TELERILEVAMENTO ATTIVO A MICROONDE: IL
RADAR ALTIMETRO
Prof. Roberto Seu
LA RADAR ALTIMETRIA
L’altimetria si occupa di misurare la quota assoluta di un punto rispetto una superficie di
riferimento. Nel caso di nostro interesse i punti di cui si vuole conoscere la quota sono quelli che
costituiscono la superficie del mare e il riferimento è dato dal geoide
•Studi meteorologici
•Supporto alle ricerche
su circolazione
oceanica, batimetria e
caratteristiche del
geoide
•Protezione delle
grandi riserve di pesca
oceaniche
•Il radar altimetro è un sensore attivo a
microonde
•Principale obiettivo del radar altimetro è
misurare con grande precisione il ritardo, la
potenza e la forma d’onda dell’eco ricevuto
•Potenziale uso delle
risorse marine nella
produzione di energia e
nell’estrazione di
minerali
Variazioni del livello del
mare misurate da
Topex/Poseidon nell’arco
di 3 anni (1996-1998)
BATIMETRIA
Rilevabili dalle modifiche (slopes), indotte sulla superficie media marina,
dalla topografia del letto dei fondali marini
RADAR ALTIMETRIA CONVENZIONALE
•Distanza
dall’altimetro
Impulso trasmesso
•Altezza delle
onde
Area illuminata
•Velocità del
vento
Forma d’onda del
segnale ricevuto
Nell’area illuminata ci sono infiniti
elementi che riflettono il segnale in
direzioni diverse (Speckle Noise).
Perciò si sommano molte forme
d’onda per ridurre il rumore
Modellizzazione
matematica della
forma d’onda
dell’altimetro:
Eco di Brown
Somma di più forme
d’onda individuali
pr (t)
MARE CALMO
MARE RUGOSO
t0
p
APPLICAZIONI DEI RADAR ALTIMETRI: ERS 1 E 2
Il radar altimetro e’ progettato
per effettuare misure accurate
dell’altezza del satellite rispetto
alla superficie marina, che puo’
essere immediatamente
convertita in altezza della
superficie marina rispetto ad un
ellissoide di riferimento.
La misura di altezza fatta da un
altimetro e’ affetta dal
contributo di molti fenomeni
differenti, come il sottostante geoide marino e la circolazione
generale degli oceani su larga scala. L’altimetro misura anche
l’altezza delle onde e la velocita’ del vento
APPLICAZIONI DEI RADAR ALTIMETRI: ERS 1 E 2
SUPERFICIE MARINA
MEDIA
Anche se puo’ sembrare strano,
la superficie del’oceano non e’
piatta. Essa contiene infatti
colline e valli che sono di fatto
una eco del fondo dell’oceano.
Proprieta’ ESA
Un altro fattore importante che influenza il livello medio della
superficie marina e’ la circolazione degli oceani, composta di
correnti fredde e calde che contribuiscono significativamente al
nostro clima. L’immagine mostra la topografia dell’Atlantico, dai
bassifondi continentali sino alle creste dei rilievi centrali. La
dinamica di variazione del livello medio del mare ammonta a decine
di metri e l’altimetro puo’ misurare queste quantita’ con
l’accuratezza di un paio di cm
APPLICAZIONI DEI RADAR ALTIMETRI: ERS 1 E 2
MISURA DEL GEOIDE MARINO
L’altezza della superficie degli oceani rispetto al centro della terra e’
funzione non solo delle correnti marine, ma anche della
composizione della Terra. Variazioni di tale composizione hanno un
effetto sul campo gravitazionale terrestre e questo si riflette
direttamente nel rilievo della superficie marina. L’informazione
estratta dai dati altimetrici (in particolare quelli di ERS) ha
consentito la formazione di mappe topografiche della superficie
marina media, il geoide marino.
Il geoide e’ la superficie fondamentale di riferimento della
geodesia. La superficie del geoide e’ espressa come scostamento
da una semplice figura matematica, nota come ellissoide di
riferimento. Ad esso si riferiscono tutte le differenze in altezza e
potenziale di gravita’ (sia sulla terraferma che sui mari).
APPLICAZIONI DEI RADAR ALTIMETRI: ERS 1 E 2
MISURA DELLO STATO DEL MARE
Il radar altimetro misura anche l’altezza delle onde che appare
all’interno della sua impronta e la velocita’ del vento in superficie.
Misure dell’altezza delle onde effettuate quasi in tempo reale da
ERS sono utilizzate insieme a “modelli” delle onde per ottenere
previsioni delle onde utili per l’ottimizzazione di una serie di
operazioni marine. Un archivio di queste misure, e di altre simili
da altri sensori, e’ in uso per derivare la climatologia delle aree
marine in tutta la Terra, consentendo la rivelazione ed il
monitoraggio di variazioni climatiche.
