Mikrohullámú távérzékelés - Radar - Kern Anikó PDF

Mikrohullámú távérzékelés dr. Kern Anikó 10/10/2024 Pontosabb szenzor felbontás H2O és O2 l > 3 cm: Kicsi elnyelés...

Mikrohullámú távérzékelés dr. Kern Anikó 10/10/2024 Pontosabb szenzor felbontás H2O és O2 l > 3 cm: Kicsi elnyelés 1 mm – 1 m ≈ 300 GHz – 300 MHz 300 GHz 30 GHz 3 GHz 300 MHz Frequency Alacsony opacitású légköri ablakok  l > 3 cm: Köd és a felhő kevésbé befolyásolja ELTE Eötvös Loránd Tudományegyetem, Geofizikai és Űrtudományi Tanszék  Mikrohullámú távérzékelés 1 mm – 1 m ≈ 300 GHz – 300 MHz (0,3 GHz) (l, frekvencia) Előnye, mivel kevésbé érzékeny a légköri szórásra  a hosszabb hullámú mikrohullám át tud hatolni a felhőkön, esőkön, légköri poron és párán Passzív – hasonlít az optikai távérzékeléshez: minden test bocsát ki sugárzást mikrohullámon is, csak rendkívül kis energiájút  nagy IFOV  durva térbeli felbontás (Plank reláció: Adott ν frekvenciájú fény adott E energiájú fotonokból áll: E = h n ) – Ez az energia a hőmérséklettől és a nedvességtől függ Aktív AMSU AMSU 2 -A -B  Passzív mikrohullámú távérzékelés A sugárzás forrása többfajta lehet: Légkör Visszavert Felszín Mélyebb rétegek Alkalmazási területek: Meteorológia: Légköri nedvesség és hőmérséklet profilja Hidrológia: Talajnedvesség Óceánográfia: Tengeri jég Áramlatok Felszíni szél 3 Aktív mikrohullámú távérzékelés – RADAR dr. Kern Anikó 10/10/2024 ELTE Eötvös Loránd Tudományegyetem, Geofizikai és Űrtudományi Tanszék 4  Radar RADAR = RAdio Detection And Ranging Kibocsátott rádióhullámok (!) visszaverődésével – Detektálni – Távolságot megállapítani Manapság: Különböző mikrohullámú frekvencia és polarizáció használatával Kifejlesztése a II. világháború során (4 ország) Lehet leképező és nem-leképező Radar-elven működő aktív berendezések: Rádiótávmérő → Műholdas radaraltimetria Légvédelmi radar →űreszközök összekapcsolása SLAR (oldalra néző, képalkotó radar) SAR (szintetikus apertúrájú radar) SRTM (domborzati modellt létrehozó radarrendszer) 5  Radar Radar elv Irányított antenna kibocsát egy elektromágneses (mikrohullámú vagy rádió) impulzust A rádiójel valamilyen tárgyról visszaverődik A visszaverődött jelet a kibocsátó antenna veszi (visszavert jel, echo, radar-visszhang). A jel kibocsátásának és visszaérkezésének időkülönbségéből a visszaverő tárgy távolsága (range) kiszámítható. A tárgy távolságából és az antenna irányából a tárgy térbeli helye is kiszámítható. 6  Radar – hullámhosszak Ka, K, és Ku: legrövidebb hullámhossz: csak a kezdetekben volt használatos X: gyakori a repülőgépes felderítések során C: leggyakoribb (pl. Sentinel-1, 5,405 GHz) S: magnetron :) (2-4 GHz, 15 cm – 7,5 cm) L: szintén gyakori X-Band C-Band L-Band λ=3 cm λ=6 cm λ=23 cm 7 Radar – hullámhosszak C-sáv L-sáv 8  Radar – mérési geometria A – Adó: egymást követő impulzusok, szabályos időközökként (1000–4000 Hz) B – egy irányba (sugárnyaláb), ferdén C – Vevő: a különböző felszínek által visszavert vagy szórt sugárzás egy részét veszi  Ahogy a platform halad: 2D-s leképezés  Side Looking Aperture Radar  Mért energia mennyisége, + visszatérési ideje + Teljes információ a hullám alakjáról Felbontás: ≈ 1–10 méter Független a platform magasságától, de a mérési geometria és az antenna mérete befolyásolja 9  SLAR – Side Looking Aperture Radar Kezdetben repülőgépen helyezték el Oldalra néző, irányított antenna Rövid impulzus kisugárzás, hosszú vételi idő A vétel során a repülőgép mellett levő felszíni objektumokról visszaérkező jeleket rögzítik. Ez a keletkező kép egy sora. Az egymás utáni kibocsájtás-vétel során jönnek létre a újabb képsorok. 