RADAR

Regiunea microundelor a spectrului EM prezinta doua oportunitati pentru colectarea datelor de teledetectie. Prima, ca si radiatia din intervalul 8-14mm, suprafata Pamantului emite microunde ca rezultat al temperaturii sale, in acord cu relatia Stefan-Boltzmann si cu legea lui Wien. A doua, microundele pot fi generate artificial ca unde coerente (radar).

Fig. 1 Diversele gaze din atmosfera absorb energia solara in diferitele lungimi de unda prin tranzitii de vibratie si de rotatie. Ca rezultat, curbele de iradianta solara masurate in afara spatiului - curba de sus din (a) - si la suprafata - curba de jos din (a) - sunt foarte diferite. Energia disponibila pentru interactiunile cu materia la suprafata se imparte in ferestre atmosferice discrete separate de benzi dominate de absorbtia atmosferica (in gri). In (b) sunt prezentate principalele ferestre atmosferice pentru portiunea utila din spectrul electromagnetic (EM) la scara logaritmica, in termen de procente transmise prin atmosfera. Aceste doua grafice, impreuna cu proprietatile spectrale ale materialelor naturale, formeaza baza pentru constructia sistemelor de teledetectie.

Toate materialele deasupra lui zero absolut emit microunde, dar pentru temperatura ambientala a Terrei (300K) energia din aceasta zona este foarte scazuta.

Codarea regiunii microundelor utilizata de sistemele radar

Pentru a evita interferenta intre radiatia emisa si cea care se intoarce de la suprafata, iluminarea implica pulsuri. Perioada pulsurilor e cruciala astfel ca toata radiaaia ce se intoarce de la suprafata sa ajunga inainte de transmisia unui alt puls. Perioada depinde de distanta maxima laterala laterala sau de raza, deoarece cu cat raza este mai mare, cu atat va fi mai mare timpul de intoarcere la antena.

Deoarece radarul se propaga cu viteza luminii perioada este de ordinul microsecundelor.

Raspunsul antenei la energia care se intoarce de la suprafata pentru fiecare puls consta din doua masuratori: a energiei ce se intoarce si a timpului (t). Acest timp este o masura a distantei pana la suprafata de unde se intoarce energia (distanta este de doua ori cea dintre platforma si obiect).

r = (ct cos a

unde a este unghiul de depresie - scade pe masura ce creste distanta.

Rezolutia pe imaginile radar depinde de doi parametri: lungimea pulsului si latimea fasciculului.

a.Lungimea fiecarui puls (ct, unde t este timpul, iar c este viteza luminii) controleaza rezolutia legata de distanta. Pentru a distinge doua obiecte aflate la sol semnalul d la fiecare obiect trebuie sa ajunga la antena la timpi diferiti. Orice suprapunere intre cele doua seturi de semnale va avea ca rezultat o combinare a celor doua pe imagine. Separatia minima dintre obiecte este umatate din lungimea pulsului sau ct

Rezolutia la sol (cea corespunzatoare pe imagine) variaza totusi cu unghiul de depresie a

Rr = (ct cos a

Si creste la departare de platforma. Totusi este independenta de altitudinea platformei.

b.Latimea fasciculului radar este exprimata de un unghi (b) s este direct proportionala cu lungimea de unda radar (l) si invers proportionala cu lungimea antenei (L).

Linia de la sol iluminata de fiecare puls depinde de distanta fata de platforma - cu cresterea distantei, creste si conul de iluminare.

Interactiunea radarului cu materialele de la suprafata

Ceea ce se intampla cu energia electromagnetica in pulsul radar cand acesta intalneste suprafata depinde de patru factori majori:

- atitudinea suprafetei;

- rugozitatea si heterogenitatea suprafetei si a materialelor de sub suprafata;

- lungimea de unda, polarizatia si unghiul de depresie al radarului, care sunt variabile controlabile;

- proprietatile electrice ale suprafetei - constanta dielelctrica a materialelor de la suprafata.

