Un sensor es un dispositivo que detecta radiación electromagnética emitida o reflejada y la convierte en un valor físico que puede ser grabado y procesado. Los sistemas de sensores pueden ser divididos en dos categoríes principales :
i) sistemas globales de adquisición, por ejemplo, cámaras fotográficas o de t.v. que graban una escena completa instantáneamente;
ii) sistemas de adquisición secuencial, por ejemplo, radiómetros, radares, lidares y sonares, que adquieren información 1íriea por línea de la escena. Esta segunda categoría es generalmente dividida en:
a) sensores pasivos, que graban la EMR reflejada o emitida de fuentes naturales;
b) sensores activos, que iluminan un objeto con su propia fuente de radiación y graban el “eco”.
Los sensores globales de adquisición comúnmente utilizados para estudios oceanográficos son: cámaras aéreas, vidicones y cámaras subacuáticas. Las cámaras subacuáticas rio son consideradas en este manual.
Estas son unas de las formas más simples de sistemas de imágenes utilizadas en estudios pesqueros y del océano (referirse a la Figura 4.1). El detector es una emulsión fotográfica (película) el cual es sensitive a las partes visibles o al infrarrojo cercano del espectro electromagnético. Cámaras, películas y fotointerpretación son discutidos en más detalle en un manual de capacitación complementario “Mapeo de Recursos Marinos: Manual Introductorio” (PAO Publicacion Técnica 274).
Las cámaras han estado en uso por mucho tiempo y una gran cantidad de conocimiento se ha acumulado respecto a técnicas de grabación de imágenes, interpretación de imágenes y extracción de datos. Las cámaras son menos caras y menos incómodas que otros sensores y los materiales fotográficos correspondientes están disponibles por todo el mundo. Adicionalmente, la fotografía todavía produce una resolución superior en comparación con sensores electrónicos.
Una de las principales desventajas en el uso de cámaras aéreas es la restricción impuesta por confidiciones adversas del tiempo. También, la fotografía es únicanmnte operativa dentro de una estrecha banda de la EMR (0.38 A 1.3 micrómetros).
La calidad de una fotografía dependerá de varios factores interrelacionados: longitud focal; ángulo de observación; escala; contraste; resolución; y velocidad de la película.
La distancia entre el centro del lente y el foco es llamada longitud focal y determina el tamaño de la cámara y la escala de la fotografía. El foco de un lente convexo es el punto a través del cual pasarán todos ]o rayos refractados. La imágen de un objeto distante es formada en el foco; la película tiene que ser puesta en ese sitio el cual es referido como plano focal.
Figura 4.1 Componentes principales de una cámara estructural de un sólo lente. (Después de T.M. Lillesand y R.W. Kiefer, 1979).
El ángulo de observación de un lente es el ángulo entre los rayos que van a las esquinas opuestás de la película. El ángulo de observación también es referido como ángulo de vista, ángulo de campo o poder de cobertura. Los lentes colecciónan rayos de la luz desde un ángulo de observación de 45° hasta 60° (rango normal del ángulo de observación) y los proyectan a la película dentro del mismo ángulo.
La escala de una fotografía aérea, o de un mapa, puede ser expresada en términos del cociente de la distancia entre dos puntos, como se observan en la fotografía sobre la distancia real entre esos puntos en el campo. Sin embargo, debido a las dificultades que se presentan en la medición precisa de las distancia en una fotografía, la escala de una fotografía aérea está expresada como el cociente de la longitud focal sobre la altitud a la cual la fotografía fué tomada. La escala (s) es igual a la longitud focal (f) dividida por la altura de la cámara que está sobre el sitio o el campo. Esta última es determinada al sustraer la altura del terreno sobre el nivel del mar (h) de la altura del avión (cámara) sobre el nivel del mar (H). Por lo tanto, la escala (s) es estinmda de la forma siguiente:
por ejemplo, la longitud focal (f) es igual a 15 cm, la altitud (H-h) = 1500 m;
El contraste es una medida de la relación entre los niveles de brillantez más bajos y más altos (Emin y Emax respectivamente) de la fotografía. El contraste de una imágen fotográfica puede ser referido cualitativamente como “alto” o “bajo”, o en términos de su cociente de contraste (Emax/Emin). Las imágenes con bajos contrastes son comúnmente referidas como “bañadas” con tonos monótonos, casi tonos uniformes de gris. El bajo contraste puede resulter por las siguientes causas:
i) el objeto y su fondo tienen una respuestá electromagnética casi uniforme;
ii) dispersión de la EMR por la atmósfera. Este efecto es más pronunciado en la porción de longitud de onda más corta (violeta) de la luz visible;
iii) la cámara o la película carecen de suficiente sensibilidad para grabar el contraste de la escena.