2D-s leképezés Limitációja az antenna mérete  limitált felbontás  SAR (a SLAR speciális változata) Pl.: ERS-1, -2, TerraSAR-X, Radarsat, etc. 10  Radar – mérési geometria A sugárszélesség Slant range (nyílási szög) fordítottan arányos a frekvenciával Azimutális (along-track) felbontás Keresztirányú (range) felbontás 11  Radar – mérési geometria C – slant range Sugárnyaláb irányú távolság Keresztirányú (range) felbontás: az impulzus sugárnyaláb irányú hosszának (P) és a megfigyelés szögének (B) függvénye Két felszíni pont csak akkor megkülönböztethető, ha a sugárnyaláb irányú elkülönülésük nagyobb, mint az impulzus fele Azimutális (along-track) felbontás: a sugárnyaláb nyílásának (itt szélességének, A) és a megfigyelés szögének a függvénye a távolsággal változik 12 Radar – mérési geometria A hullám alakjából: Amplitúdó és polarizáció  a céltárgy szerkezete és szórási tulajdonságai Frekvencia  a szóró méretaránya Fázis  3D-s topgráfia és deformáció 13  Radar – geometriai torzulások Sugárnyaláb irányú távolság torzulás Árnyékok 14  Radar – geometriai torzulások Domborzat áthelyeződés – fényesség/intenzitás megnövekedéssel jár Megrövidülés (A’-B’, mely elérheti C’-D’-t) Áthajlás (túloldalra kerülés) 15  Radar – mérési geometria  SAR Finomabb keresztirányú felbontáshoz rövidebb impulzus kell A sugárnyaláb szélesség fordítottan arányos az antenna (aperture) hosszával Hosszabb antenna keskenyebb sugarat, és így finomabb azimutális felbontást eredményez A fizikailag hosszabb antenna technikai akadályokba ütközik egy platformon Megoldás: ? A platform előrehaladó mozgása teszi lehetővé az antenna meghosszabbodását Synthetic aperture radar = SAR 16  SAR – Synthetic Aperture Radar Az antenna nem irányított Nem impulzust, hanem összetett hullámalakot bocsát ki (sweep) A kép az utólagos feldolgozás során jön létre A radar mozog:  Finom felbontást lehet elérni anélkül, hogy a szenzornak nagy lenne a felbontása 17  Radar – Intenzitás / fényességi érték A fényességi érték a felszín által visszavert energia függvénye Ez annak a függvénye, hogy az EM sugárzás hogyan verődik vissza Ez függ: – a radar rendszer karakterisztikáitól (frekvencia, polarizáció, geometria, etc.) – a felszín tulajdonságaitól (felszíntípus, topográfia, nedvesség, etc.) De ezek egymással összefüggők nehéz csoportosítani… Mégis… a radarjel főbb befolyásoló tényezői: Felszíni érdesség Megfigyelési geometria (+ topográfia) Dielektromos tulajdonságok 18  Radar – Intenzitás / fényességi érték Felszíni érdesség: legmeghatározóbb A felszín átlagos magasságváltozására utal (≈ cm) Függ az EM hullámhosszától és a megfigyelési szögtől Amikor az érdesség mérete a hullámhosszét megközelíti  érdes felszín  közelítőleg minden irányba egyformán szórja vissza a sugárzást  világosabb a képen A l csökkenésével érdesebbnek tűnik A megfigyelési szög növekedésével (távolabb a nadírtól) a látszólagos érdesség csökken  sötétebb lesz Sima felszín  tükörszerű visszaverődés  kicsi energia verődik vissza  sötétebb a képen Habár… 19  Radar – Intenzitás / fényességi érték Tereptárgyak több (sima) felszínnel (a megfelelő irányban):  Sarok reflexió Mesterséges környezet vagy sziklás, szirtek, vagy vízben álló növényzet esetén 20  Radar – Intenzitás / fényességi érték A nedvesség jelenléte: befolyásolja a felszín elektromos tulajdonságait  befolyásolja az EM elnyelését, áteresztését és visszaverését Általában: reflektivitás (intenzitás) nő a nedvességtartalom növekedésével Ekkor a felsőbb rétegek szórása a meghatározó Ha a felszín száraz, és sima, akkor az EM be tud hatolni alá  Térfogati szórás történik Ez akár csökkentheti is, akár növelheti is a fényességet Teljes elöntés/áradás/belvíz esetén azonban tükörszerű visszaverődés  sötét De ha a növényzet kilóg, sarok reflexió léphet fel  még fényesebb lesz! 21 Radar – Intenzitás / fényességi érték © Ottinger et al - 2020 22  Radar – Képtulajdonságok Zajként lép fel: „Só és bors” pöttyözött (speckle) a cellák közötti random interferencia miatt Antenna minta a távolsággal szétnyíló sugárnyaláb, így csökken a visszaverődő sugárzás mennyisége is 23  Radar – hátulütői Hátulütői: Nagy