Ưu nhược điểm và các ứng dụng của synthetic aperture radar trong viễn thám

Radar khẩu độ tổng hợp SAR - Synthetic Aperture Radar Radar khẩu độ tổng hợp SAR là hệ thống radar tìm kiếm bên trong không gian hoặc vũ trụ sử dụng đường bay của nền tảng để mô phỏng mộ

TIỂU LUẬN MÔN RADA VÀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ

TOÀN CẦU 2

“Ưu nhược điểm và các ứng dụng của Synthetic Aperture radar

trong viễn thám”

Hà Nội 10/2018

MỤC LỤC

Ưu nhược điểm và các ứng dụng của Synthetic Aperture Radar trong viễn thám

MỤC LỤC i

1.Giới thiệu chung 1

1.1 Radar khẩu độ tổng hợp (SAR - Synthetic Aperture Radar) 1

1.2 Viễn thám 3

1.3 Lịch sử phát triển của SAR trong viễn thám 4

2 Hệ thống SAR và nguyên lý hoạt động 5

2.1 Kiến trúc chung của hệ thống SAR 5

2.2 Nguyên lý hoạt động 6

3 Ưu điểm và nhược điểm của SAR 8

3.1 Ưu điểm 8

3.2 Nhược điểm 8

4 Các ứng dụng của SAR 8

4.1 Giám sát tài nguyên môi trường 8

4.2 Khảo sát 9

4.3 Dữ liệu bề mặt 3D 10

4.4 Thăm dò mặt đất 10

4.5 Dữ liệu về đối tượng di chuyển 10

4.6 Điều hướng 10

4.7 Phát hiện thay đổi 11

4.8 Các ứng dụng khác 12

5 Kết luận 12

TÀI LIỆU THAM KHẢO 12

Ưu nhược điểm và các ứng dụng của Synthetic Aperture

Radar trong viễn thám

1.Giới thiệu chung

1.1 Radar khẩu độ tổng hợp (SAR - Synthetic Aperture Radar)

Radar khẩu độ tổng hợp (SAR) là hệ thống radar tìm kiếm bên trong không gian hoặc vũ trụ sử dụng đường bay của nền tảng để mô phỏng một ăng-ten hoặc khẩu độ rất lớn, giúp tạo ra hình ảnh viễn thám có độ phân giải cao Radar khẩu độ tổng hợp có nguồn gốc như một dạng phát triển của radar nhìn bên trong là dạng radar và nó sử dụng chuyển động tương đối; giữa một ăng-ten và vùng chỉ định của nó để có được độ phân giải không gian tốt hơn SAR được thực hiện bằng cách gắn, trên một nền tảng di chuyển của máy bay hoặc tàu vũ trụ, một ăng-ten hình thành chùm tia duy nhất mà từ đó một cảnh mục tiêu thường xuyên được chiếu sáng với các xung sóng vô tuyến ở bước sóng từ 1mm đến 1m Hình ảnh SAR có các ứng dụng rộng rãi trong viễn thám để lập bản đồ bề mặt trái đất Nó có tiềm năng cho việc lập bản đồ nông nghiệp, giám sát môi trường, lập bản đồ tài nguyên, giám sát thiên tai và quản lý hệ thống quân sự vì hình ảnh diện rộng ở

độ phân giải cao Một kỹ thuật liên quan chặt chẽ với SAR sử dụng một mảng (được gọi

là một mảng pha) của các phần tử ăng-ten thực được phân bố không gian theo một hoặc hai chiều trong toàn bộ kích thước Những mảng này thực sự là những mảng tổng hợp, thực sự được tạo ra bằng cách tổng hợp một tập các anten vật lý con Hoạt động của chúng không cần liên quan đến chuyển động liên quan đến mục tiêu Độ phân giải hình ảnh của SAR trong phạm vi tọa độ của nó (được thể hiện bằng pixel ảnh trên một đơn vị khoảng cách) chủ yếu là tỷ lệ thuận với băng thông vô tuyến của bất kỳ loại xung nào được sử dụng trong viễn thám của các khu vực địa hình hiện tại Thiết kế cơ bản của một

hệ thống radar khẩu độ tổng hợp có thể được cải thiện để thu thập thêm thông tin Hầu hết các phương pháp này sử dụng cùng một nguyên tắc cơ bản của việc kết hợp nhiều xung để tạo thành khẩu độ tổng hợp, nhưng có thể liên quan đến ăng-ten bổ sung hoặc xử

