TELERILEVAMENTO E RETI DI CONTROLLO AMBIENTALE€¦ · Telerilevamento attivo. Bisogna inviare un segnale di esplorazione, il cui ritorno contiene le informazioni richieste, da ottenere

1

TELERILEVAMENTO E RETI DI CONTROLLO AMBIENTALE

Giorgio FranceschettiProfessore Emerito, Università Federico II di Napoli

Professore Onorario, Università di TrentoDistinguished Visiting Scientist, JPL; USA

Ordine Ingegneri NapoliFondazione Ordine Ingegneri Napoli

Ottobre - Novembre, 2014

CORSO DI STUDIO

2

Contenuto della PresentazioneIa. Cosa sono i campi elettromagneticiIb. Radiazione elettromagnetici

IIa. Sviluppo delle applicazioni basate sull’uso dei campi elettromagnetici

IIb. Telerilevamento

IIIa. Missioni spazialiIIIb. Applicazioni del SAR (Radar ad Apertura Sintetica)

IV. Stato dell’Arte

V. Conclusioni

3

Ia. Cosa sono icampi elettromagnetici

?? Composizione Allievi ?

?

Ia

4

Ms. Emma Layon Lady Hamilton

Nascita elettromagnetismo

Antichità : ago magnetico, pietra ambra, etc.

1780 : Tempio della SaluteJames Graham

Ia

5

Christian OersteadFarmacia a Copenhaghen

1820 Francois AragoAccademia delle Scienze, Parigi

Legge di Biot & SavartUna corrente elettrica produce un campo magnetico

Ia

André-Marie Ampère, Jean-Baptiste Biot, Félix Savart

jh

Nascita elettromagnetismo cnd.

6

prof. Humphry Davy, Royal Institution

1831

Legge di FaradayUn campo magnetico produce una corrente elettrica

Michael Faraday

the

IIIIIa Nascita elettromagnetismo cnd.

7

James Clerk Maxwell

the

jh te

Oersted

Faraday

Trattato sulla Elettricità e il Magnetismo 1873

MAXWELL Tango

EQUAZIONI DIMAXWELL !!!

Ia Nascita elettromagnetismo cnd.

8

IIIIIIIa Nascita elettromagnetismo cnd.

9

Heinrich Rudolph Hertz

1886

Al Karlsruhe Polytechnic, Hertz collega due paraboloidimetallici (la moderna antenna parabolica), ed è la prima prova sperimentale (in laboratorio) della esistenzadell’onda elettromagnetica

Verifiche sperimentaliIa

10

Gugliemo Marconi

.

Marconi verifica su campo l’esistenza dell’onda elettromagnetica

1895 - Primo experimento di connessione radio wireless

1901- Primo experimento transoceanico tra Newfoundland(Canada) e Cornwall (Great Britain)

1902 – Comuniczione bilaterale tra Europa e America

1907 - Comunicazione commerciale traEuropa e America

1923 – Connessione radio telefonica

1930 - Connessione con Australia

Ia Verifiche sperimentali cnd.

11

Grandezze elettromagnetiche

Campo Elettrico e(r, t)

Campo Magnetico h(r, t)

(Volt / m)

(Ampere / m)

teh

the

Campo elettrico e campo magnetico sono tra loroORTOGONALI nello spazio

Ia

12

Energia elettromagnetica

Vettore di Poynting (in realtà Poynting-Umov)

),(),(),( trhtretrs

(Volt/m) (ampere/m) = watt/m2

Ia Grandezze elettromagnetiche cnd.

