ПЕРЕКЛАДИ

Що таке радар із синтетичною апертурою?

Довідкова інформація про радар із синтетичною апертурою.•

NASA
Open access for open science.

• • •

Оригінал статті з сайта EarthData був перекладений за допомоги DeepL і виправлений лише в частині грубих помилок. Якщо ви помітили неточність, то напишіть нам і ми радо її виправимо.

09 квітня 2019р•Супутникові знімки

Програма "Системи даних про Землю" (ESDS) надає повний і відкритий доступ до колекції даних НАСА з наук про Землю для розуміння та захисту нашої планети. Ознайомитися з останніми подіями науки НАСА можна на GitHub-сторінці TOPS.

Революційна політика відкритих даних NASA забезпечує необмежений доступ до понад 75 петабайт даних про Землю в колекції даних та інформаційної системи системи спостереження за Землею NASA (EOSDIS). Програма NASA Earth Science Data Systems (ESDS) гарантує, що ці дані будуть повністю доступними будь-якому користувачеві для будь-якої мети, а також сприяє та сприяє відкритому обміну всіма метаданими, документацією, моделями, зображеннями та результатами досліджень разом із вихідним кодом, який використовується для генерувати, маніпулювати та аналізувати ці дані.

Вступ

У той час як більшість науковців, які використовують дистанційне зондування, знайомі з пасивними, оптичними зображеннями з супутників Landsat Геологічної служби США, спектрорадіометра помірної роздільної здатності НАСА (MODIS) і Sentinel-2 Європейського космічного агентства, існує ще один тип даних дистанційного зондування - хвильові дані: Радіолокація з синтезованою апертурою, або SAR. SAR - це тип активного збору даних, коли датчик виробляє власну енергію, а потім реєструє кількість цієї енергії, відбитої назад після взаємодії із Землею.

Хоча оптичні зображення схожі на інтерпретацію фотографії, дані SAR вимагають іншого способу мислення, оскільки сигнал натомість реагує на характеристики поверхні, такі як структура і вологість.

Геометрія спостережень, використана для формування синтетичної апертури для цілі P у позиції вздовж треку x = 0. Авторство: Довідник NASA SAR.

Щоб отримати додаткові відомості про пасивне та активне дистанційне зондування, див. Що таке дистанційне зондування?

Що такого синтетичного в SAR?

Просторова роздільна здатність радіолокаційних даних безпосередньо пов'язана зі співвідношенням довжини хвилі датчика до довжини антени датчика. Для даної довжини хвилі, чим довша антена, тим вища просторова роздільна здатність. Для супутника в космосі, який працює на довжині хвилі близько 5 см (радар С-діапазону), для того, щоб отримати просторову роздільну здатність 10 м, знадобиться радарна антена довжиною близько 4250 м. (Це понад 47 футбольних полів!).

Електромагнітний спектр із вставкою мікрохвильових діапазонів.

Антена такого розміру не є практичною для супутникового датчика в космосі. Тому вчені та інженери придумали хитромудрий обхідний шлях - синтетичну апертуру. У цій концепції послідовність знімків з коротшої антени об'єднуються для імітації набагато більшої антени, що дозволяє отримати дані з вищою роздільною здатністю. (геометричний малюнок див. вище).

Роль частоти та довжини хвилі

Оптичні датчики, такі як оперативний знімальний пристрій Landsat (OLI) і мультиспектральний прилад Sentinel-2 (MSI), збирають дані у видимій, ближній інфрачервоній і короткохвильовій інфрачервоній частинах електромагнітного спектра. Радіолокаційні датчики використовують довші довжини хвиль у сантиметровому і метровому діапазоні, що надає їм особливих властивостей, таких як здатність бачити крізь хмари (див. електромагнітний спектр вище). Різні довжини хвиль SAR часто називають діапазонами з літерними позначеннями, такими як X, C, L і P. У наведеній нижче таблиці зазначено діапазон з відповідною частотою, довжиною хвилі і застосуванням, типовим для цього діапазону.

