TELERILEVAMENTO ATTIVO A MICROONDE: IL RADAR AD APERTURA SINTETICA (SAR) Prof. Roberto Seu

Che cosa e’ un radar d’immagine In un certo senso un radar d’immagine lavora come una macchina fotografica con flash, in quanto utilizza una propria sorgente di luce per illuminare un’area a terra e scattarne una “foto” a lunghezze d’onda radio. Nel caso del radar la lente e la pellicola sono sostituiti da antenna, computer e registratori, e l’immagine consente di vedere la parte di onde radio riflesse indietro dalla superficie verso l’antenna. Un tipico radar misura potenza e tempo di ritardo degli echi generati da oggetti che riflettono i segnali a microonde generati e trasmessi dal radar. I segnali generati dal radar sono tipicamente impulsi, eventualmente modulati, su portanti che possono andare da 300 MHz a 30 GHz e con bande che possono andare da 10 a 200 MHz.

Che cosa e’ un radar d’immagine Nel caso di un radar d’immagine, il radar si muove lungo un’orbita e l’area illuminata dal radar tramite la sua antenna si muove solidalmente lungo la superficie, costruendo l’immagine radar. In generale le dimensioni di un’antenna determinano la risoluzione spaziale ottenibile con essa. Il Radar ad Apertura Sintetica (SAR) fa riferimento ad una tecnica che consente di sintetizzare una apertura molto lunga sfuttando il moto del radar ed elaborando opportunamente gli echi ricevuti.

Che cosa e’ un radar d’immagine Con apertura si intende la finestra spaziale usata per raccogliere l’energia riflessa utilizzata per formare una immagine. Un’apertura sintetica e’ costruita muovendo un’apertura reale attraverso una serie di posizioni lungo l’orbita

Costruire una apertura sintetica Mentre il radar si muove, viene trasmesso un impulso in ciascuna posizione. Gli echi ricevuti passano attraverso il ricevitore e vengono registrati in una “memoria degli echi”. Poiche’ il radar e’ in movimento rispetto al terreno, gli echi sono spostati in doppler. Comparando le frequenze spostate in doppler con un riferimento si possono “focalizzare” molti echi in un singolo punto, incrementando di fatto la lunghezza dell’antenna con cui si osserva quel singolo punto. Il trucco nell’elaborazione SAR e’ quello di adattarsi correttamente alla variazione in frequenza doppler per ciascun punto dell’immagine.

Costruire una apertura sintetica L’apertura sintetica e’ ormai una tecnica matura utilizzata per generare immagini radar con cui si possono risolvere dettagli anche relativamente fini. Peraltro il SAR presenta capacita’ uniche nel formare immagini degli oggetti osservati. Infatti poiche’ genera per conto proprio la sorgente di illuminazione (gli impulsi radar), esso puo’ operare in qualunque condizione di illuminazione solare, di giorno o di notte. Inoltre, poiche’ usa radiofrequenze, il SAR puo’ vedere anche attraverso le nubi, la nebbia, la pioggia ecc., laddove altri sensori nel visibile e nell’infrarosso non possono operare.

Che cosa e’ una immagine radar Le immagini radar sono composte da molti punti (pixel, picture element). Ciascun pixel nell’immagine radar rappresenta la riflettivita’ radar di un’area sulla superficie delimitata dalle capacita’ risolutive del radar: normalmente aree scure dell’immagine sono associate a bassi valori di riflettivita’ mentre aree piu’ chiare rappresentano zone con piu’ alta riflettivita’ radar. La riflettivita’ di una data area dipende dalla particolare lunghezza d’onda utilizzata, dal contenuto d’acqua, polarizzazione dell’onda elettromagnetica e angolo di osservazione

Che cosa e’ una immagine radar Un’utile regola pratica nell’analizzare le immagini radar e’ quella che una superficie rugosa presenta un aspetto piu’ brillante. Superfici piatte riflettono in direzione opposta a quella di illuminazione del radar. La vegetazione risulta di solito moderatamente rugosa e quindi apare nel’immagine radar come grigia. Data la geometria di osservazione esistono in un’immagine radar anche zone in ombra, e quindi scure. Le zone abitate risultano invece molto brillanti.

Che cosa e’ una immagine radar La rifletivita’ di una superficie dipende anche dall’uso di differenti polarizzazioni in trasmissione e ricezione (HH, HV, VH, VV) La riflettivita’ superficiale e’ anche funzione dell’angolo di incidenza e avra’ caratteristiche diverse per diverse tipologie di target quali aree urbane, vegetazione, oceani, monti ecc.

