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

TIỂU LUẬN MƠN RADA VÀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TỒN CẦU “Ưu nhược điểm ứng dụng Synthetic Aperture radar viễn thám” Hà Nội 10/2018 MỤC LỤC Ưu nhược điểm ứng dụng Synthetic Aperture Radar viễn thám MỤC LỤC i 1.Giới thiệu chung 1.1 Radar độ tổng hợp (SAR - Synthetic Aperture Radar) 1.2 Viễn thám 1.3 Lịch sử phát triển SAR viễn thám Hệ thống SAR nguyên lý hoạt động 2.1 Kiến trúc chung hệ thống SAR 2.2 Nguyên lý hoạt động Ưu điểm nhược điểm SAR 3.1 Ưu điểm 3.2 Nhược điểm Các ứng dụng SAR 4.1 Giám sát tài nguyên môi trường 4.2 Khảo sát 4.3 Dữ liệu bề mặt 3D 10 4.4 Thăm dò mặt đất 10 4.5 Dữ liệu đối tượng di chuyển 10 4.6 Điều hướng 10 4.7 Phát thay đổi 11 4.8 Các ứng dụng khác 12 Kết luận 12 TÀI LIỆU THAM KHẢO 12 I Ưu nhược điểm ứng dụng Synthetic Aperture Radar viễn thám 1.Giới thiệu chung 1.1 Radar độ tổng hợp (SAR - Synthetic Aperture Radar) Radar độ tổng hợp (SAR) hệ thống radar tìm kiếm bên khơng gian vũ trụ sử dụng đường bay tảng để mô ăng-ten độ lớn, giúp tạo hình ảnh viễn thám có độ phân giải cao Radar độ tổng hợp có nguồn gốc dạng phát triển radar nhìn bên dạng radar sử dụng chuyển động tương đối; ăng-ten vùng định để có độ phân giải không gian tốt SAR thực cách gắn, tảng di chuyển máy bay tàu vũ trụ, ăng-ten hình thành chùm tia mà từ cảnh mục tiêu thường xuyên chiếu sáng với xung sóng vơ tuyến bước sóng từ 1mm đến 1m Hình ảnh SAR có ứng dụng rộng rãi viễn thám để lập đồ bề mặt trái đất Nó có tiềm cho việc lập đồ nơng nghiệp, giám sát môi trường, lập đồ tài nguyên, giám sát thiên tai quản lý hệ thống quân hình ảnh diện rộng độ phân giải cao Một kỹ thuật liên quan chặt chẽ với SAR sử dụng mảng (được gọi mảng pha) phần tử ăng-ten thực phân bố không gian theo hai chiều tồn kích thước Những mảng thực mảng tổng hợp, thực tạo cách tổng hợp tập anten vật lý Hoạt động chúng không cần liên quan đến chuyển động liên quan đến mục tiêu Độ phân giải hình ảnh SAR phạm vi tọa độ (được thể pixel ảnh đơn vị khoảng cách) chủ yếu tỷ lệ thuận với băng thông vô tuyến loại xung sử dụng viễn thám khu vực địa hình Thiết kế hệ thống radar độ tổng hợp cải thiện để thu thập thêm thông tin Hầu hết phương pháp sử dụng nguyên tắc việc kết hợp nhiều xung để tạo thành độ tổng hợp, liên quan đến ăng-ten bổ sung xử lý bổ sung đáng kể Hình 1.1: Hình ảnh radar thu từ radar SIR-C / X-SAR tàu Endeavour Không gian Thám hiểm cho thấy núi lửa Teide Thành phố Santa Cruz de Tenerife nhìn thấy khu vực màu tím trắng cạnh bên phải phía đảo Lava chảy đỉnh núi lửa xuất sắc thái màu xanh nâu, khu vực thực vật xuất khu vực màu tím, xanh vàng sườn núi núi lửa Hình 1.2: Bề mặt Kim, hình ảnh thăm dò Magellan sử dụng SAR 1.2 Viễn thám Viễn thám khoa học (và mức độ đó, nghệ thuật) có thông tin bề mặt trái đất mà không thực tiếp xúc với Điều thực cách cảm nhận ghi lại lượng phản xạ phát xử lý, phân tích áp dụng thơng tin Viễn thám khoa học nghệ thuật thu thập thông tin (quang phổ, không gian thời gian) vật thể, khu vực tượng, mà không tiếp xúc trực tiếp với vật thể, khu vực tượng điều tra Từ vài thập kỷ qua, công nghệ viễn thám tiếp tục phát triển Nguyên lý radar độ tổng hợp phát vào đầu năm 50 Viễn thám Sau đó, tiến triển nhanh diễn tồn giới