes polarimétricas de radar de apertura sintética (SAR). Este enfoque aborda el caso de la dispersión simétrica sin reflexión. Incluye y amplía el método de descomposición de tres componentes introducido por Freeman y Durden [38] a un cuarto componente añadiendo el poder de dispersión de la hélice. Este término de potencia de hélice generalmente aparece en áreas urbanas complejas, pero desaparece en una dispersión distribuida natural. [36]
También existe un método mejorado que utiliza el algoritmo de descomposición de cuatro componentes, que se introdujo para los análisis generales de imágenes de datos polSAR. Primero se filtran los datos SAR, lo que se conoce como reducción de moteado, luego cada píxel se descompone mediante un modelo de cuatro componentes para determinar el poder de dispersión de la superficie ( ), el poder de dispersión de doble rebote ( ), el poder de dispersión del volumen ( ) y el poder de dispersión de la hélice. ( ). [36] Los píxeles se dividen luego en 5 clases (superficie, doble rebote, volumen, hélice y píxeles mixtos) clasificados con respecto a potencias máximas. Se añade una categoría mixta para los píxeles que tienen dos o tres poderes de dispersión dominantes iguales después del cálculo. El proceso continúa a medida que los píxeles de todas estas categorías se dividen en 20 pequeños grupos de aproximadamente el mismo número de píxeles y se fusionan según sea deseable; esto se denomina fusión de clústeres. Se clasifican de forma iterativa y luego se entrega automáticamente el color a cada clase. El resumen de este algoritmo lleva a comprender que los colores marrones denotan las clases de dispersión de superficie, los colores rojos para las clases de dispersión de doble rebote, los colores verdes para las clases de dispersión de volumen y los colores azules para las clases de dispersión de hélice. [41]
Aunque este método está destinado a casos de no reflexión, incluye automáticamente la condición de simetría de reflexión, por lo que se puede utilizar como caso general. También preserva las características de dispersión al tener en cuenta la categoría de dispersión mixta, por lo que demuestra ser un mejor algoritmo.
En lugar de descartar los datos de la fase, se puede extraer información de ellos. Si se dispone de dos observaciones del mismo terreno desde posiciones muy similares, se puede realizar una síntesis de apertura para proporcionar el rendimiento de resolución que proporcionaría un sistema de radar con dimensiones iguales a la separación de las dos mediciones. Esta técnica se llama SAR interferométrico o InSAR.
Si las dos muestras se obtienen simultáneamente (quizás colocando dos antenas en el mismo avión, a cierta distancia entre sí), entonces cualquier diferencia de fase contendrá información sobre el ángulo desde el cual regresó el eco del radar. Combinando esto con la información de distancia, se puede determinar la posición en tres dimensiones del píxel de la imagen. En otras palabras, se puede extraer la altitud del terreno así como la reflectividad del radar, produciendo un modelo de elevación digital (DEM) con un solo paso del avión. Una aplicación aérea del Centro Canadiense de Percepción Remota produjo mapas de elevación digitales con una resolución de 5 m y errores de altitud también de unos 5 m. La interferometría se utilizó para mapear muchas regiones de la superficie de la Tierra con una precisión sin precedentes utilizando datos de la Misión Topográfica de Radar Shuttle .
Si las dos muestras están separadas en el tiempo, quizás debido a dos vuelos sobre el mismo terreno, entonces hay dos posibles fuentes de cambio de fase. La primera es la altitud del terreno, como se analizó anteriormente. El segundo es el movimiento del terreno: si el terreno ha cambiado entre observaciones, volverá a una fase diferente. La cantidad de desplazamiento necesaria para provocar una diferencia de fase significativa es del orden de la longitud de onda utilizada. Esto significa que si el terreno cambia centímetros, se puede ver en la imagen resultante (debe estar disponible un mapa de elevación digital para separar los dos tipos de diferencia de fase; puede ser necesaria una tercera pasada para producir uno).
