Uzaktan Algılama Dersi 4. Ünite Özet

MİKRO DALGA UZAKTAN ALGILAMA SİSTEMLERİ

Mikrodalga uzaktan algılama sistemleri adından da anlaşılacağı gibi elektromanyetik spektrumun görünür dalga boyundaki dalgalar yerine mikrodalga frekans bandı nda yer alan dalgalar ile çalışan sistemlerdir. Mikrodalga uzaktan algılama sistemleri çalışma prensiplerine göre aktif ve pasif mikrodalga algılama sistemleri olarak 2 ana gruba ayrılmaktadır. Kuantum teorisi ile açıklandığı gibi enerji, frekansla do.ru ve dalga boyu ile ters orantılı olduğundan artan dalga boyuyla enerjide bir azalma gözlenmektedir. Radar görüntüleme sistemlerinde kullanılan mikrodalga enerji, sistem tarafından gönderildiğinden Güneş ışığına gerek duyulmadan algılama yapılır.

Tarihçe: İkinci Dünya Savaşı süresince radar teknolojisinde kaydedilen gelişmeler, gu¨nu¨mu¨zde mikrodalga uydu gözleme sistemlerinde gözlenen teknolojik ilerlemelerin ana kaynağıdır. Bilinen ilk radar gözlem uydusu, Aralık 1964 yılında uzaya fırlatılan Amerikan QUILL askeri uydusudur.

Radar Algılama Sistemleri

Gu¨nu¨mu¨zde uzaktan algılama amacıyla kullanılan dört temel mikrodalga algılama sistemi bulunmaktadır. Bunlar altimetre, radyometre, saçılım ölçer ve yapay açıklıklı radar sistemleridir

Altimetre: Mikrodalga altimetre sistemleri, uzaktan algılama platformu ile yer yüzeyi arasındaki uzaklığı ölçmek amacıyla kullanılırlar. Dünya etrafında dönen uyduların yörüngeleri zıt yönlü yerçekimi ve merkezkaç kuvveti ile dengelenir. Ancak, yer yüzeyindeki yükselti farklılıkları yerçekiminin her konumda aynı olmamasına yol açmaktadır.

Radyometre: Mikrodalga radyometre sistemleri pasif görüntüleme radarları olup 1-1000 GHz bandı arasında çalışırlar. Mikrodalga ışıma değeri, dalga boyuna, cismin sıcaklığına ve yayım parametresine bağlıdır:

E _m = mikrodalga ışıma,

= Boltzmann sabiti (1.380x10 ^-23 ),

= dalga boyu,

= yayım,

T = mutlak sıcaklıktır.

Mikrodalga radyometre sistemleri belirli dalga boyu aralığındaki ışıma değerlerini kaydeden görüntüleme cihazlarıdır. Radyometrik sistemlere örnek olarak Tropik Yağış Ölçüm uydusu (Tropical Rainfall Measurement Mission, TRMM) üzerinde yer alan TRMM Mikrodalga Radarı (TRMM Microwave Imager, TMI) verilebilir. TMI 10.7, 19.4, 21.3, 37 ve 85.5 GHz frekanslarında Ölçüm yapabilmektedir.

Saçılım ölçer: Saçılım ölçer aktif bir mikrodalga algılama sistemidir ve yeryu¨zu¨nu¨n birim alandaki mikrodalga

saçılım katsayısını ölçer. Mikrodalga saçılım değerleri kullanılarak deniz yüzeyi üzerindeki rüzgâr yönü ve hızı hakkında bilgi edinilebilir. Rüzgârın hızı arttıkça yüzey dalgalılığı artar ve bununla doğru orantılı olarak da saçılım değeri artar. Saçılım ölçer sistemler bitki örtüsü, toprak nemliliği ya da buzulların izlenmesine yönelik olarak da kullanılmasına rağmen tasarım amacı deniz yüzeyi üzerindeki rüzgâr tahminidir.

Yapay açıklıklı radar: En yaygın olarak kullanılan ve genelde SAR olarak bilinen Yapay Açıklıklı Radar sistemleri geliştirilmeden önce antenin gerçek açıklığı kullanılarak görüntüleme yapan Gerçek Açıklıklı (Real Aperture) veya Yan Bakışlı Radar (Side-Looking Radar) sistemleri olarak bilinen radar görüntüleme sistemleri kullanılmaktaydı. Ancak bu sistemde uçuş yönündeki mekânsal çözu¨nu¨rlu¨k anten açıklığı ile ters orantılı olduğundan diğer bir ifade ile yüksek mekânsal çözu¨nu¨rlu¨klü görüntü alınamadığından yapay olarak radar anten açıklığının bir takım sayısal işlemler ile arttırılması sağlanmıştır. SAR sistemleri gelen mikrodalga işaretinin hem faz hem de genlik bilgisini ölçmektedirler. Yapay açıklıklı radarlar ile elde edilen faz bilgisi radar ile hedef arasındaki uzaklık ile ilişkilidir. Bu bilgiden yola çıkarak topografik ölçümlerin yanı sıra yanardağ, deprem veya maden arama çalışmaları nedeniyle yer yüzeyinde oluşan çökme ve kabarmalar görüntülenebilmektedir.

