puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen · puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen sar-tutkalla...
TRANSCRIPT
![Page 1: Puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen · Puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen SAR-tutkalla MATINE-seminaari 17.11.2020 11.11.2020 Juha Lemmetyinen 1, Jorge Jorge Ruiz , Anna](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060819/609897fd9039fb29e741f3d2/html5/thumbnails/1.jpg)
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
![Page 2: Puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen · Puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen SAR-tutkalla MATINE-seminaari 17.11.2020 11.11.2020 Juha Lemmetyinen 1, Jorge Jorge Ruiz , Anna](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060819/609897fd9039fb29e741f3d2/html5/thumbnails/2.jpg)
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
![Page 3: Puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen · Puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen SAR-tutkalla MATINE-seminaari 17.11.2020 11.11.2020 Juha Lemmetyinen 1, Jorge Jorge Ruiz , Anna](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060819/609897fd9039fb29e741f3d2/html5/thumbnails/3.jpg)
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
![Page 4: Puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen · Puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen SAR-tutkalla MATINE-seminaari 17.11.2020 11.11.2020 Juha Lemmetyinen 1, Jorge Jorge Ruiz , Anna](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060819/609897fd9039fb29e741f3d2/html5/thumbnails/4.jpg)
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
![Page 5: Puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen · Puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen SAR-tutkalla MATINE-seminaari 17.11.2020 11.11.2020 Juha Lemmetyinen 1, Jorge Jorge Ruiz , Anna](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060819/609897fd9039fb29e741f3d2/html5/thumbnails/5.jpg)
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?
![Page 6: Puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen · Puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen SAR-tutkalla MATINE-seminaari 17.11.2020 11.11.2020 Juha Lemmetyinen 1, Jorge Jorge Ruiz , Anna](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060819/609897fd9039fb29e741f3d2/html5/thumbnails/6.jpg)
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
![Page 7: Puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen · Puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen SAR-tutkalla MATINE-seminaari 17.11.2020 11.11.2020 Juha Lemmetyinen 1, Jorge Jorge Ruiz , Anna](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060819/609897fd9039fb29e741f3d2/html5/thumbnails/7.jpg)
Koejärjestely
e
![Page 8: Puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen · Puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen SAR-tutkalla MATINE-seminaari 17.11.2020 11.11.2020 Juha Lemmetyinen 1, Jorge Jorge Ruiz , Anna](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060819/609897fd9039fb29e741f3d2/html5/thumbnails/8.jpg)
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)
![Page 9: Puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen · Puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen SAR-tutkalla MATINE-seminaari 17.11.2020 11.11.2020 Juha Lemmetyinen 1, Jorge Jorge Ruiz , Anna](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060819/609897fd9039fb29e741f3d2/html5/thumbnails/9.jpg)
9
![Page 10: Puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen · Puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen SAR-tutkalla MATINE-seminaari 17.11.2020 11.11.2020 Juha Lemmetyinen 1, Jorge Jorge Ruiz , Anna](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060819/609897fd9039fb29e741f3d2/html5/thumbnails/10.jpg)
10
![Page 11: Puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen · Puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen SAR-tutkalla MATINE-seminaari 17.11.2020 11.11.2020 Juha Lemmetyinen 1, Jorge Jorge Ruiz , Anna](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060819/609897fd9039fb29e741f3d2/html5/thumbnails/11.jpg)
11
tutka
Kulmaheijastin (avoalue)
Kulmaheijastin(metsä)
![Page 12: Puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen · Puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen SAR-tutkalla MATINE-seminaari 17.11.2020 11.11.2020 Juha Lemmetyinen 1, Jorge Jorge Ruiz , Anna](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060819/609897fd9039fb29e741f3d2/html5/thumbnails/12.jpg)
12
tutka
Kulmaheijastin (avoalue)
Kulmaheijastin(metsä)
9-10 GHz VV-polarisaatio
![Page 13: Puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen · Puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen SAR-tutkalla MATINE-seminaari 17.11.2020 11.11.2020 Juha Lemmetyinen 1, Jorge Jorge Ruiz , Anna](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060819/609897fd9039fb29e741f3d2/html5/thumbnails/13.jpg)
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
![Page 14: Puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen · Puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen SAR-tutkalla MATINE-seminaari 17.11.2020 11.11.2020 Juha Lemmetyinen 1, Jorge Jorge Ruiz , Anna](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060819/609897fd9039fb29e741f3d2/html5/thumbnails/14.jpg)
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)
![Page 15: Puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen · Puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen SAR-tutkalla MATINE-seminaari 17.11.2020 11.11.2020 Juha Lemmetyinen 1, Jorge Jorge Ruiz , Anna](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060819/609897fd9039fb29e741f3d2/html5/thumbnails/15.jpg)
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
![Page 16: Puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen · Puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen SAR-tutkalla MATINE-seminaari 17.11.2020 11.11.2020 Juha Lemmetyinen 1, Jorge Jorge Ruiz , Anna](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060819/609897fd9039fb29e741f3d2/html5/thumbnails/16.jpg)
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
![Page 17: Puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen · Puuston vaikutus kohteen havaitsemiseen SAR-tutkalla MATINE-seminaari 17.11.2020 11.11.2020 Juha Lemmetyinen 1, Jorge Jorge Ruiz , Anna](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060819/609897fd9039fb29e741f3d2/html5/thumbnails/17.jpg)
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