اصول اولیه رادار دیافراگم مصنوعی (SAR).

رادار دیافراگم مصنوعی (SAR) یک فناوری نوظهور در سنجش از دور است.

در واقع Sentinel-1 مجهز به این نوع سنسور فعال است . به همین ترتیب، Radarsat و TerraSAR از رادار دیافراگم مصنوعی استفاده می کنند.

مزیت اصلی این فناوری این است که چگونه می تواند تصاویری با وضوح بالاتر در هر شرایط آب و هوایی و حتی در شب تولید کند.

امروز، ما قصد نداریم به جزئیات دقیق در مورد نحوه عملکرد این فناوری بپردازیم. در عوض، تصاویر SAR را با مثال‌های اساسی تفسیر می‌کنیم و برخی از برنامه‌های کاربردی دنیای واقعی را ارائه می‌کنیم.

قابلیت های خفاش مانند SAR

گفته می‌شود که رادار دیافراگم مصنوعی شبیه نحوه استفاده خفاش‌ها از پژواک برای حرکت در غار است.

وقتی خفاش ها در غار پرواز می کنند، از صدا برای حرکت استفاده می کند. عموماً امواج صوتی از 50 تا 120 دسی بل ایجاد می کنند. هنگامی که این صدا از دیوار پرتاب می شود و به خفاش باز می گردد، بر اساس اکو فاصله را درک می کند.

به طور کلی، همان اصول برای SAR اعمال می شود. این ماهواره پالس های مایکروویو را به زمین ارسال می کند. پالس به ماهواره برمی گردد و حسگر از پژواک های برگشتی تصویری می سازد.

به طور کلی، رادار دیافراگم مصنوعی ظاهری جانبی دارد. این بدان معناست که آنها کاملاً به نادر به پایین نگاه نمی کنند، بلکه به یک زاویه نگاه می کنند. این نوع زاویه دید مزایایی دارد که در ادامه به آنها اشاره خواهم کرد.

همانطور که قبلا ذکر شد، رادار مایکروویو می تواند در شب و از میان ابرها و دود ببیند. SAR در هر زمان از روز یا در هر نوع شرایط آب و هوایی کار می کند.

در واقع، طول موج های بلندتر می توانند بهتر به ابرها و حتی در زمین نفوذ کنند. به عنوان مثال، رادار باند L (~24 سانتی متر) طول موج های بلندتری نسبت به باند C (~6 سانتی متر) و باند X (~3 سانتی متر) دارد.

انواع پراکندگی رادار

رادار نمای جانبی با انواع مختلف زمین تعامل دارد.

3 نوع اصلی مکانیسم های پراکندگی عبارتند از:

• آینه وار
• پراکنده
• دو پرش

ابتدا یک شماتیک برای هر نوع پراکندگی ارائه می دهیم. پس از آن، تفسیری از محل وقوع هر نوع پراکندگی ارائه خواهیم داد.

سطح صاف

انعکاس سطح صاف از زمین های صاف مانند جاده ها یا آب می آید. برای این نوع پراکندگی، انرژی بسیار کمی از پالس ارسالی به سنسور باز می گردد (شبیه به یک آینه).

در این مثال، پیکسل ها معمولاً با مقادیر کمتر از -20 دسی بل سیاه ظاهر می شوند.

سطح ناهموار

پراکندگی سطحی ناهموار مانند مزارع مزرعه شخم زده و پوشش گیاهی. پراکندگی در همه جهات به صورت پراکنده انجام می شود.

به عنوان مثال، مقادیر پیکسل معمولی بیشتر از -20dB و به رنگ خاکستری خواهد بود.

دو بال

اغلب، پرش مضاعف از سازه ها و اشیاء ساخته دست بشر اتفاق می افتد. پالس منعکس شده یکی پس از دیگری به سطح برخورد کرده و به سنسور باز می گردد.