Sistem parametreleri: Radar sistemleri kullandıkları elektromanyetik dalganın darbeli ya da sürekli olmasına göre ikiye ayrılırlar. Darbeli radarlar, genellikle tek bir anten üzerinden belirli aralıklarla gönderilen kısa mikrodalga işaretin hedeften yansıdıktan sonra aynı antene geri gelmesi ile çalışırlar. sistem, belirli bir frekansta tekrarlı dalga (darbe) gönderen verici , geri yansıtılan sinyali alan, filtreleyen ve güçlendiren alıcı , hem verici hem de alıcı tarafından kullanılan anten ve geri dönen sinyali kayıt eden kaydediciden oluşur. Sistemin algıladığı mikrodalga radar işareti kompleks bir yapıya sahiptir. Evre uyumlu sistemler ile radara göre bağıl hızla hareket eden cisimlerden radara gelen ardışık faz işaretindeki frekans değişikliği gözlenebilir. Bu olaya Doppler etkisi denilir. Doppler etkisi nedeniyle hareketli bir hedeften yansıyan işaretin frekansı hedef ve alıcının hızına bağlı olarak aşağıdaki eşitlikte belirtildiği şekilde değişmektedir.

c = ışık hızı,

v _radar =radarın gözlemciye göre hızı,

v _hedef =hedefin gözlemciye göre hızı

f ₀ =gönderilen mikrodalga işaretin frekansı

f _doppler =Doppler etkisinin yol açtığı frekans kaymasıdır.

Diğer optik sistemlerden farklı olarak yeryu¨zu¨nu¨ eğik olarak algılayan mikrodalga uzaktan algılama sistemleri kullanıldıkları amaçlara göre değiştirilebilen birçok temel parametreye sahiptir. Radar dalga boyunun ayırt edilmesi istenen yüzey cisimlerinin boyutuna yakın olması gerekir. Diğer bir deyişle farklı uygulamalarda kullanılacak radar uydu verisi seçiminde ilgilenilen cisme yakınsayacak dalga boyunun dikkate alınması gerekir. Örneğin,

• Kısa dalga boyları (Ka = 0.5 - 1 cm), çok küçük cisimler; örn. yağmur damlalarının algılanması
• Orta dalga boyları (X / C = 2 - 6 cm), küçük cisimler; örn. bitki örtüsü¨ yapraklarının algılanması
• Uzun dalga boyları (L = 10 - 30 cm), büyük cisimler, örn. jeolojik yüzeylerin/ağaç gövde ve dallarının algılanması

Darbe radarlarında darbe tekrar sıklığını belirleyen faktörlerden biri olan menzil, radar anteni ile hedef yansıtıcı merkezi arasındaki eğik uzaklıktır ve aşağıdaki eşitlik ile hesaplanır:

Eğik uzaklık = c . T / 2

burada;

c = ışık hızı,

T= radar dalgasının hedefe gidip gelme süresidir.

Menzil yönündeki çözu¨nu¨rlu¨k elemanı, gönderilen darbenin uzunluğuna bağlıdır ve aşağıda verilen eşitlik

R _menzil = PL / 2

ile hesaplanır, burada PL (pulse length), darbe uzunluğudur. Azimut yönündeki çözu¨nu¨rlu¨k elemanı Razimut, eğik uzaklığa ( ) ve demet genişliğine  ( ) bağlı olarak aşağıdaki eşitlik ile elde edilir.

ve ( ’nın ku¨çu¨k bir açı olması nedeniyle alınır.) ile eşitlik tekrar düzenlenerek;

= bakış açısı

D= radar anten uzunluğu

= e.ik uzaklık,

= dalga boyu

H= platform yüksekliğidir

Anten, tıpkı merceğin ışığı odaklaması gibi, mikrodalga ışımasının demet genişliğini (saçılma alanını) belirlediği için önemli bir sistem elemanıdır. Antenin fiziksel özelliği olan gerçek demet açıklığı ile aynı çözu¨nu¨rlu¨kte çalışan radar sistemlerine gerçek açıklıklı radar sistemleri denir. Anten boyu uçak ya da uydunun taşıma kapasitesiyle, dalga boyu da verici teknolojisi ve atmosfer yutulma bantları ile sınırlıdır. Bu nedenle yapay açıklıklı radar sistemleri geliştirilmiştir. Teorik olarak yapay açıklık, gerçek açıklıklı radarların azimut çözu¨nu¨rlu¨ğu¨nu¨n iki katıdır. Bu değer anten uzunluğu değeri olarak bir önceki eşitlikte yerleştirildiğinde yapay açıklıklı radarların azimut yönündeki çözu¨nu¨rlu¨ğu¨ elde edilir:

R _{azimut(YAPAY)} =D/2

Yapay açıklıklı radarlar ile küçük bir antenle uçuş yönünde yüksek mekânsal çözu¨nu¨rlu¨k elde etmek mümkün olsa da, uzaklık ayırma kabiliyeti (menzil çözu¨nu¨rlu¨ğu¨) gerçek açıklıklı radarlar ile aynıdır. Yapay açıklıklı radarlar yer yüzeyine belirli bir açı ile bakmak zorundadırlar. Radar görüntüleme sistemlerinin diğer önemli bir sistem parametresi de gönderilen ve alınan işaretin polarizasyonudur. Polarizasyon, elektromanyetik dalganın elektrik alan vektör yönünü (veya gönderiliş biçimi) gösterir ve elektromanyetik dalgayı oluşturan elektrik alan yönünün yeryüzüne göre konumuna bakılarak belirlenir. Gu¨nu¨mu¨zde kullanılan uydu SAR sistemlerinde düşey / yatay doğrusal polarizasyon kullanılmaktadır. Elektromanyetik dalganın polarizasyonu ile hedefin fiziksel şekli, alıcıya dönen işareti belirleyen önemli faktörlerden biridir.

Hedef parametreleri: Radar görüntülerinde radar sistemleri kadar görüntülenen alanın fiziksel özellikleri de önemlidir. Önemli hedef parametrelerinden birisi cisimlerden dönen geri yansıtım (backscattering) değeridir. Alıcıda elde edilen gu¨. radar menzil çözu¨nu¨rlu¨ğu¨ içerisinde yer alan tüm alanların toplam değeridir. Yansıtma yüzey alanları radar menzil çözu¨nu¨rlu¨ğu¨nden küçük olan cisimlere nokta hedefler denir. Doğada bazı noktasal hedefler olmakla birlikte daha çok hacimsel saçıcılar mevcuttur. Mikrodalga ışınlar bulutlara nüfuz edebildiği gibi dalga boyundan küçük cisimlerin belirli oranda altını görebilmesine penetrasyon, hedef yüzeyi ile en alt yansıtıcı yüzey arasındaki uzaklığa da penetrasyon derinliği denir. Radar görüntüleri yeryüzündeki cisimlerden radara geri yansıyan mikrodalga enerjinin alıcı tarafından algılanması ile oluşur. Yüzey pu¨ru¨zlu¨lu¨ğu¨ de radar yansıtımını arttıran bir özelliktir. Yüzey pu¨ru¨zlu¨lu¨ğu¨ arttıkça difüz yansıtım özelliğine bağlı olarak radar alıcısına geri dönen enerji yüksek olacaktır.

Görüntü Özellikleri

Radar görüntüleri optik görüntülerden farklı olarak kendilerine .özgü¨ bazı özelliklere sahiptir. Bu özelliklerin en belirgin olanı benek (speckle) gu¨ru¨ltu¨su¨du¨r. SAR görüntülerinin optik görüntülerden diğer farklı bir özelliği SAR işlemcisinde yer alan görüntü¨ oluşturma teknikleri sonucu, radar görüntülerindeki radyometrik çözu¨nu¨rlu¨ğu¨n (parlaklık değerlerinin dinamik aralığı) optik görüntülere kıyasla çok daha yüksek olmasıdır. Benek etkisi radar dalga boyuna göre çok büyük olan radar çözu¨nu¨rlu¨k hücresinde yer alan cisimlerin rastgele yansıma değerlerinin evre uyumlu radar ile alınması sonucu oluşmaktadır. SAR görüntülerinde optik görüntülerden farklı olarak bazı geometrik bozulmalar meydana gelmektedir.

Uygulama Alanları

Mikrodalga sistemleri ve alınan veriler kara, deniz ve atmosfer olaylarının incelenmesine yönelik birçok farklı uygulamada etkin olarak kullanılmaktadır.

Meteoroloji: Radar sistemleri meteorolojide özellikle kısa süreli hava durumu tahminlerinin yapılmasında ve şiddetli hava olaylarına karşı önlemlerin alınmasında yaygın olarak kullanılmaktadır. Meteorolojik amaçlı hava gözlem radarlarında ölçme, radardan gönderilen mikrodalga enerjinin havada asılı bulunan su zerreciklerine çarpıp radara geri dönmesi ile yapılmaktadır.

İklim değişikliği: Nedeni ister doğal ister insan kaynaklı olsun iklim değişikliğinin yol açtığı değişikliklerin izlenmesi önem taşımaktadır. Uydular üzerinde bulunan radar altimetre sistemleri, radarın yeryüzünden yüksekliğini ölçebildiği gibi, uydunun uzaydaki konumu bilindiği için deniz yüksekliklerindeki değişimlerinin de ölçebilmektedir. İklim, yeryu¨zu¨nu¨n herhangi bir yerinde hava koşullarının uzun yılların ortalaması alınarak belirlenir. Bu nedenle iklim değişikliklerinin incelenmesi için de uzun yıllar boyunca bilgilerin toplanması gerekir. Deprem araştırmaları: Depremler fay hatları üzerinde tektonik hareketler nedeni ile biriken stresin aniden salıverilmesi ile oluşmaktadır. Deprem sırasında açığa çıkan güç yeryüzünde geniş alanları etkiler ve hatta bazen başka depremleri de tetikleyebilir. Daha önce belirtildiği gibi faz her bir dalga boyu içerisinde sıfır ila 360 derece arasında değişir.