sensoriamento remoto

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3.7.2 Geometria de imageamento RADAR

A geometria de imageamento, ou geometria entre o sensor SAR e a superfície pode ser descrita pelos seguintes parâmetros ilustrados na Figura 3.21.

Fig. 3.21 – Geometria de imageamento RADAR. (Adaptado de RADARSAT, 1997).

Introdução ao Sensoriamento Remoto

Altura: representa a distância vertical entre a plataforma e um ponto da superfície terrestre imediatamente abaixo dela. A altura nominal dos satélites de sensoriamento remoto se refere à altura acima do elipsóide de referência que representa o nível médio do mar.

Nadir: representa o ponto imediatamente abaixo da plataforma. Azimute: representa a direção no terreno paralela ao movimento do satélite.

Vetores de range(ou alcance): representam vetores que conectam o radar aos elementos do terreno correspondentes a cada medida de distância a cada instante em que o pulso de microondas é transmitido.

Distância inclinada (“slant range”): representa a distância do sensor ao alvo ao longo da direção de range (ou distância perpendicular ao deslocamento da plataforma), também conhecida por “distância percebida pelo RADAR)

Distância no terreno (“ground range”): representa a distância inclinada projetada sobre a superfície terrestre, também conhecida por distância real ou distância geográfica.

Near range (Alcance Próximo): região mais próxima ao ponto nadir. Far range (Alcance Distante): região mais distante do ponto nadir.

Largura da Faixa (“swath width”): representa a largura da faixa imageada na direção perpendicular ao deslocamento da plataforma.

Comprimento da Faixa (“swath length”): representa a distância imageada na direção azimutal.

Ângulo de iluminação: representa o ângulo entre o vetor normal a Terra e o vetor de range medido na posição do RADAR. Este ângulo determina a distribuição da iluminação do radar através da faixa imageada. A medida que a altura do radar aumenta, o ângulo de iluminação correspondente a largura da faixa (range) diminui.

Ângulo de incidência: representa o ângulo entre os vetores de range e vertical local.

3.7.3 Tipos de sistemas RADAR

Existem basicamente dois tipos de sistemas RADAR. O mais antigo, e já fora de funcionamento é o Radar de Abertura Real. Os radares de abertura real são configurados de tal modo que a resolução espacial na direção azimutal seja proporcional à distância entre o sensor e a superfície.

A largura do feixe da antena (b) determina a resolução espacial na direção azimutal. Assim sendo o tamanho do pixel varia em tamanho do near range para o far range. Nos sistemas de abertura real a resolução diminui com a diminuição da distância do pulso à antena. A Figura 3.2 ilustra o efeito da distância em range sobre a resolução azimutal nos sistemas de abertura real.

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GD1 GD2

Ângulo de depressão da antena

Fig. 3.2 – Dependência da resolução espacial em azimute da largura do feixe.

A largura do feixe produzido pela antena (β) determina a resolução espacial na direção Azimutal (Sra). Esta resolução é calculada a partir da equação 3.7:

Sra= GD β(3.7)

Onde: GD= Distância em range β = Ângulo da antena

O grande problema dos radares de abertura real é o de que o ângulo β dependia do tamanho físico da antena, conforme pode ser deduzido pela equação 3.8:

λ
β =−−−−−−−−−−−(3.8)
ΑL

onde:

β= ângulo de abertura da antena λ= comprimento de onda da radiação transmitida pela antena. AL= comprimento da antena

Como se pode deduzir da equação 3.8, para haver uma redução do ângulo de abertura da antena, é necessário aumentar o comprimento da antena, o que é fisicamente impossível a partir de uma certa dimensão.

A resolução espacial em range depende da duração do pulso transmitido. Esta resolução representa a metade da duração do pulso. Se dois campos estão distanciados entre si na direção de range por uma distância menor que a metade da duração do pulso, o primeiro pulso transmitido pela antena terá alcançado o campo mais distante e estará retornando ao mesmo tempo que o pulso emitido pela antena e refletido pelo alvo estará retornando também. Com isso, os dois sinais se misturarão e não será possível “resolver” os dois campos como alvos distintos.

A resolução espacial na direção de range é dada por (SRr) conforme equação 3.9:

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c t
SRr = ------(3.9)
2 cos γ

onde γ = é o ângulo de depressão da antena t= é o comprimento do pulso c= velocidade do pulso de microondas, que é a velocidade da luz.

Com o desenvolvimento tecnológico o sistema RAR (Radar de Abertura Real) foi substituído pêlos modernos SAR (Sinthetic Aperture Radar – SAR) ou Radares de Abertura Sintética.