La calidad de una fotografía aérea es en parte descrita en términes de su resolución o de su poder de resolueión. Este puede ser definido como la habilidad de un si sterna óptico o fotográfico para reproducir detalles finos, expresados en términes de un mayor número de líneas o ciclos por mm, los cuales pueden ser separados visualmente en una imagen o grabados sobre material fotográfico. El poder de resolución de una fotografía es dependiente de varios factores:
i) la resolución del lente (calidad óptica): la habilidad de los lentes para separar visualmente el mayor número de líneas o ciclos por milímetro;
ii) resolución de la película: la habilidad de una película para separar visualmente el mayor número de líneas o ciclos por milímetro;
iii) aplanamiento de la película: el grado de aplanamiento de la película tomada en el plano focal de los lentes;
iv) movimiento rotacional de la plataforma: guiñada, cabeceo y rollo de la plataforma (esto es, mientras más estacionaria más alta la resolución);
v) calidad óptica de los filtros: paralelismo de la superficie de los filtros, limpieza de los filtros.
El poder de resolución es usualmente medido por imágenes de un patrón objetivo estandard y por la determinación de la frecuencia espacial en líneas por unidad de longitud en la cual la imagen ya no es distinguible.
La velocidad de la película está directamente relacionada a la sensibilidad de la película respecto a la luz. Puede ser definida como inversamente proporcional a la exposición requerida para producir alguna respuesta deseada.
Los valores de la velocidad pueden ser citados en términos de unidades fotométricas o radiómétricas.
Algunos de los estándares utilizados en la medición de los valores de la velocidad son : Asorinción de estandares Americanos (ASA); Normas Industriales Alemanas (DIN); Instituto de Estandares Británicos (BST) .
Como un sensor remoto la cámara vidicón es Ia siguiente alternativa después de la cámara aérea que sirve como estandar respecto al cual todos los sistemas globales de adquisión son comparados . La cámara vidicón con retorno de rayo (RPV) es capaz de reproducir imágenes siuópticads (esto es, todas las partes de] área barrida son vistas por el detector al mismo tiempo) como lo hace lá cámara aérea. El principio básico de operación de una cámara vidicón es similar al di una cámara de televisión. Un objeto distante es enfocado por un lente convergente hacia un objetivo fotoconductivo. La imagen producida en el objetivo fotoconductivo, es mantenida eléctricamente hasta que un rayo de electrón barre la imagen congelada para leer los elementos línea por línea. Habiendo barrido la imagen, el objetivo es borrado para recibir una nueva imagen. Este tipo de sensor estaba presente en los primeros satélites LANDSAT. Este grabó una imagen de 185 km cuadrados cada 25 segundos utilizando tres cámaras en los satélites LANDSAT-1 y 2, y una imagen de 90 km cuadrados utilizando dos cámaras en el LANDSAT-3.
La cámara RPV produce imágenes con una may a1ta resolución espacial comparada cou aqueJla de otro sensores electrónicos y los datos de la imagen pueden ser transmitidos a la tierra vía señales de radio.
Los sensores en esta categoría son llamados radiómetros. Ellos reciben y graban, línea, la EMR reflejada o emitida por la tierra y la atmósfera (referirse a la Figura 4.2). Dependiendo del tipo de detector utilizado, los sensores pasivos pueden grabar diferentes partes de la EMR dentro de longitudes de onda ultravioleta a microondas.