In ordinea descrescatoare a importantei, toate ajuta la determinarea proportiei energiei microundelor incidente pe care suprafata o disperseaza inapoi direct catre antena de la bordul avionului sau platformei orbitale. Aceasta are impact asupra tonului imaginii radar. Cu cat tonul este mai stralucitor cu atar mai mare este energia dispersata catre antena.

O masura a intensitatii energiei dispersate inapoi catre antena de la un punct tinta este sectiunea radar. Aceasta este aria unei suprafete ipotetice care disperseaza energia radar egal in toate directiile si care va inapoia aceeasi energie catre antena ca si punctul tinta. O masura a energiei dispersate inapoi de la o tinta cu suprafata mare, cum ar fi un camp, este coeficientul de dispersie radar. Acesta este sectiunea radar medie pe unitatea de arie. Este o cantitate adimensionala si variaza pe cateva ordine de magnitudine exprimata ca de 10 ori logaritmul sau, in decibeli (dB). Coeficientul de dispersie radar este masura fundamentala a proprietatilor radar ale suprafetei si determina tonul suprafetei pe imaginea radar.

Constanta dielectrica complexa

In cazul radarului constanta dielectrica a materialelor este responsabila de proportia in care energia radar este reflectata de catre material si aceea care o penetreaza.

Materialele cu constanta dielectrica mare, cum sunt metalele si apa, sunt reflectori excelenti si absorb foarte putina energie. Cu cat constanta dielectrica este mai scazuta, cu atat mai multa energie este absorbita si cu atat este mai mare potentialul de penetratie sub suprafata. Constanta dielectrica nu este o functie simpla de unda, dar variaza relativ putin pentru marea majoritate a rocilor si solurilor, pe intervalul obisnuit de lungimi de unda radar.

Solurile uscate au constante dielectrice in intervalul 3-8. Ele sunt destul de scazute pentru a permite penetrarea unei parti semnificative din energia radar incidenta in materialele uscate pana la adancimi de 6 m in banda L radar. Penetrarea este posibila doar atunci cand suprafata topografica este neteda din punct de vedere radar. Sosirile de la suprafata apar doar atunci cand subsuprafata are o componenta radar. Deoarece apa are un maxim al constantei dielectrice de 80, principala cauza a variatiei acestui parametru in roci si soluri este continutul lor in umiditate. Pe masura ce continutul in umiditate creste, creste si constanta dielectrica intr-un mod aproximativ liniar. Totusi, constanta dielectrica a apei creste pe masura ce creste lungimea de unda (fig. 2) si acest lucru influenteaza proprietatilor din domeniul radar ale solurilor umede. Deoarece chiar si solurile saturate contin putina apa efectele nu sunt marcante.

Penetrarea radarului in sol este exprimata in termeni ai numarului de lungimi de unda. Ecuatiile complexe ce genereaza acest comportament sugereaza ca pentru proprietatile constantei dielectrice acelasi numar de unde penetreaza, indiferent de lungimea de unda. Deci, cu cat lungimea de unda este mai mare, cu atat mai mare este penetrarea.

Studii recente indica faptul ca continuturi in umiditate mai mari de 1% sunt raspunzatoare de orice penetratie, astfel ca acest fenomen poate fi exploatat doar in terenurile hiperaride ale deserturilor terestre si pe planete ca Venus si Marte.

Deoarece frunzele plantelor au un continut de umiditate foarte mare, vegetatia are o constanta dielectrica mai mare decat a materialelor naturale uscate. Ca rezultat doar o cantitate mica din energia radar este capabila sa penetreze catre suprafata de dedesubt, functie de natura si densitatea acoperisului vegetal. Fig. 2 sugereaza ca cu cat lungimea de unda radar este mai mare cu atat ea este mai capabila sa penetreze vegetatia si sa ofere informatii despre suprafata fata de lungimile de unda mai mici.

