SAR Radar de apertura sintética

En este artículo te contamos en detalle en qué consiste la tecnología radar de apertura sintética o SAR, la importancia que cobra hoy en día y el abanico de fuentes de información de los que disponemos.

Para ilustrar su utilidad desde un punto de vista más práctico, te mostramos además diferentes aplicaciones o casos de uso en los que se aplica.

Por último y desde un punto de vista más técnico, profundizamos en los diferentes tipos de bandas SAR y sus características.

¿Qué es el radar de apertura sintética o SAR?

El radar de apertura sintética (SAR por sus siglas en inglés) es un tipo de sensor de radar que permite la obtención de imágenes de gran resolución a muchos kilómetros de distancia. Es utilizado típicamente desde el espacio previa instalación en un avión o satélite y se utiliza para obtener imágenes de la superficie terrestre.

Los sensores SAR pueden trabajar tanto de día como de noche y son capaces de atravesar las nubes. Funcionan emitiendo ondas electromagnéticas en el espectro de las microondas y recibiendo la señal reflejada.

El SAR permite capturar imágenes de alta calidad desde el espacio sin verse afectado por la existencia de nubes y pudiendo realizar las tomas tanto de día como de noche.

Procesando el eco de los pulsos electromagnéticos, son capaces de calcular o medir distancias y construir imágenes de alta calidad de cualquier superficie.

¿Para qué se utiliza el radar de apertura sintética? Descubre algunas de las aplicaciones de la tecnología SAR

Las imágenes provenientes de los sensores SAR se utilizan de forma general para estudiar la superficie terrestre.

Existen innumerables aplicaciones o casos de uso basados en SAR

Calculando las diferencias de dos o más imágenes tomadas en una misma ubicación pero en momentos diferentes del tiempo se obtienen los llamados interferogramas. Estos mapas nos permiten medir deformaciones o desplazamientos de la superficie terrestre los cuales son de gran utilidad por ejemplo para realizar el monitoreo de cualquier infraestructura y garantizar así la seguridad y óptimo estado de salud de la misma.

Comparando dos o más imágenes de una misma ubicación se obtienen los llamados interferogramas

Esta tecnología conocida como InSAR o Interferometría Radar de Apertura Sintética ofrece entre otras ventajas la posibilidad de generar información histórica de las deformaciones del terreno sin necesidad de tener instrumentación en tierra. Para generar esta información del pasado, el archivo de imágenes de las misiones satelitales SAR que ya no están operativas cobran especial relevancia. En el artículo enlazado al comienzo de este mismo párrafo hablamos más en detalle de esta tecnología. En dicho post explicamos qué son los interferogramas y en qué direcciones medimos las deformaciones y los movimientos. También comentamos cómo podemos descomponer esos movimientos en el eje vertical o en planimetría.

Otros de los casos de uso del SAR es el monitoreo de incendios forestales así como la monitorización de glaciares y deshielos. La información proveniente de los radares de apertura sintética se puede utilizar también para medir los efectos producidos por fenómenos naturales como los terremotos. El cálculo de la deforestación es otro posible caso de uso que podemos llevar a cabo con información proveniente de imágenes SAR.

El SAR tiene múltiples usos: La monitorización de infraestructuras y deformaciones del suelo, seguimiento de incendios forestales, medición de la deforestación en bosques, medición de los efectos producidos por terremotos etc.

Misiones de radar de apertura sintética

En este apartado queremos hablar sobre las misiones satelitales SAR, o lo que es lo mismo, sobre qué información tenemos disponible para trabajar con esta tecnología.

Hemos agrupado las misiones SAR en tres grandes grupos: aquellas que están operativas a día de hoy, aquellas que ya no lo están y aquellas misiones que estarán operativas en un futuro próximo.

A lo largo de este contenido profundizaremos en los aspectos más relevantes de cada una de ellas: banda del espectro en la que operan, agencia espacial, número de satélites en caso de ser una constelación…

Misiones operativas

Sentinel 1

Se trata de la misión SAR más relevante y con más impacto a día de hoy, está desarrollada por la Agencia Espacial Europea (ESA) como parte del programa de observación de la Tierra Copernicus.