13

Onde piane

0,, 2

22

t

tretre

(sec2 / m2)

(m/sec)

0,1, 2

2

22

t

trec

tre

Dimensioni

c1

Dimensioni


14

Caso particolare e(z,t) , h(z,t)Assumiamo il campo elettrico diretto secondo l’asse xIl campo magnetico risulta diretto secondo l’asse y

0,1,2

2

22

2

ttze

cztze

ttze

ztzh

,,

Le equazioni sono

)/(000.300)/(103 8 seKmsemc Nello spazio liberoc c ζ=377 (ohm)

ctzhctze , ctzectze ,


15

Potenza associata all’onda tczstczhtczetzhtzetzs ,,,

221 ctzhctzectzs

(watt/m2)

2cctzs

ctzm

A questa migrazione di (densità) di potenzacorrisponde una migrazione di (densità) di massa, (watt/m2)

c

ctzscctzmctzM

quindi di (densità) di

momento meccanico semkg c

Ad una variazione della (densità) di momento meccaniconasce una (densità) di forza: pressione di radiazione


16

,D ,

Il campo elettromagnetico viene irradiato da tipi molto varidi antenne. Queste sono caratterizzate da svariati parametri, tra i quali il più rilevanti sono la Direttività e l’Angolo (solido) di Radiazione.

La Direttività, , consiste in un diagramma che indica l’intensità del campo al variare della direzione spazialedi irraggiamento.

Ib. Radiazione elettromagnetica

L’Angolo di Radiazione fornisce una stima dell’angolo solidoentro il quale la potenza irradiata é essenzialmente

confinata. ,

L’Angolo di Radiazione fornisce una stima dell’angolo solidoentro il quale la potenza irradiata é essenzialmente

confinata. ,

17

AntenneIb

Esistono, e sono adoperati tipi molto vari di antenne, quali:1. Antenne filiformi.2. Antenne ad apertura.3. Antenne paraboliche.4. Arrays.

Antenne filiformiFilo di corrente, alimentato da tensione ai morsetti.

Per il dipolo elementare 045, 0V

18

Ib

Il campo elettromagnetico si propaga lungo un tubo (guidad’onda), sagomato a tromba (trombino elettromagnetico).

L’apertura della tromba viene illuminata dal campo, e sicomporta come una superficie sulla quale sia distribuitauna corrente proporzionale al campo magnertico tangentesulla apertura.

L’angolo di radiazione Ω si riduce, nei due piani principalidel trombino, all’aumentare delle sue dimensioni nei pianistessi.

Antenne ad apertura

Antenne cnd

19

Antenne parabolicheIb

F

Le antenne paraboliche utilizzano un paraboloide metallicotroncato, nel cui fuoco F é usualmente collocato un trombino elettromagnetico.

Il campo radiato dal trombino, per riflessione sullasuperficie parabolica, illumina l’apertura del paraboloide, generando una ottimale antenna ad apertura.

L’angolo di radiazione si riduce all’aumentare delladimensione della bocca del paraboloide.

Antenne cnd.

20

ArrayIb

L’Array consiste nell’uso integrato di un numero diantenne, in formazione lineare, planare, o conforme, attivate da una, a sua volta integrata, rete di alimentazione.

L’angolo di radiazione si riduce all’aumentare delladimensioe L dell’allineamento.

Antenne cnd.

21

Orientazione fascio radiatoIbIn un ampio numero di applicazioni, é non solo necessarioutilizzare antenne di elevata Direttività D e stretto angolo diradiazione , ma anche poter orientare la direzione del fascio radiato.

Nelle antenne lineari, questo implica ruotare l’asse del filo, in modo da posizionarlo ortogonale alla direzione diirraggiamento. Per le antenne ad apertura e paraboliche, l’asse dell’apertura va orientata lungo la direzione diirraggiamento.

Si conclude che orientare il fascio richiede rotazionemeccanica dell’antenna.

Questa limitazione NON é presente negli arrays.

22

timed-array

Orientazione elettronica

t

ttttt

t t

Array con N=2

n = 012

-1-2

0Direzione

0Direzione

LcT2

IbOrientazione fascio radiato cnd.