Los siguientes radiómetros son comúnmente utilizados en estudios pesqueros y del océano. Ellos están descritos en la Sección 5.
| Sensor | Plataforma | |
|---|---|---|
| MSS | Barredor Multiespectral | LANDSAT |
| TM | Mapeador Temático | LANDSAT |
| AVHRR | Radiómetro Avanzado de Muy Alta Resolución | NOA |
| HCMR | Radiómetro de Mapeo de la Capacidad de Calor | HCMM |
| CZCS | Barredor de Color de la Zona Costera | NIMBUS-7 |
| HRV | Alta Resolución Visible | SPOT |
Figura 4.2 Componentes de una señal pasiva de microondas. (Después de T.M. Lillesand y R.W. Kiefer, 1979).
Algunas categorías de los sensores pasivos incluyen:
i) Radiómetros barredores: estos sensores colectan una linea de datos a través del uso de un espejo rotativo para “barrer” la vista perpendicular a la línea de vuelo, por ejemplo, un sensor térmico IR y un barredor multiespectral (MSS) del LANDSAT (referirse a las Figuras 4.3 y 4.4 respectivamente). El movimiento hacia adelante del satélite o del avión produce líneas subsecuentes de datos.
ii) Radiómetros de barrido accionado: este tipo de sensor, por ejemplo, el HRV del SPOT, tiene uno o varios arreglos de detectores. Una línea de adquisición es vista instantáneamente sin ningún movimiento mecánico lo cual es una mejora significativa respecto a los radiómetros de barrido (referirse a la Figura 4.5).
Los sensores pasivos t.ienen dos característcas espaciales principales:
i) Campo Instantáneo de Vista (IFOV) (referirse a la Figura 4.6): éste es definido como el ángulo (radianes o grados) sobre el cual el detector es sensible a la radiación. EL MSS del LANDSAT-2 tiene un IFOV de 0.086 de miliradianes. Al saber que la altitud de un satélite es de 920 km, se puede calcular que el elemento de la fotografía (pixel) representa un área sobre la superficie de la tierra la cual tiene dimensiones de 80 m × 80 m (celda de resolución del terreno) en el punto nadir.
Figura 4.3 Sistema barredor infrarrojo térmico. (Después F.F.Sabins, Jr., 1979).
Figura 4.4 Orientación del LANDSAT MSS.
Figura 4.5 Características generales de un radiómentro de barrido accionado. (Después T.E. Avery y G.L. Berlin, 1985).
Figura 4.6 Concepto de Campo Angular de Visión (AFOV) o ángulo de barrido y Campo Instantáneo de Visión (IFOV). (Después de T.E. Avery y G.L. Berlin, 1985).
ii) Amplitud de cobertura (referirse a la Figura 4.6): ésta es definida como la distancia lineal del terreno cubierta en la direccion de la ruta. Para un radiómetro barredor ésto depende del campo angular de vista (AFOV) o ángulo de barrido; por ejemplo, el ángulo de barrido del LANDSAT-2 MSS es igual a 11.52° y, a una altitud de 920 km, resulta en una amplitud de barrido de 185 km. Para el radiómetro de barrido accionado, el campo de observación está relacionado al tamaño del arreglo; por ejemplo, los 6,000 detectores del HRV del SPOT cubren un ángulo de 4.13°, a una altitud de 832 km, resultando en una amplitud de barrido de 60 km.
La resolución espectral de un sensor es su habilidad para diferenciar las longitudes de onda del espectro electromagnético. La resolución radiométrica es su habilidad para distinguir diferentes niveles de intensidad de la EMR en una banda espectral dada.
Los sensores activos (por ejemplo, radar, sonar) son capaces de iluminar un objeto con su propia fuente de radiación. La iluminación va a inducir a un objeto a emitir radiación (fluorescencia) o causar que refleje la radiación producida por el sensor. Los sensores activos son utilizados frecuentemente cuando la radiación natural en una banda particular del espectro no es suficiente para iluminar adecuadamente al objetivo, esto es, la radiación natural está por debajo del umbral de la señal para ruido.