Sentinel-1 usa banda-C y consta de dos satélites gemelos, Sentinel-1A y Sentinel-1B, que se lanzaron en abril de 2014 y 2016, respectivamente. Sentinel-1 se basa en las capacidades de ERS-1/2 para proporcionar datos para servicios de respuesta a emergencias, vigilancia de la superficie terrestre y aplicaciones científicas marinas y atmosféricas. En diciembre de 2021 Sentinel-1B dejó de suministrar datos debido a un fallo electrónico de la fuente de alimentación. Se espera el lanzamiento de un nuevo satélite (Sentinel-1C) en la primera mitad de 2023. Además, Sentinel-1D también está en fase de desarrollo, con pequeñas modificaciones respecto a sus predecesores.

CosmoSkyMed

Cosmo-SkyMed (también conocido como Constelación de pequeños satélites para la observación del mediterráneo) es una serie de cuatro misiones de satélites radar italianos desarrolladas por la Agencia Espacial Italiana (ASI) y Thales Alenia Space. El primer satélite, Cosmo-SkyMed 1, se lanzó en 2007, seguido de Cosmo-SkyMed 2 en 2010, Cosmo-SkyMed 3 en 2012 y Cosmo-SkyMed 4 en 2014. Cosmo-SkyMed utiliza radar SAR de banda X para adquirir imágenes de alta resolución de la superficie de la Tierra para una variedad de aplicaciones.

TerraSAR X

TerraSAR-X es un satélite alemán de imágenes radar desarrollado por el Centro Aeroespacial Alemán (DLR) y Astrium (ahora Airbus Defence and Space). TerraSAR-X utiliza un sensor SAR de banda X. Está operativo desde enero de 2008. El satélite hermano TanDEM-X se lanzó en 2010 y ambos siguen funcionando.

PAZ

PAZ (también conocido como Satélite de Observación de la Tierra de la Paz) es una misión de imágenes radar desarrollada por la empresa española Hisdesat y operada por el Ministerio de Defensa de España. Se lanzó en 2018 y sigue en operación. PAZ utiliza radar de apertura sintética de banda X (SAR) PAZ se opera en colaboración con la Agencia Espacial Europea (ESA) y otros socios.

ALOS PALSAR 2

ALOS PALSAR 2 es un satélite japonés de imágenes radar desarrollado por la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA). Se lanzó en 2014 y sigue en operación. ALOS PALSAR 2 utiliza radar de apertura sintética de banda L (SAR). La misión es una continuación de la misión original ALOS PALSAR, que se lanzó en 2006 y operó hasta 2011. ALOS PALSAR 2 mejora las capacidades de su predecesora ofreciendo una mejor calidad de imagen y una mayor cobertura.

Radarsat-2

Radarsat-2: Radarsat-2 es una misión de imágenes radar desarrollada por la Agencia Espacial Canadiense (CSA) y lanzada en 2007. Utiliza radar de apertura sintética de banda C (SAR) para adquirir imágenes de alta resolución de la superficie de la Tierra. Radarsat-2 mejora las capacidades de su predecesora, Radarsat-1, ofreciendo una mejor calidad de imagen y una mayor cobertura.

Misiones no operativas

ERS-1/2

ERS-1 (también conocido como Satélite de Observación Remota Europeo-1) y ERS-2 (Satélite de Observación Remota Europeo-2) fueron dos misiones de imágenes radar desarrolladas por la ESA y lanzadas en 1991 y 1995, respectivamente. ERS-1/2 utilizó radar de apertura sintética de banda C (SAR) para adquirir imágenes de alta resolución de la superficie de la Tierra. La misión fue un precursor de la misión Sentinel-1.

ENVISAT

ENVISAT (también conocido como Satélite Ambiental) fue una misión de satélite con múltiples instrumentos desarrollada por la ESA. Se lanzó en 2002 y estuvo operativo  hasta 2012. ENVISAT llevaba un instrumento de radar de apertura sintética (SAR) de banda C llamado ASAR (Radar de Apertura Sintética Avanzado). ASAR era un instrumento muy versátil que proporcionaba datos valiosos para la observación de la Tierra y la detección de cambios en la superficie terrestre. La misión Envisat, que incluía ASAR como uno de sus instrumentos, fue un hito importante en la observación de la Tierra desde el espacio y en la comprensión de los procesos que tienen lugar en nuestro planeta. ENVISAT fue el satélite de observación de la Tierra más grande y complejo jamás construido por la ESA.