Este segundo método ofrece una poderosa herramienta en geología y geografía . El flujo de los glaciares se puede cartografiar con dos pasadas. Se han publicado mapas que muestran la deformación del terreno después de un terremoto menor o después de una erupción volcánica (que muestran la contracción de todo el volcán en varios centímetros). [42] [43] [44]
La interferometría diferencial (D-InSAR) requiere tomar al menos dos imágenes con la adición de un DEM. El DEM puede producirse mediante mediciones GPS o generarse mediante interferometría siempre que el tiempo entre la adquisición de los pares de imágenes sea corto, lo que garantiza una distorsión mínima de la imagen de la superficie objetivo. En principio, 3 imágenes del área del terreno con una geometría de adquisición de imágenes similar suelen ser adecuadas para D-InSar. El principio para detectar el movimiento del suelo es bastante sencillo. Se crea un interferograma a partir de las dos primeras imágenes; esto también se llama interferograma de referencia o interferograma topográfico. Se crea un segundo interferograma que captura topografía + distorsión. Restar este último del interferograma de referencia puede revelar franjas diferenciales, que indican movimiento. La técnica de generación D-InSAR de 3 imágenes descrita se denomina método de 3 pasadas o de doble diferencia.
Las franjas diferenciales que permanecen como franjas en el interferograma diferencial son el resultado de los cambios en el alcance del SAR de cualquier punto desplazado en el terreno de un interferograma al siguiente. En el interferograma diferencial, cada franja es directamente proporcional a la longitud de onda del SAR, que es de aproximadamente 5,6 cm para el ciclo monofásico de ERS y RADARSAT. El desplazamiento de la superficie lejos de la dirección de observación del satélite provoca un aumento en la diferencia de trayectoria (que se traduce en fase). Dado que la señal viaja desde la antena SAR hasta el objetivo y viceversa, el desplazamiento medido es el doble de la unidad de longitud de onda. Esto significa que en interferometría diferencial un ciclo marginal − π a + π o una longitud de onda corresponde a un desplazamiento con respecto a la antena SAR de solo media longitud de onda (2,8 cm). Existen diversas publicaciones sobre medición de movimiento de hundimiento, análisis de estabilidad de taludes, deslizamientos de tierra, movimiento de glaciares, etc. con herramientas D-InSAR. Un avance adicional en esta técnica mediante el cual la interferometría diferencial del paso ascendente y descendente del SAR del satélite se puede utilizar para estimar el movimiento del suelo en 3-D. La investigación en esta área ha demostrado que se pueden lograr mediciones precisas del movimiento del suelo en 3-D con precisiones comparables a las mediciones basadas en GPS.
La tomografía SAR es un subcampo de un concepto denominado interferometría de líneas de base múltiples. Ha sido desarrollado para dar una exposición 3D a las imágenes, que utiliza el concepto de formación de haz. Puede usarse cuando el uso exige una preocupación de fase enfocada entre la magnitud y los componentes de fase de los datos SAR, durante la recuperación de información. Una de las principales ventajas de Tomo-SAR es que puede separar los parámetros que se dispersan, independientemente de cuán diferentes sean sus movimientos. [45] Al utilizar Tomo-SAR con interferometría diferencial, se desarrolla una nueva combinación denominada "tomografía diferencial" (Diff-Tomo). [45]
Tomo-SAR tiene una aplicación basada en imágenes de radar, que es la representación del volumen de hielo y la coherencia temporal del bosque (la coherencia temporal describe la correlación entre las ondas observadas en diferentes momentos en el tiempo). [45]
Los sistemas de radar convencionales emiten ráfagas de energía de radio con una gama de frecuencias bastante estrecha. Un canal de banda estrecha, por definición, no permite cambios rápidos de modulación. Dado que es el cambio en una señal recibida lo que revela el tiempo de llegada de la señal (obviamente, una señal invariable no revelaría nada acerca de "cuándo" se reflejó en el objetivo), una señal con sólo un cambio lento en la modulación no puede revelar la distancia. al objetivo, así como una señal con un cambio rápido en la modulación.
La banda ultraancha (UWB) se refiere a cualquier transmisión de radio que utiliza un ancho de banda muy grande, lo que equivale a decir que utiliza cambios muy rápidos en la modulación. Aunque no existe un valor de ancho de banda establecido que califique una señal como "UWB", los sistemas que utilizan anchos de banda superiores a una porción considerable de la frecuencia central (normalmente alrededor del diez por ciento, aproximadamente) se denominan con mayor frecuencia sistemas "UWB". Un sistema UWB típico podría utilizar un ancho de banda de un tercio a la mitad de su frecuencia central. Por ejemplo, algunos sistemas utilizan un ancho de banda de aproximadamente 1 GHz centrado alrededor de 3 GHz.
