Sistemas de Radar O que radar? O termo Radar ("Radio Detection And Ranging") tem sido utilizado de forma genrica para classificar os sistemas que operam na faixa de freqncia de microondas e foram utilizados inicialmente para fins militares durante a Segunda Guerra Mundial e posteriormente para fins civis a partir da dcada de 70.

Por qu se utiliza radar? Porque a regio espectral de operao permite a alta transmisso das ondas eletromagnticas na atmosfera independente da iluminao solar, mesmo quando a atmosfera se apresenta nublada ou durante precipitaes, podendo assim gerar imagens sob as condies mais adversas. A transmisso das ondas eletromagnticas por um meio diretamente proporcional ao comprimento de onda, desta forma quanto menor a freqncia do radar maior ser a sua penetrao.

Percentual de transmisso atravs da atmosfera terrestre para uma poro do espectro eletromagntico. Fonte: Curlander et al. (1991), p.5. A extenso da penetrao depende da umidade, da densidade da vegetao, bem como do comprimento de onda. Assim comprimento de onda menores interagem com as camadas superficiais da vegetao e os comprimentos de onda mais longos com as camadas inferiores da vegetao, podendo em alguns casos, at mesmo interagir com o solo ou mesmo com o subsolo.

Penetrao de sinais de Radar em vegetao. Fonte: Ulaby et al. (1981a), p.4. Enquanto que na faixa do espectro tico a interao ocorre a nvel de ressonncia molecular na superfcie de contato, em microondas a resposta condicionada a geometria e as profundidades das grandezas dieltricas da superfcie. A combinao por sua vez de imagens por microondas e do espectro tico permite uma maior compreenso dos alvos por inferir diferentes propriedades dos mesmos.

Quais sistemas de radar existem? Os sistemas de radar podem ser agrupados em imageadores e no imageadores. Os imageadores compreendem os sistemas de antena rotatria, os radares de visada lateral de abertura real (SLAR) e os radares de visada lateral de abertura sinttica (SAR). Entre os no imageadores destacam-se os escatermetros, os espectrmetros e os altmetros. SLAR-RAR (Radares de Visada Lateral de Abertura Real) foram os primeiros sistemas imageadores por microondas, os quais foram utilizados durante a II Guerra Mundial como auxiliares a bombardeiros noturnos. O SLAR possui uma antena que ilumina lateralmente os alvos com um feixe que amplo verticalmente e estreito horizontalmente. A varredura de gerao da imagem produzida pelo prprio movimento da aeronave durante a passagem sobre a rea a ser recoberta. Este radar apresenta o inconveniente de possuir a resoluo azimutal diretamente proporcional distncia entre a antena e o alvo imageado, e inversamente proporcional ao comprimento de onda da antena utilizada no imageamento. Desta forma, para se obter uma melhor resoluo azimutal, ou se diminua a distncia entre o radar e o alvo, ou se aumentava o comprimento da antena. O Radar de Abertura Sinttica (SAR), desenvolvido na dcada de 50, resolve os problemas do SLAR, uma vez que a resoluo azimutal deste sistema independe da distncia entre o radar e o alvo. A utilizao para uso civil iniciou-se na dcada de 70 , quando alguns programas foram realizados , utilizando-se imagens de radar a bordo de aeronaves. A utilizao de radar a nvel orbital iniciou-se com o lanamento do SEASAT em 1978, e com base em seus dados, a NASA iniciou o Programa SIR ("Shuttle Imaging Radar"), que consistiria de uma srie de vos de curta durao. Dentro deste programa foram lanados o SIR-A e o SIR-B em 1981 e 1984 e o SIR-C em 1994. Misses mais longas

