Categorization of electromagnetic radiation scatterers by means of synthetic aperture radar (SAR) images
Authors: Κουρούπης Γεώργιος 
Published: September 2021

Η ανάλυση εικόνων ραντάρ αποτελεί τεχνολογία αιχμής στον τομέα της τηλεπισκόπησης για την παρατήρηση της επιφάνειας της Γης. Εν πρώτοις, τα ραντάρ έφεραν παθητικούς αισθητήρες οι οποίοι λειτουργούσαν λαμβάνοντας την οπισθοσκεδαζόμενη ηλιακή ακτινοβολία προερχόμενη εκ της επιφάνειας της Γης. Ωστόσο, τα ραντάρ είναι σε θέση να φέρουν και ενεργητικούς αισθητήρες οι οποίοι, για την δημιουργία των εικόνων, εκπέμπουν πολωμένα ηλεκτρομαγνητικά κύματα και λαμβάνουν την ηχώ τους από την επιφάνεια της Γης. Ένα τέτοιου είδους ενεργό ραντάρ είναι ανεξάρτητο της ηλιακής ακτινοβολίας παρέχοντας ημερήσιες αλλά και νυκτερινές λήψεις. Τα πιο σύγχρονα συστήματα ραντάρ είναι ικανά να παρέχουν πολλής υψηλής ανάλυσης εικόνες της επιφάνειας της Γης, μέσω των συστημάτων συνθετικού ανοίγματος (Synthetic Aperture Radar – SAR). Η SAR απεικόνιση έχει καταστεί ως η πλέον ενδεδειγμένη για την ανίχνευση και παρακολούθηση ενεργών διαδικασιών της επιφάνειας της Γης, αδιάκοπα, αδιάλειπτα και παγκόσμια. Επίσης, ένα σύστημα SAR λειτουργεί στον χώρο των μικροκυμάτων του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος και ως εκ τούτου η λειτουργία του είναι ανεξάρτητη από καιρικές συνθήκες, καπνό, ομίχλη και συναφή φαινόμενα. Τα πλεονεκτήματα και οι δυνατότητες της υψηλής χωρικής και ραδιομετρικής απεικόνισης SAR συνιστούν ένα ενεργό και ταυτόχρονα αχανές πεδίο έρευνας με εφαρμογές στην παρατήρηση κατολισθήσεων και σεισμών, τη ναυτική ασφάλεια, τις αποστολές έρευνας και διάσωσης, την αυτόματη αναγνώριση στόχων κ.α. Ένα σύστημα SAR μπορεί να εκπέμπει ηλεκτρομαγνητικά κύματα σε διαφορετικές πολώσεις, συνήθως οριζοντίως και καθέτως και μπορεί να λάβει τις οπισθοσκεδαζόμενες ηχούς στις ίδιες καταστάσεις πόλωσης. Κατά αυτόν τον τρόπο προκύπτουν τέσσερεις δυνατοί συνδυασμοί εκπομπής και λήψης σημάτων. Κάθε ένας συνδυασμός εκπεμπόμενου-λαμβανόμενου σήματος αποτελεί μία εικόνα της ίδιας γεωγραφικής σκηνής, ενώ και οι τέσσερεις εικόνες μαζί αποτελούν μία πλήρως πολωσιμετρική εικόνα. Η πλήρως πολωσιμετρική εικόνα εκφράζει τις πολωσιμετρικές ιδιότητες της επιφάνειας της Γης που απεικονίζεται σε αυτήν την γεωγραφική σκηνή. Στην παρούσα διατριβή, η πολωσιμετρική φύση των στόχων που εμφανίζονται σε μία SAR εικόνα έχουν μελετηθεί διεξοδικά. Σε αυτό το πλαίσιο, ένας απλός στόχος θεωρείται ότι αποτελείται από ένα και μόνο εικονοστοιχείο ή από μία ομάδα ομοίων εικονοστοιχείων, τα οποία όμως διαμορφώνουν ένα