O SAR representa um modo engenhoso de se superar o problema do tamanho físico da antena a partir da “síntese” de uma antena virtual a partir do registro acumulado dos sinais de retorno de cada objeto da antena durante o período em que ela se desloca sobre uma dada região do terreno. Uma vez que o pulso tenha passado sobre um ponto do terreno, toda a informação de fase sobre aquele ponto é armazenada em uma matriz bidimensional (range e azimute). Todas as “histórias” de fase de todos os pontos da imagem são combinadas numa série temporal que forma o dado sintético. Através de um processamento complexo esta “assinatura de fase” de cada ponto é tranformada em informação de azimute e range. Mais informações sobre o processamento de sinal de um radar de abertura sintética pode ser encontrado em Oliver e Quegan (1998).

Atualmente, os sistemas de RADAR possuem a chamada antena de abertura sintética o que permite que estes sistemas possam ser colocados em plataformas orbitais produzindo resoluções espaciais da ordem de poucos metros.

3.7.4 Interações entre a radiação de micro-ondas e a superfície terrestre

Em geral, quanto mais organizado é o processo de transformação (em oposição a aleatório), mais coerente é o espectro de radiação gerado (coerente no sentido de pequena faixa de variação de freqüências). Assim sendo, o espectro de emissão do Sol, resultante de reações nucleares, é muito mais complexo do que o espectro de emissão de uma antena que produz um pulso de microondas (Elachi, 1987).

A energia eletromagnética neste espectro de freqüência é usualmente gerada por correntes alternadas impostas sobre materiais metálicos (antenas, por exemplo). A corrente alternada gera um campo elétrico e um campo magnético que se propaga à velocidade da luz (Elachi, 1987).

Assim como em outras regiões do espectro eletromagnético, a radiação de microondas apresenta uma série de características específicas de interação com a matéria que a diferencia de outras regiões do espectro. Dentre as características da radiação de micro-ondas destacam-se:

• Sensibilidade à estrutura macroscópica dos materiais

• Sensibilidade a propriedades elétricas dos materiais

As interações entre a radiação de micro-ondas e os objetos da superfície terrestre são afetadas por dois grandes conjuntos de variáveis:

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• Variáveis ligadas ao sistema radar tais como: comprimento de onda, ângulo de incidência do pulso de micro-ondas, direção de imageamento, polarização, resolução.

• Variáveis ligadas ao objeto imageado tais como rugosidade, dimensão, umidade, etc.

3.7.5 Variáveis do sistema

O comprimento de onda é uma variável importante por quê controla o coeficiente de retro-espalhamento e a profundidade de penetração da radiação nos objetos da superfície. A constante dielétrica dos objetos varia com a freqüência da radiação incidente, a qual afeta o coeficiente de retro-espalhamento. Para uma superfície com rugosidade constante, há um aumento do espalhamento segundo à quarta potência da frequência (Elachi, 1987).

A profundidade de penetração da radiação de microondas também é afetada pela frequência. Para a maioria dos materiais da superfície terrestre a profundidade de penetração varia linearmente com o comprimento de onda. Assim sendo, a profundidade de penetração da radiação na faixa de 20 cm é 10 vezes maior do que de radiação na faixa de 2 cm. Assim sendo, a profundidade de penetração da banda L é 10 vezes maior do que a da banda X. Isto explica também por quê a banda L é menos afetada pela atmosfera do que a banda X.

O ângulo de incidência pode ser definido como o ângulo formado entre o vetor de range e a direção vertical local. Como a faixa imageada pelo radar recobre uma ampla região do terreno, suas imagens estão sujeitas a diferenças de retro-espalhamento em função da distância (e portanto do ângulo) entre a plataforma de aquisição e o objeto imageado. A região mais próxima à antena (near-range) tende a produzir valores mais elevados de retroespalhamento do que a região distante da antena (far-range) em decorrência das modificações no ângulo de incidência local.

A direção de imageamento se refere á orientação geométrica do feixe transmitido em relação a feições lineares do terreno como culturas agrícolas, acidentes topográficos e lineamentos geológicos. Quando a direção de imageamento é perpendicular à feição linear há um aumento da interação entre ela e a frente de onda. Com isto, há um aumento no coeficiente de retro-espalhamento. Ao contrário, quando a feição linear é paralela á feição do terreno, há menor interação entre ela e a radiação incidente, havendo consequentemente uma redução no coeficiente de retro-espalhamento.

Para um sistema radar, a polarização se refere á orientação do campo elétrico em relação a um certo plano de referência. A maioria das antenas de radar são construídas de modo a transmitirem e receberem ondas polarizadas linearmente, seja horizontalmente ou seja verticalmente. Uma onda é transmitida verticalmente polarizada quando a antena é orientada de modo que o campo elétrico ocupe o plano definido pelo vetor perpendicular à superfície da Terra (geóide) e o vetor de range. A onda é transmitida horizontalmente polarizada quando é orientada perpendicularmente àquele plano.

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