lý bổ sung đáng kể

Hình 1.1: Hình ảnh radar thu được từ radar SIR-C / X-SAR trên tàu Endeavour của Không gian Thám hiểm cho thấy núi lửa Teide Thành phố Santa Cruz de Tenerife có thể nhìn thấy là khu vực màu tím và trắng ở cạnh bên phải phía dưới của hòn đảo Lava chảy tại đỉnh núi lửa xuất hiện trong các sắc thái của màu xanh lá cây và nâu, trong khi khu vực thực vật xuất hiện như các khu vực màu tím, xanh lá cây và vàng trên sườn núi của

núi lửa

Hình 1.2: Bề mặt của sao Kim, như hình ảnh của thăm dò Magellan sử dụng SAR

1.2 Viễn thám

Viễn thám là khoa học (và ở một mức độ nào đó, nghệ thuật) có được thông tin về

bề mặt trái đất mà không thực sự tiếp xúc với nó Điều này được thực hiện bằng cách cảm nhận và ghi lại năng lượng phản xạ hoặc phát ra và xử lý, phân tích và áp dụng thông tin

đó Viễn thám là khoa học và nghệ thuật thu thập thông tin (quang phổ, không gian và thời gian) về vật thể, khu vực hoặc hiện tượng, mà không tiếp xúc trực tiếp với vật thể, khu vực hoặc hiện tượng đang được điều tra Từ vài thập kỷ qua, công nghệ viễn thám vẫn tiếp tục phát triển

Nguyên lý radar khẩu độ tổng hợp đã được phát hiện vào đầu những năm 50 trong Viễn thám Sau đó, tiến triển nhanh diễn ra trên toàn thế giới và trong các hệ thống không khí và không gian đang hoạt động trong một ngày Radar của nó đã được chứng minh là quan trọng, vì khả năng ngày đêm của nó cũng như khả năng xuyên qua mây và mưa do bước sóng lớn của tín hiệu radar giới hạn độ phân giải có thể đạt được trong phạm vi đường chéo của các hệ thống radar khẩu độ thực Thiết kế của SAR đã truyền các xung

và lưu trữ cảnh lặp đi lặp lại dọc theo SAR, chủ yếu là hữu ích cho các ứng dụng quân sự

và dân sự

Phân tích thông tin được thu thập bởi các cảm biến hoạt động trong phần vi sóng (độ dài sóng trong phạm vi từ 1mm đến 1m) của phổ điện từ được gọi là Viễn thám vi sóng, (Hình 3) Những sóng dài hơn này có khả năng xuyên qua mây, đất,thảm thực vật và bất

kỳ loại hiệu ứng thời tiết nào Phản xạ vi sóng (phản xạ ngược), ở chế độ hoạt động và phát xạ, ở chế độ thụ động, từ bề mặt trái đất không bị ràng buộc bởi thời gian thu thập

dữ liệu và do đó cảm biến vi sóng cũng thu thập dữ liệu bề mặt cả ngày lẫn đêm Mặt khác, lượng và bản chất của bức xạ điện từ bị tán xạ có thể cung cấp thông tin về kích thước, hình dạng, cấu hình và tính chất điện của vật thể bề mặt Những lợi thế này là hữu ích để theo dõi kịp thời độ ẩm đất, cây trồng, thảm thực vật, độ phủ tuyết, đặc điểm địa chất, vùng ven biển, mức độ đô thị, mục tiêu nhân tạo, gió biển, phổ sóng, chiều cao sóng

và các thông số khí quyển Để tăng tính xác thực của các ứng dụng trong quy hoạch không gian do khả năng của cảm biến vi sóng từ xa

Hình 1.3: Viễn thám vi sóng 1.3 Lịch sử phát triển của SAR trong viễn thám

Khái niệm về Radar độ mở tổng hợp - Synthetic Aperture Radar (SAR) là do Carl Wiley của Tổng công ty Máy bay Goodyear năm 1951 khởi nguồn Tại trường Đại học Illinois, một nhóm các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu những thí nghiệm đầu tiên vào năm 1953; sau đó, quân đội Hoa Kỳ đưa dự án Wolverine về chủ đề này đến Đại học Michigan Đây là khởi đầu của một loạt các hoạt động đóng góp vào sự phát triển của kỹ thuật SAR Từ cuối năm 1960, NASA đã bắt đầu tài trợ cho sự phát triển của hệ thống SAR cho các ứng dụng về dân sự Jet Propulsion Laboratory (JPL) đã phát triển cho NASA một bộ cảm biến SAR band-L Bộ cảm biến này đã được cài đặt trên tên lửa vào năm 1962 trong các thí nghiệm thực hiện tại các trang web thử nghiệm tên lửa New Mexico Cảm biến này là cảm biến cuối cùng được cài đặt trên máy bay NASA CV-990 vào năm 1966 và sau đó lại được nâng cấp bởi JPL.Viện nghiên cứu môi trường Michigan (ERIM) và JPL đã phối hợp thực hiện các nghiên cứu thử nghiệm Apollo Lunar Sounder, và đã thành công khi thăm dò Mặt Trăng vào năm 1972 trên tàu Apollo