kiemelkedésű domborzat esetén sötét lyukak A sima felszínek esetén tükörszerű reflexió Többszörös reflexió miatti késés Vízgőz miatti késés (≈ cm) 24  Radar – Alkalmazások Radargrammetira: a távolság és domborzat magasságának meghatározása sztereó képekből Polarimetria: a különböző polarizáltságok kihasználása, a megfigyelt felszín polarimetrikus tulajdonságainak feltárására Interferometria: két kép közötti különbségek alapján az egymás melletti cellák fáziskülönbsége fedhető fel  a magasság szerinti változást mutatja  3D-s képek 25  Radar – polarimetria A polarizáció az elektromágneses hullámvektor csúcsának haladási irányára utal: függőleges (fel és le), vízszintes (balról jobbra) vagy körkörös (állandó síkban balra vagy jobbra forog). A polarizáció irányát a hullám elektromos mezejének iránya határozza meg, amely mindig 90°-os, vagyis merőleges a mágneses mezőre.. ©NASA 26  Radar – polarimetria A kisugárzott impulzusok polarizációja és a vételi antenna polarizációja ismert. A polarizáció lehet: Horizontális (H) Vertikális (V) Modusok: különböző adó és vevőantenna polarizációs kombinációk: vertikális adó – vertikális vevőantenna (VV) horizontális adó – horizontális vevőantenna (HH) HH Hasonló polarizációjúak VV kereszt polarizáció: – vertikális adó – horizontális vevőantenna (VH) – horizontális adó – vertikális vevőantenna (HV) Mind a l, mind a polarizáció fontos! Kereszt polarizációjú Különböző és egymást kiegészítő információk HV Kompozit 27 Radar – polarimetria 28  Radar – polarimetria A céltárgy a polarizációs állapotot megváltoztatja. A visszavert EM hullámok amplitúdója és polarizációs állapota függ: a visszaverő anyag reflektivitásától geometriai elrendeződésétől formájától nedvességtartalmától felületi minőségétől Determinisztikus szórás Random szórás Teljesen polarizált hullám Részben polarizált hullám Megőrzi a polarimetrikus jel Szétszórják és depolarizálják a jelet a koherenciáját többszörös visszaverődés miatt 29  Radar – polarimetria Alkalmazás: Az átvitt jel polarizációjának változtatásával és ugyanazon impulzus-sorozatból több különböző polarizált kép fogadásával részletes információk a megfigyelt felszín polarimetrikus tulajdonságairól, amelyek feltárhatják a felszíni elemek szerkezetét, tájolását és környezeti feltételeit. Mezőgazdaság: növénytípus-azonosítás, növényállapot-ellenőrzés, talajnedvesség-mérés, talajművelés és növényi maradványok azonosítása Erdészet: tisztítóvágások és lineáris jellemzők feltérképezése, biomassza becslése, fajok azonosítása és tűzfoltok feltérképezése Geológia: geológiai térképezés Hidrológia: vizes élőhelyek és hótakaró megfigyelése Oceanográfia: tengeri jég azonosítása, part menti szélmező és hullámtörés mérése Hajózás: hajók észlelése és osztályozása Part menti övezet: partvonal-felismerés, aljzat-feltérképezés és általános növényzeti térképezés. 30 Radar – polarimetria Mondini et al., 2021 Fig. 4. Gigantic, rainfall-induced Tozang landslide, Myanmar, July 2015. (A) In radar azimuth–range coordinates, image shows natural logarithm of the ratio between post-event and pre-event β0 radar brightness coefficient of VV polarised, C-band, ESA Sentinel-1 images taken along descending orbits. 31  Radar - Fáziseltérés Egy SAR kép felbontható: Intenzitás és Fázis Két kép fázisából pedig interferogram számolható 32  Radar – Interferometria Képalkotási technika, amelyben a hullámokat helyezünk egymásra úgy, hogy interferenciát okozzanak (csak szárazföld felett) Alkalmazás: 1) InSAR = Interferometric Synthetic Aperture RADAR Kettő vagy több kép kombinálása ugyanazon helyre: Ha kicsit más szögből van, felfedi a topográfiát Ha teljesen ugyanabból a szögből van, de különböző időben, akkor a közöttük lévő különbség a felszín mozgását, vagy deformációját fogja mutatni 33  Radar – InSAR Interferometric SAR: 1 antenna, 2 különböző repülés A két kép közötti