Introdução

A investigação da superfície do globo terrestre é algo bastante complicado no que se diz respeito à obtenção de imagens da crosta da Terra, assim o emprego de sensores remotos é conveniente, e estes são normalmente embebidos em satélites e ônibus espaciais. Os radares são os sensores com maior vantagem neste tipo de aplicação, pois utilizam frequências de micro-ondas e estas possuem uma característica bastante importante que é a possibilidade de operar em quaisquer condições climáticas, uma vez que as micro-ondas penetram nuvens, neblinas, fortes chuvas etc. Porém os radares possuem restrições quanto as dimensões de suas antenas, pois quanto maior for a abertura da antena [1]:

• mais estreita é a largura de feixe de meia potência fornecendo maior resolução angular;
• maior a energia coletada;
• Maior o ganho, proporcionando maior relação sinal-ruído (SNR). 

Assim nota-se a importância de antenas de dimensões elevadas. Porém quanto maior forem as dimensões da antena, maior será seu peso, custo e dificuldade para esta ser enviada ao espaço. Como solução a esse impasse, foi desenvolvida uma técnica de amostragem de sinais de forma a desvincular a resolução dos sinais com a abertura das antenas, criando uma espécie de radar de abertura sintética ou Synthetic Aperture Radar, SAR.

Synthetic Aperture Radar

 O SAR utiliza a direção de movimentação do satélite ou avião, faz a emissão de sinais de forma periódica, armazena cada amostra em um vetor para um posterior processamento. Dessa forma a área de cobertura da antena é ampliada com o arrasto do satélite ou avião, tendo os mesmos resultados do que teria uma antena com as dimensões correspondentes a area em análise. Lembrando que o SAR é uma técnica e não uma antena, assim ele utiliza antenas de sistemas radares comuns. O primeiro sistema SAR foi incorporado ao avião CV-990. Atualmente o satélite NASA-ISRO Synthetic Aperture Radar, ou NISAR [2] (figura 1), engloba o sistema SAR projetado para observar e fazer medições de alguns dos processos mais complexos do planeta, incluindo distúrbios do ecossistema e perigos naturais como terremotos, tsunamis, vulcões e deslizamentos de terra.

Figura 1: Sistema SAR a bordo do NISAR [1].

Os comprimentos de onda que são usados para a deteção remota por radar da superfície da terra são tipicamente na gama de uns poucos de dezenas de centímetros [3]. Nesses comprimentos de onda λ, a energia radiada por uma antena de dimensões D dispersa rapidamente a uma taxa que é equivalente a largura do feixe λ/D da antena. Assim uma antena com comprimento de onda de 10 cm e uma abertura de 10 m, a largura do feixe é de 1/100 radianos ou 0.6º . Se o satélite estiver cerca de 1000 km acima do nível do mar, o tamanho do feixe no solo será 1000 λ/D = 10 km. Esta é a resolução pura de um sistema de radar e é insuficiente para muitas aplicações espaciais. 

A técnica SAR explora o movimento do radar em orbita para sintetizar uma antena de 10 km de extensão na direção de voo do radar. Ao longo de todo percurso do radar, ele faz uma varredura das regiões do terreno sobrevoado, transmitindo e recebendo ondas de rádio periodicamente [4].

Figura 2: Funcionamento do sistema SAR [2].

