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