23

IbProcedura shift-and-add

Segnale applicato a tutti gli elementi Ttrect TtN rect 2Segnale radiato dell’array per ϑ=0

Segnale radiato dall’arrayper ϑ diverso da zero

n Tcdnt- sinrect

cosrectnd

sindn

Se il segnale é trigonometrico, , basterà inserirela fase nei vari elementi dell’arrray.cTnd sin

tcos

sindn sindn sindn

Orientazione fascio radiato cnd.

24

Domande ?

I

Commenti ?

Osservazioni ?Altro ?

I. ? ? ?

25

Anteriormente alla nascita (gestita nella mente di Maxwell) delle onde elettromagnetiche,

segnali elettrici di varia natura erano disponibili:(Volta, Coulomb, Ampère, …… )

Le applicazioni erano essenzialmente confinate alla trasmissione di:

Informazione, sotto forma di segnali elettrici Energia, sotto forma elettrica

IIa. Le tappe dello sviluppoIIa

26

Trasmissione di informazione

18531° cavo telegrafico sottomarino attraverso l’Atlantico. Si potevano inviare e ricevere notizie in tempo reale, sia pure solo in forma telegrafica

Spezzone cavo

sottomarino,1858.

IIa

27

1957Le migliorie apportate ai cavi sottomarini permettono di trasmettere conversazioni telefoniche

Trasmissione di informazione cnd.IIa

Primo cavo

sottomarino Telefonico

1957

Ma consiste in un miglioramento hardware, non di conoscenza !!!

28

Due navi posacavi

Città di Milano (1888)Giulio Verne (1983)

IIaTrasmissione di informazione cnd.

29

L’impressionante rete dei cavi sottomarini posati

IIaTrasmissione di informazione cnd.

30

La trasmissione della informazione può essere convenientemente effettuata senza supporto fisico,

ma in forma wireless !!! Maggiore è la quantità di informazione trasmessa Le distanze di collegamento sono crescenti Si apre finalmente una totalmente nuova strada La nuova strada è a valle di una nuova scienza !!

IIaTrasmissione Wireless

1864A valle della gestazione nella mente di Maxwell,

nasce l’onda elettromagnetica:campi elettrici e magnetici sono accoppiati !!!

Trasmissione di informazione cnd.

31Modello satelliteTelstar(AT&T, 1962).Foto del satellite Echo (1960).

IIa

Il collegamentio wireless sulle lunghe distanze era limitatodalla presenza di montagne, larghi tratti marini,... Il problema fu risolto inizialmente con riflessione sulla ionosfera, e finalmentecon l’uso di satelliti artificiali come stazione di transito


32

Immagine della fascia orbitale dei riflettori (a sinistra) e foto degli aghi (a destra) che dovevano essere utilIizzatiper il progetto West Ford (1963). Da notare il confronto con le dimensioni del dito sul quale sono posati.

Immagine del satellite Syncom (1963).


33

I grandi elettrodottitrasferiscono larghe quantità di energiasotto forma elettrica.Sono certamente importanti opere di ingegneria.

IIa Trasmissione di energia

Ma l’impatto ambientale é fortemente negativo, come anche l’elevato campo magnetico nel suo intorno !!!

34

Energia elettrica d.c. é raccolta da celle solari dispiegate nellospazio su un satellite geostazionario

L’energia, raccolta in forma d.c., é trasformata a frequenza dimicroonde, e irradiata a Terra mediante un fascio a microonde

L’energia a microonde è raccolta da un array, i cui elementi sonochiusi su un circuito rettificatore, in modo da convertirla di nuovo in corrente d.c.

Passi succcessivi Progetto di un complesso sistema spaziale

Trasmissione un enorme ammontare di energia a microonde verso la Terra, con stringenti vincoli di efficienza e sicurezza

Valida gestione del contrasto tra costo e vincoli ambientali

IIa

Idea di partenza (Solar Power Satellite, P. Glaser, 1969) :Trasmettere energia dallo spazio giù sulla Terra

WPT. Una breve storiaTramissione di Energia cnd.