Neste cenário, cada dado ponto na área de cobertura do radar é fotografado várias vezes pela plataforma se movendo sob constante mudanças geometrias de observação ainda previsíveis. Nos sistemas SAR, esta alteração na geometria de observação é precisamente codificada na fase da resposta observada do radar. O ”histórico de fase”para qualquer ponto na terra localizado a uma distância constante em paralelo com a trajetória de voo é o mesmo. Compensando o histórico de fase de cada pulso que está afetando um determinado ponto no terreno, é possível concentrar a energia em toda a abertura sintética da antena de 10 km e criar uma imagem de alta resolução. A resolução de abertura sintética teoricamente alcançável pode ser calculada a partir de D/2, é independente do comprimento de onda, e corresponde a D/2 = 5 m para o cenário previamente orbital. Assim o sistema SAR elimina os limites de resolução intrínseca das antenas de radar, de forma que a resolução não é definida pela largura do feixe da antena, mas sim pela largura do pulso transmitido, τ p da figura 2. Depois que o impulso transmitido a partir do sensor para o solo voltar, dois objetos podem ser distinguidos se eles estão espacialmente separados por mais do que metade da largura do impulso. Assim, a resolução de alcance é controlada pela forma de onda transmitida que é gerado pelo radar e não o tamanho da área coberta da antena sobre o solo, footprint da figura 2. Sinais de maior largura de banda geram imagens com resoluções mais finas. Em geral, o sinal transmitido é reconhecido como uma única sinusoide, com uma amplitude e fase bem definida. Assim, a imagem construída a partir do processamento de imagem SAR relaciona cada elemento de resolução, ou pixel, com uma amplitude e fase definida. Uma vez calibrado, a amplitude é proporcional à reflectância da superfície e a fase é proporcional à distância percorrida entre a onda do radar e o solo. A figura 3 mostra o resultado do uso do SAR.

Figura 3: Imagem do vulcão Teide, ilha de Tenerife, Ilhas Canary através do sistema SAR a bordo do ônibus espacial Endeavour [3].

Um radar de abertura sintética opera tipicamente com:

• Uma frequência central de 5.5 GHz;
• Largura de banda de 500 MHz;
• E baseado em aplicações de satélites operando a 565 km de distância da terra;
• Desloca-se a uma velocidade de 7000 m/s;
• Dimensões típicas de antenas de 5.2 m de comprimento e 1.1 m de altura;
• A antena é orientada cerca de 40º a partir do eixo vertical do satélite.

Arquitetura de funcionamento

A arquitetura de funcionamento de um sistema SAR é vista na figura 4, nela é visto um bloco Transmitter responsável por gerar a forma de onda a ser transmitida e amplificá-la a uma potência suficiente para atingir o solo e retornar.

Figura 4: Arquitetura de funcionamento do SAR.

 Como é usado apenas uma antena, é inserido um módulo T/R Switch, responsável por comutar entre a emissão e a recepção do sinal. Após o sinal ser emitido pelo radar e refletido pelo solo terrestre é recebido pelo módulo Receiver e posteriormente convertido em sua representção digital, pois o sinal recebido possui amplitude e fase proporcionais as reflectâncias e distância do solo. Em seguida, é realizado um processamento do pulso recebido, onde os dados RAW recebidos são processados pela técnica de processamento digital FFT e são somados aos dados de posição e velocidade do avião ou satélite, pois devido sua oscilação, figura 5, os dados podem ser falsos, assim deve-se fazer uma compensação. 

Figura 5: Movimento da aeronave no momento da aquisição dos dados.

A próxima etapa, formação da imagem, recebe os dados já no domínio da frequncia, realiza um processo de reamostragem polar sobre os dados RAW, transformando dados do formulário polar para o formato cartesiano, aplica-se um algoritmo de ajuste automático do foco e uma IFFT, conforme a figura 6. Por fim, cada pixel da imagem é relacionado com sua distância do solo para uma posterior visualização do terreno observado em um ambiente 3D.

Figura 6: Diagrama da formação das imagens.

Conclusão

 Portanto o uso da técnica de sintetizar a abertura de antenas radares torna-se essencial para uma melhor aquisição dos dados relativos aos diversos ambientes encontrados ao redor do globo terrestre, pois quanto maior a qualidade da resolução das imagens obtidas, maiores serão as informações coletadas do ambiente em análise.

Referências

[1] MIT. Synthetic Aperture Radar Imaging using the MIT IAP 2011 Lap-top Based Radar, 2015. 

[2] Jet Propulsion Laboratory. SYNTHETIC APERTURE RADAR, 2015. 

[3] Y. K. Chan and V. C. Koo. AN INTRODUCTION TO SYNTHETICAPERTURE RADAR (SAR), 2015. 

[4] Dr. Robert M. O’Donnell. Radar Systems Engineering, 2015.