Entre los sistemas telemáticos para obtener información, hay uno que es de poco uso comparado con su competencia más cercana (los sensores pasivos), pero cuya importancia crece día a día a medida que comprendemos su funcionamiento y por lo tanto explayamos sus aplicaciones; nos referimos al radar de apertura sintética, conocido como SAR (synthetic aperture radar) por sus siglas en inglés.
El radar de apertura sintética SAR, puede observar la superficie de la Tierra tanto de día como de noche y bajo casi cualquier tipo de condición meteorológica, lo que lo hace un sensor ideal para apoyar una amplia gama de aplicaciones científicas.
Además, la señal de radar puede penetrar a través del dosel de vegetación y proporcionar información sobre las condiciones en la superficie, como por ejemplo si el área está inundada.
Las técnicas como la interferometría pueden detectar deformación en la superficie en escala de centímetros, como el desplazamiento causado por terremotos.
¿Qué es el Radar de Apertura Sintética?
El radar de apertura sintética (SAR) es una forma de recopilación activa de datos, mediante la cual un instrumento emite un pulso de energía y registra la cantidad de esta reflejada tras su interacción con la Tierra.
Al contrario de las imágenes ópticas, que son una técnica pasiva de recopilación de datos basada en la energía emitida, las imágenes SAR se crean a partir de la reacción de un pulso de energía emitido con estructuras físicas (montañas, bosques,etc).
¿Qué tiene de sintético este radar?
La resolución espacial de los datos de radar está directamente relacionada con la relación entre la longitud de onda del sensor y la longitud de su antena. Para una longitud de onda dada, cuanto más larga sea la antena, mayor será la resolución espacial. Desde un satélite en el espacio que opera a una longitud de onda de aproximadamente 5 cm (radar de banda C), para obtener una resolución espacial de 10 m, se necesitaría una antena de radar de unos 4250 m de longitud.
Una antena de tal tamaño no es práctica para un sensor satelital. Por lo tanto, los especialistas idearon una solución ingeniosa: la apertura sintética. En este concepto se combina una secuencia de adquisiciones de una antena más corta para simular una antena mucho más grande, proporcionando así datos de mayor resolución.
Vuelo y dirección:
El instrumento mide la distancia entre el sensor y el punto de la superficie terrestre donde se retrodispersa la señal. Esta distancia se conoce como rango oblicuo, que puede proyectarse sobre el terreno para representar el rango terrestre.
La dirección de vuelo también se conoce como dirección azimutal o longitudinal, y la dirección perpendicular a la trayectoria de vuelo se conoce como dirección transversal o transversal.
El ángulo entre la dirección a la que apunta la antena y el nadir es el ángulo de visión. El ángulo entre el centro del haz del radar y la normal a la topografía local es el ángulo de incidencia. Ambos ángulos se utilizan a veces como sinónimos, lo cual solo es válido si se simplifica la geometría del SAR para ignorar la curvatura terrestre y la topografía local. Dado que el ángulo de visión del sensor afecta significativamente el comportamiento de la retrodispersión, es uno de los principales parámetros que determinan la geometría de visión y el ángulo de incidencia de la señal retrodispersada. Dependiendo de las características del terreno iluminado, pueden aparecer las famosas zonas de sombra y superposición en las imágenes SAR.
La frecuencia y la longitud de onda
Los Instrumentos ópticos recopilan datos en las porciones visibles, infrarroja cercana e infrarroja de onda corta del espectro electromagnético. Los instrumentos de radar utilizan longitudes de onda más largas, de centímetros a metros, lo que les permite crear imágenes de accidentes geográficos que podrían estar cubiertos de nubes o bajo una densa vegetación. Las diferentes longitudes de onda del SAR se denominan bandas, con designaciones de letras como X, C, L y P.
La siguiente tabla indica las bandas SAR con su frecuencia y longitud de onda asociadas, junto con sus aplicaciones típicas.
| Banda | Frecuencia | Long. Onda | Aplicaciones |
| Ka | 27–40 GHz | 1.1–0.8 cm | Poco uso |
| K | 18–27 GHz | 1.7–1.1 cm | Poco uso |
| Ku | 12–18 GHz | 2.4–1.7 cm | Poco uso |
| X | 8–12 GHz | 3.8–2.4 cm | SAR de alta resolución (estudios urbanos; hielo y nieve, poca penetración en la vegetación; baja coherencia en áreas con vegetación) |
| C | 4–8 GHz | 7.5–3.8 cm | SAR de alta gama (mapeo global, detección de cambios, monitoreo de áreas con moderada penetración, alta coherencia); hielos, océanos, navegación marítima |
| S | 2–4 GHz | 15–7.5 cm | Aumento continuo del SAR para observación terrestre y monitoreo agrícola |
| L | 1–2 GHz | 30–15 cm | SAR de resolución media (monitoreo geofísico, mapeo de biomasa y vegetación, alta penetración, SAR interferométrico [InSAR]) |
| P | 0.3–1 GHz | 100–30 cm | Biomasa, mapeo y evaluación de vegetación. |
La longitud de onda es una característica importante a considerar al trabajar con SAR, ya que determina cómo interactúa la señal del radar con la superficie y la profundidad de penetración de la señal en un medio. Por ejemplo, un radar de banda X, que opera a una longitud de onda de aproximadamente 3 cm, tiene muy poca capacidad para penetrar en bosques latifoliados e interactúa principalmente con las hojas en la copa de los árboles. Una señal de banda L, por otro lado, tiene una longitud de onda de aproximadamente 23 cm, lo que le permite penetrar más profundamente a través de la copa de los árboles y permite una mayor interacción entre la señal del radar y las ramas y troncos grandes.