35

GOLDSTONEWTP terrestrial link

P = 34 Kwf = 7.45 GHzd =1.6 Km

(USA)JPL-Raitheondemo, USA

1975 1987 1995 2008

WPTPower

Transmission

WPTPower

Refuelling

WPTPower

Refuelling

WPTPower:

Transmission

SHARPSmall scale

airplane prototypepowering test

P < 1 Kwh = 50 m

f =2.45 GHzCommunication

Research Centerof Canada

ETHERUnmanned Airship

powering testP < 3-5 Kwf =2.45 GHz

h = 50 mCommunicationResearch Lab.

of Tokyo, Nissan,Kobe University.

HAWAIIWTP long-range

terrestrial linkP ~ 1 w

f= 2.45 GHzd =148 Km

Managed EnergyTechnology LLC, with cooperation: Kobe University,other scientists

IIaTramissione di Energia cnd.

36

IIa

Una desiderata applicazione. Controllo di larghe aree urbane,

con uso di UAV, alimentati da microonde, come nodi per controllo remoto

Tramissione di Energia cnd.

37

L’ambiente urbano é uno dei contesti più difficili per la realizzazione di un sistema di sicurezza, datonumero e tipo dei possibili rischi

La video-sorveglianza è una scelta valida, ma vieneessenzialmente adoperata dopo che l’eventocriminale è avvenuto

Vi una posibile alternativa , semplice ed efficace, per migliorare la sicurezza nell’ambiente urbano?

IIa

AmbienteUrbano


38

London: About tens of thousand CCTV cameras

0

Manhattan:Total Cameras 2397

Total Public Cameras 270 Total Private Cameras 2117

IIaEsempi di videosorveglianza


39

PSTN / PLMNGround

videosurveillance

OperationCentre

Video, alarms, playBack

(xDSL, WiFi, ...)

Videodata linkVideo data

link Video data link

Video data link

Remote sensingPlatform

Airship

PLMN: Public Landline Mobile NetworkPSTN: Public Switched Telephone Network

IIa

Modello nodoaereo controllo

sicurezza


40

IIb. TelerilevamentoPer Telerilevamento (Remote Sensing) si intende la capacità diottenere informazioni a distanza, senza necessariamente la presenzadi altro operatore che le trasmetta a sua volta.Una prima importante distinzione é la seguente:

Telerilevamento attivo. Bisogna inviare un segnale di esplorazione, il cui ritorno contiene le informazioni richieste, da ottenere medianteopportuna elaborazione del segnale ricevuto. Ad esempio, questo éil caso di avvistamento di bersagli, e di immagini del territorio dasatellite.

Telerilevamento passivo. L’informazione è direttamente prodottadall’ambiente esplorato, ma il segnale ricevuto va comunqueelaborato, per estrarne l’informazione richiesta, Ad esempio, la misura della naturale radiazione termica del materiale che componeil territorio, può portare alla determinazione della composizionechimica dello stesso.

41

AvvistamentoIIb

Per avvistamento si intende la capacità di individuare la presenza diun bersaglio, localizzandolo quindi nello spazio: distanza r, e angolidi orientamento ϑ e φ.

L’individuazione del bersaglio èeffettuata dal RADAR (RAdioDetection And Ranging), che invia impulsi nello spazio, cambiando l’angolo di irraggiamento, sino ad avere un segnale di ritorno.

La distanza del bersaglio èottenuta misurando il tempotrascorso tra emissione e ritorno dell’impulso, e moltiplicandone la metà per la velocità della luce

x y

z

r

r

O

(r,φ,θ)

42

cT

r

cT cTcT

2cTr Risoluzione

[Le ampiezze degli impulsisono puramente indicative]2

cT

IIbRisoluzione del sistema RADAR

Avvistamento cnd.