hệ thống khơng khí khơng gian hoạt động ngày Radar chứng minh quan trọng, khả ngày đêm khả xuyên qua mây mưa bước sóng lớn tín hiệu radar giới hạn độ phân giải đạt phạm vi đường chéo hệ thống radar độ thực Thiết kế SAR truyền xung lưu trữ cảnh lặp lặp lại dọc theo SAR, chủ yếu hữu ích cho ứng dụng quân dân Phân tích thơng tin thu thập cảm biến hoạt động phần vi sóng (độ dài sóng phạm vi từ 1mm đến 1m) phổ điện từ gọi Viễn thám vi sóng, (Hình 3) Những sóng dài có khả xuyên qua mây, đất,thảm thực vật loại hiệu ứng thời tiết Phản xạ vi sóng (phản xạ ngược), chế độ hoạt động phát xạ, chế độ thụ động, từ bề mặt trái đất không bị ràng buộc thời gian thu thập liệu cảm biến vi sóng thu thập liệu bề mặt ngày lẫn đêm Mặt khác, lượng chất xạ điện từ bị tán xạ cung cấp thơng tin kích thước, hình dạng, cấu hình tính chất điện vật thể bề mặt Những lợi hữu ích để theo dõi kịp thời độ ẩm đất, 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 thơng số khí Để tăng tính xác thực ứng dụng quy hoạch không gian khả cảm biến vi sóng từ xa Hình 1.3: Viễn thám vi sóng 1.3 Lịch sử phát triển SAR viễn thám Khái niệm Radar độ mở tổng hợp - Synthetic Aperture Radar (SAR) Carl Wiley Tổng công ty Máy bay Goodyear năm 1951 khởi nguồn Tại trường Đại học Illinois, nhóm nhà khoa học tiến hành nghiên cứu thí nghiệm vào năm 1953; sau đó, quân đội Hoa Kỳ đưa dự án Wolverine chủ đề đến Đại học Michigan Đây khởi đầu loạt hoạt động đóng góp vào phát triển kỹ thuật SAR Từ cuối năm 1960, NASA bắt đầu tài trợ cho phát triển hệ thống SAR cho ứng dụng dân Jet Propulsion Laboratory (JPL) phát triển cho NASA cảm biến SAR band-L Bộ cảm biến cài đặt tên lửa vào năm 1962 thí nghiệm thực trang web thử nghiệm tên lửa New Mexico Cảm biến cảm biến cuối cài đặt máy bay NASA CV-990 vào năm 1966 sau lại nâng cấp JPL.Viện nghiên cứu môi trường Michigan (ERIM) JPL phối hợp thực nghiên cứu thử nghiệm Apollo Lunar Sounder, thành cơng thăm dò Mặt Trăng vào năm 1972 tàu Apollo 17 Vào năm 1978 lần vũ trụ (vệ tinh Seasat - USA) sử dụng SAR tiếp tục với việc sử dụng SIR - Radar tạo ảnh tàu thoi (Shuttle Imaging Radar) Đầu năm 1991 có vệ tinh mang thiết bị Radar phóng thành cơng lên vũ trụ Đó Almaz-1 với cảm biến S-band Liên Xô (cũ), ERS-1 quan Vũ trụ châu Âu ESA, JERS-1 với cảm biến kênh L Nhật Bản Năm 1995, Radarsat với cảm biến C-band Canada phóng lên vũ trụ thành công Việc khai thác thông tin địa hình sử dụng kỹ thuật Radar giao thoa độ mở tổng hợp (InSAR) chứng minh lần Graham, 1974 Với tư liệu sử dụng ảnh độ phân giải cao khu vực Puerto Rico có hướng nghiêng góc lệch khoảng 250 đến 450 Ơng kỹ thuật InSAR với nguyên lý cạnh sườn (side-looking) sử dụng để phục vụ cho thành lập đồ địa hình hai lý do: - Độ phân giải ảnh SAR phân biệt đối tượng bề mặt địa hình cần biểu thị lên đồ - Những điểm đo phương pháp InSAR mơ tả độ cao dáng bề mặt địa hình Có thể nói rằng, năm 1990, cơng nghệ vũ trụ đạt thành công lớn với việc đẩy nhanh ứng dụng viễn thám Radar cho nghiên cứu khoa học ứng dụng Sang đến đầu thể kỷ XXI có số vệ tinh Radar có độ phân giải cao phóng lên quỹ đạo chuyên phục vụ giám sát tài nguyên biến động lớp phủ trái đất mức độ chi tiết ALOS PALSAR Nhật (2006), ERS-1 (1993), ERS-2 (1995), Envisat (2002) Châu Âu, TeraSAR X Đức (2007) Cosmo-Skymed (2010), ALOS PALSAR-2, Sentinel-1… Hệ thống SAR nguyên lý hoạt động 2.1 Kiến trúc chung hệ thống SAR Các phần hệ thống SAR mơ tả Hình 2.1 Một đơn vị phát xung tạo xung với băng tần theo độ phân giải phạm vi mong muốn Chúng khuếch đại người gửi truyền tới anten qua truyền thông tin Người nhận nhận tín hiệu đầu ăng-ten (tiếng vọng cảnh) khuếch đại tín hiệu đến mức thích hợp cho qua lọc dải tần Sau giải điều chế chuyển đổi A / D tín hiệu, xử lý SAR bắt đầu tính tốn ảnh SAR Thông tin chuyển động bổ sung cung cấp hệ thống đo chuyển động Một đơn vị điều khiển radar xếp trình tự hoạt động, đặc biệt lịch trình thời gian Hình 2.1: Mơ hình chung hệ thống SAR 2.2 Nguyên lý hoạt động Trong hình cho (Hình 2.2) cấu trúc chi tiết giải thích SAR hoạt động nào? Hình ảnh SAR khơng khí vng góc với vận tốc máy bay Hình bên Thơng thường, SAR tạo hình ảnh chiều, có chiều hình ảnh gọi phạm vi theo dõi chéo thước đo khoảng cách "tầm nhìn" từ radar máy bay đến mục tiêu mặt đất Đo lường phạm vi độ phân giải thu SAR phương pháp giống hầu hết radar khác Trong hệ thống thời gian đo từ việc truyền xung để nhận lặp lại (Echo) từ mục tiêu bề mặt SAR, độ phân giải tầm phủ sóng phụ thuộc vào độ rộng xung truyền, có xung hẹp tạo phạm vi độ phân giải tốt xung dài mang lại độ phân giải thấp Độ phân giải hình ảnh SAR phạm vi tọa độ (pixel ảnh đơn vị khoảng cách) chủ yếu tỷ lệ thuận với băng thông vô tuyến loại xung sử dụng Chiều khác gọi góc phương vị dọc theo đường vng góc với tầm phủ sóng có khả tạo độ phân giải phương vị tương đối tốt Để có độ phân giải phương vị tốt, cần có ăng-ten lớn để tập trung lượng truyền nhận vào chum tia sắc nét Độ phân giải phương vị phụ thuộc vào độ sắc nét chùm tia Tương tự vậy, hệ thống quang học, chủ yếu kính viễn vọng, đòi hỏi độ lớn (gương ống kính) để có độ phân giải hình ảnh vắt Chiều rộng chùm tia tổng hợp hẹp thu từ độ tổng hợp tương đối dài, mang lại độ phân giải tốt Độ phân giải phương vị SAR phụ thuộc vào chiều dài anten (không phụ thuộc vào độ cao tảng), phát tín hiệu đầy đủ, xử lý SAR hiệu mạnh mẽ, đường bay vận tốc tảng SAR sử dụng tàu thoi không gian nhiệm vụ địa hình đưa đón Radar (SRTM) cho liệu bề mặt trái đất không gian ba chiều (3D) Đây nhiệm vụ địa hình đưa đón Radar NASA (SRTM), bao phủ khoảng 80% bề mặt trái đất, với độ phân giải toàn cầu 90 m độ phân giải 30 m khắp Hoa Kỳ bao phủ hành tinh trái đất từ 56 ° Nam đến 60 ° Bắc Một số thời gian, biến dạng tạo trình phát viễn thám SAR; có biến dạng tầm phủ sóng nghiêng, Foreshortening, Layover, hiệu ứng đổ bóng… chịu trách nhiệm tạo biến dạng liệu hình ảnh vệ tinh SAR Hình 2.2: Cách tạo ảnh Radar độ tổng hợp Ưu điểm nhược điểm SAR 3.1 Ưu điểm - Hình ảnh SAR thu thời điểm kể ngày đêm có hoạt động cảm biến chủ động - SAR xuyên qua mây mưa thời tiết bước sóng lớn tín hiệu radar giới hạn độ phân giải đạt phạm vi đường chéo hệ thống radar độ thực -Với vùng phủ sóng lặp lặp lại cung cấp khả giám sát phát bão nhiệt đới, khả giám sát môi trường đại dương, hoạt động biển tràn dầu - Hình ảnh SAR thu có độ phân giải cao so với hình ảnh quang sau sử dụng thuật toán xử lý 3.2 Nhược điểm - Hình ảnh SAR thu khơng mang đầy đủ thơng tin thơng tin trực quan - Khả xử lý, tính tốn SAR bị trễ thời gian Do đó, chất