Cu exceptia efectului de pentrare, constanta dielectrica este un factor minor in controlul tonului si texturii imaginilor radar. Ele sunt dominate in principal de efectele de panta si de rugozitatea suprafetei.

Fig. 2 Pe masura ce lungimea de unda a radiatiei microundelor creste, creste si constanta dielectrica efectiva a apei. In cazul benzilor radar Ka si X constanta dielectrica a apei variaza intre 30 si 45, in timp ce pentru banda L ea atinge un maxim de 80. Rocile si solurile contin rar mai mult de 15% apa, astfel ca efectul umiditatii asupra proprietatilor lor dielectrice este redus considerabil fata de graficul de mai sus. Din graficul prezentat putem deduce ca, deoarece constanta dielectrica a apei scade la lungimi de unda mai mici, banda radar Ka este cea mai potrivita sa patrunda sub suprafata. Totusi, fizica feomenului ne arata ca undele radar patrund in egala masura materialele cu aceeasi umiditate, indiferent de lungimea de unda. Deci, contrar asteptarilor, banda L-radar este cea mai eficienta in relevarea trasaturilor de sub suprafata.

Rugozitatea

Suprafata perfect neteda a unui material cu o constanta dielectrica mare actioneaza ca o oglinda pentru radar, asa cum face si pentru alte tipuri de radiatie. Fiind directionate lateral fata de platforma, pulsurile radar intalnesc suprafata orizontala la un unghi acut si sunt reflectate departe de antena la acelasi unghi, fara a fi dispersate. Aceasta reflexie de tip rasfrangator are ca rezultat o trasatura total neagra pentru suprafetele netede (fig. 3a). Acolo unde suprafata neteda este la un unghi drept fata de fasciculul radar, reflexia este direct catre antena, dand un raspuns stralucitor intens. Dunele de nisip si valurile oceanelor prezinta frecvent acest efect. Reflectorii netezi cu fetele asezate la unghiuri drepte dau reflexii multiple intre fatete. Acesta este principiul din spatele reflectorilor de colt plasati in varful catargului ambarcatiunilor mici, astfel ca ele sa poata fi detectabile de radarul de navigatie. Legat de unghiul sub care unda radar intra in cavitatea unui reflector colt, reflexiile dintre fatete asigura intoarcerea directa a energiei la antena (fig. 3b). Reflectorii colt apar in natura la intersectiile dintre strate si fisurile rectangulare dintre roci cum sunt gresiile, calcarele si lavele. Ele dau nastere la scanteieri in interiorul unei zone cu un ton uniform ce caracterizeaza astfel de roci.

Fig. 3 Modul in care radarul este dispersat depinde de unghiul de incidenta si de rugozitatea suprafetei. Prezentam patru posibilitati: (a) o suprafata orizontala si perfect neteda, (b) un reflector colt, (c) o suprafata rugoasa, (d) o suprafata rugoasa naturala

O suprafata rugoasa este alcatuita din nenumarate neregularitati care imita reflectorii colt, pe cand altele dau nastere la interactiuni mult mai complexe. Efectul net este de dispersie a energiei radar difuz in toate directiile. Unele intoarceri ajung la antena ca semnal masurabil (fig. 3c). Rugozitatea, pentru scopul interactiunii cu radiatia EM este un termen relativ ce depunde de lungimea de unda si unghiul de incidenta Doua relatii (ec 1 si 2) permit cuantificarea rugozitatii. In termeni de inaltime a neregularitatilor - rugozitatea (h) - este determinata de lungimea de unda (λ) si de unghiul de incidenta (θ). O suprafata ce apare neteda pentru radiatie satisface criteriul lui Rayleigh:

(1)

iar una care este rugoasa satisface criteriul :

(2)

Comportamentul undelor radar la suprafetele naturale este complex. Suprafetele rugoase disperseaza energia difuz in toate directiile, pe cand suprafelele cu rugozitate intermediara combina componentele rasfrangatoare si dispersiva (fig. 3d). Tonul suprafetelor naturale orizontale pe imaginile radar sunt de aceea rezultatul combinat al rugozitatii lor si in mai mica masura al constantei dielectrice a materialelor din care este formata.