Los dos métodos más comunes para aumentar el ancho de banda de la señal utilizados en el radar UWB, incluido el SAR, son pulsos muy cortos y chirridos de gran ancho de banda. Una descripción general del chirrido aparece en otra parte de este artículo. El ancho de banda de un sistema chirriado puede ser tan estrecho o tan amplio como deseen los diseñadores. Aquí se describen los sistemas UWB basados en pulsos, que son el método más común asociado con el término "radar UWB".
Un sistema de radar basado en pulsos transmite pulsos muy cortos de energía electromagnética, normalmente sólo unas pocas ondas o menos. Un impulso muy corto es, por supuesto, una señal que cambia muy rápidamente y, por tanto, ocupa un ancho de banda muy amplio. Esto permite una medición mucho más precisa de la distancia y, por tanto, de la resolución.
La principal desventaja del UWB SAR basado en pulsos es que la electrónica frontal de transmisión y recepción es difícil de diseñar para aplicaciones de alta potencia. Específicamente, el ciclo de trabajo de transmisión es tan excepcionalmente bajo y el tiempo de pulso tan excepcionalmente corto, que la electrónica debe ser capaz de generar una potencia instantánea extremadamente alta para rivalizar con la potencia promedio de los radares convencionales. (Aunque es cierto que UWB proporciona una ganancia notable en la capacidad del canal sobre una señal de banda estrecha debido a la relación del ancho de banda en el teorema de Shannon-Hartley y porque el ciclo de trabajo de recepción bajo recibe menos ruido, aumentando la relación señal-ruido , todavía existe una disparidad notable en el presupuesto del enlace porque el radar convencional puede ser varios órdenes de magnitud más potente que un radar típico basado en pulsos). Por lo tanto, el SAR UWB basado en pulsos se usa típicamente en aplicaciones que requieren niveles de potencia promedio en microvatios o milivatios. rango y, por lo tanto, se utiliza para escanear áreas objetivo más pequeñas y cercanas (varias decenas de metros), o en casos donde es posible una integración prolongada (en un lapso de minutos) de la señal recibida. Sin embargo, esta limitación se resuelve en los sistemas de radar UWB con chirrido.
Las principales ventajas del radar UWB son una mejor resolución (unos pocos milímetros utilizando dispositivos electrónicos comerciales ) y más información espectral de la reflectividad del objetivo.
La nitidez del haz Doppler comúnmente se refiere al método de procesar el historial de fases del haz real desenfocado para lograr una mejor resolución que la que se podría lograr procesando el haz real sin él. Debido a que la apertura real de la antena del radar es tan pequeña (en comparación con la longitud de onda en uso), la energía del radar se propaga sobre un área amplia (generalmente muchos grados de ancho en una dirección ortogonal (en ángulo recto) a la dirección de la plataforma (aeronave). )). La nitidez del haz Doppler aprovecha el movimiento de la plataforma en el sentido de que los objetivos delante de la plataforma devuelven una señal Doppler desplazada hacia arriba (una frecuencia ligeramente más alta) y los objetivos detrás de la plataforma devuelven una señal Doppler desplazada hacia abajo (una frecuencia ligeramente más baja).
La cantidad de desplazamiento varía con el ángulo hacia adelante o hacia atrás desde la dirección ortonormal. Al conocer la velocidad de la plataforma, el retorno de la señal objetivo se coloca en un "contenedor" de ángulo específico que cambia con el tiempo. Las señales se integran con el tiempo y, por lo tanto, el "haz" del radar se reduce sintéticamente a una apertura mucho más pequeña o, más precisamente (y basándose en la capacidad de distinguir cambios Doppler más pequeños), el sistema puede tener cientos de haces muy "apretados" al mismo tiempo. Esta técnica mejora drásticamente la resolución angular; sin embargo, es mucho más difícil aprovechar esta técnica para la resolución de rangos. (Ver radar de pulso-doppler ).