17

Vào năm 1978 lần đầu tiên trên vũ trụ (vệ tinh Seasat - USA) sử dụng SAR và tiếp tục với việc sử dụng SIR - Radar tạo ra ảnh trên tàu con thoi (Shuttle Imaging Radar)

Đầu năm 1991 có 3 vệ tinh mang thiết bị Radar được phóng thành công lên vũ trụ Đó là Almaz-1 với bộ cảm biến S-band của Liên Xô (cũ), ERS-1 của cơ quan Vũ trụ châu Âu ESA, và JERS-1 với bộ cảm biến kênh L của Nhật Bản Năm 1995, Radarsat với bộ cảm biến C-band của Canada đã được phóng lên vũ trụ thành công

Việc khai thác các thông tin địa hình sử dụng kỹ thuật Radar giao thoa độ mở tổng hợp (InSAR) được chứng minh lần đầu tiên bởi Graham, 1974 Với tư liệu sử dụng là ảnh

độ phân giải cao khu vực Puerto Rico có hướng nghiêng và góc lệch khoảng 250 đến 450 Ông đã chỉ ra rằng kỹ thuật InSAR với nguyên lý cạnh sườn (side-looking) có thể sử dụng để phục vụ cho thành lập bản đồ địa hình vì hai lý do:

- Độ phân giải của ảnh SAR có thể phân biệt được các đối tượng trên bề mặt địa hình cần biểu thị lên bản đồ

- Những điểm đo được bằng phương pháp InSAR có thể mô tả được độ cao và dáng của bề mặt địa hình

Có thể nói rằng, trong những năm 1990, công nghệ vũ trụ đã đạt được những thành công lớn với việc đẩy nhanh ứng dụng của viễn thám Radar cho các nghiên cứu khoa học

và ứng dụng Sang đến đầu thể kỷ XXI đã có một số vệ tinh Radar có độ phân giải cao được phóng lên quỹ đạo chuyên phục vụ giám sát tài nguyên và biến động lớp phủ trái đất ở mức độ chi tiết hơn đó là ALOS PALSAR của Nhật (2006), ERS-1 (1993), ERS-2 (1995), Envisat (2002) của Châu Âu, TeraSAR X của Đức (2007) Cosmo-Skymed (2010), ALOS PALSAR-2, Sentinel-1…

2 Hệ thống SAR và nguyên lý hoạt động

2.1 Kiến trúc chung của hệ thống SAR

Các phần chính của một hệ thống SAR được mô tả trong Hình 2.1 Một đơn vị phát xung tạo ra các xung với một băng tần theo độ phân giải phạm vi mong muốn Chúng sẽ được khuếch đại bởi người gửi và được truyền tới anten qua một bộ truyền thông tin Người nhận nhận tín hiệu đầu ra ăng-ten (tiếng vọng của cảnh) khuếch đại tín hiệu đến

mức thích hợp và cho qua bộ lọc dải tần Sau khi giải điều chế và chuyển đổi A / D của các tín hiệu, bộ xử lý SAR bắt đầu tính toán ảnh SAR Thông tin chuyển động bổ sung sẽ được cung cấp bởi hệ thống đo chuyển động Một đơn vị điều khiển radar sắp xếp trình tự hoạt động, đặc biệt là lịch trình thời gian