Radarsat-1

Radarsat-1 fue una misión de imágenes radar desarrollada por la Agencia Espacial Canadiense (CSA) y lanzada en 1995. Utilizó radar de apertura sintética de banda C (SAR) para adquirir imágenes de alta resolución de la superficie de la Tierra para una amplia gama de aplicaciones. Radarsat-1 fue un precursor de la misión Radarsat-2.

Misiones futuras

NISAR

NISAR (NASA-ISRO Synthetic Aperture Radar) es una misión de imágenes radar conjunta desarrollada por la NASA y la Organización de Investigación Espacial India (ISRO). NISAR será el primer radar que utilizará dos frecuencias de radar diferentes (banda L y banda S) para adquirir imágenes de alta resolución de la superficie terrestre para diversas aplicaciones, como la cartografía de la cubierta terrestre, la cartografía topográfica y la vigilancia de peligros naturales y humanos. El lanzamiento de NISAR está previsto para enero de 2024.

Biomass

Biomass es una misión de imágenes radar desarrollada por la ESA. Utilizará radar de apertura sintética de banda P (SAR) para adquirir imágenes de alta resolución de la superficie de la Tierra para una variedad de aplicaciones, incluyendo la medición de la biomasa forestal y el monitoreo del uso del suelo. Al combinar múltiples imágenes SAR de Biomass mediante interferometría, será posible obtener mapas topográficos altamente precisos de áreas forestales.

ROSE-L

ROSE-L (Copernicus L-band Synthetic Aperture Radar) es una misión de imagen radar desarrollada por la ESA. Llevará un instrumento de radar de apertura sintética activo phased array. La antena del radar será la mayor antena plana jamás construida, con unas impresionantes dimensiones de 11 por 3,6 metros. ROSE-L se encuentra en fase de preparación y su lanzamiento está previsto para 2028.

Microsatellites

Por último, cabe mencionar la aparición del sector privado en la industria del SAR. Con la aparición de new-space, aparecieron varias aplicaciones comerciales. Seis empresas privadas están ya presentes en este sector, y otras más están por llegar. Entre ellas, cabe citar Capella, Synspective o predaSAR. El primer satélite SAR perteneciente a esta tendencia es ICEYE X1, un satélite SAR de 85 kilogramos lanzado en 2018. En julio de 2021, 13 microsatélites SAR estaban ya orbitando la Tierra.

Bandas SAR disponibles

En teledetección óptica, el Sol ilumina la superficie de la Tierra con un espectro de longitud de onda completa (del que los humanos podemos ver una región muy pequeña: la parte visible del espectro). El suelo retrodispersa una parte de la energía recibida.

El satélite capta la señal retrodispersada y registra la intensidad luminosa según el espectro sensible del sensor. A diferencia de la teledetección óptica, los sensores SAR generan su propia radiación, con una frecuencia y polarización determinadas, que luego es retrodispersada por el suelo y recibida por el sensor. Esta es la razón por la que los sensores radar pueden funcionar de día y de noche.

Los sensores SAR funcionan tanto de día como de noche gracias a que generan su propia radiación que es retrodispersada por el suelo y recibida por el sensor

Así, en teledetección radar tenemos una serie de bandas entre 1 y 40 GHz, cada frecuencia con propiedades específicas. En general, una señal reacciona fuertemente con objetos de geometrías de tamaño comparable a la longitud de onda utilizada, lo que determina la gama de aplicaciones (topografía, criosfera, biomasa, etc.).

BandaFrecuenciaLongitud de ondaCaracterísticasAplicaciones
Ka27–40 GHz1.1–0.8 cmPoco útil para SARVigilancia de aeropuertos
K18–27 GHz1.7–1.1 cmPoco útil para SARVigilancia de aeropuertos
Ku12–18 GHz2.4–1.7 cmPoco útil para SARVigilancia de aeropuertos
X8–12 GHz3.8–2.4 cmAlta resolución, baja penetración, no útil en zonas con vegetaciónVigilancia urbana y de infraestructuras, hielo y nieve, meteorología
C4–8 GHz7.5–3.8 cmResolución media, penetración media, mayor coherenciaDetección de cambios, hielo, vigilancia urbana y de infraestructuras, navegación marítima, glaciares
S2–4 GHz15–7.5 cmSAR experimental, alta penetraciónVigilancia agrícola, radar marino
L1–2 GHz30–15 cmSAR de resolución media, alta penetraciónVigilancia geofísica, cartografía de biomasa y vegetación, humedad del suelo
P0.3–1 GHz100–30 cmSAR experimental, susceptible a la ionosfera, Sin sensores todavíaBiomasa, cartografía de bosques tropicales, cartografía, humedad del suelo

Los sensores SAR por satélite utilizan diferentes bandas de frecuencia para recoger datos, cada una con sus propias características y aplicaciones.