iniciaram-se com o lanamento do ALMAZ-1 em 1981, ALMAZ-2 em 1991, ERS-1 em 1991 e JERS-1 em 1992, ERS-2 em 1995 e o RADARSAT em 1995. Quais aplicaes em cincias ambientais so possveis? Geologia: o Anlise de estruturas geolgicas (fraturas, falhas, dobras e foliaes); litotipos, geomorfologia (relevo e solos) e hidrografia para pesquisa de recursos minerais; o Avaliao do potencial dos recursos hdricos superficiais e subterrneos; o Identificao de reas para prospeo mineral. Agricultura: o Planejamento e monitorizao agrcola; o Identificao, mapeamento e fiscalizao de culturas agrcolas; o Determinao relativa da umidade de solos; eficincia de sistemas de irrigao. Cartografia: o Levantamento planimtrico (escalas 1:20.000 a 1:50.000); o Levantamento altimtrico (interferometria). Florestas: o Gerenciamento e planejamento de florestas; o Determinao de grandes classes de florestas; o Identificao da ao de determinadas doenas; o mapeamento de desflorestamento; o Identificao de reas de corte seletivo; o Estimativa de biomassa. Gelo e neve: o Mapeamento/classificao de gelo; o Monitoramento de degelo-inundaes. Hidrologia: o Gerenciamento e planejamento dos recursos hdricos; o Deteco de umidade do solo; o Interpretao de parmetros hidrolgicos: transmissividade, direo de fluxo, permeabilidade, vazo, etc; Meio Ambiente: o Planejamento e monitorizao ambiental; o Identificao, avaliao e monitorizao de recursos hdricos e dos processos fsicos do meio ambiente (assoreamentos, eroso, escorregamentos, etc); o Identificao e anlise da degradao causadas por minerao, deposio de resduos, ao antrpica etc; o Identificao, anlise e monitorizao de riscos ambientais. Oceanografia: o Monitorizao do estado do mar, correntes, frentes de vento; o Espectro de ondas para modelos numricos de previso; o Mapeamento de topografia submarina (condies especficas); o Poluio marinha causada por derrames de leo e filmes; o Deteco de barcos - pesca ilegal; o Apoio para estabelecimento de rotas martimas. Uso da Terra: o Planejamento do uso da terra; o Classificao de solos; o Classificao do uso da terra; o Inventrio, monitoramento ("change detection"), planejamento; o Padres de irrigao/dficit hdrico; o Salinizao de solos.

Como so geradas as imagens de radar?

A geometria bsica de um sistema de imageamento por Radar de Abertura Sinttica mostrado abaixo. Nesse sistema, a plataforma (avio ou satlite) com o sensor SAR se desloca a uma velocidade V em relao ao solo, a uma altura H, apontando a antena lateralmente com um ngulo em relao ao nadir.

Geometria do sistema SAR A medida que a plataforma se desloca o transmissor envia pulsos de largura Tp a intervalos regulares de T segundos.

Pulso transmitido O pulso transmitido modulado linearmente em freqncia (conhecido como "chirp"), e um valor mximo . com uma variao de freqncia entre um valor mnimo Esta variao de freqncia conhecida como largura de banda do pulso, , e determina a resoluo na direo perpendicular ao vo (range). Para entender melhor o que ocorre em um sistema de imageamento SAR, utiliza-se como modelo o comportamento de um alvo pontual, desde a sua entrada at a sada do campo visual da antena. A figura abaixo mostra o imageamento de um ponto P, desde a sua entrada no campo visual da antena, no instante , at sua sada no o radar envia um certo nmero N de pulsos, instante . No intervalo de tempo dessa maneira coleta-se N amostras do eco do ponto P nesse intervalo. Estas amostras so armazenadas em algum dispositivo de memria. Durante o intervalo a plataforma SAR se desloca V. comprimento da "Abertura Sinttica". metros, que conhecido como o

Intervalo da abertura sinttica O eco recebido de dada pulso enviado, sofre uma variao de freqncia devido a velocidade V da plataforma. Essa variao conhecida como efeito Doppler. A variao de freqncia no intervalo te at ts conhecida como largura de banda Doppler, BD. As variaes de freqncia Bp e BD influenciam diretamente nas resolues de "range" e azimute respectivamente, quanto maiores, menores so as resolues. Os dados (ecos) adquiridos no sistema SAR necessitam de processamento para que seja gerada uma imagem correspondente a esses dados. No passado esse processamento era feito por sistema tico, pouco flexvel, impreciso e caro. Com o desenvolvimento de computadores cada vez mais rpidos, foi possvel gerar imagens SAR digitais mais precisas, atravs de algoritmos apropriados. Processamento "Multi-Look" consiste em dividir a abertura sinttica em visadas (looks).

Figura 5.6 - Exemplo de "multi-look", no. "looks"= 3. A imagem final composta pela mdia das imagens de cada "look", geradas separadamente. Assume-se que as imagens de cada "look" sejam estatisticamente independentes entre si. Esta tcnica aumenta a relao sinal-rudo da imagem final, proporcional a raiz quadrada do nmero de "looks", diminuindo o efeito do rudo Speckle. O processamento "multi-look" provoca uma degradao na resoluo em azimute, uma vez que as imagens de cada "look" possuem uma largura de banda menor que a B ou seja: largura total D, onde "nl" igual ao nmero de "looks". A resoluo em azimute nesse caso torna-se "nl" vezes menor que a imagem de apenas um "look".