Смуга	Частота	Довжина хвилі	Типове застосування
Ка	27–40 ГГц	1,1–0,8 см	Рідко використовується для SAR (спостереження в аеропорту)
K	18–27 ГГц	1,7–1,1 см	рідко використовується (поглинання H₂O)
Ku	12–18 ГГц	2,4–1,7 см	рідко використовується для SAR (супутникова альтиметрія)
X	8–12 ГГц	3,8–2,4 см	SAR з високою роздільною здатністю (міський моніторинг; лід і сніг, невелике проникнення в рослинний покрив; швидке згасання когерентності в рослинних районах)
C	4–8 ГГц	7,5–3,8 см	Робоча конячка SAR (глобальне картографування; виявлення змін; моніторинг територій із низьким та помірним проникненням; вища когерентність); лід, океанська морська навігація
S	2–4 ГГц	15–7,5 см	Невелике, але зростаюче використання для спостереження Землі на основі SAR; моніторинг сільського господарства (NISAR матиме канал S-діапазону; використовує програми C-діапазону для більшої щільності рослинності)
L	1–2 ГГц	30–15 см	SAR із середньою роздільною здатністю (геофізичний моніторинг; картографування біомаси та рослинності; висока проникність, InSAR)
P	0,3–1 ГГц	100–30 см	Біомаса. Перший космічний SAR p-діапазону буде запущено ~2020 р.; картографування та оцінка рослинності. Експериментальний SAR.

Довжина хвилі є важливою характеристикою, яку слід враховувати при роботі з SAR, оскільки вона визначає, як радіолокаційний сигнал взаємодіє з поверхнею і як далеко сигнал може проникати в середовище. Наприклад, радіолокатор Х-діапазону, який працює на довжині хвилі близько 3 см, має дуже малу здатність проникати в широколистяний ліс, і, таким чином, в основному взаємодіє з листям у верхній частині крони дерев. Сигнал L-діапазону, з іншого боку, має довжину хвилі близько 23см, завдяки чому досягається більше проникнення в ліс і забезпечується більша взаємодія між радіолокаційним сигналом і великими гілками і стовбурами дерев. Довжина хвилі впливає не лише на глибину проникнення в ліс, але й на інші типи земного покриву, такі як ґрунт і лід.

Наприклад, вчені та археологи використовують дані ДЗЗ для того, щоб допомогти "відкрити" втрачені міста та інфраструктуру міського типу, приховані з часом густою рослинністю або пісками пустелі. Для отримання інформації про використання SAR в космічній археології читайте на сайті Обсерваторії Землі NASA «Вдивляючись крізь піски часу» та «Таємниці під піском».

Механізми поляризації та розсіювання

Радар також може збирати сигнали в різних поляризаціях, контролюючи аналізовану поляризацію як в тракті передачі, так і в тракті прийому. Поляризація стосується орієнтації площини, в якій коливається електромагнітна хвиля, що передається. Хоча орієнтація може відбуватися під будь-яким кутом, датчики SAR зазвичай передають лінійно поляризовані. Горизонтальна поляризація позначається літерою H, а вертикальна - V.

Перевагою радіолокаційних датчиків є те, що поляризацію сигналу можна точно контролювати як на передачі, так і на прийомі. Сигнали, випромінювані у вертикальній (V) і прийняті в горизонтальній (H) поляризації, будуть позначатися символом VH. Або ж сигнал, який був випромінений в горизонтальній (H) і прийнятий в горизонтальній (H) поляризації, буде позначатися HH, і так далі. Вивчення рівня сигналу від цих різних поляризацій несе інформацію про структуру зображеної поверхні, засновану на наступних типах розсіювання: шорстка поверхня, об'єм і подвійне відбиття (див. малюнок нижче).

Розсіювання від шорсткої поверхні, наприклад, від голого ґрунту або води, є найбільш чутливим до розсіювання VV.
Перехресне розсіювання, наприклад, спричинене листям і гілками в лісовій кроні, є найбільш чутливим до перехресно-поляризованих даних, таких як VH або НV.
Останній тип розсіювання, подвійне відбиття, викликається будівлями, стовбурами дерев або затопленою рослинністю і є найбільш чутливим до HH поляризованого сигналу.

Значне розсіювання в HH вказує на переважання розсіювання з подвійним відбиттям (наприклад, стеблова рослинність, штучні споруди), тоді як значне VV пов'язане з розсіюванням на шорсткій поверхні (наприклад, гола земля, вода), а просторові варіації подвійної поляризації вказують на розподіл об'ємних розсіювачів (наприклад, рослинність і високопроникні типи ґрунтів, такі як пісок або інші сухі пористі ґрунти). Джерело: NASA SAR Handbook.

Слід зауважити, що інтенсивність сигналу, яка обумовлена різними типами розсіювання, може змінюватися в залежності від довжини хвилі, оскільки довжина хвилі змінює глибину проникнення сигналу. Наприклад, сигнал С-діапазону проникає лише у верхні шари пологу лісу, а тому зазнає переважно поверхневого розсіювання, змішаного з обмеженою кількістю об'ємного розсіювання. Однак сигнал L-діапазону або P-діапазону проникає набагато глибше і тому зазнає сильного об'ємного розсіювання, а також зростає кількість подвійного розсіювання, спричиненого стовбуром дерева (див. рисунок проникнення через верхній шар лісу нижче).

