BASIS_SAR

Achtergrond: het principe van SAR

PHARUS is een zijwaarts gerichte beeldradar gemonteerd op een bewegend platform (vliegtuig, satelliet, enz.). Het karakteristieke kenmerk van Synthetic Aperture Radar (SAR) is de hoge resolutie in de bewegingsrichting verkregen door diafragmasynthese. Het resultaat is een beeld, bestaande uit pixels, dat lijkt op een luchtfoto. SAR valt in de categorie van coherente pulsradars, dat wil zeggen dat het pulsen zendt (in tegenstelling tot een continue golf) en zowel de amplitude als de fase van het ontvangen echosignaal meet.
De radar verlicht met zijn antennestraal een plek op de grond, aan de zijkant van het platform. Door de beweging van het platform wordt een verlichte doorlopende strook gevormd, de strook genoemd, zie afbeelding. Na verwerking wordt de strip opgelost in resolutiecellen, waarvan er één in de afbeelding is weergegeven.
Na SAR-verwerking bestaat een SAR-beeld uit een reeks pixels, waarbij elke pixelwaarde een maatstaf is voor de radarreflectiviteit van het overeenkomstige gebied, dat wil zeggen een resolutiecel, op de grond. Het beeld is daarom feitelijk een reflectiviteitskaart. De gemeten waarde in elke pixel wordt gewoonlijk de terugverstrooiingscoëfficiënt genoemd. Voor weergavedoeleinden is het gebruikelijk om deze kaart weer te geven met behulp van een zwart-witintensiteitscodering: donker voor lage terugverstrooiing en helder voor hoge terugverstrooiing. Deze grijswaardenkaart vormt het ‘beeld’.

Om een hoge resolutie in de bereikrichting te bereiken, is een korte puls vereist. In plaats van een zeer korte puls met een zeer hoog piekvermogen uit te zenden, wordt een lange, tijdgecodeerde puls met een lager piekvermogen maar met gelijke energie verzonden. De modulatie maakt compressie van de ontvangen puls mogelijk, waardoor de totale pulsenergie in een korte puls wordt verzameld. Dit proces wordt pulscompressie of bereikcompressie genoemd. De meest gebruikte vorm van codering is lineaire frequentiemodulatie (chirp).
Om een hoge resolutie in het dwarsbereik of de azimutrichting te bereiken, zou een zeer smalle antennebundel nodig zijn waarvoor een zeer grote antenne-opening nodig is. Het principe van SAR is om de kleine fysieke antenne-opening uit te breiden naar een vele malen grotere ‘synthetische opening’ door coherente integratie van echo’s die worden ontvangen over een bepaalde afstand die door het bewegende platform wordt afgelegd. In het geval van PHARUS is de echte antenne bijvoorbeeld 1 meter lang, terwijl de synthetische opening enkele honderden meters lang kan zijn.

SAR principle schematic
Het SAR principe schematisch weergegeven

Coherente integratie is wiskundig analoog aan pulscompressie en wordt azimutcompressie genoemd. Deze gelijkwaardigheid kan worden begrepen door te bedenken dat de frequentiemodulatie in de uitgezonden puls vergelijkbaar is met de Doppler-frequentiemodulatie die wordt geïnduceerd door de beweging van het platform. Daarom wordt de Doppler-modulatie die bestaat in een reeks ontvangen pulsen als gevolg van beweging, gebruikt op een manier die vergelijkbaar is met de frequentiemodulatie binnen een puls, die opzettelijk door de radar wordt gegenereerd.
Kenmerkend voor SAR is dat de azimutresolutie onafhankelijk is van het bereik. Bij radars die geen gebruik maken van het synthetische apertuurprincipe (daarom ook wel echte apertuurradars genoemd), wordt de cross-range resolutie bepaald door de breedte van de antennebundel en is daarom een hoekresolutie. De resulterende geometrische resolutie wordt slechter naarmate de afstand groter wordt. Bij SAR maakt de grotere antennevoetafdruk op een groter bereik een langere observatie van een object mogelijk (langere synthetische opening), zodat de resulterende geometrische resolutie uiteindelijk hetzelfde blijft. In de praktijk wordt het bereik beperkt door de hoeveelheid beschikbaar zendvermogen. Een andere fundamentele eigenschap van radars met coherente beeldvorming, zoals SAR, is het fenomeen ‘spikkel’. Dit is een soort ruis die kan worden verminderd door een middelingstechniek die multi-looking wordt genoemd.