lượng liệu hình ảnh thu không tốt Các ứng dụng SAR Sự gia tăng SAR chủ yếu trường viễn thám phát triển việc cung cấp hình ảnh mặt đất cho dự án không gian Dưới vài ứng dụng radar độ tổng hợp giải thích Các ứng dụng tăng lên hang ngày giống công nghệ ý tưởng sang tạo phát triển nhờ SAR có khả viễn thám thời tiết ngày đêm với độ phân giải tốt 4.1 Giám sát tài ngun mơi trường Trái đất có mơi trường đa dạng Sự đa dạng tạo tài nguyên văn hóa đa dạng vật lý Radar độ tổng hợp sử dụng rộng rãi ứng dụng môi trường giám sát đặc điểm 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 phát hình ảnh SAR dầu làm thay đổi đặc điểm phản xạ ngược biển Ví dụ cố tràn dầu biển Ả Rập gần Mumbai năm 2011, nhận thấy diện dầu giảm phản xạ ngược radar biển Do đó, vết dầu xuất tối ảnh SAR Sự thay đổi tượng tự nhiên ý theo dõi hình ảnh SAR để xác minh phân tích thay đổi sử dụng đất dự đốn tương lai Sơng ngòi đóng vai trò quan trọng cho phát triển hệ thống sinh vật ln giám sát để phân tích thay đổi (Hình 4.1) Hình 4.1: Hình ảnh sơng Chambal (MP) từ vệ tinh Risat-1 ( Nguồn: Website ISRO) 4.2 Khảo sát Khảo sát để lập đồ tài nguyên nhiệm vụ đo đạc mặt đất Khảo sát truyền thống tống thời gian xác Radar độ tổng hợp bước tiến để nghiên cứu, quan sát nhắm mục tiêu đội tượng mặt đất SAR cung cấp độ phân giải cao đủ để phân biệt tính địa hình xác định mục tiêu cách khảo sát thông qua hình ảnh vệ tinh SAR 4.3 Dữ liệu bề mặt 3D Trái Đất nhấp nhô đa dạng vật lý quy mơ lớn Do liệu 3D cần thiết để theo dõi khu vực thực nghiên cứu địa hình Dữ liệu radar độ tổng hợp giao thoa ( IFSAR) thu cách sử dụng ăng ten đôi máy bay cách sử dụng ăng ten đơn máy bay với đường bay Do đó, IFSAR sử dụng để tạo đồ địa hình cho dự án xây dựng đập, xây dựng đường, cơng trình máy xay gió hay khảo sát cơng trình kênh… 4.4 Thăm dò mặt đất Do hầu hết rào cản bề mặt cối thứ mặt đất ta quan sát theo dõi mục tiêu ẩn SAR hoạt động tần số thấp ( 10 MHz đến GHz) để thăm dò vật chất khơng rõ ràng, chí khơng thể nhìn thấy cơng nghệ quang học IR Một số nghiên cứu gần SAR cung cấp hình ảnh số mục tiêu định mặt đất đường dây điện dây cáp, kho vũ khí quân sự, bun ke, hầm mỏ… Độ sâu thăm dò phụ thuộc vào điều kiện đất, độ ẩm, độ dẫn kích thước mục tiêu.Ví dụ điều kiện cát khơ, SAR thăm dò độ sâu lên tới 10m 4.5 Dữ liệu đối tượng di chuyển SAR khơng phát đối tượng tĩnh mà cho liệu đối tượng di chuyển mặt đất xe hơi, xe tải hay khí tài quân sự… Phòng nghiên cứu quốc gia Sandia nơi phát triển công nghệ tự động nhận diện mục tiêu chuyển động trích xuất liệu mục tiêu vị trí, tốc độ, kích cỡ mặt cắt ngang radar (RCS) Những ứng dụng hữu ích cho việc phân tích thay đổi bất ngờ dự đoán thiên tai 4.6 Điều hướng SAR cung cấp liệu liên tục ngày đêm hay thời tiết bên cạnh cung cấp khả hướng dẫn điều hướng tự động.Bằng cách kết hợp hình ảnh phản ánh địa hình SAR hình ảnh SAR lưu trữ trước đó, điều hướng cập nhật 10 tới SAR dùng để hướng dẫn ứng dụng cách chùm ăng ten theo hướng chuyển động từ tảng cao Với cách tiếp cận này, SAR hình dung mục tiêu hướng dẫn điều hướng cách xác 4.7 Phát thay đổi SAR có khả phát thay đổi hình ảnh chụp lại khu vực vào thừi điểm khác Khả có nhờ q trình cải tiến phần mềm GIS Các hình ảnh xếp theo hình học để điểm pixel giống hình