Залежність результатів радіолокаційних вимірювань від структури лісу та проникнення в полог на різних довжинах хвиль, що використовуються для повітряних або космічних спостережень за поверхнею суші з ДЗЗ. Джерело: NASA SAR Handbook.

Interferometry (InSAR)

Дані SAR також можуть дозволити використовувати метод аналізу, який називається інтерферометрія, або InSAR. InSAR використовує інформацію про фазу, записану датчиком, для вимірювання відстані від датчика до цілі. Коли проводиться щонайменше два спостереження однієї і тієї ж цілі, відстань з додатковою геометричною інформацією від датчика може бути використана для вимірювання змін у топографії поверхні землі. Ці вимірювання є дуже точними (до сантиметрового рівня!) і можуть бути використані для виявлення зон деформації від таких подій, як виверження вулканів і землетруси (див. інтерферограму нижче).

На інтерферограмі з даних супутника Sentinel-1, отриманих 17.02.2018 р. та 05.02.2018 р., показано сповзання розлому землетрусу по субдукційному насуву, що спричинило підняття земної поверхні до 40 см. Рух був окреслений 9-сантиметровими кольоровими контурами, також відомими як бахроми. Джерело: Програма NASA по боротьбі з катастрофами.

Доступність даних

Лише нещодавно послідовні набори даних SAR стали широко доступні безкоштовно, починаючи з запуску і політики відкритих даних Європейського космічного агентства (ЄКА) Sentinel-1a у 2014 році. Інші датчики мають історичні дані, знімки, доступні лише для певних районів, або політику, яка вимагає придбання даних. У наведеній нижче таблиці перелічені сенсори SAR, які мають або наразі надають дані, а також параметри даних і де можна отримати доступ до них.