Obiettivi scientifici di un radar d’immagine La sensibilita’ di un SAR alle caratteristiche di una superficie e, in taluni casi anche a quelli di una struttura sottosuperficiale, puo’ fornire importanti informazioni susuperfici terrestri, oceani e vegetazioni che possono essere un utile complemento anche a sensori di natura diversa. In piu’ esiste la possibilita’ di elaborare congiuntamente immagini prese in tempi differenti e sotto geometrie differenti e che quindi presentano carateristiche di riflettivita’ diverse. Ancora si puo’ pensare di integrare immagini radar con immagini di altri sensori (data fusion) al fine di ottimizzare l’estrazione di informazioni sula superficie osservata

Obiettivi scientifici di un radar d’immagine OCEANI L’interazione tra oceani e atmosfera ha un ruolo fondamentale nella determinazione del clima della Terra. Le immagini SAR degli oceani possono essere utilizzate per studiare onde, venti e correnti oceaniche. Nei bassi fondali le immagini radar possono essere correlate al fondo marino, mentre situazioni di inquinamento da petrolio e simili possono essere facilmente rivelati dal’analisi di immagini radar. La distribuzione del ghiaccio marino determina in modo pesante il bilancio del calore e delle correnti in prossimita’ dei poli. I radar d’immagine possono essere utilizzati per studiare la loro distribuzione stagionale

Obiettivi scientifici di un radar d’immagine ECOSISTEMI Gli ecologisti studiano la vita sulla Terra ed il modo in cui differenti forme di vita interagiscono. Con la missione SIR-C/X-SAR sono stati raccolti dati su foreste tropicali e temperate che hanno consentito di studiare come il terreno viene utilizzato, il tipo e l’estensione delle diverse vegetazioni in diverse zone, gli effetti degli incendi boschivi, delle alluvioni e della deforestazione. Nel caso della missione in oggetto la disponibilita’ di tre frequenze consente una migliore interpretazione dei dati acquisiti, mentre le osservazioni multitemporali consentono la comprensione dell’impatto sui principali cicli vitali.

Obiettivi scientifici di un radar d’immagine IDROLOGIA Gli idrologi studiano il ciclo globale dell’acqua ed il modo in cui esso impatta sui processi che riguardano la terraferma. Tali studi riguardano bacini, laghi, fiumi ma anche umidita’ contenuta nel suolo e nella vegetazione che insieme hanno un ruolo fondamentale nei bilanci energetici globali. In modo analogo nelle zone montagnose ed alle alte latitudini, la copertura nevosa stagionale costituisce un serbatoio importante per capire i cicli idrologici. In particolare per la missione SIR-C/X-SAR e’ stato dimostrato che i dati in banda X possono fornire informazioni sul tipo di neve, mentre le bande C ed L consentono una stima del volume della neve

Obiettivi scientifici di un radar d’immagine GEOLOGIA I geologi studiano la superficie terrestre attuale e la sua evoluzione. I dati SAR consentono la mappatura di strutture geologiche e delle variazioni di tipi di roccia su aree estese. Cio’ risulta particolarmente utile in zone impervie dove escursioni in-situ sono complicate. Le basse frequenze possono anche penetrare sotto la superficie in aree deserte: cio’ consente ad esmpio di identificare strutture geologiche importanti nascoste sotto la sabbia. Il SAR e’ anche sensibile a scatteratori (grani di sabbia, rocce, ecc.) che, avendo le stesse dimensioni della lunghezza d’onda, possono essere classificati e mappati

Obiettivi scientifici di un radar d’immagine GEOLOGIA L’osservazione a diverse lunghezze d’onda consente lo studio di diversi processi geologici quali erosione del suolo, trasporto, deposizione e degradazione. Tali processi hanno un impatto sulla sedimentazione sui corsi dei fiumi e sulle coste ed impattano anche l’ammontare di terre disponibili per la produzione di cibo. La sensibilita’ del radar alla rugosita’ della superficie permette agli scienziati di studiare la storia dei cambiamenti climatici passati e l’eta’ relativa delle superfici, giacche’ la rugosita’ di una superficie e’ di solito legata alla piu’ o meno prolungata esposizione agli agenti atmosferici.

