puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen · puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen sar-tutkalla...
TRANSCRIPT
Puuston vaikutuskohteenhavaitsemiseenSAR-tutkalla
MATINE-seminaari17.11.2020
11.11.2020
Juha Lemmetyinen1, Jorge Jorge Ruiz1, Anna Kontu1, Riku Tarvainen1, Juval Cohen1, Jouko Haapamaa2
1 Ilmatieteen laitos2 Puolustusvoimien tutkimuslaitos
Tausta
2
• Metsän hyödyntäminen on perinteinen tapa suojata kohteita tiedustelulta (havaitseminen –tunnistaminen)
• Metsä suojaa paitsi optiselta, myös radioaalloilla tapahtuvalta tiedustelulta (tutkat)
• Tutkimuksessa selvitetään metsän olosuhteiden vaikutusta tutkasignaalin läpäisevyyteen
Kuva: US Army 2015
SAR-tutkat
3
• Synteettisen apertuurin tutka mahdolistaa tutka”kuvan” muodostamisen kohdealueesta signaalinkäsittelyn avulla
• Käytössä olevat satelliitti- ja lentokäyttöiset tutkat mittaavat yleensä L-X alueilla (1-10 GHz)
• Resoluutio siviilikäytössä < 1 - 10 m
• Kuvan muodostaminen mahdollista valaistus- ja sääolosuhteista riippumatta
TerraSAR-X –kuva Sodankylän eteläpuolelta 30.1.2012, resoluutio 4 m
Tutkimuksen tavoitteet
4
• Mitata, analysoida ja mallintaa puuston vaikutus synteettisen apertuurin tutkan vasteeseen eri vuodenaikoina, havaittaessa lehvästön alla olevia kohteita
• Kehittää kokonaismalli ympäristö- ja säätekijöiden (lämpötila, kosteus, lumipeite, jäätyminen) vaikutuksesta lehvästön ominaisuuksien ja tutkan vasteen vuorovaikutukseen
Tutkimuskysymykset
5
• Kuinka sää-, maaperä- ja lumiolosuhteet sekä puuston biologiset muutokset vaikuttavat havumetsän sähköisiin ominaisuuksiin eri vuodenaikoina?
• Mikä on näiden vaikutus mikroaaltojen läpäisykykyyn ja sitä kautta SAR tutkan vasteeseen (amplitudi eli signaalin voimakkuus sekä vaiheominaisuudet) 1-10 GHz:n taajuusalueella?
• Kuinka nämä muutokset vaikuttavat kykyyn havaita erilaisia kohteita lehvästön läpi SAR-tutkalla, ottaen huomioon myös vaihtelevan biomassan ja puuston tiheyden?
Aikataulu
6
• 2-vuotinen tutkimus• Kokeellinen mittausjärjestely rakennettu ja testattu talvella 2019-2020• Varsinainen mittauskampanja meneillään• Tavoitteena vuoden katkeamaton mittausaikasarja
Vuosi
Kalenterikuukausi Jou Tam Hel Maa Huh Tou Kes Hei Elo Syy Lok Mar Jou Tam Hel Maa Huh Tou Kes Hei Elo Syy Lok Mar Jou
Työpaketit
TP1: Kokeelliset mittausjärjestelyt
TP2: Mittauskampanja
TP3: Analyysi
TP4: Tutkimuksen synteesi
2020 2021
Koejärjestely
e
SodSAR (Sodankylä Synthetic Aperture Radar)
8
• Taajuuspyyhkäisevä kantoaaltotutka; rakennettukaupallisen vektoripiirianalysaattorin (Agilent FieldFox) ympärille
• Taajuusalue 1-10 GHz (päivitys 2021: 1-18 GHz)• Täyspolarimetrinen: VV, VH, HV, HH• Suunnittelu ja toteutus:
• Harp Technologies Oy (tutka)
• Aerial Oy (suuntauslaitteisto)
• Ilmatieteen laitos (SAR-kuvaus)
• SAR –kuvaus toteutettu 5 m synteettiselläapertuurilla
• Kuvausaika 0.5-4 tuntia (taajuusalue, etäisyysresoluutio)
9
10
11
tutka
Kulmaheijastin (avoalue)
Kulmaheijastin(metsä)
12
tutka
Kulmaheijastin (avoalue)
Kulmaheijastin(metsä)
9-10 GHz VV-polarisaatio
Puuston korkeus ja biomassa
13
• Koealueen puustosta kartoitus kesällä 2019 ja 2020: Puiden sijainti, korkeus, rungon ympärysmitta, latvuston korkeus (näytemäärä ~ 1000)
• LAI (näytemäärä ~ 100)• Laserkeilaus kesällä 2021
Aikasarja talvelta 2019-2020
14
• Kokeellinen aikasarja kerätty talvelta 2019-2020
• Tutka-instrumentin toiminnallinen testaus
• Koejärjestelyn ja tutkimusajatuksen toimivuuden testaus
Puuston permittiivisyys
Puuston lämpötila
CR-vasteen erotus
Band Average Backscatter (dB)Standard
Deviation (dB)
L 21.99 0.10
S 18.85 0.05
C 15.34 0.06
X 10.13 0.17
BandAverage Range Distance
(m)
Standard
Deviation (m)
L 29.75 0.02
S 29.65 0.01
C 29.61 0.01
X 29.63 0.02
Keskimääräinen amplitudivaste (kulmaheijastin)
Mitattu etäisyys (kulmaheijastin)
Muutokset puuston läpäisevyydessä
15
Kahden kulmaheijastimen takaisinsironnan erotus puuston lämpötilan suhteen: • CR1 (avoalue) • CR2 (metsä)
Laskettu puuston läpäisevyys:• Tasainen vaste kesäkaudella• Monotoninen kasvu talvikaudella
(puuston asteittainen jäätyminen)• Voimakas taajuusalueriippuvuus
• X-alueella (9-10 GHz) mahdollisia epätarkkuuksia koejärjestelyssä
16
Mitattu puiden permittiivisyys lämpötilan funktiona
Läpäisevyyden mallintaminen
Mallinnettu läpäisevyys (L-alue)
Yksinkertaistettu sirontamalli:
𝜎0() = 𝑡𝑣𝑒𝑔2 () ∙ 𝜎0,𝐶𝑅 + 𝜎0,𝑣𝑒𝑔()
𝑡𝑣𝑒𝑔()
𝜎0,𝐶𝑅
𝜎0,𝑣𝑒𝑔()
• Läpäisevyys laskettu permittiivisyden muutoksista lämpötilan funktiona
• Moninkertaista sirontaa ei huomioitu• Sovitettu malli toisintaa havainnot
kohtuullisella tarkkuudella
𝜎0,𝑣𝑒𝑔 = puuston
heijastuskerroin
𝑡𝑣𝑒𝑔() = puuston
transmissiivisyys
𝜎0,𝐶𝑅 = kohteen
heijastuskerroin
𝜎0 = havaittu kokonaisheijastus
(𝑇) = kompleksinen permittiivisyys
Yhteenveto
• Tutkimuksessa tavoitteena mitata puuston vaikutus tutkavasteeseen eri vuodenaikoina havaittaessa lehvästön alla olevia kohteita
• Kehittää kokonaismalli ympäristö- ja säätekijöiden (lämpötila, kosteus, lumipeite, jäätyminen) vaikutuksesta lehvästön ominaisuuksien ja tutkan vasteen vuorovaikutukseen
• Testimittaukset suoritettu talvella 2019-2020 • Todennettu tutkalaitteiston toimivuus• Mittauksissa havaittu läpäisevyyden monotoninen kasvu puuston jäätyessä
asteittain (n. 25 %, 0 -> -30C)
• Koejärjestelyä parannettu kesällä/syksyllä 2020• Talven 2020-2021 mittauskampanja meneillään