Una técnica común para muchos sistemas de radar (que generalmente también se encuentran en los sistemas SAR) es " chirriar " la señal. En un radar con "chirrido", se permite que el pulso sea mucho más largo. Un pulso más largo permite emitir y, por tanto, recibir más energía, pero normalmente dificulta la resolución del alcance. Pero en un radar con chirrido, este pulso más largo también tiene un cambio de frecuencia durante el pulso (de ahí el chirrido o cambio de frecuencia). Cuando se devuelve la señal "chirriada", debe correlacionarse con el pulso enviado. Clásicamente, en los sistemas analógicos, se pasa a una línea de retardo dispersiva (a menudo un dispositivo de ondas acústicas de superficie ) que tiene la propiedad de variar la velocidad de propagación según la frecuencia. Esta técnica "comprime" el pulso en el tiempo, lo que tiene el efecto de un pulso mucho más corto (resolución de rango mejorada) y al mismo tiempo tiene el beneficio de una longitud de pulso más larga (mucha más señal devuelta). Los sistemas más nuevos utilizan la correlación de pulsos digitales para encontrar el retorno del pulso en la señal.
En una aplicación SAR típica, se conecta una única antena de radar a una aeronave o nave espacial de manera que un componente sustancial del haz radiado de la antena tenga una dirección de propagación de ondas perpendicular a la dirección de la trayectoria de vuelo. Se permite que el haz sea amplio en dirección vertical para que ilumine el terreno desde casi debajo del avión hacia el horizonte.
La resolución en la dimensión de rango de la imagen se logra creando pulsos que definen intervalos de tiempo muy cortos, ya sea emitiendo pulsos cortos que consisten en una frecuencia portadora y las bandas laterales necesarias, todo dentro de un cierto ancho de banda, o usando " pulsos chirrido " más largos en cuya frecuencia varía (a menudo linealmente) con el tiempo dentro de ese ancho de banda. Los diferentes momentos en que regresan los ecos permiten distinguir puntos a diferentes distancias.
La resolución de la imagen del SAR en sus coordenadas de alcance (expresada en píxeles de la imagen por unidad de distancia) es principalmente proporcional al ancho de banda de radio de cualquier tipo de pulso que se utilice. En las coordenadas de rango cruzado, la resolución similar es principalmente proporcional al ancho de banda del desplazamiento Doppler de la señal que regresa dentro del ancho del haz. Dado que la frecuencia Doppler depende del ángulo de la dirección del punto de dispersión desde la dirección del costado, el ancho de banda Doppler disponible dentro del ancho del haz es el mismo en todos los rangos. Por lo tanto, los límites teóricos de resolución espacial en ambas dimensiones de la imagen permanecen constantes con la variación del rango. Sin embargo, en la práctica, tanto los errores que se acumulan con el tiempo de recopilación de datos como las técnicas particulares utilizadas en el posprocesamiento limitan aún más la resolución cruzada en distancias largas.
La señal total es la de un área del suelo del tamaño del ancho de un haz. Para producir un haz estrecho en la dirección transversal [ se necesita aclaración ] , los efectos de difracción requieren que la antena sea ancha en esa dimensión. Por lo tanto, distinguir entre sí los puntos de alcance compartido simplemente por la intensidad de los retornos que persisten mientras estén dentro del ancho del haz es difícil en las antenas transportables por aeronaves, porque sus haces pueden tener anchos lineales sólo de aproximadamente dos órdenes. de magnitud (cientos de veces) menor que el rango. (Los que se pueden transportar en naves espaciales pueden funcionar 10 o más veces mejor). Sin embargo, si se registran tanto la amplitud como la fase de los retornos, entonces la porción de ese retorno de múltiples objetivos que se dispersó radialmente desde cualquier elemento de escena más pequeño se puede extraer mediante correlación de vector de fase del rendimiento total con la forma del rendimiento esperado de cada uno de esos elementos.
Se puede considerar que el proceso combina la serie de observaciones distribuidas espacialmente como si todas se hubieran realizado simultáneamente con una antena tan larga como el ancho del haz y enfocada en ese punto en particular. La "apertura sintética" simulada en el alcance máximo del sistema mediante este proceso no sólo es más larga que la antena real, sino que, en aplicaciones prácticas, es mucho más larga que la del avión con radar y tremendamente más larga que la de la nave espacial con radar.
