polarizzazione SARDescrive l'orientamento del campo elettromagnetico trasmesso e ricevuto da un sistema radar ad apertura sintetica. Poiché superfici e strutture diverse disperdono i campi orizzontali e verticali in modo differente, la polarizzazione è una delle variabili più utili per l'interpretazione delle immagini SAR.
Questa guida illustra i quattro canali di polarizzazione lineare - HH, HV, VH e VV - e le tre modalità di acquisizione comunemente utilizzate: polarizzazione singola, doppia polarizzazione e polarizzazione completa (quadrupla). Descrive inoltre come gli ingegneri scelgono una modalità per il telerilevamento, i test radar e la valutazione dei sistemi di antenne.
Cos'è la polarizzazione SAR?
La maggior parte dei sistemi SAR spaziali utilizza la polarizzazione lineare orizzontale (H) e verticale (V). Un codice di canale di due lettere identifica prima la polarizzazione trasmessa e poi quella ricevuta. Ad esempio, HH significa trasmissione orizzontale e ricezione orizzontale, mentre HV significa trasmissione orizzontale e ricezione verticale.
La polarizzazione è importante perché un bersaglio può preservare la polarizzazione incidente, ruotarla o depolarizzare parte del segnale di ritorno. La rugosità superficiale, la geometria, le proprietà dielettriche, la lunghezza d'onda, l'angolo di incidenza e la struttura interna influenzano tutti la retrodiffusione misurata. La polarizzazione deve quindi essere interpretata insieme alla banda di frequenza, alla geometria di visualizzazione e ai dati dell'immagine calibrata.
Cosa significano HH, HV, VH e VV?
| Canale | Trasmettere | Ricevere | Classificazione |
|---|---|---|---|
| HH | Orizzontale | Orizzontale | Copolarizzato |
| HV | Orizzontale | Verticale | polarizzazione incrociata |
| VH | Verticale | Orizzontale | polarizzazione incrociata |
| VV | Verticale | Verticale | Copolarizzato |
HH e VV sono canali co-polarizzati perché le polarizzazioni di trasmissione e ricezione sono le stesse. HV e VH sono canali a polarizzazione incrociata perché la polarizzazione di ricezione è ortogonale alla polarizzazione di trasmissione. In un sistema monostatico reciproco calibrato, le risposte HV e VH sono spesso simili, ma entrambi i canali vengono mantenuti nelle misurazioni polarimetriche complete.
Le tre principali modalità di polarizzazione SAR
1. Polarizzazione singola
Un'acquisizione a singola polarizzazione registra un solo canale, più comunemente HH o VV. Offre un volume di dati inferiore e un'elaborazione più semplice quando è sufficiente un singolo canale validato. Il limite è che un singolo canale fornisce meno informazioni sui meccanismi di diffusione e sulla struttura del bersaglio.
2. Doppia polarizzazione
Un'acquisizione a doppia polarizzazione registra due canali. Le combinazioni più comuni includono HH+HV e VV+VH, in cui il radar trasmette una polarizzazione e riceve segnali di ritorno sia co-polarizzati che a polarizzazione incrociata. Alcuni sistemi supportano anche una coppia co-polarizzata come HH+VV. I dati a doppia polarizzazione offrono una discriminazione utile, mantenendo al contempo la velocità di trasmissione dei dati e i requisiti di elaborazione più gestibili rispetto alla polarimetria completa. L'ESA afferma che Sentinel-1 supporta VV+VH o HH+HV nei suoi schemi a doppia polarizzazione.
3. Polarizzazione completa o quadrupla
Un SAR polarimetrico completo registra HH, HV, VH e VV come canali complessi. Un radar quad-pol classico trasmette H e V in sequenza e riceve entrambi i segnali di ritorno H e V, preservando le informazioni di ampiezza e fase relativa. Ciò consente l'analisi della matrice di scattering e la decomposizione, classificazione e caratterizzazione dettagliata del bersaglio.
Il compromesso consiste in una maggiore complessità del sistema, maggiori esigenze di calibrazione, un volume di dati più elevato e un maggiore sforzo di elaborazione. A seconda del sensore, il funzionamento a polarizzazione completa può anche comportare una fascia di acquisizione più stretta o diversi vincoli di acquisizione. La polarizzazione compatta è un'altra architettura SAR valida, ma si distingue dalle tradizionali modalità lineari a singola, doppia e quadrupla polarizzazione discusse in precedenza.
Copolarizzazione vs. polarizzazione incrociata
I canali co-polarizzati spesso conservano forti segnali di ritorno da superfici e strutture che mantengono la polarizzazione trasmessa. I segnali di ritorno a polarizzazione incrociata indicano che il processo di scattering ha modificato parte dello stato di polarizzazione attraverso lo scattering volumetrico, riflessioni multiple, geometria complessa o struttura anisotropa.