chồng lên từ quan sát thay đổi hình Dữ liệu vệ tinh SAR so sánh với liệu vệ tinh khác để hiểu khác biệt tính thay đổi mặt đất (Hình 4.2) Hình 4.2: So sánh hình ảnh vi song hình ảnh quang học khu vực Gangotri (Nguồn: ISRO) 11 4.8 Các ứng dụng khác SAR chân thực cho dự án không gian chi tiết giám sát mặt đất, phân loại thảm thực vật, bối cảnh quân ( máy bay phương tiện bay không người lái mang cảm biến quan sát diện rộng thiết bị SAR thu nhỏ sử dụng để quan sát chiến trường) Công nghệ SAR cung cấp liệu cấu trúc địa hình cho nhà địa chất thăm dò khống sản, ranh giới tràn dầu mặt nước cho nhà môi trường, cung cấp đồ vùng biển tảng bang cho nhà hang hải hay liệu cho hoạt động quân Có nhiều ứng dụng khả thi cho mục đích dân sự, hành chính, cơng nghiệp từ SAR Trong vài thập kỉ qua, công nghệ chưa khám phá hết tốn việc bảo trì Nhưng ngày cơng nghệ trở nên hữu ích người ta bắt đầu chế tạo SAR thiết bị điện tử giá rẻ để sử dụng cho quy mô nhỏ Kết luận Radar độ tổng hợp công cụ chụp ảnh toàn thời tiết đạt độ phân giải dọc theo dõi tốt cách tận dụng ưu chuyển động radar để tổng hợp độ anten lớn Cùng với nhiều ưu điểm, nhiều ứng dụng viễn thám lập đồ bề mặt Trái Đất hành tinh khác, công nghệ SAR nhiều nước lớn sử dụng cách rộng rãi TÀI LIỆU THAM KHẢO Berens, Patrick, (2009) Research Paper on Introduction to Synthetic Aperture Radar (SAR), Research Institute for High-Frequency Physics and Radar Techniques(FHR), 53343 Wachtberg, Germany Drinkwater, M K., R Kwok, and E Rignot (1990) “Synthetic aperture radar polarimetry of sea ice,”Proceeding of the 1990 International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Vol 2, 1525–1528 Garg, R.D, (2008) Microwave Remote Sensing Notes, Indian Institute of Remote Sensing (NRSA), Dehradun 12 Joseph, George (2007) Fundamental of Remote Sensing, Published by- University Press (India) Private Ltd Hydrabad 500 029, pp-6-15 and 213-235 Lillesand, Thomas M., (2009), Remote Sensing and Image Interpretation, published by John Wiley Sons (Asia), pte, ltd, Singapore, fifth edition, pp-650-652 Panda, B.C (2006), Remote sensing principles and Application, published by Vinod Vasishtha for Viva Book Private ltd N Delhi-110 002 Reddy, Anji M (2006), Remote Sensing and Geographical information System, BSP Publications, Hydrabad-500095 (A.P.), pp-67-73 Thompson, D G., D V Arnold, and D G Long, “YSAR: A compact, low-cost synthetic aperture radar,” Proceeding of the 1996 International Geoscience and Remote Sensing Symposium, pp-1892–1894, 1996 Website: https://en.wikipedia.org/wiki/Synthetic-aperture_radar https://www.researchgate.net/publication/264973567_Synthetic_Aperture_Radar_in_Indi an_Remote_Sensing http://www.rrsg.uct.ac.za/applications/applications.html 13 ... Ưu nhược điểm ứng dụng Synthetic Aperture Radar viễn thám MỤC LỤC i 1.Giới thiệu chung 1.1 Radar độ tổng hợp (SAR - Synthetic Aperture Radar) 1.2 Viễn. .. 4.8 Các ứng dụng khác 12 Kết luận 12 TÀI LIỆU THAM KHẢO 12 I Ưu nhược điểm ứng dụng Synthetic Aperture Radar viễn thám 1.Giới thiệu chung 1.1 Radar. .. không tốt Các ứng dụng SAR Sự gia tăng SAR chủ yếu trường viễn thám phát triển việc cung cấp hình ảnh mặt đất cho dự án không gian Dưới vài ứng dụng radar độ tổng hợp giải thích Các ứng dụng tăng