43

Le Antenne sintetiche: SAR(Synthetic Aperture Radar)

IIb

Come visto in precedenza, un array è la composizione di un fissatonumero di antenne, di oppprtuna spaziatura e integrate tra loro. Poniamocila domanda: possiamo creare un array, utilizzando una sola antenna?

Sistemiamo la singola antenna su un mezzo mobile, che si muova con velocità uniforme v lungo un percorso rettilineo. A intervalli uguali ditempo τ l’antenna emette il suo impulso: le posizioni dell’antenna tra due impulsi successivi sono distanziate di a = v τ .

In tal modo é stato sintetizzato un array. Ovviamente, perchè esso possaessere adoperato, bisogna postulare che il mondo circostante ad esso non si modifichi nel tempo necessario alla sintesi: l’antenna ricevente deveessere fissa, l’ostacolo da individuare stazionario, e la superficie daesplorare (al fine di generarne l’immagine) immutata. Se l’antenna é postasul satellite, la velocità v é ampia, e la condizione, in pratica soddisfatta, anche volendo sintetizare un array molto lungo, e quindimolto direttivo.

4444

IIbAntenne Sintetiche: SAR cnd.

Sintesi dell’antenna

4545

IIb

nr

r

a

Antenne Sintetiche: SAR cnd.

Risoluzione a terra

4646

Diagramma di Radiazione

dttFdttFg

)0,(),()( 2

2

N

Nn

N

Nn

tftF

tntftF

)()0,(

)(),(

cat sin


4747

sin311

TcLg 2N∆t < T

Tttf rect

t

ttttt

t

Array with N=2

n = 0

t

tf n

,tF

12

12

sin2

sin

cLtN

cat


4848

Dettagli analitici

sin3112

311

0,,

21231)12(

26

141222

12221222)12(

2212222)12(2)12(

1222)12(,

)12(0,

2

2

22

2

2

1

22

1

22

2

1

222

22

cTL

TtN

dttFdttF

tNNTN

tNNNNNtNtNTN

ntntNtNNtNTN

nNttNTNdttF

TNdttF

N

n

N

n

N

n


4949

PICCOLO DETOURIIb

Perchè l’angolo di radiazione in potenza è stato definito a -2dB, e non a -3dB, come è uso? Il motivo è la presenza di unaltro parametro, il coefficiente di similarità tra impulsotrasmesso e impulso ricevuto, per iul quale la definizione a -3dB non risulta appropriata. Un ottime compromesso trapotenza e similarità è fornito dalla definizione a -2dB.

t

0,tF

t

,tF

,0, tFtF

Antenne Sintetiche: SAR cnd.

5050

Parametri dell’Array

gLcT

13sin

sin311

TcLg Diagramma di Radiazione

Corrispondenza tra angolo diradiazione e intensità di potenza g

LcT32

Angolo di radiazione a -3dB

LcTg 23;21

LcT22

E’ nato un nuovo parametro, per le analisi nel dominio del tempo !2cT

Esso gioca lo stesso ruolo della lunghezza d’onda λ nel dominio ω.Questo risultato fu anticipato ben 40 anni fà: G.Franceschetti and C.H. Papas, “PulsedAntennas”, IEEE Trans. Antennas Propag., AP-22, 651-661, 1974.

Angolo di radiazione a -2bB LcTg 2;32


5151

IIb

Ecco il satellite che esplora il territorio !!!

Antenne Sintetiche SAR cnd.

52

IIb 3. Antenne Sintetiche: SAR cnd.

E questa è l’immagine (2D) a microonde del monte Etna!

53

Conclusioni della Sezione II Quanto presentato mostra che risultati scientifici

di ampia portata e di opportuna applicazione, influenzano in modo significativo lo sviluppodella società di appartenenza, sui fronti dellaeconomia, organizazione, comportamento, e così via. E’ questo il principale motivo per cui ilmondo occidentale ho sinora dominato, puntando sui risultati scientifici, da Galileo in poi.