Програмне забезпечення	Розробник	Тип аналізу	Прикладні завдання
Sentinel Application Platform (SNAP) Sentinel 1 Toolbox (S1TBX)	European Space Agency	Графічний інтерфейс користувача (GUI), який використовується як для поляриметричної, так і для інтерферометричної обробки даних SAR. Обробка від початку до кінця включає алгоритми калібрування, спекл-фільтрації, реєстрації ядра, орторектифікації, зведення та перетворення даних.	Sentinel-1 ERS-1 and 2 ENVISAT ALOS PALSAR TerraSAR-X COSMO-SkyMed RADARSAT-2
pyroSAR	John Truckenbrodt, Friedrich-Schiller-University Jena / Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt German Aerospace Center	Python фреймворк для обробки великомасштабних супутникових даних SAR, що має доступ до можливостей обробки GAMMA та SNAP. Спеціалізується на обробці метаданих зйомки, форматуванні попередньо оброблених даних для подальшого аналізу та можливості експорту даних до Data Cube.	Sentinel та різні минулі чи діючі супутникові місії
Generic Mapping Tools Synthetic Aperture Radar (GMTSAR)	ConocoPhillips, Scripps Institution of Oceanography, and San Diego State University	GMTSAR додає можливості інтерферометричної обробки до загальних картографічних інструментів (GMT), інструментів командного рядка, які використовуються для маніпулювання географічними даними і створення карт. GMTSAR складається з двох основних процесорів: 1. процесор InSAR, який може фокусувати та вирівнювати кадри зображень, відображати рельєф місцевості у фазі, проводити фазове розгортання та формувати складні інтерферограми та 2. постпроцесор для фільтрації інтерферограми та створення продуктів когерентності, фазового градієнту та зміщення прямої видимості.	ERS-1/2 Envisat ALOS-1 TerraSAR-X COSMOS-SkyMed Radarsat-2 Sentinel-1 ALOS-2
Delft object-oriented radar interferometric software (DORIS)	Delft Institute of Earth Observation and Space Systems of Delft University of Technology	Інтерферометрична обробка від комплексу однократного огляду (SLC) до комплексної інтерферограми та карти когерентності. Включає можливість геокодування, але не включає розгортання фази.	Комплексні дані з супутників ERS, ENVISAT, JERS, RADARSAT
Statistical-Cost, Network-Flow Algorithm for Phase Unwrapping (SNAPHU)	Stanford Radar Interferometry Research Group	Програмне забезпечення, написане на мові С, яке працює на більшості платформ Unix/Linux. Використовується для розгортання фази (інтерферометричний процес). Алгоритм SNAPHU був включений в інше програмне забезпечення для обробки SAR, включаючи ISCE.	Вхідними даними є інтерферограма у форматі растру, з типами даних з плаваючою комою однієї точності (float, real4 або complex8)
Hybrid Pluggable Processing Pipeline (HYP3)	Alaska Satellite Facility	Онлайн-інтерфейс для обробки InSAR, включаючи такі етапи, як розгортання фази (з використанням алгоритму Minimum Cost Flow). Включає доступ до деяких можливостей обробки даних GAMMA та ISCE для інтерферометрії. Також включає радіометричну корекцію рельєфу (RTC) та інструменти виявлення змін.	В залежності від процесу.
InSAR Scientific Computing Environment (ISCE)	Jet Propulsion Laboratory and Stanford University	Інтерферометрична обробка, реалізована у вигляді модулів на Python. Інтерферометрична обробка від сирої або SLC до складної інтерферограми та карти когерентності. Включає геокодування, фазове розгортання, фільтрацію та інше.	ALOS ALOS2 COSMO_SKYMED ENVISAT ERS KOMPSAT5 RADARSAT1 RADARSAT2 RISAT1 Sentinel-1 TERRASARX UAVSAR
MapReady	Alaska Satellite Facility	Графічний інтерфейс, який використовується для корекції рельєфу місцевості, геокодування та застосування поляриметричних розкладів до даних багатополюсного радіолокатора з синтезованою апертурою (PolSAR).	ALOS Palsar та інші попередні набори даних в каталозі ASF (не використовувати для Sentinel-1, SNAP S1TBX рекомендовано для Sentinel-1)
Python Radar Tools (PyRat)	Andreas Reigber	Графічний інтерфейс, реалізований на мові Python, для постобробки як повітряних, так і космічних аерофотознімків. Містить різноманітні фільтри, геометричні перетворення та можливості для інтерферометричної та поляриметричної обробки.	Дані повітряних і космічних спостережень
Polarimetric SAR data Processing and Education Toolbox (PolSARpro)	European Space Agency	Графічний інтерфейс для високорівневої обробки поляриметричних даних. Включає можливості аналізу даних PolSAR, PolinSAR, PolTomoSAR і PolTimeSAR, в тому числі такі функції, як еліптичні поляриметричні базисні перетворення, спекл-фільтри, декомпозиції, оцінка параметрів і класифікація/сегментація. Включає повністю поляриметричний когерентний симулятор розсіювання та візуалізації радіолокаційного розсіювання для лісових та земних поверхонь.	ALOS-1 / PALSAR-1 ALOS-2 / PALSAR-2 COSMO-SKYMED GaoFen-3 RADARSAT-2 RISAT TerraSAR X Tandem-X SENTINEL-1A and -1B Підтримує наступні місії: ALOS-4 / PALSAR-3 BIOMASS SAOCOM NISAR NOVASAR-S RCM / RADARSAT-3 TerraSAR-L

Протягом наступних кількох років також планується запуск нових супутників. Серед них - спільний супутник НАСА та Індійської організації космічних досліджень SAR (NISAR), який збиратиме дані SAR в L-діапазоні, з більш обмеженим покриттям S-діапазону. Всі дані будуть безкоштовними і доступними для громадськості. ESA також запускає місію BIOMASS в P-діапазоні, яка також матиме політику відкритих даних. Ознайомитися з переліком майбутніх місій SAR та параметрами даних можна тут.

Всі безкоштовні та загальнодоступні дані аерофотозйомки можна знайти в системі Earthdata Search.

Обробка та аналіз даних

Одним з обмежень роботи з даними SAR є дещо виснажливі кроки попередньої обробки, яких потребують дані SAR нижчого рівня. Залежно від типу аналізу, який ви хочете виконати, ці кроки попередньої обробки можуть включати: застосування файлу орбіти, радіометричне калібрування, очищення, багатозональний перегляд, спекл-фільтрацію та корекцію рельєфу місцевості. Ці кроки більш детально описані на сторінці посібника з попередньої обробки SAR.

Для обробки даних SAR необхідне спеціальне програмне забезпечення, яке залежить від постачальника даних, початкового рівня даних та бажаного рівня даних. У наведеній нижче таблиці показано вибір вільно доступних програмних пакетів, для чого вони можуть бути використані та де їх можна завантажити.

Останнім часом сховища даних, такі як розподілений активний архівний центр НАСА на Алясці (ASF DAAC), починають надавати радіометрично скориговані на місцевості продукти для окремих районів, зменшуючи кількість часу і зусиль, які користувач має витратити на попередню обробку даних самостійно.