fáziskülönbségekre provided by E. Szűcs 34  Radar – InSAR A két kép közötti fáziskülönbség a relatív áthelyeződés mértéke A fázis ciklikus, n nem ismert  2  0  2 3 2 topo at 1st flyover topo at 2nd flyover 35  Radar – InSAR A két kép közötti fáziskülönbség a relatív áthelyeződés mértéke A távolság lecsökkenése = a felszín felemelkedése Dzurisin & Lu 2007 36  Radar – InSAR Mt. Etna idősor: sok interferogramból épült fel: https://www.youtube.com/watch?v=6qAu-NHudp4 https://nisar.jpl.nasa.gov/resources/92/volcanic-deformation-at-mt-etna/ 37  Radar – InSAR Az interferometrikus érzékenysége a hullámhossz függvénye X-band C-band L-band Fig.: Mt. Etna data: SRL-2 (© DLR) 38  Radar – InSAR 2) Shuttle Radar Topography Mission: – 2 antenna ugyanazon a platformon (60 méter) – C-sáv (DEM) – X-sáv (interferogramok) – 11 napos misszió (2000 februárjában) – 18 hónapos kiértékelés – A Föld 80%-át térképezte le – Első globális DEM (majd jött az ASTER DEM) – 30 méteres horizontális felbontás – 16 méteres vertikális felbontás – tág lehetőségeket nyit geomorfológiai vizsgálatokra 39  Radar – SRTM Első globális DEM https://www.earthdata.nasa.gov/sensors/srtm www2.jpl.nasa.gov/srtm 40 Radar – SRTM 41 Radar – műholdas szenzorok 42  ESA – Sentinel-1 Sentinel-1A (2014/04), 18:00 ECT Sentinel-1B (2016/04), 18:00 ECT (-2022) Napszinkron pálya: – 693 km, 98,2° – 12 naponként ismétlődő pálya Synthetic Aperture Radar (SAR) (C-band, 5.405 GHz) Max. 5 méteres felbontásig Sentinel-1C: 2024 Sentinel-1D: 2025 43  NASA – SMAP https://smap.jpl.nasa.gov/ https://svs.gsfc.nasa.gov/30065 2015: SMAP – Soil Moisture Active Passive L-sávú radar és passzív radiométer Talajnedvesség Tengerfelszín sótartalom Alapja egy végül nem megvalósult küldetés: NASA ESPP HYDROS A talaj felső 5 cm-es rétegére 3 km + 40 km = 10 km (kombinált felbontás) 45  NASA – NISAR https://nisar.jpl.nasa.gov/ 2024: NASA-ISRO SAR (NISAR) Kettő SAR L-sávú (24 cm) L-SAR (NASA) S-sávú (S-SAR) (ISRO) ~ 240 km swath, 7 m (along track) 2-8 m (cross-track) 12 naponkénti pálya (6 asc, 6 desc) https://nisar.jpl.nasa.gov/resources/90/nisar-imaging-animation/ https://nisar.jpl.nasa.gov/mission/quick-facts/ 46 NASA – NISAR SweepSAR 47 Copernicus – European Ground Motion Service https://egms.land.copernicus.eu/ InSAR – Sentinel-1 48 Copernicus – European Ground Motion Service https://egms.land.copernicus.eu/ InSAR – Sentinel-1 49 Copernicus – European Ground Motion Service https://egms.land.copernicus.eu/ 50  Radar – Nem leképező szenzorok A nem-leképezők lehetnek altiméterek vagy scatterométerek (szondázóként) Radar altiméterek: időkésleltetés  távolság – Topográfiára vagy tengerszint magasságra A scatterométerek nagyon pontosan megadják a visszavert szórt sugárzást, mely a felszín tulajdonságaitól (érdesség) és a beesési szögtől függ Az érdességből: – Tengerfelszínek felett a szélre lehet következtetni – Szárazföld felett a felszíntípusára (hasonlóan az optikaiban a reflektancia alapján) 51  Radar – altiméterek https://sealevel.jpl.nasa.gov/missions/technology/ 52  Radar – scatterométerek NASA's ISS-RapidScat instrument attached to the Columbus module 53  Radar – scatterométerek ERS Wind Scatterometer 21 April 1995 – 5 July 2011 25 km-es felbontás 54 Radar – scatterométerek MetOp ASCAT 55 Radar – scatterométerek 56  Hasznos linkek, jó oktató anyagok (angolul) NISAR: https://nisar.jpl.nasa.gov/mission/get-to-know-sar/overview/ Remote sensing basics and tutorial: https://natural-resources.canada.ca/maps-tools-and-publications/satellite-imagery- and-air-photos/tutorial-fundamentals-remote-sensing/9309 USGS: Monitoring Ground Deformation from Space https://pubs.usgs.gov/fs/2005/3025/2005-3025.pdf Eumetrain – Scatterométerek: https://resources.eumetrain.org/data/4/438/navmenu.php?tab=2&page=3.0.0 57 https://earthobservatory.nasa.gov/images/153390/hurricane-helene-stirs-up-gulf-coast-waters