Aunque algunas referencias a los SAR los han caracterizado como "telescopios de radar", su verdadera analogía óptica es el microscopio, siendo el detalle de sus imágenes menor que la longitud de la apertura sintética. En términos de ingeniería de radar, mientras que la zona objetivo se encuentra en el " campo lejano " de la antena iluminadora, se encuentra en el "campo cercano" de la antena simulada. Un diseño y funcionamiento cuidadosos pueden lograr una resolución de elementos menores que una millonésima parte del alcance, por ejemplo, 30 cm a 300 km, o alrededor de un pie a casi 200 millas (320 km).
La conversión del tiempo de retardo de retorno a rango geométrico puede ser muy precisa debido a la constancia natural de la velocidad y dirección de propagación de las ondas electromagnéticas. Sin embargo, para una aeronave que vuela a través de una atmósfera nunca uniforme y nunca inactiva, la relación de los tiempos de transmisión y recepción de impulsos con posiciones geométricas sucesivas de la antena debe ir acompañada de un ajuste constante de las fases de retorno para tener en cuenta las irregularidades detectadas en el vuelo. camino. Los SAR en naves espaciales evitan ese problema atmosférico, pero aún deben hacer correcciones para los movimientos conocidos de la antena debido a las rotaciones de la nave espacial, incluso aquellos que son reacciones a movimientos de la maquinaria a bordo. La localización de un SAR en un vehículo espacial tripulado puede requerir que los humanos permanezcan cuidadosamente inmóviles en relación con el vehículo durante los períodos de recopilación de datos.
Los retornos de los dispersores dentro del alcance de cualquier imagen se distribuyen en un intervalo de tiempo coincidente. El período entre pulsos debe ser lo suficientemente largo como para permitir que los retornos de mayor alcance de cualquier pulso terminen de llegar antes de que comiencen a aparecer los de mayor alcance del siguiente pulso, de modo que no se superpongan entre sí en el tiempo. Por otro lado, la velocidad entre pulsos debe ser lo suficientemente rápida como para proporcionar suficientes muestras para la resolución deseada en todo el rango (o a través del haz). Cuando el radar va a ser transportado por un vehículo de alta velocidad y debe tomar imágenes de un área grande con buena resolución, esas condiciones pueden chocar, lo que lleva a lo que se ha llamado el problema de ambigüedad del SAR. Las mismas consideraciones se aplican también a los radares "convencionales", pero este problema ocurre significativamente sólo cuando la resolución es tan fina que sólo está disponible a través de procesos SAR. Dado que la base del problema es la capacidad de transporte de información del único canal de entrada de señal proporcionado por una antena, la única solución es utilizar canales adicionales alimentados por antenas adicionales. Luego, el sistema se convierte en un híbrido de un SAR y un conjunto en fase, a veces denominado conjunto Vernier.
Combinar la serie de observaciones requiere importantes recursos computacionales, generalmente utilizando técnicas de transformada de Fourier . La alta velocidad de computación digital ahora disponible permite que dicho procesamiento se realice casi en tiempo real a bordo de un avión SAR. (Existe necesariamente un retraso de tiempo mínimo hasta que se hayan recibido todas las partes de la señal). El resultado es un mapa de reflectividad del radar, que incluye tanto la amplitud como la fase.
La información de amplitud, cuando se muestra en una pantalla similar a un mapa, brinda información sobre la cobertura del suelo de manera muy similar a como lo hace una fotografía en blanco y negro. También se pueden realizar variaciones en el procesamiento ya sea en estaciones montadas en vehículos o en estaciones terrestres para diversos fines, a fin de acentuar ciertas características de la imagen para un análisis detallado del área objetivo.
Aunque la información de fase en una imagen generalmente no está disponible para un observador humano de un dispositivo de visualización de imágenes, se puede conservar numéricamente y, a veces, permite reconocer ciertas características adicionales de los objetivos.
Desafortunadamente, las diferencias de fase entre elementos de imagen adyacentes ("píxeles") también producen efectos de interferencia aleatorios llamados " moteado de coherencia ", que es una especie de granulosidad con dimensiones del orden de la resolución, lo que hace que el concepto de resolución adquiera un significado sutilmente diferente. Este efecto es el mismo que aparece tanto visual como fotográficamente en escenas ópticas iluminadas con láser. La escala de esa estructura moteada aleatoria se rige por el tamaño de la apertura sintética en longitudes de onda y no puede ser más fina que la resolución del sistema. La estructura moteada puede atenuarse a expensas de la resolución.