- Acqua calma e superfici lisce:Spesso appaiono scuri quando la maggior parte dell'energia viene riflessa lontano dal radar; la rugosità del terreno, il vento e l'angolo di incidenza possono aumentare la retrodiffusione.
- Vegetazione:Rami, tronchi e foglie creano dispersione volumetrica, quindi i canali cross-pol possono aggiungere preziose informazioni strutturali.
- Aree urbane:Gli edifici e le superfici del terreno possono generare forti ritorni co-polari e scattering a doppio rimbalzo, a seconda dell'orientamento e della geometria di acquisizione delle immagini.
- Suolo, neve e ghiaccio:Umidità, rugosità, profondità, lunghezza d'onda e struttura interna influenzano tutti la risposta di polarizzazione.
Si tratta di principi interpretativi, non di regole universali. Un canale non dovrebbe essere selezionato indipendentemente dalla banda radar, dall'angolo di incidenza, dalla risoluzione, dalla stagione e dalla qualità della calibrazione.
Come scegliere una modalità di polarizzazione SAR
| Requisito | Punto di partenza pratico |
|---|---|
| Monitoraggio su vasta area o volume di dati limitato | Monopolarizzazione quando un canale validato soddisfa l'obiettivo di rilevamento |
| Discriminazione tra vegetazione, agricoltura o copertura del suolo | Dati a doppia polarizzazione, co- e incrociata, per ulteriori informazioni sulla diffusione. |
| Mappatura del ghiaccio marino, dell'oceano o delle inondazioni | Scegliere le modalità basate su HH o VV in base alla banda, all'angolo di incidenza e al metodo di validazione. |
| Classificazione avanzata o decomposizione della dispersione | Quad-pol completo quando sono necessarie informazioni a quattro canali con calibrazione di fase |
La modalità migliore è specifica per l'applicazione. Gli ingegneri dovrebbero confrontare il contenuto informativo con la copertura, la risoluzione, il rapporto segnale/rumore, l'ampiezza della fascia di acquisizione, il tempo di rivisitazione, le risorse di elaborazione e la capacità di calibrazione.
Considerazioni relative ad antenne e radiofrequenze per radar polarimetrici
Le misurazioni polarimetriche affidabili dipendono da più fattori rispetto al solo algoritmo di elaborazione. L'antenna e la catena RF devono mantenere prestazioni stabili in entrambi i canali di polarizzazione. I parametri importanti includono:
- frequenza operativa e larghezza di banda istantanea;
- Bilanciamento del guadagno e del diagramma di radiazione tra le porte H e V;
- Isolamento da porta a porta e discriminazione transpolare;
- stabilità di ampiezza e fase;
- VSWR, interfaccia del connettore e calibrazione del cavo;
- Allineamento dell'antenna, geometria di montaggio e piano di riferimento per la calibrazione.
Forniture RF MISOantenne a tromba a doppia polarizzazione, antenne a tromba a banda larga a doppia polarizzazionee altre soluzioni di antenne RF per radar, misurazioni e integrazione di sistemi. La scelta del modello deve sempre basarsi sulla scheda tecnica aggiornata e sui requisiti di prova completi.
Domande frequenti
Quale lettera viene prima in un codice di polarizzazione SAR?
La prima lettera identifica la polarizzazione trasmessa e la seconda identifica la polarizzazione ricevuta. HV significa trasmissione orizzontale e ricezione verticale.
Qual è la differenza tra SAR dual-pol e quad-pol?
La polarizzazione duale (Dual-pol) registra due canali, comunemente HH+HV o VV+VH. La polarizzazione quadrupla (Quad-pol) registra HH, HV, VH e VV e preserva le relazioni necessarie per un'analisi polarimetrica completa.
Esiste sempre una polarizzazione SAR ottimale?
No. La modalità più utile dipende dal bersaglio, dalla lunghezza d'onda del radar, dall'angolo di incidenza, dalla risoluzione, dalle condizioni ambientali e dall'obiettivo di elaborazione.
Perché i canali cross-pol sono utili?
HV o VH possono rivelare la diffusione che modifica la polarizzazione incidente, in particolare la diffusione volumetrica e i bersagli strutturalmente complessi come la vegetazione.
Conclusione
La polarizzazione SAR controlla il modo in cui un radar illumina un bersaglio e come viene misurato il campo riflesso. HH e VV sono canali co-polarizzati, mentre HV e VH sono a polarizzazione incrociata. La polarizzazione singola offre efficienza, la doppia polarizzazione aggiunge discriminazione e la polarizzazione quadrupla completa fornisce il set di dati polarimetrici lineari più completo. Per ottenere risultati accurati è necessario considerare congiuntamente la modalità di acquisizione, il sistema di antenne, il metodo di calibrazione e i requisiti dell'applicazione.
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Riferimenti e ulteriori letture
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Data di pubblicazione: 28 giugno 2024