Criteriul Rayleigh arata destul de clar faptul ca lungimea de unda radar ajuta la determinarea a ceea ce este rugos sau neted. Tabelul 1 arata valori limita ale inaltimii medii a neregularitatilor suprafetei asociate cu diferite categorii de rugozitate pentru trei lungimi de unda radar frecvent utilizate.

Tabelul 1 Rugozitatea suprafetei (in cm) raportata la lungimea de unda, obtinuta din criteriul lui Rayleigh

Polarizatia

Ca si lumina vizibila, transmisia si receptia energiei radar se poate face an mouri diferite de polarizare. Pentru radar polarizarea se face orizontal (H) sau vertical (V). Cea mai obisnuita combinatie este transmisia orizontala si receptia tot orizontala (codata HH). Transmisia orizontala si receptia verticala (HV) produce o imagine polarizata incrucisat (cross-polarized). Acestea doua sunt cele mai utilizate.

Interactiunea dintre suprafata si undele radar de obicei lasa sensul polarizatiei neschimbat. Totusi poate apare o depolarizatie sau rotatie a planului de polarizatie. Proportia depolarizatiei sau rotatia cu 90 poate fi obtinuta pe imagini de polarizatie incrucisata. Acolo unde exista vegetatie exista mari sanse sa apara astfel de fenomene (datorita structurii de frunze, ramuri etc.).

Interpretarea imaginilor radar

Procesele ce produc tonul si textura pe imaginile radar variaza si sunt foarte complexe.

Strategia de adoptat:

-aplicarea initiala a catorva din principiile fotointerpretarii clasice, apoi analiza acstor trasaturi pe imagini radar luate din directii diferite. Perechile de imagini radar colectate cu directii diferite de vedere sau cu diferite unghiuri de depresie induc o paralaxa si, ca si in cazul aerofotogramelor, permit o analiza stereoscopica.

Imaginile multipolarizate si multifrecventa ofera informatii aditionale despre compozitia si textura materialelor de la suprafata terenului. Acestea contin date cantitative ce pot fi analizate prin tehnici de procesare sau prin comparare cu alte tipuri de date.

Trasaturile geologice pe imaginile radar

Cea mai vizibila trasatura pe imaginile radar este modul in care accentueaza topografia suprafetei. In anumite privinte seamana cu imaginile luate la un unghi al soarelui foarte mic. Umbrirea puternica ajuta ochiul sa aprecieze topografia datorita efectului pseudo-streoscopic.

Aceasta accentuare a trasaturilor topografice este foarte importanta pentru interpretarea structurilor geologice ce au dedesubt forme distructive majore (ex. atitudinea stratelor componente si faliile, cutele si limitele intruziunilor magmatice).

O alta proprietate a radarului pune in evidenta structurile prin efectul reflectorilor colt (ex. in cazul fisurilor sau a discontinuitatilor dispuse la unghiuri drepte). Toata energia ce ilumineaza unghiul se intoarce la antena producand o trasatura alba.

De asemenea, radarul scoate in evidenta caracteristicile proceselor erozionale sau constructionale, lucru deosebit de important in terenuri glaciare (se vad mai bine structurile drenajului).

In conditii de ariditate excesiva o parte din energia radar care se intoarce la antena provine se sub suprafata. In deserturi hiperaride informatiile radar ne ofera informatii directe despre trasaturile reliefului ingropat. Radarul este singura metoda de teledetectie ce face acest lucru posibil, dar doar studiile de teren pot confirma de la ce adincime provine informatia. De mare importanta in aceste medii este detectarea limitei dintre nisip (dune) si roca de baza ce ne ofera informatii despre modelele erozionale premergatoare invaziei nisipului.