Antes de que estuvieran disponibles las computadoras digitales rápidas, el procesamiento de datos se realizaba mediante una técnica de holografía óptica . Los datos del radar analógico se registraron como un patrón de interferencia holográfica en una película fotográfica a una escala que permitía a la película conservar los anchos de banda de la señal (por ejemplo, 1:1.000.000 para un radar que utiliza una longitud de onda de 0,6 metros). Entonces, la luz que pasa a través del holograma, utilizando, por ejemplo, ondas de 0,6 micrómetros (como las de un láser de helio-neón ) podría proyectar una imagen del terreno a una escala grabable en otra película a distancias focales razonables del procesador de alrededor de un metro. Esto funcionó porque tanto el SAR como los conjuntos en fase son fundamentalmente similares a la holografía óptica, pero utilizan microondas en lugar de ondas de luz. Los "procesadores de datos ópticos" desarrollados para este propósito de radar [46] [47] [48] fueron los primeros sistemas informáticos ópticos analógicos eficaces y, de hecho, se idearon antes de que la técnica holográfica se adaptara por completo a las imágenes ópticas. Debido a las diferentes fuentes de alcance y estructuras de señales de alcance amplio en las señales de radar, los procesadores de datos ópticos para SAR incluían no sólo lentes esféricas y cilíndricas, sino también a veces cónicas.
Las siguientes consideraciones se aplican también a los radares de imágenes del terreno de apertura real, pero son más importantes cuando la resolución en el alcance se iguala a una resolución de haz transversal que está disponible únicamente a partir de un SAR.
Las dos dimensiones de una imagen de radar son el alcance y el alcance cruzado. Las imágenes de radar de zonas limitadas de terreno pueden parecerse a fotografías oblicuas, pero no a fotografías tomadas desde la ubicación del radar. Esto se debe a que la coordenada de alcance en una imagen de radar es perpendicular a la coordenada del ángulo vertical de una fotografía oblicua. La posición aparente de la pupila de entrada (o centro de la cámara ) para ver dicha imagen, por lo tanto, no es como si estuviera en el radar, sino como si estuviera en un punto desde el cual la línea de visión del espectador es perpendicular a la dirección oblicua que conecta el radar y el objetivo. , con un rango de inclinación que aumenta de arriba a abajo de la imagen.
Debido a que los rangos de inclinación para nivelar el terreno varían en ángulo vertical, cada elevación de dicho terreno aparece como una superficie curva, específicamente una coseno hiperbólica . Las verticales en varios rangos son perpendiculares a esas curvas. Las direcciones aparentes de mirada del espectador son paralelas al eje "hypcos" de la curva. Los elementos directamente debajo del radar aparecen como si se vieran ópticamente horizontalmente (es decir, desde un lado) y los que se encuentran a distancias lejanas como si se vieran ópticamente directamente desde arriba. Estas curvaturas no son evidentes a menos que se observen grandes extensiones de terreno cercano, incluidas cadenas inclinadas pronunciadas.
Cuando se ven como se especifica anteriormente, las imágenes de radar de alta resolución de áreas pequeñas pueden parecerse mucho a las imágenes ópticas familiares, por dos razones. La primera razón se entiende fácilmente imaginando un asta de bandera en la escena. El rango de inclinación hasta su extremo superior es menor que el de su base. Por lo tanto, el poste puede aparecer correctamente con el extremo superior hacia arriba sólo cuando se ve en la orientación anterior. En segundo lugar, como la iluminación del radar está hacia abajo, las sombras se ven en su dirección más familiar de "iluminación cenital".
La imagen de la parte superior del poste se superpondrá a la de algún punto del terreno que se encuentre en el mismo arco de rango inclinado pero en un rango horizontal más corto ("rango terrestre"). Las imágenes de superficies de escena que se enfrentan tanto a la iluminación como al punto de vista aparente tendrán geometrías que se asemejan a las de una escena óptica vista desde ese punto de vista. Sin embargo, las pendientes que miran hacia el radar se acortarán y las que miran en dirección opuesta se alargarán respecto de sus dimensiones horizontales (mapa). Por lo tanto, el primero se iluminará y el segundo se atenuará.