μοναδικό και διακριτό αντικείμενο. Αντίθετα, ένας σύνθετος στόχος, όπως ένα πλοίο, κτήριο, φυτό και λοιπά, θεωρείται εκείνος που διαθέτει σύνθετη φυσική και γεωμετρική δομή. Η πολωσιμετρία μελετά τον τρόπο με τον οποίο ένα σήμα ραντάρ αλληλεπιδρά με έναν πραγματικό στόχο, με σκοπό να διακρίνει τις φυσικές και γεωμετρικές του ιδιότητες. Είναι ευρέως γνωστό πως όταν ένα εκπεμπόμενο ηλεκτρομαγνητικό κύμα σκεδάζεται από έναν στόχο οι πολωσιμετρικές του ιδιότητες υπόκεινται σε μεταβολές. Αυτές οι μεταβολές συνδέονται με τις φυσικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του στόχου-σκεδαστή. Αρκετοί ερευνητές όπως οι J. Huynen, E. Luneburg, S. R. Cloude, W.L. Cameron, R. Touzi και άλλοι έχουν εξελίξει το θεωρητικό πλαίσιο της πολωσιμετρικής ανάλυσης, η οποία συνιστά θεωρίες που αποσκοπούν στην εξαγωγή των ζητούμενων ιδιοτήτων από έναν στόχο. Οι πολωσιμετρικές προσεγγίσεις χωρίζονται κυρίως σε δύο κατηγορίες, στις διαδικασίες ανάλυσης συναφών στόχων (Coherent Target Decompositions-CTDs) και στις διαδικασίες ανάλυσης μη συναφών στόχων (Incoherent Target Decompositions-ICTDs). Κάθε προσέγγιση παρουσιάζει τα δικά της πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα με βάση την κατηγοριοποίηση του σκεδαστή-στόχου σε στοιχειώδεις μηχανισμούς σκέδασης. Προφανώς, οι φυσικές και γεωμετρικές ιδιότητες ενός σκεδαστή δεν θα πρέπει να αλλάζουν σύμφωνα την διαδικασία που αξιοποιήθηκε για την εξαγωγή τους. Παρόλα αυτά, έχει παρατηρηθεί πως, υπό ορισμένες συνθήκες, διαφορετικές CTD διαδικασίες αποδίδουν διαφορετικές ιδιότητες σε έναν σκεδαστή, κάτι το οποίο είναι παράξενο. Είναι δηλαδή δυνατόν, διαφορετικές μέθοδοι ανάλυσης συναφών στόχων να κατηγοριοποιούν τον ίδιο σκεδαστή σε διαφορετικούς στοιχειώδεις μηχανισμούς σκέδασης. Σε αυτήν την διατριβή εξετάζουμε ενδελεχώς την πολωσιμετρική φύση των στοιχειωδών σκεδαστών, την σχέση μεταξύ των δύο επικρατέστερων διαδικασιών, του Huynen και του Cameron, και παρουσιάζουμε μία ενοποιητική προσέγγιση. Επιπλέον, εστιάζουμε στην αξιολόγηση της συμβολομετρικής πληροφορίας των SAR συστημάτων υπό το πρίσμα της πολωσιμετρίας. Η συμβολομετρική απεικόνιση SAR (Interferometric SAR - InSAR) παρέχει τα μέσα για την ψηφιακή μοντελοποίηση και την απόδοση χαρτών παραμόρφωσης του εδάφους που προκύπτει από την σχετική παραμόρφωση της επιφάνειας της Γης μεταξύ διαφορετικών, χρονικά, λήψεων. Η διαφορική συμβολομετρία (Differential Interferometry - DInSAR), επιπρόσθετα, είναι μία μέθοδος που απορρέει από την κλασική συμβολομετρία με σκοπό την δημιουργία συμβολογραφημμάτων από τα οποία έχει εξαλειφθεί η