Como o formato de uma imagem SAR? As imagens geradas de 1 "look" so fornecidas no formato "complexo", para que seja possvel o conhecimento da fase de cada pixel da imagem. A figura mostra a representao do pixel no formato complexo, onde Uq e Ui so as componentes real e imaginria respectivamente, A o mdulo do nmero complexo representando a a fase do pixel complexo. Em geral as componentes Uq e Ui amplitude do pixel e so codificadas em 16 bits, fazendo com que um pixel complexo necessite de 32 bits para sua representao.

Representao do pixel no formato complexo As imagens "multi-look" normalmente so representas em imagens de Amplitute, ou seja:

As imagens de Amplitude so tambm conhecidas como imagens detectadas linearmente. Para esse tipo de imagens, em geral se utiliza um representao de 16 ou 8 bits por pixel. As imagens tambm podem ser representadas em Intensidade, ou seja:

As imagens de Intensidades so de deteco quadrtica e necessitam em geral de 32 bits para a representao de cada pixel.

Quais distores radiomtricas existem em imagens de radar? A qualidade radiomtrica do dado SAR afetada por fatores inerentes ao instrumento, bem como geometria de iluminao. As duas principais causas de distores radiomtricas que prejudicam a interpretao das imagens de radar so: o rudo "speckle" e o efeito do padro da antena.

Quais distores radiomtricas existem em imagens de radar? O Speckle um rudo multiplicativo proporcional a intensidade do sinal recebido. O efeito visual deste rudo proporciona uma textura granulosa que pode dificultar a interpretao das imagens de radar, reduzindo a separabilidade entre os objetos da cena. Existem dois mtodos para se diminuir o rudo Speckle: a filtragem e o processamento "multi-look". Os filtros devem manter o valor mdio do retorno do radar (backscatter), preservar as bordas presentes na imagem e as informaes de textura. O rudo Speckle est sempre associado a sistemas de imageamento coerente, tais como os obtidos por microondas, laser e ultra-sonografia. Considera-se que em uma clula de resoluo de uma cena imageada, existam um nmero muito grande de elementos difusores, aleatoriamente distribudos, de tal forma que esses elementos

podem interferir uns aos outros construtivamente e destrutivamente, fazendo aparecer variaes sbitas na intensidade da imagem, caracterizando o rudo Speckle.

Clula de resoluo e o "backscatter" resultante Muitos filtros espaciais tem sido desenvolvidos para a reduo do rudo Speckle e para o aumento da relao sinal-rudo, objetivando uma melhoria na separabilidade entre os alvos da superfcie, com a mnima perda de informao. o Filtro de Frost [Frost-1982]: um filtro convolucional linear, derivado da minimizao do erro mdio quadrtico sobre o modelo multiplicativo do rudo. Neste filtro incorpora-se a dependncia estatistica do sinal original, uma vez que se supe uma funo de correlao espacial exponencial entre pixels. um filtro adaptativo que preserva a estrutura de bordas. o Filtro de Lee [Lee-1981]: adota um modelo multiplicativo para o rudo e obedece o critrio de "local linear minimum mean square error". Local, porque utiliza estatsticas locais do pixel a ser filtrado, admitindo a no estacionaridade da mdia e da varincia do sinal. um filtro linear porque realiza uma linearizao por expanso em srie de Taylor da multiplicao do sinal e o rudo em torno da mdia, utilizando apenas os termos lineares. O resultado da linearizao transforma o modelo multiplicativo do rudo em aditivo, ou seja, o rudo e o sinal tornam-se independentes; e, finalmente, "minimum mean square error", porque minimiza o erro mdio quadrtico atravs do filtro de Wiener (filtro baseado no critrio de mnimo erro mdio quadrtico) . O filtro de Lee um filtro adaptativo e geral. o Filtro de Kuan/Nathan [Kuan et al.-1982]: adota o modelo multiplicativo. O procedimento semelhante quele de Lee, onde a estimao ponto a ponto feita utilizando-se o filtro de Wiener. A diferena estre eles, entretanto, consiste no fato de que no filtro de Kuan/Nathan no se realiza nenhuma aproximao. tambem um filtro adaptativo e geral. A Figura 5.9 mostra a imagem original (ERS-1, 8 "looks") e as correspondentes imagens filtradas, utilizando os seguintes filtros: Filtro de mdia 5x5, Filtro de Frost adaptadivo, Filtro de mediana, Filtro de Lee fixo e Filtro de Kuan fixo (janela = 3).

