TELERILEVAMENTO ATTIVO A MICROONDE: IL RADAR AD APERTURA SINTETICA (SAR)

Richiami di teoria Elettromagnetica

Geometria SAR (side looking)  è l’ angolo di incidenza del fascio valutato nel punto centrale dello swath

Geometria SAR (side looking) Risoluzione in range ed in azimuth

Con apertura sintetica si ottiene una risoluzione di 9 m Radarsat Esempio di risoluzione azimutale con altezza dello S/C di 792 km, frequenza operativa di 5.3 GHz e La=15 m Con apertura sintetica si ottiene una risoluzione di 9 m

Effetto Doppler Se la sorgente emette una frequenza fs e recede da un osservatore a una velocità  la frequenza osservata è pari a: Se la sorgente si avvicina all’ osservatore si ha:

Effetto Doppler La frequenza osservata dal bersaglio a terra vale: Per <<c, 2/c2 è prossimo a zero e segue che: Questa frequenza è differente dalla frequenza emessa dalla antenna di una quantità pari a: L’ eco di ritorno sarà spostato della stessa quantità pertanto Il Doppler shift per il target vale: Per un segnale di ritorno rivelato dall’ antenna ad un tempo corrispondente allo slant range R(t=2R/c), e con uno shift Doppler pari a fd , la coordinata azimutale vale:

Risoluzione azimutale (SAR focalizzato) Dall’ equazione che determina lo shift Doppler si può ricavare la risoluzione azimutale: In cui fd è la risoluzione dello shift della frequenza Doppler approssimativamente paria all’ inverso del tempo durante il quale un target puntiforme si trova nel fascio . La risoluzione azimutale vale:

Compressione azimutale

Compressione azimutale

Compressione azimutale Differenza di fase fra due segnali Per fasci stretti Rc R 0

Compressione azimutale Assumendo che lo shift della frequenza doppler è costante, fino a che il termine quadratico aggiunge un valore /4 a , allora la finestra di osservazione della forma d’ onda è confinata ad una distanza xwindow dove: Nell’ esempio del caso focalizzato si avevano 9 m

Slant vs Ground range Ottica SAR

Slant vs Ground range Immagine dei punti A e B nella presentazione slant range e ground range

Posizionamento dei rilievi

Lay over (posizione di un rilievo con immagine ottica e immagine SAR)

Effetti prodotti dalle pendenze del terreno

Immagine di ERS 1 SAR

Surface

SAR Nadir Looking • Nadir looking • DPL operating • High dynamic range •         Focused SAR •         Nadir looking •         DPL operating •         High dynamic range •         High pulse bandwidth •         High clutter rejection •         Dipole antenna

SAR Nadir Looking R=255320 km Pulse limited Non focalizzato Caso superficie speculare (Fresnel) R=255320 km DPL=55316196

SAR non focalizzato/focalizzato SAR Nadir Looking SAR non focalizzato/focalizzato Il fronte di onda sferico si può approssimare con uno piano solo se la massima variazione di percorso Rmax misurata in termini di lunghezza d’ onda da luogo a una variazione di fase trascurabile. Se si focalizza occorre compensare i contributi quadratici inclusi quelli dovuti a eventuali velocità radiali dello S/C o variazioni di pendenza della superficie osservata.

SAR Nadir Looking La differenza di fase fra il segnale trasmesso e ricevuto vale: Come si vede la scelta di un sistema focalizzato è indispensabile per ottenere la richiesta prestazione di 300m di risoluzione x xc x0 R R0 Rc

SAR Nadir Looking

SAR Nadir Looking Ritorni di eco sottosuperficiale comparati a ritorni di superficie con uguale ritardo H SHARAD Surface Sub Surface Generic depth: not Mars Surface representation Latitude Longitude +180 -180 +90 -90

SAR Nadir Looking SAR intrinsic clutter cancellation

SAR Nadir Looking Valutazione del rumore

SAR Nadir Looking Superficie rugosa Superficie speculare

SAR Nadir Looking TMIN=2H/c return echo delay time TU return echo duration time M ambiguity order  pulse duration D.C .=  ·PRF (Duty Cycle) E necessario evitare aliasing nello spettro doppler Si può determinare l’angolo di osservazione off nadir  al di la del quale i clutter di superficie siano ad esempio 30 dB o più inferiori all’ eco di superficie al nadir : ()/ (0)<-30 dB per ottenere un range dinamico di almeno 4045 dB (filtro centrale) tenendo in conto la cancellazione intrinseca del SAR (clutter improvement factor di 1015 dB)

SAR Nadir Looking La profondità di penetrazione impone la dinamica del sistema. Una profondità di penetrazione equivalente a un ritardo maggiore di 800 nsec impone al sistema una dinamica di 55 dB. La degradazione negli impulsi compressi e pesati è dovuta a modulazioni di ampiezza e frequenza nel segnale trasmesso/ricevuto. Il Rx e il Tx che possono contribuire a questa degradazione devono avere gli echi appaiati inferiori al valore della maschera

SAR Nadir Looking H=1 H=0.5

SAR Nadir Looking Valutazione del rapporto segnale clutter (=risoluzione, z=profondità K)

SAR Nadir Looking Valutazione perdite per effetto del campo magnetico

SAR Nadir Looking Comparazione fra le prestazioni di Marsis e di SHARAD

Speckle Quando si osserva una superficie diffondente illuminata da una radiazione dotata di grande lunghezza di coerenza, la superficie appare coperta da molti puntini luminosi, intervallati da zone nere: è il fenomeno degli speckles. Se la zona illuminata della superficie non è liscia, ma è costituita da rilievi irregolari grandi rispetto alla lunghezza d’onda della radiazione che la illumina, da ciascun punto delle irregolarità si diffonde parte della radiazione, con una fase diversa da un punto all’altro. Se un sistema ottico o elettromagnetico raccoglie la radiazione per formare un’immagine della zona illuminata, nel caso ideale, di un sistema ottico con risoluzione infinita, di ciascun punto fa un’immagine indipendente. Nella realtà, però, un sistema ottico di risoluzione infinita non esiste, sia per effetto della diffrazione, che delle aberrazioni, dei difetti di costruzione e degli errori di messa a fuoco. Se la zona della superficie che contribuisce alla minima dimensione risolta nell’immagine, è costituita da almeno due punti da cui parte la radiazione diffusa, con una differenza di distanza dall’ottica superiore alla lunghezza d’onda, quando i due contributi della radiazione diffusa vengono fatti convergere nel punto-immagine risolto, interferiscono, dando luogo ad una intensità che dipende dalla fase e dall’ampiezza relativa: se sono in fase, le ampiezze si sommano (se le ampiezze sono uguali, l’intensità del punto luminoso diviene quattro volte l’intensità che avrebbe ciascuno dei punti separatamente); se sono in opposizione di fase, si sottraggono reciprocamente; in tutte le condizioni di fase o di ampiezze intermedie, danno luogo ad immagini di intensità intermedia. Quindi, all’interno di una zona risolta dell’immagine fatta dal sistema ottico, esiste una parte della radiazione che si somma in fase, una parte in opposizione di fase ed il resto in condizioni intermedie. Le dimensioni di ciascuno “speckle” dipendono dalla risoluzione del sistema ottico. Come già detto gli speckle sono causati da una costruttiva e distruttiva interferenza dai ritorni degli elementi scatteranti all’interno di una cella di risoluzione.

Speckle V1,1 V2,2 V6,6 V4,4 V3,3 V5,5