Los retornos de pendientes más pronunciadas que la perpendicular al rango inclinado se superpondrán a los de terrenos de menor elevación en un rango más cercano al suelo, siendo ambos visibles pero entremezclados. Este es especialmente el caso de superficies verticales como las paredes de los edificios. Otro inconveniente de visualización que surge cuando una superficie es más inclinada que la perpendicular al rango de inclinación es que luego se ilumina en una cara pero se "ve" desde la cara inversa. Entonces uno "ve", por ejemplo, la pared de un edificio orientada al radar como si fuera desde el interior, mientras que el interior del edificio y la pared trasera (la más cercana al espectador y, por lo tanto, se espera que sea ópticamente visible para él) han desaparecido. ya que carecen de iluminación, quedando a la sombra del muro frontal y del techo. Algunos retornos desde el techo pueden superponerse a los de la pared frontal, y ambos pueden superponerse a los retornos desde el terreno frente al edificio. La sombra visible del edificio incluirá la de todos los elementos iluminados. Las sombras largas pueden presentar bordes borrosos debido al movimiento de la antena iluminadora durante el "tiempo de exposición" necesario para crear la imagen.
Las superficies que normalmente consideramos rugosas, si esa rugosidad consiste en un relieve menor que la longitud de onda del radar, se comportarán como espejos lisos, mostrando, más allá de dicha superficie, imágenes adicionales de los elementos que se encuentran frente a ella. Esas imágenes especulares aparecerán dentro de la sombra de la superficie reflejada, a veces llenando toda la sombra, impidiendo así el reconocimiento de la sombra.
La dirección de superposición de cualquier punto de la escena no es directamente hacia el radar, sino hacia el punto de la trayectoria actual del SAR más cercano al punto objetivo. Si el SAR está "entrecerrando los ojos" hacia adelante o hacia atrás lejos de la dirección exactamente del costado, entonces la dirección de la iluminación, y por lo tanto la dirección de la sombra, no será opuesta a la dirección de superposición, sino que estará inclinada hacia la derecha o hacia la izquierda de ella. Aparecerá una imagen con la geometría de proyección correcta cuando se vea de modo que la dirección de superposición sea vertical, la trayectoria de vuelo del SAR esté por encima de la imagen y el alcance aumente un poco hacia abajo.
Los objetos en movimiento dentro de una escena SAR alteran las frecuencias Doppler de los retornos. Por lo tanto, dichos objetos aparecen en la imagen en ubicaciones desplazadas en la dirección de alcance transversal en cantidades proporcionales al componente de dirección de alcance de su velocidad. Los vehículos de carretera pueden aparecer fuera de la carretera y, por tanto, no reconocerse como elementos de tráfico. Los trenes que aparecen alejados de sus vías se reconocen más fácilmente por su longitud paralela a las vías conocidas, así como por la ausencia de una longitud igual de la firma de la vía y de algún terreno adyacente, ambos habiendo sido sombreados por el tren. Si bien las imágenes de embarcaciones en movimiento se pueden desviar de la línea de las partes anteriores de sus estelas, las partes más recientes de la estela, que aún participan de parte del movimiento de la embarcación, aparecen como curvas que conectan la imagen de la embarcación con la imagen lejana relativamente inactiva. estela de popa. En tales casos identificables, la velocidad y la dirección de los objetos en movimiento se pueden determinar a partir de las cantidades de sus desplazamientos. El componente longitudinal del movimiento de un objetivo provoca cierto desenfoque. Los movimientos aleatorios, como el del follaje de los árboles impulsado por el viento, los vehículos conducidos sobre terreno accidentado o los humanos u otros animales que caminan o corren, generalmente hacen que esos elementos no se puedan enfocar, lo que resulta en desenfoque o incluso en una invisibilidad efectiva.
Es necesario acostumbrarse a estas consideraciones, junto con la estructura moteada debido a la coherencia, para poder interpretar correctamente las imágenes SAR. Para ayudar en esto, se han acumulado grandes colecciones de firmas de objetivos importantes mediante la realización de muchos vuelos de prueba sobre terrenos y objetos culturales conocidos.
