Acquisizione delle immagini

I sensori SAR sono associati a specifiche bande dello spettro elettromagnetico. Nelle applicazioni InSAR le bande comunemente utilizzate sono la banda L (frequenza 1-2 GHz, lunghezza d’onda ~24 cm), la banda C (frequenza 5-6 GHz, lunghezza d’onda ~6 cm) e la banda  X (frequenza 8-12 GHz, lunghezza d’onda ~3 cm). In Figura 1 i satelliti che monatno a bordo sensori SAR utilizzabili per applicazioni interferometriche.

I satelliti percorrono orbite elio-sincrone lievemente inclinate rispetto ai meridiani, illuminando, da una quota attorno ai 500÷800 km, una striscia di terreno (swath) larga fino a 100 km. 

La stessa orbita nominale viene ripercorsa dopo un intervallo definito (revisiting time), consentendo così di acquisire dati relativi alla stessa area al suolo, in tempi differenti.

La direzione parallela all’orbita è detta azimuth e coincide approssimativamente con la direzione Nord-Sud. La risoluzione (ovvero la capacità di riconoscere come distinti due bersagli) in azimuth vale solitamente qualche metro e per i satelliti in banda X fino a 1 metro.

La direzione della congiungente sensore-bersaglio (perpendicolare all’orbita e inclinata di un angolo rispetto alla verticale) è detta Line Of Sight (LOS).

Dalla combinazione della rotazione terrestre con le orbite elio-sincrone risulta che una stessa area della superficie terrestre viene illuminata dalla radiazione radar sia durante un passaggio del satellite in direzione Nord-Sud, denominata geometria discendente, sia durante un passaggio del satellite in direzione Sud-Nord, denominata geometria ascendente. Ciò significa che l’area al suolo viene rilevata sotto due angoli di vista praticamente speculari. Entrambe le geometrie hanno lo stesso revisiting time. La Figura 2 illustra questo concetto. 

Figura 1

Figura 2

Il principio di funzionamento di un sensore radar (acronimo di radio detecting and ranging) è il seguente: un apparecchio trasmittente illumina lo spazio circostante con un’onda elettromagnetica che incidendo sulla superficie terrestre subisce un fenomeno di riflessione disordinata. Una parte del campo diffuso torna verso la stazione trasmittente, equipaggiata anche per la ricezione, dove vengono misurate le sue caratteristiche. Il dispositivo è in grado di individuare il bersaglio elettromagnetico (detecting) e, misurando il ritardo temporale tra l’istante di trasmissione e quello di ricezione, valutare la distanza a cui è posizionato, localizzandolo in modo preciso lungo la direzione di puntamento dell’antenna (direzione di range).

Il sistema è detto attivo perché illumina lo spazio circostante con radiazioni elettromagnetiche proprie: non è richiesta infatti illuminazione solare e le frequenze utilizzate dal radar penetrano attraverso le nuvole. Quindi i sensori radar operano 24 ore su 24 per 365 giorni all’anno.

In Figura 3, una rappresentazione schematica dell'acquisizione al suolo delle immagini. 

Figura 3

I sensori SAR sono montati su piattaforma satellitare e trasmettono il segnale più o meno perpendicolarmente alla direzione di volo. 

I sensori montati sui primi satelliti (ERS, Envisat e Radarsat-1) “guardavano” solo a destra, rispetto alla direzione di volo. I satelliti più recenti (Radarsat-2, COSMO-SkyMed e TerraSAR-X) hanno la possibilità di ruotare i sensori in modo che possano “guardare” anche a sinistra, rispetto alla direzione di volo. 

L'angolo tra la direzione di puntamento del sensore e la verticale è detto di off-nadir (o semplicemente angolo di vista)  –  vedi Figura 4. Nei satelliti ERS l’angolo di off-nadir è stato fissato a circa 23°, mentre tutti gli altri hanno la possibilità di variare l’angolo di  vista in un intervallo compreso tra i 20° e i 50°. Si tratta di una caratteristica importante, che permette di adattare la geometria di vista alla pendenza del terreno, quando quest’ultima non è favorevole all’acquisizione. 

Figura 4

Il segnale radar relativo ad un bersaglio è caratterizzato da due valori: ampiezza e fase. 

L’ampiezza individua la parte di campo elettromagnetico incidente riflessa verso il sensore. Nelle immagini radar di ampiezza appaiono particolarmente luminose le strutture metalliche (tralicci, antenne, linee ferroviarie), mentre bacini d’acqua e strade sono solitamente poco luminosi: essi sono caratterizzati infatti da fenomeni di riflessione speculare in cui la porzione di campo riflessa verso il satellite risulta molto contenuta.

Le immagini di ampiezza non sono di immediata interpretazione a causa del caratteristico rumore di speckle. Lo speckle appare visivamente nella forma di un rumore “sale e pepe” che affligge l’immagine SAR, ma non è sintomo di bassa qualità della stessa, bensì è una caratteristica inevitabile indotta dall’interazione dell’impulso elettromagnetico con il terreno. Infatti ogni cella di risoluzione può contenere molti elementi riflettenti, ciascuno dei quali reagisce in modo indipendente con l’impulso proveniente dal radar. I contributi dei vari elementi si sommano ora in modo costruttivo, ora in modo distruttivo, dando luogo a valori molto diversi di riflettività, anche per pixel che appartengono a una stessa tipologia di superficie. 

Ѐ possibile ridurre l’effetto dello speckle mediante opportune tecniche di filtraggio dei dati SAR, la più semplice delle quali, se si dispone di una serie di immagini della stessa area acquisite dallo stesso sensore in istanti diversi, consiste nel mediarne i valori di ampiezza. L’immagine media così ottenuta è comunemente detta MIR (Multi-image Reflectivity map).

In Figura 5, si mostra un’immagine di ampiezza e una MIR (è stato utilizzato un dataset di 60 immagini) sulla stessa area di interesse.

La fase racchiude l’informazione più importante ai fini delle applicazioni interferometriche: la distanza sensore-bersaglio. I termini che contribuiscono alla fase di una singola immagine SAR sono molteplici. I principali sono: un termine dovuto alla riflettività del bersaglio (dipendente dal materiale e dalla sua geometria),  un contributo dovuto all’atmosfera, la distanza sensore-bersaglio e un inevitabile rumore proprio del sistema di acquisizione. 

La fase del segnale risente molto dei cambiamenti nell’atmosfera, attraverso cui viaggia; per esempio è influenzata dal contenuto di umidità dell’aria (e quindi dalla presenza di nuvole, nebbia, pioggia).  E questi effetti sono tanto più evidenti nelle zone tropicali rispetto a quelle aride. 

Figura 5