Hình 2.1: Mô hình chung của hệ thống SAR 2.2 Nguyên lý hoạt động

Trong một hình đã cho (Hình 2.2) một cấu trúc chi tiết giải thích rằng SAR hoạt động như thế nào? Hình ảnh SAR trong không khí vuông góc với vận tốc của máy bay như trong Hình bên dưới Thông thường, SAR tạo ra một hình ảnh 2 chiều, như vậy có một chiều trong hình ảnh được gọi là phạm vi hoặc theo dõi chéo và là thước đo khoảng cách "tầm nhìn" từ radar của máy bay đến mục tiêu mặt đất Đo lường phạm vi và độ phân giải thu được trong SAR như một phương pháp giống như hầu hết các radar khác Trong hệ thống này thời gian được đo từ việc truyền xung để nhận lặp lại (Echo) từ một mục tiêu bề mặt SAR, độ phân giải tầm phủ sóng phụ thuộc vào độ rộng xung truyền, như vậy có các xung hẹp tạo ra phạm vi độ phân giải tốt và xung dài mang lại độ phân giải thấp hơn Độ phân giải hình ảnh của SAR trong phạm vi tọa độ của nó (pixel ảnh trên một đơn vị khoảng cách) chủ yếu tỷ lệ thuận với băng thông vô tuyến của bất kỳ loại xung nào được sử dụng Chiều khác được gọi là góc phương vị hoặc dọc theo đường và vuông góc với tầm phủ sóng và có khả năng tạo ra độ phân giải phương vị tương đối tốt

Để có được độ phân giải phương vị tốt, cần có một ăng-ten lớn để tập trung năng lượng được truyền và nhận vào các chum tia sắc nét Độ phân giải phương vị phụ thuộc vào độ sắc nét của các chùm tia Tương tự như vậy, hệ thống quang học, chủ yếu là kính viễn vọng, đòi hỏi khẩu độ lớn (gương hoặc ống kính) để có được độ phân giải hình ảnh vắt Chiều rộng chùm tia tổng hợp hẹp thu được từ khẩu độ tổng hợp tương đối dài, mang lại độ phân giải tốt hơn Độ phân giải phương vị của SAR phụ thuộc vào chiều dài của anten (không phụ thuộc vào độ cao nền tảng), bộ phát tín hiệu đầy đủ, bộ xử lý SAR hiệu quả và mạnh mẽ, đường bay và vận tốc của nền tảng

SAR đã được sử dụng trên tàu con thoi không gian trong nhiệm vụ địa hình đưa đón Radar (SRTM) đã cho dữ liệu bề mặt trái đất trong không gian ba chiều (3D) Đây là nhiệm vụ địa hình đưa đón Radar của NASA (SRTM), bao phủ khoảng 80% bề mặt trái đất, với độ phân giải toàn cầu là 90 m và độ phân giải 30 m trên khắp Hoa Kỳ bao phủ hành tinh trái đất từ 56 ° Nam đến 60 ° Bắc Một số thời gian, các biến dạng được tạo ra trong quá trình phát hiện viễn thám SAR; như vậy có biến dạng tầm phủ sóng nghiêng, Foreshortening, Layover, và hiệu ứng đổ bóng… chịu trách nhiệm tạo ra các biến dạng trong dữ liệu hình ảnh vệ tinh SAR

Hình 2.2: Cách tạo ảnh Radar khẩu độ tổng hợp

3 Ưu điểm và nhược điểm của SAR

3.1 Ưu điểm

- Hình ảnh SAR có thể thu được bất kỳ thời điểm nào kể cả ngày và đêm do có sự hoạt động các bộ cảm biến chủ động

- SAR có thể xuyên qua mây và mưa trong bất kỳ thời tiết nào do bước sóng lớn của tín hiệu radar giới hạn độ phân giải có thể đạt được trong phạm vi đường chéo của các hệ thống radar khẩu độ thực

-Với vùng phủ sóng lặp đi lặp lại cung cấp khả năng giám sát và phát hiện các cơn bão nhiệt đới, khả năng giám sát môi trường đại dương, hoạt động của biển và các sự tràn dầu

- Hình ảnh SAR thu được có độ phân giải cao hơn so với hình ảnh quang sau khi sử dụng các thuật toán xử lý

3.2 Nhược điểm

- Hình ảnh SAR thu được không mang đầy đủ thông tin và ít thông tin trực quan

- Khả năng xử lý, tính toán của SAR bị trễ thời gian Do đó, chất lượng dữ liệu hình ảnh thu được sẽ không được tốt

4 Các ứng dụng của SAR

Sự gia tăng SAR chủ yếu trong các trường viễn thám phát triển việc cung cấp hình ảnh trên mặt đất cho các dự án không gian Dưới đây là một vài ứng dụng của radar khẩu

độ tổng hợp đã được giải thích Các ứng dụng này tăng lên hang ngày giống như các công nghệ và ý tưởng sang tạo mới được phát triển nhờ SAR có khả năng viễn thám trong mọi thời tiết và bất kể ngày đêm với độ phân giải tốt hơn