Por ejemplo, en silvicultura, las longitudes de onda pequeñas (banda X) serán detenidas por la copa de los árboles, mientras que las longitudes de onda largas (bandas L a P) atraviesan la copa e interactúan con el suelo, los troncos o las ramas grandes.

A continuación se muestra con mayor nivel de detalle las diferentes bandas de frecuencia utilizadas en los sensores SAR por satélite.

Banda-C

La banda C se refiere a la frecuencia de la señal de radar en el rango de 4 a 8 GHz. Es una banda de frecuencia moderada y es utilizada en la mayoría de los sensores SAR satelitales, incluyendo Sentinel-1, Radarsat-2 y ALOS PALSAR. La banda C tiene una penetración moderada en la cobertura vegetal y es capaz de detectar objetos con un diámetro de hasta unos pocos metros. Es ampliamente utilizada para aplicaciones de cartografía, monitorización de la deforestación, detección de cambios en la superficie y estudios de cambio de uso del suelo.

Banda-X

La banda X se refiere a las frecuencias de la señal de radar en el rango de 8 a 12 GHz. Es una banda de frecuencia muy alta y se utiliza en sensores SAR satelitales como TerraSAR-X,  COSMO-SkyMed y PAZ. Estas bandas tienen una penetración muy baja en la cubierta vegetal, se utiliza para aplicaciones cartográficas, seguimiento de cambios en la superficie, estudios de cambios en el uso del suelo y para la detección de objetos pequeños como vehículos y personas.

Banda-L

La banda L se refiere a las frecuencias de la señal de radar en el rango de 23.6 a 24.0 GHz. Es una banda de frecuencia muy alta y se utiliza en sensores SAR satelitales como PAZ. Estas bandas tienen una muy baja penetración en la cobertura vegetal, es utilizada para aplicaciones de cartografía, monitorización de cambios en la superficie, estudios de cambio de uso del suelo, y para la detección de objetos pequeños como vehículos y personas.

La banda L hace referencia a la banda de frecuencia L, que generalmente se sitúa entre 1 y 2 GHz. Debido a la baja frecuencia utilizada, la señal tiene una mayor capacidad para penetrar la vegetación y el suelo, lo que permite detectar los objetos situados por debajo de estas capas. Los instrumentos SAR de banda L ofrecen polarimetría completa, alta resolución espacial, alta sensibilidad, bajos coeficientes de ambigüedad y capacidad de interferometría de paso repetido y paso único cruzado para medir la deformación de la superficie del terreno con vegetación, la humedad del suelo, la clasificación de la cubierta terrestre, la discriminación del tipo de cultivo y su análisis temporal. Además, vigilará las capas y casquetes polares y las condiciones del hielo marino (es decir, tipo, deriva, deformación, concentración, fracción de plomo), y contribuirá al conocimiento de la situación marítima europea.

Los datos de banda L proporcionan una cobertura considerablemente mayor, pero a expensas de la resolución espacial, por ejemplo, mientras que Sentinel-1 proporciona una resolución espacial de SR = 20 m x 5 m, ALOS sólo puede proporcionar 50 m x 50 m en el mejor de los casos.

Banda-P

La banda P se refiere a la frecuencia de la señal de radar en el rango de L banda, 1.2-1.4 GHz. Es una banda de frecuencia baja y suele ser utilizada en misiones con una mayor capacidad de penetración en la cobertura vegetal y suelo, es capaz de detectar objetos con un diámetro de hasta varios metros. Es utilizada para aplicaciones de cartografía, monitorización de la deforestación, detección de cambios en la superficie y estudios de cambio de uso del suelo, así como para prospecciones geológicas, aplicaciones de agricultura y en estudios geológicos.

En cuanto a la interferometría, puede utilizarse con cualquier banda SAR. La interferometría SAR (InSAR) es una técnica que utiliza dos o más imágenes SAR para generar una imagen interferométrica, que muestra la diferencia de fase en la señal SAR entre las dos imágenes. El uso de esta característica de diferentes bandas permite discernir la información según lo requiera la aplicación.


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