به عنوان مثال، مقادیر معمولی پیکسل سفید با مقادیر بیشتر از -10dB ظاهر می شوند.

تفسیر تصویر SAR

اکنون که اصول اولیه رادار دیافراگم مصنوعی را می دانید، بیایید به یک تصویر SAR با این نوع پراکندگی نگاه کنیم. در این مثال Radarsat-2، تصویر به وضوح هر سه نوع backscatter را نشان می دهد.

انعکاس SPECULAR: در این صحنه رودخانه ای وجود دارد که در جهت شرقی-غربی جریان دارد. همانطور که در شماتیک بالا نشان داده شده است، انرژی بسیار کمی به حسگر رادار منعکس می شود. در این حالت پیکسل تاریک با دسی بل کم است.

این را می توان در بخش جنوب شرقی با سطح سنگفرش جاده / فرودگاه نیز مشاهده کرد. باز هم، این انعکاس چشمگیر از یک سطح صاف است.

پراکندگی مضاعف پرش: از سوی دیگر، سفید روشن در مرکز تصویر را می توان به عنوان یک ویژگی شهری تعبیر کرد. رادار در حال دریافت پراکندگی برگشتی دوگانه است، به این معنی که پالس های ارسالی به حسگر باز می گردند.

در این مقیاس مشخص نیست که این شی چیست، اما به دلیل بازگشت دوبار پرش است. به دلیل مقادیر بیشتر از -10dB، پیکسل ها به صورت سفید روشن ظاهر می شوند.

پراکندگی پراکنده: در نهایت، اکثریت تصویر رادار پراکندگی سطحی ناهموار است. شما کمی پراکندگی چشمگیر و دو پرش دارید.

این ممکن است از زمین های زراعی سالانه، پوشش گیاهی، علف ها یا سایر ویژگی ها باشد. پراکندگی پراکنده است زیرا مقدار کم یا زیاد پس پراکندگی در تصویر وجود ندارد.

نمونه برنامه های رادار دیافراگم مصنوعی

چگونه می توانیم این مفاهیم SAR را در برنامه های کاربردی دنیای واقعی اعمال کنیم؟ صدها برنامه کاربردی سنجش از راه دور وجود دارد . به همین ترتیب، SAR کاربردهایی در محیط زیست، ایمنی، نظامی و غیره دارد. در واقع، اولین مورد همان مخفف SAR (جستجو و نجات) است.

در ماموریت های جستجو و نجات ، شرایط آب و هوایی اغلب ضعیف است. در مورد آتش سوزی جنگل، دود می تواند دید را کاملاً مسدود کند. از آنجایی که SAR مایکروویو تحت تأثیر این نوع شرایط قرار نمی گیرد، امدادگران از آن برای یافتن اشیاء ساخته دست بشر روی زمین استفاده می کنند. به طور خاص، به دنبال پراکندگی دو پرش در جایی است که محل سقوط رخ داده است. یا حتی در جایی که سیل رخ می دهد، اگر انعکاس چشمی (پیکسل های تاریک) وجود داشته باشد.

دانشمندان از رادار روزنه مصنوعی برای تخمین ارتفاع سطح با ماموریت توپوگرافی رادار شاتل فضایی در SAR استفاده می کنند . این ماهواره با استفاده از تداخل سنجی (inSAR) یکی از دقیق ترین مدل های ارتفاعی کل کره زمین را تولید کرد. علاوه بر این، دانشمندان از inSAR برای جابجایی زمین بر اساس اختلاف فاز استفاده می کنند.

همانطور که در بالا نشان داده شد، SAR در مورد درک ویژگی های سطح بر اساس پس پراکندگی است. به همین دلیل است که ما از SAR در هنگام نشت نفت و برای درک امواج اقیانوس استفاده می کنیم. در هنگام نشت نفت، نفت روی آب شناور می شود و امواج را سرکوب می کند. این یک سطح صاف تر ایجاد می کند که در تصویر رادار تیره به نظر می رسد. اما اگر به دنبال یک کشتی در قطب شمال بودید، در یک تصویر SAR به دنبال پیکسل‌های دوبل پرش یا روشن خواهید بود.