Imagem original (ERS-1, 8 "looks") e as correspondentes imagens filtradas, utilizando: Filtro de mdia 5x5, Filtro de Frost adaptativo, Filtro de mediana, Filtro de Lee fixo e Filtro de Kuan fixo (janela = 3). Medidas quantitativas realizadas nos filtros testados, mostraram que os filtros de Lee, Kuan, Frost e de Mdia preservam o valor mdio da imagem. Os filtros no especficos para rudo Speckle, Mdia e Mediana, apresentam uma considervel reduo no desvio padro, implicando em uma grande perda de informao (perda de resoluo). O filtro de Frost apresentou a mxima preservao de textura e uma menor perda de informao. A utilizao de um determinado filtro dependente da aplicao desejada. Para uma determinada aplicao, se o fator mais importante for: o Relao sinal-rudo - Filtro de Mdia. o Mnima perda de resoluo - Filtro de Frost. o Relao sinal-rudo e mnima perda de resoluo - Filtro de Frost.

O que e como corrigir o efeito do padro de antena? As variaes de baixa freqncia no brilho das imagens na direo de "range" so causados pela perda de potncia relacionada com a geometria de visada lateral, que

decai com no caso das imagens SAR, onde R a distncia entre a antena e um dado ponto na imagem. Esse problema mais acentuado em imagens adquiridas por avio, pois a razo entre o Rmin (inicio da faixa imageada) e Rmax (fim da faixa) bem menor em relao das imagens adquiridas por satlites, onde a razo praticamente 1.

Variao do "range" para aeronave e satlite Esta perda de potncia corrigida no instante da aquisio de cada pulso, atravs do STC (Sensitivity Time Control) , visando a correo do decaimento da potncia. Devido a imperfeio no sistema STC ou outras perturbaes da eletrnica do radar (variao do ganho do amplificador durante o tempo de aquisio do eco), mecnicas ou eltrica, a correo no perfeita, permanecendo alguma variao residual. O algoritmo para correo do padro de antena consiste em gerar um Padro atravs da mdia das colunas da imagem. A mdia das colunas devem ser tomadas em regies (janelas) to homogneas quanto possveis. Deve-se garantir que exista a mdia em toda a direo de "range". O Padro obtido atravs da mdia das colunas deve ser filtrado (ajustado) para que se obtenha somente as variaes de baixa freqncia. Dois mtodos podem ser utilizados na filtragem (ajuste). O primeiro mtodo o da mdia mvel, que consiste em filtrar o Padro atravs de um filtro de mdia, onde o nmero de pontos da mdia definido pelo tamanho da janela da interface. O segundo mtodo o ajuste por polinmio, onde o grau do polinmio selecionado atravs da interface. Aps a filtragem do Padro, a imagem pode ser corrigida. Um dos mtodos de correo o multiplicativo, que consiste em multiplicar o valor do pixel sendo processado, V(i,j), por um fator dado pela razo entre o valor mdio do Padro, P e o valor do Padro ajustado, P(j), ou seja:

onde

j

o

ndice

de

coluna

da

imagem

(direo

de

"range").

A Figura 5.11 apresenta.

(a)

(b) Imagem original (a) (imagem do sistema SAR-580 do Rio Tapajs obtida durante a misso SAREX-1992), e a corrigida (b).

Padro original com flutuaes de alta freqncia e ajustado (polinmio de grau 8) para retirar as flutuaes. Quais distores geomtricas esto presentes em imagens de radar? As distores geomtricas so induzidas pela variao da elevao na superfcie ou pela mudana de atitude da plataforma (velocidade, direo e altitude). A variao da elevao na superfcie resulta em distores conhecidas como encurtamento de rampa (foreshortening), inverso (layover) e sombra. O "layover" acontece quando o topo de um alvo imageado antes da base, causando inverso do terreno, com as partes altas mapeadas como baixas e vice-versa. Este efeito sempre mais intenso quando se tem ngulos de incidncia pequenos, como o caso de sistemas orbitais em geral.