τοπογραφική συνεισφορά. Η διαφορική συμβολογραφία όμως έχει κληρονομήσει αρκετά από τα μειονεκτήματα της κλασικής συμβολομετρίας με την χρονική και χωρική αποσυσχέτιση να είναι τα κυριότερα. Παρόλα αυτά, υπάρχουν σκεδαστές οι οποίοι παραμένουν συναφείς για μεγάλα χρονικά διαστήματα ανεξάρτητα της γωνίας λήψης του ραντάρ και ως εκ τούτου είναι σε θέση να ξεπεράσουν τα προαναφερθέντα προβλήματα για την δημιουργία των χαρτών παραμόρφωσης. Στην διατριβή αυτή αποτιμάται η πολωσιμετρική φύση των εν λόγω σκεδαστών, των επονομαζόμενων σταθερών σκεδαστών, καθώς επίσης και η αξιοποίησης τους ως επικουρικό εργαλείο για την προεπεξεργασία μίας γεωγραφικής σκηνής. Περεταίρω, στην παρούσα διατριβή αναπτύχθηκε μία καινοτόμα διαδικασία ανίχνευσης πλοίων, τύπου CFAR, η οποία αξιοποιεί τους στοιχειώδεις μηχανισμούς σκέδασης των σκεδαστών αντί για την ένταση τους. Τα πλοία απεικονίζονται ως εικονοστοιχεία τα οποία παρουσιάζουν υψηλής έντασης οπισθοσκεδαζόμενη ακτινοβολία σε ένα σχετικά σκοτεινό υπόβαθρο. Η διαφοροποίηση αυτή καθιστά δυνατή την ανίχνευση των πλοίων σε ανοιχτό θαλάσσιο περιβάλλον. Η συντριπτική πλειοψηφία των διαδικασιών ανίχνευσης της βιβλιογραφίας αφορά την δημιουργία ανιχνευτών που εκμεταλλεύονται μόνο την ένταση της οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας των σκεδαστών που προκύπτει από πολωσιμετρικές εικόνες. Σε αυτό το πλαίσιο, θα πρέπει να λάβει κανείς υπόψη του την ιδιαίτερη στατιστική που παρουσιάζει το θαλάσσιο υπόβαθρο καθώς και τα τοπικά του χαρακτηριστικά. Όμως, κατά την περίπτωση όπου η ένταση των εικονοστοιχείων του υποβάθρου πλησιάζει τις τάξεις μεγέθους της έντασης των εικονοστοιχείων των πλοίων, τότε όλες αυτές οι προσεγγίσεις θα αποτύχουν. Επομένως, θα πρέπει να βρεθεί ένα άλλο χαρακτηριστικό για την δημιουργία της διαδικασίας ανίχνευσης πλοίων. Στην διατριβή αυτή εξετάζεται ως χαρακτηριστικό η πολωσιμετρική φύση των σκεδαστών που απαρτίζουν τα πλοία και το υπόβαθρο. Η προτεινόμενη διαδικασία ανίχνευσης βασίζεται στην μοντελοποίηση, των κατά Cameron σκεδαστών των δύο διαφορετικών κλάσεων, με βάση τα μοντέλα Markov πρώτης τάξης. Οι Cameron σκεδαστές θα παίξουν τον ρόλο των διακριτών στοιχείων που συνιστούν την γεωγραφική σκηνή. Ωστόσο, η κατανομή τους μέσα στην εικόνα οφείλεται αποκλειστικά στην τοπική γεωγραφία της σκηνής και για αυτό τον λόγο θεωρείται ότι αποτελεί μία στοχαστική διαδικασία, η οποία βέβαια μοντελοποιείται ορθώς με τα μοντέλα Markov πρώτης τάξης. Η προτεινόμενη διαδικασία ανίχνευσης, που αξιοποιεί την πολωσιμετρική φύση των σκεδαστών, παρουσιάζει μεγάλα ποσοστά επιτυχίας.