La longitud de onda no solo influye en la profundidad de penetración en los bosques, sino también en otros tipos de cobertura terrestre, como el suelo y el hielo. Por ejemplo, científicos y arqueólogos utilizan datos SAR para ayudar a descubrir ciudades perdidas e infraestructuras urbanas ocultas con el tiempo por la densa vegetación o las arenas del desierto.
Mecanismos de polarización y dispersión
La polarización se refiere a la orientación del plano en el que oscila una onda electromagnética transmitida. El radar puede captar señales con diferentes polarizaciones controlando la polarización, analizada tanto en la trayectoria de transmisión como en la de recepción. Si bien la orientación puede ser de cualquier ángulo, los sensores SAR suelen transmitir con polarización lineal. La polarización horizontal se indica con la letra H y la vertical con la letra V.
La ventaja de los sensores de radar es que la polarización de la señal se puede controlar con precisión tanto en la transmisión como en la recepción. Las señales emitidas con polarización vertical (V) y recibidas con polarización horizontal (H) se indicarían como VH. Por otro lado, una señal emitida con polarización horizontal (H) y recibida con polarización horizontal (H) se indicaría como HH, y así sucesivamente. El análisis de la intensidad de la señal de estas diferentes polarizaciones proporciona información sobre la estructura de la superficie captada mediante los siguientes tipos de dispersión: superficie rugosa, volumen y doble rebote.
La dispersión superficial rugosa, como la causada por el suelo desnudo o el agua, es más sensible a la dispersión VV.
La dispersión de volumen causada por las hojas y ramas en el dosel forestal es más sensible a datos con polarización cruzada como VH o HV.
La dispersión de doble rebote es causada por edificios, troncos de árboles o vegetación inundada y es más sensible a una señal polarizada HH.
Es importante tener en cuenta que la cantidad de señal atribuida a diferentes tipos de dispersión puede variar en función de la longitud de onda, ya que los cambios en esta resultan en cambios en la profundidad de penetración de la señal emitida. Por ejemplo, una señal de banda C penetra solo en las capas superiores del dosel forestal, por lo tanto, experimentará principalmente dispersión de rugosidad combinada con una cantidad limitada de dispersión de volumen. Sin embargo, una señal de banda L o banda P tendrá una penetración mucho más profunda y experimentará una dispersión de volumen considerablemente mayor, así como cantidades crecientes de dispersión de doble rebote causada por objetos como troncos de árboles.
Resolución y moteado:
La resolución espacial del radar define la separación mínima entre las mediciones que el instrumento puede discriminar y determina la cantidad de moteado introducido en el sistema. El moteado es un fenómeno de dispersión que surge porque la resolución espacial del instrumento no es suficiente para resolver dispersores individuales. El moteado puede reproducirse si las condiciones de adquisición son idénticas, mientras que el ruido es aleatorio. El moteado se elimina mediante la observación múltiple. Cuanto mayor sea la resolución espacial del radar, más objetos terrestres se podrán discriminar. El término resolución espacial se confunde a menudo con el tamaño de píxel, que es el espaciado de los píxeles en azimut y distancia al suelo después de procesar los datos.
Interferometría
Los datos SAR permiten un método de análisis llamado interferometría. Cuando se utiliza con SAR, este método de análisis se denomina SAR interferométrico o InSAR. El InSAR utiliza la información de fase registrada por el instrumento para medir la distancia entre este y el objetivo. Cuando se realizan al menos dos observaciones del mismo objetivo en momentos diferentes, la distancia, junto con la información geométrica adicional del instrumento, puede utilizarse para medir cambios en la topografía de la superficie terrestre. Estas mediciones son muy precisas (hasta centímetros) y pueden utilizarse para identificar áreas de deformación tras eventos como erupciones volcánicas y terremotos.
Imágenes SAR e imágenes ópticas
Lago de Valencia Sentinel-1 (Radar) Lago de Valencia Sentinel-2 (Óptico)
Sierra Merideña Sentinel-1 (Radar) Sierra Merideña Landsat-8 (Óptico)
Bibliografía
- The SAR Handbook, NASA, 2019.
- Echoes in Space: Introduction into the Principles and Applications of Radar Remote Sensing, ESA.
Centro de Procesamiento Digital de Imágenes
Autor: Giovanny Daza
