Introduction to Synthetic Aperture Radar (SAR)

SAR merupakan bagian dari sistem penginderaan jauh aktif atau RADAR (Radio Detection And Ranging) yang menyinari permukaan bumi dengan gelombang elektromagnetik dan menerima kembali sebagian pantulan berbagai objek (backscattering). SAR menghasilkan citra sehingga SAR juga dikatakan sebagai citra, citra SAR. Informasi yang dihasilkan pada citra SAR berupa fase dan amplitudo. Citra SAR antara lain Sentinel-1A, ALOS PALSAR, Radarsat-1 dan seterusnya.

Awalnya, terdapat dua jenis sistem radar yang digunakan yaitu Real Aperture Radar (RAR) dan Synthetic Aperture Radar (SAR). Perbedaan utama dari keduanya yaitu resolusi spasial yang dihasilkan. Keterbatasan luasan perekaman pada RAR membuatnya tidak digunakan lagi. Resolusi tinggi sistem SAR berasal dari antena yang berukuran pendek dan bersifat sintetis sehingga dapat menyesuaikan ukurannya menjadi panjang. Kombinasi overlap saat akuisisi data menghasilkan ukuran piksel dalam luasan sempit. Berikut prinsip perekaman sensor pada sistem SAR :

Sistem SAR menghasilkan citra yang mewakili karakteristik geometri dan elektrikal dari permukaan hampir dalam berbagai kondisi cuaca dan waktu (Rosen et al, 2000). Radiasi yang dipancarkan ke permukaan bumi oleh sensor radar dan diterima kembali pantulannya dinamakan sistem polarisasi radar. Gelombang yang dipancarkan dalam bentuk vektor medan listrik mengalami polarisasi dalam bidang vertikal (V) atau horizontal (H) dan ketika energi dipantulkan kembali ke sensor, polarisasi dapat berbentuk sama ataupun berbeda dari yang dipancarkan sebelumnya. Tujuan polarisasi yaitu untuk menghasilkan tampilan beda dalam menganalisis permukaan. Berikut jenis konfigurasi sistem polarisasi SAR:

Resolusi spasial pada SAR ditentukan oleh panjang pulsa (pulse length) dan lebar penyinaran dari antena (antenna beam width). Panjang pulsa dihasilkan oleh durasi antena dalam memancarkan sinyal ke permukaan yang searah sinar radar atau range direction. Lebar sinaran antena di permukaan menjadi penentu dalam menghasilkan resolusi yang searah penerbangan atau azimuth direction.

Resolusi spasial di range direction sangat bergantung pada sudut depresi (depression angle) dari sisi horizontal sensor terhadap sinyal pancaran. Hasil resolusi berupa slant-range resolution dan ground-range resolution yang mewakili objek permukaan. Berikut persamaan untuk menentukan resolusi range:

dimana, c merupakan kecepatan cahaya m/s, t merupakan durasi waktu sinar radar sampai ke permukaan dan merupakan sudut depresi.

Resolusi spasial pada azimuth resolution  ditentukan oleh lebar sinar radar dan jarak ground range dari objek terhadap sensor. Objek pada near range akan lebih jelas dari pada yang berada di far range karena perbedaan jarak dan waktu perekaman. Berikut persamaan untuk menentukan resolusi azimuth :

dimana GR  merupakan ground range dan merupakan lebar sinar radar yang bergantung pada panjang gelombang dan antena yang digunakan saat perekaman.

Berikut persamaan awal untuk mendapat nilai beamwidth :

dimana  merupakan panjang gelombang dan L merupakan lebar antena.

Intensitas energi yang diterima sensor ditentukan oleh karakter sistem radar (polarisasi, sudut depresi, panjang gelombang) dan karakter medan (complex dielectric constant, kekasaran permukaan) (Sabins, 1978). Perbedaan objek menyebabkan perbedaan karakteristik amplitudo dan fase. Perbedaan fase disebabkan oleh hambatan selama perjalanan sinyal yang menimbulkan phase delay dan perbedaan amplitudo disebabkan oleh partikel hamburan dan energi sinyal yang berbeda yang menimbulkan pola speckle yang dihasilkan tiap piksel.

Nilai piksel pada citra SAR berupa Digital Number (DN) yang merepresentasikan nilai energi dari permukaan dan topografi. Ukuran nilai pantulan ditentukan oleh objek permukaan dengan bentuk yang berbeda-beda sehingga menghasilkan variasi nilai piksel. Sinyal radar yang memiliki energi pantulan lebih kuat memberikan nilai DN yang lebih besar. Nilai DN pada sensor tidak memiliki satuan (unitless) sedangkan untuk mengetahui karakteristik setiap objek permukaan yang terwakilkan melalui piksel harus memiliki satuan fiskal.

Nilai DN dapat diubah menjadi backscatter coefficient atau Sigma-Naught,  dan Beta-Naught,  yang memiliki satuan db (desibel). Sigma-naught dihasilkan dari energi reflektivitas pada suatu bidang permukaan dalam ground range menuju ke antena. Nilai sigma-naught sangat bergantung pada medan permukaan dan sudut incident, . Beta-naught mewakili kecerahan pada citra SAR (radar brightness) hasil interaksi energi total dari pantulan permukaan yang diproyeksikan ke dalam piksel. Beta-naught yang mewakili kecerahan tidak bergantung kepada kondisi medan karena berhubungan dengan bidang arah slant range. Untuk tujuan kalibrasi antena, maka digunakan gamma-naught,  karena berhubungan dengan bidang ortogonal terhadap sudut incident atau arah slant range. Gamma-naught tidak terpengaruh near dan far range  karena keduanya memiliki tingkat kecerahan yang sama.

Radar merekam permukaan dengan menerapkan sistem Side-Looking Airborne Radar (SLAR). Radar melakukan perekaman dengan dua arah orbit, ascending (selatan ke utara) dan descending (utara ke selatan). Prinsip geometri sistem radar yaitu mengirimkan sinar dari sensor dan membentuk swath pada permukaan tanah yang direpresentasikan dalam citra. Slant range terbagi dalam dua istilah, near range (NR) dan far range (FR). Target objek yang masuk di wilayah NR lebih dekat ke antena daripada yang berada di wilayah FR. Geometri seperti ini memunculkan efek distorsi radiasi dari NR ke FR. Pulsa radar yang dipancarkan ke permukaan dan menyebabkan perpindahan relief antara bagian atas objek dengan dasarnya (relief displacement).

Distorsi geometri yang umum berupa layover dan shadow. Layover biasa terjadi pada daerah pegunungan dimana bagian puncak yang lebih dekat ke sensor akan terekam terlebih dahulu sebelum dasar. Efek layover dipengaruhi oleh sudut sensor saat merekam objek karena ketika sinyal radar mencapai lereng dapat menyebabkan pemendekan lereng depan yang disebut foreshortening. Efek bayangan pada citra (shadow) diartikan sebagai hilangnya informasi dari area yang direkam karena sinyal radar yang terhalang oleh berbagai kondisi medan sehingga tidak ada informasi yang dikembalikan ke sensor.