Artefactos en forma de estrella en imágenes SAR del "atasco de tráfico del Canal de Suez visto desde el espacio"

La obstrucción del Canal de Suez de 2021 de Wikipedia se vincula a la imagen del radar de apertura sintética (SAR) Sentinel-1 del

Atasco de tráfico en el Golfo de Suez causado por la obstrucción vista por el satélite Sentinel-1

SAR es una tecnología y un modelo comercial de observación de la Tierra que se está expandiendo rápidamente, en parte porque puede ver a través de las nubes y es independiente del día y la noche. Siempre que haya suficiente energía solar + batería, potencia informática local (nave espacial) y ancho de banda en el suelo, es altamente competitivo con la observación óptica de la Tierra para logística (¿Dónde está todo el material?) y topografía (¿Ha subido o bajado el suelo un ¿un poco?). Vea todas las respuestas a ¿Cómo puede ICEYE-X1 capturar imágenes SAR 2D de alta resolución en "decenas de segundos"? para obtener más información, y ¿Cómo (diablos) se implementó el radar de apertura sintética coherente (SAR) usando emulsión fotográfica a bordo del Apolo 17? y ¿ Cómo evitan los radioastrónomos que sus receptores se quemen con los radares terrestres de los satélites? por diversión.

Hay varios puntos brillantes en las imágenes; esto probablemente se deba a ciertas configuraciones de superficies metálicas en los barcos que producen reflejos especulares (destellos en un espejo) o un efecto similar al de un reflector de esquina (lo opuesto al diseño de forma de avión sigiloso).

Pregunta: Pero, ¿por qué los artefactos en forma de estrella en ciertos reflejos muy brillantes tienen forma de estrella ? Vemos artefactos como este en los telescopios ópticos (como el telescopio espacial (óptico) Hubble) con cuatro paletas que sostienen el espejo secundario (para más información, vea más abajo), pero no hay espejos secundarios o paletas en SAR. ¿Qué causa exactamente este efecto?

detalle recortado de multimedia de la ESA a través de Wikimedia: Atasco de tráfico en el Canal de Suez visto desde el espacio

Multimedia de la ESA a través de Wikimedia: Suez_Canal_traffic_jam_seen_from_space

Fuente y fuente original de la ESA

[...] Los dos satélites Copernicus Sentinel-1 idénticos llevan instrumentos de radar para proporcionar un suministro de imágenes de la superficie de la Tierra para todo clima, día y noche, lo que lo hace ideal para monitorear el tráfico de barcos.

La superficie del mar refleja la señal del radar lejos del satélite y hace que el agua aparezca oscura en la imagen. Esto contrasta con los objetos metálicos, en este caso los barcos en la bahía, que aparecen como puntos brillantes en las aguas oscuras.

De ¿ Qué produce todas las pequeñas estrías radiales en esta imagen muy sobreexpuesta de una estrella del WFC2 de Hubble? (los cuatro grandes son de las paletas) en Astronomy SE

Nueva toma de Próxima Centauri, nuestra vecina más cercana ingrese la descripción de la imagen aquí

izquierda: "Nueva toma de Próxima Centauri, nuestro vecino más cercano" Fuente derecha: de ¿Este telescopio solo tiene una apertura de 4 palas? en Photography SE, originalmente de 20 años de modelado óptico del Telescopio Espacial Hubble usando Tiny Tim (pago, también disponible aquí y vea esta página ) Tenga en cuenta que las líneas en la imagen que van en una dirección son producidas por las paletas que van en la otra dirección en el telescopio .

Resplandor en una superficie metálica. Probablemente.
@ A.Rumlin Lo he discutido en el cuerpo de la pregunta. Estoy buscando respuestas que expliquen por qué estos artefactos SAR son "como estrellas". He editado para que quede más claro, ¡ gracias!
SAR usa la transformada de Fourier, y el artefacto de la imagen se parece a lo que se obtiene cuando se coloca un valor incorrecto en una transformada de Fourier 2-D. Sin embargo, no sé qué está causando el error en primer lugar.
@DrSheldon sí, creo que puede estar relacionado con FT, pero no estoy seguro de si es necesario que se haya hecho algo mal.
Si de hecho está relacionado con el FT, es posible que la gente de dsp.stackexchange.com pueda ayudar. Esta es una pregunta realmente intrigante.
No voy a escribir una respuesta completa... Sentinel-1 viajó de norte a sur en esta imagen, a lo largo del brazo vertical de la estrella. Por lo tanto, un brazo está en la dirección azimutal y el otro está en la dirección del alcance de la medición SAR. El contraste entre el mar y los barcos es enorme y provoca este efecto de deslumbramiento. En otras palabras, una parte de la señal devuelta llega aunque el radar apunte un poco fuera del barco. Se podría ajustar la generación de imágenes de forma que se suprima esto, pero se perderían detalles en las áreas "normales" con menos contraste.
@asdfex lo entendió, con una inclinación de ~ 98 °, las líneas +/- 8 ° provienen de un truncamiento en la dirección de "apertura sintética" (movimiento de la nave espacial) y esos +/- 8 ° desde la horizontal son de truncamiento en la dirección de retraso/rango, y si hubieran usado una función de ventana diferente , podrían haberlos suprimido aún más, a expensas de alguna resolución al disminuir la reducción de la información muestreada. Utilizo un Hamming simple para mis cosas de FT (no radar) y siempre me pregunté si la descomposición periódica más suave ofrecía una alternativa útil.
¿Qué proporción de matemáticas a prosa estás buscando?
@Craeft π , e o 42