4.1 Giám sát tài nguyên môi trường

Trái đất có môi trường đa dạng Sự đa dạng đó tạo ra các tài nguyên văn hóa do đa dạng vật lý Radar khẩu độ tổng hợp được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng môi

trường như giám sát đặc điểm cây trồng, nạn phá rừng, dòng chảy bang, tràn dầu, mạng lưới đường, cháy rừng, khai thác mỏ, tăng trưởng đô thị… Sự cố tràn dầu thường được phát hiện trong hình ảnh SAR vì dầu làm thay đổi các đặc điểm phản xạ ngược trên biển

Ví dụ như sự cố tràn dầu trên biển Ả Rập gần Mumbai năm 2011, có thể nhận thấy sự hiện diện của dầu do giảm phản xạ ngược radar trên biển Do đó, các vết dầu xuất hiện tối trong các ảnh SAR Sự thay đổi trong hiện tượng tự nhiên cũng được chú ý và theo dõi bằng hình ảnh SAR để xác minh phân tích các thay đổi trong sử dụng đất và dự đoán tương lai của nó Sông ngòi đóng vai trò quan trọng cho sự phát triển của hệ thống sinh vật vì thế nó luôn được giám sát để phân tích sự thay đổi (Hình 4.1)

Hình 4.1: Hình ảnh sông Chambal (MP) từ vệ tinh Risat-1 ( Nguồn: Website ISRO) 4.2 Khảo sát

Khảo sát để lập bản đồ tài nguyên là nhiệm vụ chính của đo đạc mặt đất Khảo sát truyền thống tống thời gian và ít chính xác Radar khẩu độ tổng hợp là bước tiến mới để nghiên cứu, quan sát và nhắm mục tiêu bất cứ đội tượng nào trên mặt đất SAR cung cấp

độ phân giải cao đủ để phân biệt các tính năng địa hình và xác định mục tiêu bằng cách khảo sát thông qua hình ảnh vệ tinh SAR

4.3 Dữ liệu bề mặt 3D

Trái Đất nhấp nhô và đa dạng vật lý trên quy mô lớn Do đó dữ liệu 3D là cần thiết

để theo dõi các khu vực và thực hiện các nghiên cứu địa hình Dữ liệu radar khẩu độ tổng hợp giao thoa ( IFSAR) thu được bằng cách sử dụng ăng ten đôi trên 1 máy bay hoặc bằng cách sử dụng ăng ten đơn trên 1 máy bay với 2 đường bay Do đó, IFSAR được sử dụng để tạo ra bản đồ địa hình cho các dự án như xây dựng đập, xây dựng đường, công trình máy xay gió hay khảo sát công trình kênh…

4.4 Thăm dò mặt đất

Do hầu hết các rào cản bề mặt như cây cối và các thứ trên mặt đất ta không thể quan sát và theo dõi các mục tiêu ẩn nhưng SAR có thể hoạt động ở tần số thấp ( 10 MHz đến

1 GHz) để thăm dò các vật chất không rõ ràng, thậm chí không thể nhìn thấy bằng công nghệ quang học hoặc IR Một số nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng SAR có thể cung cấp hình ảnh một số mục tiêu nhất định trên mặt đất như các đường dây điện dây cáp, các kho

vũ khí quân sự, bun ke, hầm mỏ… Độ sâu thăm dò phụ thuộc vào điều kiện đất, độ ẩm,

độ dẫn và kích thước mục tiêu.Ví dụ như ở điều kiện cát khô, SAR có thể thăm dò độ sâu lên tới 10m

4.5 Dữ liệu về đối tượng di chuyển

SAR không chỉ phát hiện đối tượng tĩnh mà còn cho dữ liệu về đối tượng đang di chuyển trên mặt đất như xe hơi, xe tải hay khí tài quân sự… Phòng nghiên cứu quốc gia Sandia là nơi phát triển những công nghệ tự động nhận diện các mục tiêu chuyển động và trích xuất các dữ liệu về mục tiêu như vị trí, tốc độ, kích cỡ và mặt cắt ngang radar (RCS) Những ứng dụng này rất hữu ích cho việc phân tích những thay đổi bất ngờ và dự đoán thiên tai

4.6 Điều hướng

SAR cung cấp dữ liệu liên tục bất kể ngày đêm hay thời tiết bên cạnh đó nó cũng cung cấp khả năng hướng dẫn và điều hướng tự động.Bằng cách kết hợp các hình ảnh phản ánh địa hình SAR và hình ảnh SAR đã lưu trữ trước đó, điều hướng được cập nhật