Conceito Básicos de SAR (Synthetic Aperture Radar)

O conceito de SAR foi originalmente proposto por Carl Wiley no início da década de 50. Nas suas deduções, foi relacionada a ideia de sintetizar uma longa antena para obtenção de respostas com uma melhor resolução em termos de azimute, em comparação com o radar de abertura real. Segundo o autor, uma plataforma SAR ao se deslocar gera um efeito Doppler levando a uma propagação de frequência azimutal ao passar sobre um alvo (Wiley, 1954).

Operando em frequências de microondas, os sistemas de radar de abertura sintética fornecem imagens únicas que representam as propriedades elétricas e geométricas de uma superfície. Seus instrumentos podem operar em diferentes comprimentos de onda do radar: Banda X, λ = 3,1 cm; Banda C, λ = 5,63 - 5,66 cm e Banda L, λ = 23,6 - 25,0 cm (Lu et al., 2007)

Um sensor SAR pode registrar informações de amplitude (intensidade) e a fase do sinal retroespalhado de cada elemento de resolução do terreno. A amplitude depende, principalmente, do declive do terreno, da rugosidade superficial e da constante dielétrica, enquanto a fase é determinada pela distância entre sensor SAR (antena) e os alvos terrestres.

Esses dados registrados de amplitude e fase do sinal retroespalhado passam a ser representados na forma de uma imagem SAR complexa, que representa a refletividade da superfície (Lu et al., 2007).

A Figura 10 ilustra a representação do pixel no formato complexo, onde q e i são as componentes real e imaginária respectivamente, “A” é o módulo do número complexo representando a amplitude do pixel (Intensidade) e α representa a fase do pixel complexo.

Figura 10: Representação de um pixel no formato complexo

Fonte: O autor.

Um problema existente nas técnicas de radar é relativo à baixa resolução espacial relacionada às microondas. Em geral, isso é determinado pela frequência, o alcance do objeto e o tamanho da abertura. Para os satélites que orbitam numa altura em torno de 800 km, por exemplo, seria necessária uma antena de centenas de metros para alcançar a abertura necessária para uma resolução de 100 m sobre o solo, o que não é tecnicamente viável. No entanto, quando as mensurações são tomadas a partir de uma plataforma móvel (avião ou satélite), os sinais retroespalhados ao longo da trajetória de voo podem ser recolhidos e combinados. Uma abertura é, portanto, criada sinteticamente durante o processamento do sinal. Esta técnica é chamada de Radar de Abertura Sintética (SAR). Como consequência, o radar consegue uma alta resolução espacial na direção along-track, também chamado de azimute (Seeber, 2003).

Na direção de alcance, perpendicular ao percurso de voo, a resolução é determinada pela duração do pulso transmitido. Na prática, os pulsos de frequência modulada são transmitidas, e a fase do sinal de retorno é medida. A Figura 11 ilustra o princípio de um SAR (Bamler, 1997).

Figura 11: Princípio básico de um SAR

Fonte: Adaptado de Seeber (2003).

Uma antena de transmissão de SAR ilumina a superfície imageada numa visada lateral. Os sinais de retorno são registrados com relação à intensidade (magnitude) e fase. Fase significa uma mudança relativa do seno do sinal recebido em relação ao sinal transmitido. A Figura 11 também demonstra que o processo de SAR transforma um objeto 3-D, por exemplo, a topografia, para uma imagem de radar bidimensional com coordenadas em range e azimute. Este tipo de geometria cria distorções e resulta em difíceis interpretações de imagens SAR, em particular sobre o terreno montanhoso (Seeber, 2003).

Em comparação com sensores ópticos tradicionais, imagens SAR têm propriedades particulares e vantagens (Bamler, 2000):

 A radiação das microondas é pouco afetada pela nebulosidade ou chuva, podendo produzir imagens em condições meteorológicas adversas; pode também penetrar (parcialmente) da neve e do solo;

 SAR é uma técnica de fonte ativa e, portanto, é independente da luz solar. Dessa forma, podem-se obter imagens tanto de dia como de noite;

Azimute Range Resolução do Range Resolução do Azimute Pixel

 SAR pode ser considerado como um dado complementar para a detecção remota ótica; diferentes propriedades dos mesmos objetos podem ser adquiridas;

 SAR é uma magem coerente, o que torna possível uma abordagem de interferometria.

Uma imagem SAR contém informações geométricas e radiométricas. O brilho de cada pixel é determinado pela radiação retroespalhada a partir de um alvo na superfície no solo. Um sinal forte resulta em um valor de pixel com brilho intenso. A intensidade do sinal depende de muitas influências, tais como topografia, tamanho de dispersores, comprimento de onda do radar, a umidade da superfície, e ângulo de incidência. A interpretação de uma imagem SAR, portanto, requer uma profunda compreensão do processo de formação da imagem (Bamler, 1998).

A utilização de radar a nível orbital teve início em 1978, quando a NASA lançou o SEASAT, primeiro satélite de sensoriamento remoto projetado para estudos oceanográficos a partir de radar de abertura sintética. A missão, que operou durante 106 dias, foi concebida para demonstrar a viabilidade de monitoramento por satélite global de fenômenos nos oceanos (NASA, 2015). Porém, missões mais duradouras tiveram seu marco a partir do lançamento do ERS-1 pela Agência Espacial Europeia no início dos anos 1990. A Figura 12 apresenta as principais missões em atividade e desativadas que contêm em suas plataformas sistemas sensores radares.

Figura 12: Missões espaciais que comportam sistemas sensores radares em suas plataformas

A maioria das plataformas orbitais que contêm sensores SAR são amplamente utilizados em altimetria por satélite sendo que alguns dos resultados podem ser considerados como um complemento ao GNSS em diversas aplicações. Outras conexões são a determinação de órbitas de satélites, a propagação do sinal entre outros. Para maiores informações acerca do SAR, recomenda-se literatura especializada (e.g. Leberl,1990; Bamler, 1998; Gens, 1998; Lillesand & Kiefer (2000)).