در نهایت، رادار مایکروویو در ویژگی ها به ثابت دی الکتریک حساس است. به همین دلیل است که محققان سعی دارند رطوبت خاک را با استفاده از رادار دهانه مصنوعی مطالعه کنند. در کشاورزی، کشاورزان می‌توانند از این برای درک رطوبت در چند سانتی‌متر اول نمایه خاک استفاده کنند. حتی برای نقشه برداری تالاب ها ، دانشمندان از تکنیک تجزیه توزی استفاده می کنند.

کمی عمیق تر در فناوری

قطبش به جهت گیری موج رادار از آنتن SAR اشاره دارد. هر دو خط نیرو الکتریکی و مغناطیسی در زاویه قائمه با یکدیگر قرار دارند، اما این میدان الکتریکی است که جهت قطبش موج را تعیین می کند. رادار دیافراگم مصنوعی از آنتنی استفاده می کند که می تواند در قطبش افقی (H) یا عمودی (V) ارسال کند.

هنگامی که موج الکترومغناطیسی از یک هدف پراکنده می شود، حالت پلاریزاسیون یک موج الکترومغناطیسی می تواند تغییر کند. هنگامی که حسگر موج بازگشتی را دریافت می کند، درجه تغییر قطبش را از هدف اندازه گیری می کند. به عنوان مثال، می تواند قطبش H یا V یا هر دو به طور همزمان باشد.

برای تک قطبی شدن، این جفت‌های انتقال و دریافت معمولی هستند.

• HH – برای ارسال افقی و دریافت افقی
• VV – برای انتقال عمودی و دریافت عمودی
• HV – برای انتقال افقی و دریافت عمودی
• VH – برای انتقال عمودی و دریافت افقی

مزیت این است که می توانید اطلاعات بیشتری در مورد ویژگی های سطح استنباط کنید. به عنوان مثال، ما می‌توانیم از تکنیک‌های تجزیه مانند فریمن-دردن برای به دست آوردن میزان پراکندگی سطح، پرش مضاعف و حجم در یک تصویر SAR استفاده کنیم.

در نهایت، دیافراگم مصنوعی است زیرا می تواند تصاویری با وضوح بالاتر ایجاد کند. از آنجایی که پراکندگی برگشتی را در طول رادار دیافراگم مصنوعی دریافت می کند، می تواند به صورت مصنوعی تصویری با وضوح بالاتر برای هدف نقطه ای روی زمین ایجاد کند. تمام طول رادار دیافراگم مصنوعی دارای اطلاعات پس پراکندگی هدف نقطه ای است. هنگامی که تمام اطلاعات مربوط به پس پراکندگی با هم ادغام می شوند، مانند یک “دیافراگم مصنوعی” است.

نتیجه

بدون تجربه در رادار، ممکن است مانند یک دسته پیکسل به نظر برسد. شما نمی توانید یک تصویر زیبا در نقشه استفاده کنید.

صرف نظر از این، تصاویر رادار ممکن است نویز داشته باشند و اغلب نیاز به صاف کردن دارند. اما با استفاده از تکنیک های تجزیه و کمی تفسیر SAR، به طور ناگهانی تصاویر SAR تبدیل به یک ابزار ارزشمند می شوند.

اگر می‌خواهید از رادار دیافراگم مصنوعی استفاده کنید، به فهرست 15 منبع تصویر ماهواره‌ای رایگان ما نگاهی بیندازید .

و فراموش نکنید، نرم افزار سنجش از راه دور منبع باز مانند جعبه ابزار Sentinel-1 برای کمک به تجزیه و تحلیل و تجسم تصاویر SAR وجود دارد.