Tali informazioni sono anche utili per molte industrie marine che
progettano per esempio strutture “offshore”.
APPLICAZIONI DEI RADAR ALTIMETRI: ERS 1 E 2
MISURA DELLA TOPOGRAFIA DEGLI OCEANI
Il livello dei mari varia significativamente con il tempo e nello
spazio. Variazioni regionali del livello del mare possono
verificarsi ad esempio come conseguenza di differenziali di
pressione a loro volta risultato dello scambio di calore con
l’atmosfera e quindi possono essere ricondotte a fenomeni di
circolazione oceanica. L’altimetro e’ quindi uno strumento
importante per lo studio di modelli di circolazione oceanica che
consentono di trasformare le informazioni sulla superficie in
descrizioni 3-D delle correnti e dei fenomeni di trasporto.
Un’importante fluttuazione nel sistema oceano-atmosfera,
osservata con ERS, e’ El Nino, che causa un incremento della
temperatura lungo il Pacifico centrale e tropicale e che produce
variazioni climatiche drammatiche su scale temporali che vanno
da mesi ad anni.
APPLICAZIONI DEI RADAR ALTIMETRI: ENVISAT
L’altimetro di
Envisat ha uno
speciale modo
operativo che
consente di
misurare dettagli
topografici come i
bordi dei ghiacciai
e lo spessore degli
iceberg
Lo spessore misurato del grande iceberg mostrato in figura era di 25
m, lo spessore totale, inclusa la parte sommersa, era di 200 m
APPLICAZIONI DEI RADAR ALTIMETRI: CRYOSAT
Cryosat e’ una missione
altimetrica dell’ESA, il cui lancio
e’ previsto per quest’anno, il cui
scopo e’ la determinazione delle
variazioni di spessore dei ghiacciai
continentali e marini. In
particolare il suo obiettivo
primario e’ di verificare la possibilita’ di predire l’assottigliamento
del ghiaccio Artico a causa del riscaldamento globale.
Se il ghiaccio Artico diviene piu’ sottile, potrebbe cambiare la
circolazione marina nel nord Atlantico e quindi lo scambio di calore
verso l’Europa occidentale.
APPLICAZIONI DEI RADAR ALTIMETRI: CRYOSAT
Lo scopo della missione Cryosat e’
quello di determinare il
comportamento delle masse di
ghiaccio sulla Terra. Di
importanza fondamentale e’ la
verifica del predetto
assottigliamento dei ghiacci marini
artici, dovuto ai fenomeni di riscaldamento globale e che potrebbe
avere come conseguenza importanti variazioni climatiche. In piu’ e’
importante anche scoprire in quale misura i ghiacciai Antartici e
della Groenlandia hanno contribuito all’innalzamento del livello del
mare. Per raggiungere tali obiettivi l’altimetro di Cryosat e’
estremamente avanzato, utilizzando tecniche di elaborazione basate
su apertura sintetica (along-track) ed interferometria
L’IMPORTANZA DELLA CRIOSFERA
Le previsioni sul clima futuro e sull’altezza del mare dipendono dalla conoscenza delle masse di
ghiaccio marine e terrestri. Il 17% dei margini dell’Antartide non sono mai stati misurati, vale a
dire che circa il 16% dell’intera criosfera terrestre non è osservabile. Le osservazioni da satellite
sono gli unici strumenti di misurazione su larga scala spazio-temporale
Dotando il radar altimetro convenzionale delle tecniche di
Apertura Sintetica e di Interferometria si ottiene un
sensore in grado di misurare lo spessore dell’80% dei
ghiacci marini e del 98% delle aree terrestri ghiacciate
Variazione nello spessore
dei ghiacciai
dell’Antartide dal 1992 al
1996 misurate dagli
altimetri ERS-1 e ERS-2.