APPLICAZIONI SAR MONITORAGGIO ESONDAZIONI L’immagine mostra tre fiumi in un’area ad ovest di Nijmegen (Olanda). Le aree esondate sono evidenziate in magenta scuro mentre le righe piu’ chiare e sottili mostrano il normale percorso dei canali

APPLICAZIONI SAR MONITORAGGIO ESONDAZIONI Francia, Dicembre 2003 Il 5 Dicembre 2003 un importante evento meteo ha causato piogge insistenti sul sud della Francia, portando all’esondazione del Rhone, causando l’allagamento della citta’ di Arles e di altre zone circostanti

APPLICAZIONI SAR MONITORAGGIO ESONDAZIONI Le parti piu’ scure di queste immagini SAR (Envisat e ERS-2) mostrano la foce del Rhone e parte del suo percorso nell’interland dove, le avverse condizioni meteo, hanno provocato l’esondazione del fiume con notevoli danni a cose e persone

APPLICAZIONI SAR MONITORAGGIO INQUINAMENTO MARINO Il 3 Giugno 2003 un cargo cinese ha avuto un incidente al largo delle coste svedesi perdendo una quantita’ significativa di olio combustibile. La macchia scura in basso a destra dell’immagine mostra come il SAR di ERS-2 ha visualizzato l’evento

APPLICAZIONI SAR MONITORAGGIO ASSETTO DEL TERRITORIO FIRENZE Da questa immagine SIR-C/X-SAR e’ possibile riconoscere il contesto urbano della citta’ di Firemze, il fiume Arno, i ponti e la stazione ferroviaria di S. Maria Novella. L’area mostrata misura 20 Km x 17 Km

APPLICAZIONI SAR MONITORAGGIO ASSETTO DEL TERRITORIO L’immagine a sinistra e’ stata prodotta dal SAR ERS-2 nel 1999 e mostra le coste del Dubai. L’immagine a destra e’ stata prodotta da ASAR il mese scorso e mostra la forte cementificazione avvenuta in questo periodo e soprattutto l’inizio della costruzione di un’isola artificiale (all’interno del cerchio bianco)

APPLICAZIONI SAR MONITORAGGIO DEL TERRITORIO L’impatto di un asteroide o di una cometa parecchie centinaia di milioni di anni or sono, ha lasciato il segno in un paesaggio che risulta chiaramente visibile in questa immagine SAR di un’area del nord del Chad, deserto del Sahara. Il cratere chiaramente visibile dall’immagine SAR e’ largo circa 17 Km. L’uso del SAR in questi casi consente anche la rivelazione di strutture sepolte sotto la sabbia

APPLICAZIONI SAR MONITORAGGIO DEL TERRITORIO Queste immagini mostrano una zona dell’Egitto centro-meridionale (oasi di Safsaf) vista da due sensori: a sinistra un sensore ottico (Landsat) a destra un SAR (SIR-C/X-SAR) Mentre il sensore ottico mostra esclusivamente i dettagli della superficie , il SAR riesce a penetrare per circa un paio di metri svelando le strutture rocciose sottostanti la sabbia, come ad esempio dei canali di drenaggio (in basso a sinistra)

APPLICAZIONI SAR MONITORAGGIO DEL TERRITORIO Una striscia di dati del SIR-A e’ stata qui sovrapposta ad una immagine ottica (Landsat) di una zona nella parte occidentale del deserto in Egitto. Il SAR mostra la presenza di antichi canali (wadis) prosciugati e ricoperti dalla sabbia. L’identificazione di questi wadis dove un tempo l’acqua scorreva liberamente, aiuta gli archeologi ad individuare antichi insediamenti umani

APPLICAZIONI SAR MONITORAGGIO DEL TERRITORIO DEATH VALLEY, CALIFORNIA Da questa immagine si ha una idea di come il radar sia sensibile alla rugosita’ del terreno. Infatti le zone piu’ “luminose” sono le montagne che circondano il bacino, piatto, della Death valley. Queste immagini sono state utilizzate dai geologi per studiare l’evoluzione delle zone alluvionali in funzione delle variazioni climatiche e dei terremoti

APPLICAZIONI SAR RADARSAT 2 Radarsat 2 e’ una missione SAR finanziata dall’Agenzia Spaziale Canadese che trasporta un sensore multimodo e multipolarizzazione

APPLICAZIONI SAR RADARSAT 2 Date le caratteristiche del sensore, ci si aspetta un contributo determinante nel monitoraggio ambientale in caso di condizioni di rischio o di calamita’ naturali, come ad esempio alluvioni, uragani o inquinamento ambientale

APPLICAZIONI SAR RADARSAT 2 Grazie alla risoluzione ed alla capacita’ di operare in multipolarizzazione, Radarsat2 potra’ fornire un supporto fondamentale nel monitoraggio delle zone agricole

APPLICAZIONI SAR RADARSAT 2 La risoluzione ottenibile e la possibilita’ di operare in multipolarizzazione, fanno di radarsat 2 anche un importante strumento per il controllo della navigazione marittima