Principe van polarimetrie

Vroege SAR-systemen gebruikten één enkele polarisatieantenne voor het verzenden van pulsen en het ontvangen van de echo’s ervan. Deze werden daarom niet-polarimetrische systemen genoemd. Als de antenne bijvoorbeeld lineair horizontaal gepolariseerd was, was het systeem een HH-gepolariseerd systeem, dat wil zeggen dat het horizontale polarisatie gebruikte voor zowel verzending als ontvangst. Analyses van de SAR-beelden lieten altijd vragen onbeantwoord zoals: wat zou het beeld zijn geweest als er een ander systeem was gebruikt, bijvoorbeeld een VV, een HV of een anders gepolariseerd systeem? Wordt de polarisatie optimaal gebruikt voor de toepassing? Deze vragen worden volledig beantwoord door het gebruik van polarimetrische systemen. Het onderwerp van polarimetrie is de interpretatie van polarimetrische gegevens.
Het basisgebruik van een polarimetrisch beeld is de synthese van beelden met willekeurige zend- en ontvangstpolarisaties. Uit de verstrooiingsmatrixkaart kunnen beelden worden gecreëerd die willekeurige zend- en ontvangstpolarisaties vertegenwoordigen, zelfs willekeurige elliptische polarisaties. De volgende voordelen van polarimetrie zijn aangetoond:

  • het contrast tussen doelen en achtergrond kan worden gemaximaliseerd door de juiste zend- en ontvangstpolarisaties te kiezen,
  • de nauwkeurigheid van de resultaten van gewastypes en classificatie van landgebruik neemt toe,
  • de nauwkeurigheid van de schatting van bodem- en vegetatieparameters (zoals bosbiomassa) neemt toe.

In een niet-polarimetrisch SAR-beeld wordt de reflectiviteit van een cel met enkele resolutie gemeten als een enkel getal, de terugverstrooiingscoëfficiënt (meestal HH of VV), die kan worden weergegeven met behulp van intensiteitscodering (zwart en wit). In een volledig polarimetrisch SAR-beeld, zoals gegenereerd door PHARUS, worden vier polarisatiecombinaties van de terugverstrooiingscoëfficiënten weergegeven, b.v. door gebruik te maken van zowel intensiteit- als kleurcodering. Bovendien kan met behulp van deze vier polarisatiekanalen elke andere polarisatie worden gegenereerd, b.v. om redenen van kalibratie of contrastoptimalisatie.
De polarimetrische generalisatie van de terugverstrooiingscoëfficiënt wordt de verstrooiingsmatrix S genoemd. De matrix bestaat uit vier complexe getallen, die de complexe terugverstrooiingscoëfficiënten vertegenwoordigen voor alle vier de polarisatiecombinaties, HH, HV, VH en VV.

Polarimetrische verstrooiingsmatrix
Polarimetrische verstrooiingsmatrix

PHARUS is in staat om de volledige verstrooiingsmatrix te meten in plaats van de terugverstrooiingscoëfficiënt voor slechts één polarisatie-instelling. Het wordt als volgt gemeten. De PHARUS polarimetrische SAR in volledige polarisatiemodus maakt gebruik van een enkelfasige array-antenne die elektronisch kan worden geschakeld tussen horizontale en verticale polarisatie. In volledig polarimetrische modus zendt het eerst een horizontaal gepolariseerde puls uit en neemt vervolgens de horizontaal en verticaal ontvangen echo’s (zowel amplitude als fase) gelijktijdig op, met behulp van twee ontvangstkanalen. De gegenereerde complexe getallen komen respectievelijk overeen met Shh en Svh. Vervolgens herhaalt het deze stap voor een verticaal gepolariseerde uitgezonden puls; beide polarisaties zijn verweven op Transmit. Hiermee is de 2 x 2-matrix voltooid.

Omdat de verstrooiingsmatrix veel onafhankelijke variabelen bevat, zijn er veel manieren waarop een polarimetrisch beeld kan worden weergegeven. Eén manier om dit te doen is door kleuren aan de matrixelementen toe te wijzen en zo een kleurenafbeelding te creëren. Het is echter niet mogelijk om alle informatie in de verstrooiingsmatrices in één kleurenbeeld over te brengen.
De polarimetrische analoog van meervoudig kijken (voor spikkelreductie) wordt niet uitgevoerd door het middelen van verstrooiingsmatrices omdat de informatie verloren zou gaan door simpelweg deze complexe matrices toe te voegen. Een tussenliggende verwerkingsstap is noodzakelijk: de conversie van de verstrooiingsmatrices naar 4´4 echte symmetrische Stokes-matrices. Deze worden vervolgens gemiddeld. De Stokes-matrix bestaat alleen uit reële getallen, maar bevat nog steeds de informatie van de complexe verstrooiingsmatrix, zelfs redundant. Wanneer de Stokes-matrices zijn gemiddeld, is een terugtransformatie naar verstrooiingsmatrices doorgaans niet mogelijk.