Circa il 33% della
criosfera dell’Antartide
rimane fuori della portata
dei radar altimetri pulselimited di ERS.E’
necessario un radar
altimetro ad alta
risoluzione per completare
il campionamento della
criosfera
(*)
(**)
MODI OPERATIVI:
•Convenzionale Pulse Limited per le
operazioni sulle zone interne dei ghiacciai
terrestri
•Apertura Sintetica per le operazioni sui
ghiacciai marini (*)
•Apertura Sintetica/Interferometrico per le
operazioni sui margini dei ghiacciai (**)
ALTIMETRO DELAY/DOPPLER, PHASE MONOPULSE
Along-Track: Elaborazione Doppler
Across-Track: Phase Monopulse
D
Z
I singoli elementi osservati,
poiché il satellite è in moto,
sono visti sotto diverse
angolazioni e forniscono
un’evoluzione doppler (Storia
Doppler)
Elaborazione coerente
degli impulsi radar
R
h
H
h
y
(Across track)
X
ELABORAZIONE
DELAY/DOPPLER
•Migliore risoluzione in
Along-Track
•Eliminazione degli errori
indotti dai dislivelli in
Along-Track
•Migliore efficienza in
potenza
Due sistemi antenna/ricevitore
MISURAZIONE D’ANGOLO PHASE
MONOPULSE
•Misura della posizione in Across-Track
•Eliminazione degli errori indotti dai
dislivelli in Across-Track
COMPENSAZIONE DEL RITARDO
Dominio Delay/Along-Track
Dominio Delay/Doppler
Trasformata di Fourier
Ciascuna Storia in Distanza è un’iperbole, e per
una data altitudine la sua forma è nota. L’offset di
ritardo r può essere facilmente calcolato se la
posizione in Along-Track dello scatteratore è nota
Il ritardo relativo r(f) è una funzione conosciuta
della frequenza Doppler. La compensazione può
essere
effettuato
su
tutti
i
segnali
contemporaneamente
f (asse Doppler)
Along-track
x0
x2
xn
x1
0
Lunghezza
dell’impulso
x0 - xn
h1
h2
hn
r
Finestra di
f1
f2
osservazione per
hn
r(f)
Pulse-limited
footprint
un burst
fn
Ritardo
Range delay
per l’n-imo
scatteratore
Ritardo
La compensazione del ritardo risulta
essere un problema a molti valori e di non
unica soluzione
La compensazione del ritardo risulta
essere un problema a un solo valore
MISURAZIONE DELL’ANGOLO
Una differenza di fase tra gli impulsi ricevuti dalle due antenne indica l’angolo di inclinazione
del terreno
Nel caso di radar
pulse-limited c’è
uno spostamento
dell’area misurata ma
non della risposta
all’impulso
trasmesso. Nel caso
di sistemi beamlimited invece l’area
illuminata è sempre
la stessa mentre la
banda della riposta
aumenta
Per un satellite posto a un’altezza di 800 Km e
inclinazione del terreno di 0.1° in assenza di
informazioni circa l’inclinazione del terreno si
incorre in un errore di 1,2 m, molto elevato se
comparato con l’accuratezza voluta che è dell’ordine
dei centimetri
Scopo principale di questa tecnica è la
determinazione dell’elevazione. Errori di
angolo si ripercuotono su errori di
elevazione. L’errore di elevazione è
definito come differenza tra l’elevazione
misurata e quella effettiva.
D
Z

0
H
Errore in
elevazione
R
R
(Across track)
X
PARAMETRI DEL SISTEMA
Parametri
Valore
Altezza Operativa
700 – 750 Km
Frequenza Operativa
13.52 Ghz
Antenna Beamwidth
1.4°
Baseline Interferometrica
1100 mm
Lunghezza dell’Impulso Radar
40 s
Banda del Chirp
320 - 160 - 80 - 20 Mhz
Lunghezza del Burst
12 ms
Risol. Nominale Along Track (SAR/SARIn Modes)
250 m
Timing
BRI
TB
Tx Interval TTx
Rx Interval TRx
NB pulses
tr_min
tr_max
Parametri
Range FFT size (Pulse Limited Mode)
Ocean and SAR Mode 128
SARIn Mode 512
Banda IF
TCal
Valore
Valore
Low Res Mode SAR Mode
Lunghezza del Burst
TB
12 ms
12 ms
Intervallo Tx
TTx
4.5 ms
4.5 ms
no. Di impulsi Trasmessi
NB 10
40 s
90
40 s
Ocean and SAR Mode
2.0 Mhz
Lunghezza dell’impulso Tx TP
SARIn Mode
8.5 Mhz
Pulse Repetition Interval
PRI 450 s
50 s
Frequenza di Campionamento A/D
160 Mhz
Intervallo Rx
TRx 5.5 ms
5.5 ms
Formato dei Campioni A/D
8 + 8 bit (I + Q)
Intervallo di Calibrazione
TCal 2 ms
2 ms
Burst Repetition Interval
BRI 12 ms
12 ms
Data Rate
Ocean Mode 52 kbit/s
SAR
Mode 10,3 Mbit/s
SARIn Mode 32 Mbit/s
L’alta PRF impone uno schema di
trasmissione a burst