Los ecosondas y los sonares (Sonido, Navegación y Alineación) están basados en el principio de dirigir las ondas acústicas hacia un objetivo y recibir el eco reflejado. La ecosonda transmite un rayo vertical y fijo de sonido mientras que el rayo del sonar puede ser orientado. Los principales componentes de una ecosonda y un sonar son: el transmisor, el transductor, el recibidor y la unidad de despliegue.
La función del transmisor es producir energía en forma de pulsos de oscilaciones eléctricas. En el transductor, esta energía eléctrica es convertida a energía de sonido en el agua y, contrariamente, las ondas de sonido de los ecos que regresan son convertidos de nuevo a energía electrica. El recibidor amplifica las oscilaciones eléctricas débiles producidas en el transductor por el eco, de tal forma que pueden ser grabados en papel desplegados en un CRT (Tubo de Rayos Catódicos) o transmitido como una señal escuchable.
Un radar es un sensor activo de microondas el cual utiliza ondas de radio para detectar la presencia de objetos y para determinar su rango (posición). Este proceso requiere transmitir pequeños pulsos de energía de microndas en la dirección de interés y grabar la fuerza y el orígen de los “ecos” o “reflexiones” recibidos desde objetos dentro del campo de visión del sistema. El poder de resolución del radar (su habilidad para diferenciar entre objetivos), está determinado por la longitud de onda transmitida por el radar. La percepción activa de microondas es hecha en varias bandas de onda las cuales son designadas por letras del alfabeto como es indicado en la Tabla 4.1. La transparencia de la atmósfera para las microondas o hiperfrecuencias (referirse a la Sección 2) le permite al radar adquirir datos independientemente de las condiciones del tiempo. Las microondas penetran nubes y no son dispersadas por neblina o lluvia.
Los radares pueden ser de imágenes o sin imágenes:
i) radares de imágenes: los radares de imágenes despliegan las características de dispersión de la superficie de la tierra en forma de una banda de mapa o una fotografía de un área seleccionada. Un ejemplo de un radar de imágenes es el del Radar Aéreo de Observación Lateral (SLAR) el cual es transportado por un avión. Este sensor barre un área no directamente abajo del avión sino a un ángulo de la vertical, de ahí el término de “observación lateral” (referirse a la Figura 4.7a, b y c).
| λ | ν | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Designación de la Banda | Longitud de Onda cm | Frecuencia (megahertz) (106 ciclos sec-1) | ||||
| Ka (0.86 cm*) | 0.8 | a | 1.1 | 40,000 | a | 26,500 |
| K | 1.1 | a | 1.7 | 26,500 | a | 18,000 |
| Ku | 1.7 | a | 2.4 | 18,000 | a | 12,500 |
| X (3 y 3.2 cm*) | 2.4 | a | 3.8 | 12,500 | a | 8,000 |
| C | 3.8 | a | 7.5 | 8,000 | a | 4,000 |
| S | 7.5 | a | 15.0 | 4,000 | a | 2,000 |
| L (25 cm*) | 15.0 | a | 30.0 | 2,000 | a | 1,000 |
| P | 30.0 | a | 100.0 | 1,000 | a | 300 |
* Indica longitudes de onda comúnmente utilizadas en radares deimágenes.
Figura 4.7a Principio de operación del radar de observación lateral. (Después de J.A. Richards, 1986).
Figura 4.7b Propagación de un pulso de radar (indicando la localización de la onda frontal en intervalos de tiempo 1–17). (Después T.M. Lillesand y R.W. Kiefer, 1979).
Figura 4.7c Retorno resultante en la antena. (Después de T.M. Lillesand y R.W. Kiefer, 1979)
Para lograr una resolución espacial útil en una imágen del suelo desde la altitud de un satélite, requeriría de una antena con longitud de varios kilómetros. El Radar de Apertura Sintética (SAR) fué desarrollado para superar este problema. SAR toma señales sucesivas transmitidas y recibidas por una pequeña antena y las usa para reconstruir (sintetizar) la señal que hubiera sido recibida si la antena tuviera varios kilómetros de longitud (referirse a la Figura 4.8). Adicionalmente, la reconstrucción de la imágen de un objeto en movimiento obtenida de datos de SAR involucra la consideración del efecto de Doppler (referirse al Glosario de Términos).