Una técnica estrechamente relacionada con el SAR utiliza un conjunto (denominado " conjunto en fase ") de elementos de antena reales distribuidos espacialmente en una o dos dimensiones perpendiculares a la dimensión del alcance del radar. Estos conjuntos físicos son verdaderamente sintéticos y, de hecho, se crean mediante la síntesis de una colección de antenas físicas subsidiarias. Su funcionamiento no implica necesariamente movimiento relativo a los objetivos. Todos los elementos de estos conjuntos reciben simultáneamente en tiempo real, y las señales que pasan a través de ellos pueden someterse individualmente a cambios controlados de las fases de esas señales. Un resultado puede ser responder con mayor intensidad a la radiación recibida desde un área de escena pequeña específica, centrándose en esa área para determinar su contribución a la señal total recibida. El conjunto de señales detectadas de forma coherente y recibidas en toda la apertura del conjunto se puede replicar en varios canales de procesamiento de datos y procesarse de forma diferente en cada uno de ellos. El conjunto de respuestas así rastreadas en diferentes áreas pequeñas de la escena se pueden mostrar juntas como una imagen de la escena.
En comparación, el (comúnmente) único elemento de antena física de un SAR recopila señales en diferentes posiciones en diferentes momentos. Cuando el radar lo lleva un avión o un vehículo en órbita, esas posiciones son funciones de una única variable, la distancia a lo largo de la trayectoria del vehículo, que es una única dimensión matemática (no necesariamente la misma que una dimensión geométrica lineal). Las señales se almacenan, convirtiéndose así en funciones, ya no de tiempo, sino de registro de ubicaciones a lo largo de esa dimensión. Cuando las señales almacenadas se leen más tarde y se combinan con cambios de fase específicos, el resultado es el mismo que si los datos registrados se hubieran recopilado mediante una matriz en fase igualmente larga y con forma. Lo que se sintetiza así es un conjunto de señales equivalentes a las que podrían haber sido recibidas simultáneamente por una matriz en fase real de gran apertura (en una dimensión). El SAR simula (en lugar de sintetizar) esa larga matriz en fase unidimensional. Aunque el término en el título de este artículo se ha derivado incorrectamente, ahora está firmemente establecido tras medio siglo de uso.
Si bien el funcionamiento de una matriz en fase se entiende fácilmente como una técnica completamente geométrica, el hecho de que un sistema de apertura sintética recopile sus datos a medida que él (o su objetivo) se mueve a cierta velocidad significa que las fases que variaban con la distancia recorrida originalmente variaban con el tiempo. por tanto constituían frecuencias temporales. Siendo las frecuencias temporales las variables comúnmente utilizadas por los ingenieros de radar, sus análisis de los sistemas SAR generalmente (y de manera muy productiva) se expresan en tales términos. En particular, la variación de fase durante el vuelo a lo largo de la apertura sintética se ve como una secuencia de desplazamientos Doppler de la frecuencia recibida respecto de la frecuencia transmitida. Una vez que los datos recibidos han sido registrados y, por lo tanto, se han vuelto atemporales, la situación de procesamiento de datos SAR también se puede entender como un tipo especial de conjunto en fase, tratable como un proceso completamente geométrico.
El núcleo de las técnicas SAR y de matriz en fase es que las distancias que las ondas del radar viajan hacia y desde cada elemento de la escena consisten en un número entero de longitudes de onda más una fracción de una longitud de onda "final". Esas fracciones causan diferencias entre las fases de la re-radiación recibida en varias posiciones del SAR o del conjunto. Se necesita una detección coherente para capturar la información de la fase de la señal además de la información de la amplitud de la señal. Este tipo de detección requiere encontrar las diferencias entre las fases de las señales recibidas y la fase simultánea de una muestra bien conservada de la iluminación transmitida.
![{\displaystyle W\left(\omega _ {x},\omega _ {y}\right)=\left[1\exp \left(-j\omega _ {x}\right)\ldots \exp \left (-j(M-1)\omega _{x}\right)\right]\otimes \left[1\exp \left(-j\omega _{y}\right)\ldots \exp \left(- j(M-1)\omega _{y}\right)\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/214b61a1b10335a3d1d80d3089cd7cc7a88dcce0)
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