Imagem com efeito "layover", caracterizado pelas faixas de cor branca. O "foreshortening" ocorre quando a rea imageada possui relevo pronunciado. Neste caso as encostas voltadas para o nadir apresentam-se mais curtas.

As correes destes efeitos requerem processamento adicionais, pois necessitam da informao do Modelo Numrico de Terreno (MNT).

O que a converso Slant to Ground Range? necessria devido a visada lateral do radar. A visada lateral faz com que a imagem obtida tenha uma projeo inclinada em relao ao solo provocando uma compresso da imagem. Esta compresso varia ao longo da faixa imageada, quanto mais prximo os pixels da imagem estiverem do nadir, mais comprimidos estes sero. A converso da imagem da projeo inclinada para a projeo no solo chamada de converso "slant to ground range". A imagem "slant" (na projeo inclinada) esta relacionada com o modo de aquisio em radares de visada lateral.

Amostragem do eco recebido a intervalos Ta O processo de amostragem faz com que a informao contida em cada intervalo Ta, no tenha a mesma rea para as amostras situadas no "range" prximo em relao as do "range" distante, devido a variao do ngulo de incidncia .

Imagem em "Slant" e "Ground Range" A imagem formada chamada de "inclinada" ou em "slant range". Essa imagem possui uma distoro geomtrica, pois as amostras SR igualmente espaadas na faixa imageada no so igualmente espaados no cho, GR. Para que a imagem possa ser registrada e geocodificada, as amostras no cho devem ser igualmente espaadas, para tanto necessita-se converter a imagem de "slant" para "ground range". A converso consiste em projetar as amostras (pixels) no cho e depois reamostr-las com um espaamento uniforme. Para se fazer a converso so utilizados parmetros referentes a geometria do SAR como a altura do vo, distncia mnima (distncia entre o sensor e o primeiro pixel), tempo mnimo (tempo registrado entre o sensor e o primeiro pixel). Estes parmetros em geral esto presentes no cabealho da imagem selecionada. Caso no estejam, devem-se preencher os campos da altura e da

distncia inclinada mnima ou do ngulo de incidncia mnimo ou do tempo mnimo. Qualquer um dos trs ltimos parmetros suficiente para a converso. Outra informao que deve ser considerada a posio do imageamento do lado esquerdo ou direito, que pode ser identificado atravs de sombras na imagem provocada pela visada lateral do SAR. Para reamostrar a imagem inclinada a fim de se obter uma amostragem uniforme no solo, podem ser utilizadas trs tipos de interpoladores, ou seja: o Vizinho mais prximo - Este interpolador deve ser usado quando se deseja manter os valores dos nveis de cinza da imagem sem gerar valores intermedirios, este interpolador preserva as estatsticas da imagem. o Linear - interpola atravs de uma reta. o Cbico - interpola atravs de uma parbola. A relao entre a resoluo em "slant range", depende do ngulo de incidncia , e em "ground range", ,

, da seguinte forma:

A converso ideal aquela que leva em conta o modelo numrico do terreno (MNT), possibilitando a correo das distores provocada pelos efeitos de inverso (layover), sombra e encurtamento. Em geral, nem sempre o MNT correspondente a imagem disponvel. Imagens obtidas por plataformas aerotransportadas, de regies no montanhosas, so em geral convertidas para "ground range" supondo-se a terra plana. Nesse tipo de imagem o ngulo de incidncia alto devido a baixa altitude da plataforma, com isso, o efeito "layover" praticamente no existe, existindo apenas o problema de sombra se a regio for montanhosa. A Figura 5.17 mostra uma imagem em "slant range" (a) do Rio Tapajs obtida pelo sistema SAR-580 durante a misso SAREX (1992), e sua correspondente em "ground range" (b). Nota-se que o lado direito da imagem (a),"range" prximo, esta mais comprimido que a da imagem (b), devido a amostragem no uniforme do terreno.

(a) ("range" distante) -------------------- ("range" prximo)

(b) Imagem em "slant range" (a) do Rio Tapajs obtida pelo sistema SAR-580 durante a misso SAREX (1992), e sua correspondente em "ground range" (b).

Nota-se que o lado direito da imagem (a),"range" prximo, esta mais comprimido que a da imagem (b), devido a amostragem no uniforme do terreno.

Fonte: http://www.dpi.inpe.br/