Detalles más finos del objetivo (esto es, mayor resolución) pueden ser vistos en una imagen producida con microondas de longitudes de onda más cortas. Por ejemplo, la superficie del mar que aparece aplanado con la banda-L puede no ser aplanado cuando es percibido con la banda-X. Al igual que otras EMR, las microondas son polarizadas en componentes verticales y horizontales.
Actualmente, los radares de imágenes tienen pocas aplicaciones en estudios oceanográficos, aunque se ha llevado a cabo investigación intensiva para medir la longitud y dirección de las ondas.
ii) radares sin imágenes: a diferencia de los radares de imágenes, este tipo de radares graba un parámetro físico específico. Ejemplos de radares sin imágenes, incluyen el radar medidor de reflexiones múltiples y el altímetro del radar. El medidor de reflexiones múltiples de un radar, mide la aspereza de la superficie del mar, icebergs, etc. , en un barrido amplio de cada lado de la nave espacial (referirse a la Figura 4.9). Las mediciones producen la amplitud de olas bajas de la superficie que están aproximadamente en equilibrio con el viento local y desde las cuales puede ser estimada la velocidad del viento superficial. El altímetro del radar utiliza una microonda de rayo de lapiz que mide la distancia vertical entre la nave espacial y la tierra. Las mediciones producen la topografía y la aspereza de la superficie del mar desde las cuales puede ser estimada la cuadrícula oceánica, las corrientes superficiales y la altura promedio de las olas.
un lidar es un sensor activo que emite y recibe luz en las longitudes de onda visible e infrarroja cercana. El laser (acrónimo para la amplificación de la Luz por emisión de radiación estimulada) es un dispositivo para producir luz por emisión de energía almacenada en un sistema molecular o atómico, cuando es estimulado por una señal de entrada. El lidar utiliza rayos laser para generar pulsos de luz cortos y de alto poder. En la medida que el pulso pasa a través de la atmósfera, la luz difusa que regresa es detectada por un sistema ôptico y es electrónicamente analizada para proporcionar una medición de la intensidad de la luz reflejada por constituyentes del objetivo, en función de la distancia desde el sensor.
Figura 4.8 Sistema de radar de apertura sintética. (Después de T.E. Avery y G.L. Berlin, 1985)
Figura 4.9 Gráfica de un medidor de reflexiones múltiples obtenida de un iceberg, en función de diferentes ángulos de incidencia. (Después de D. Harpwe, 1983)
Debido a limitaciones físicas es imposible, a la fecha, incluir tales sensores en la carga de un satélite. Están por lo tanto limitados a misiones aéreas. Dos tipos de lidares tienen aplicaciones interesantes en estudios oceanográficos. El lidar batimétrico y el lidar fluorescente.
i) lidar batimétrico: este lidar, el cual es utilizado para estudios batimétricos, genera una señal azul-verde y una infrarroja cercana simultánemente. La señal infrarroja cercana no penetra en el agua y es directamente reflejada por la superficie del mar y grabada por el sensor. La señal azul-verde es reflejada por el fondo y llega al sensor en un tiempo posterior. La diferencia en tiempo es una función directa de la profundidad del agua (referirse a la Figura 4.10).
Figura 4.10 Principio de operación de un sistema de lidar bacimétrico. (Después de D. Harper, 1983)
ii) lidar fluorescente: este lidar graba la luz fluorescente emitida que es inducida por la interacción de la luz azulverde transmitida por el lidar con el objetivo. La fluorescencia del objetivo es a menudo única y por lo tanto proporciona medios para su reconocimiento. Este instrumento ha sido utilizado para identificar y cuantificar clorofila en el agua y también para identificar y medir el grosor del aceite o petróleo en el mar (referirse a la Figura 4.11).
Figura 4.11 Principio de operación de un lidar fluorescente aéreo. (Después de D. Harper, 1983.)