Respuestas (1)

Las técnicas discretas de Fourier introducen errores en sus términos que rastrean con la función sinc . Cualquier objetivo en la imagen producirá lóbulos laterales como los del siguiente gráfico.

Los reflejos fuertes crearán lóbulos laterales que tienen una amplitud mayor que el fondo de la imagen. Esta es la razón por la que el objetivo parece tener una extensión espacial mayor de lo que realmente tiene. La razón por la que parece una estrella es que los lóbulos laterales se extienden en la dirección de la cuadrícula utilizada para procesar la imagen, como en la siguiente imagen de este artículo .

Esta disertación analiza cómo eliminar estos artefactos.

Procesamiento de radar de apertura sintética Stripmap basado en modelos

Del resumen:

La PSF [Point Spread Function] de un sistema SAR se puede definir de diferentes maneras. Por ejemplo, se puede definir en términos del sistema SAR que incluye el algoritmo de procesamiento de imágenes. Al usar esta definición, el PSF es una función similar a la sincronización específica del algoritmo y produce artefactos brillantes similares a estrellas que se notan alrededor de reflectores fuertes en la imagen enfocada.

¡Gracias por su respuesta! "Las técnicas discretas de Fourier introducen errores en sus términos que rastrean con la función sinc ". Como se muestra en esta respuesta, una forma rectangular o de "sombrero de copa" y sincronizar son transformadas matemáticas de Fourier entre sí. No es necesario hablar de DFT para obtener sincronizar , todo lo que necesita son límites finitos, que los datos del mundo real siempre tenderán a tener.
Creo que la oración que citó probablemente debería ser la primera oración de la respuesta, y todo lo anterior debería eliminarse. Cuando comencé a escribir la respuesta, iba a mostrar las similitudes entre el tamaño de la apertura en los sistemas ópticos y de RF, pero terminé enfocándome en la DFT, que es la principal fuente de error aquí. ¿Pensamientos?
Creo que no hay ningún "error" en absoluto, sino que es solo un resultado natural de cualquier muestreo finito que es lo que hacemos en el mundo real. Todos los sistemas que hacen imágenes tienen algún tipo de apertura; Los telescopios tienen aberturas circulares y obstrucciones centrales y las funciones de dispersión de puntos son similares a un disco de Airy (por ejemplo, this ) y las aberturas de Fourier (en este caso, el tiempo en la dirección transversal y el número de muestras en la dirección longitudinal de la nave espacial) hacen 4 picos como un iris de 12 segmentos en una lente de cámara hace 12 picos.
Creo que tu respuesta está perfectamente bien, ¡no hay problema en absoluto! Tal vez simplemente no diga que es la "D" de "discreto" en DFT lo que crea "errores" y, en cambio, simplemente diga que la apodización en el espacio de Fourier conduce a picos funky en el espacio real, y no importa si la transformada de Fourier es discreta como en SAR, o continuo como en el análisis óptico de Fourier de una cámara o telescopio. La discreción del FT aquí no es de ninguna manera responsable; si coloca una apertura cuadrada frente a un telescopio óptico, tendría exactamente la misma función de dispersión de punto en forma de sinc. La mayoría de los telescopios son redondos, por lo que vemos discos de Airy
Los artefactos en forma de estrella en los sistemas ópticos y de RF son causados ​​por diferentes procesos. Me disculpo por dar la impresión de que están relacionados.
ambos son causados ​​por apodización en el espacio de Fourier. En la imagen SAR los picos horizontales son causados ​​por apodización en el tiempo, los verticales por el espacio. (ver el comentario de asdfex arriba) Los picos en una apertura cuadrada o hexagonal u otra forma de polígono en un telescopio o cámara son todas apodizaciones espaciales. Los detalles difieren, pero desde el punto de vista matemático, todo es lo mismo; pares de aristas en un dominio causan artefactos similares a sinc en el otro.
Artefactos en forma de estrella en imágenes SAR del "atasco de tráfico del Canal de Suez visto desde el espacio"
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