II

La nascita dell’elettromagnetismo ha cambiato, e continua ancora a cambiare il nostro mondo. Alcune considerazioni su altre rivoluzioniscientifiche sono forse appropriate.

54

Conclusioni Sezione II cnd.

amF E’ stata scopertala Meccanica !

MA

II

Auto, treni, navi, aeroplani, …. ci muoviamo su tutto il mondo. La vecchia piazzetta del villaggio, la greca ἀγορά (agorà), dove era concentrata tutta la vita sociale, si é allargata sututto il nostro pianeta !!

Inquinamento dal funzionamento delle auto, guerre per le riserve del petrolio, rumore, confusione del traffico, problemidi parcheggio, ……. é questa vita?

55

James C. Maxwell

Sono state create le onde elettromagnetiche !!

JtDH

tBE

IIConclusioni Sezione II cnd.

Solo la informazione viene trasferita … la ἀγορά rimaneespansa su tutto il mondo … ma non c’é inquinamento, e sono scomparse le altre orribili limitazioni … Siamo partitidalla voce, poi le immagini, ben presto la realtà virtuale …presto forse anche le sensazioni, é questione di banda !!!

56

IIConclusioni Sezione II cnd.

Mi sembra che la giusta conclusione sia

Maxwell

Newton

57

Domande ?

II

Commenti ?


II. ? ? ?

58

IIIa. Le Missioni SpazialiProgettare, gestire, e utilizzare i dati ottenuti in ambito diuna missione spaziale é impresa non semplice sul piano creativo, tecnologico, e scientifico. Nelle slides seguentidette difficoltà sono illustrate con esempi di realizzazionieffettuate.

Il punto di prevalente qualificazione della missione consistenella elaborazione dei dati grezzi trasmessi dal satellite aTerra, a fine di generare i cosiddetti dati a valore aggiunto,e cioè significativi da punto di vista della loro applicazione.I risvolti analitici di alcune di queste procedure sono ancheillustrati.

59

Inizio della MissioneIIIa

60

Elementi base della missione spaziale

Elementi della missione

Segmento di volo: L’insieme della strumentazione che viene messa in orbita per realizzare gli obiettivi della missione.

Segmento di terra: Il complesso strumentazione a Terrache opera prima e durante il volo, e provvede alla pianificaziondell’orbita, alla acquisizione e gestione dei dati raccolti, alla generazione dei comandiverso il satellite, e all’elaborazione deidati ricevuti dal satellite.

Sistema di lancio

IIIa

61

Osservazione OtticaL’osservazione ottica utilizza

sensori passivi: acquisiscono il segnale da sorgenti esterne.

- fino al 1978: solo sensori passivi

(ottici, infrarossi e a microonde)

Visibilità L’immagine dipende dalla posizione del Sole

LimitazioniLimitazioni

IIIaElementi base missione spaziale cnd.

62

Osservazione Radar

Prima Missione: SEASAT (1978)sensori attivi a microonde (SAR, altimetri,

scatterometri)

Utilizza sensori attivi, che irradiano, e ricevono il ritorno dal loro

irraggiamento

IIIa

Di seguito due delle immagini della missione

Elementi base missione spaziale cnd.

63

Immagine radar

Immagine ottica

IIIaElementi base missione spaziale cnd.

LongIsland

NEW

YORK

64

1° Missione SIR-C/X-SAR (SRL-1) Aprile 1994

2° Missione SIR-C/X-SAR (SRL-2) Ottobre 1994

3° Missione SIR-C/X-SAR (SRTM) Febbraio 2000

Missioni spaziali con partecipazionedell’Italia

Collaborazione tra NASA, DLR, e ASI

IIIa

65

Dati ottenuti dalle prime due missioniIIIa

Le immagini sono state ottenute dal sensore SAR

44 paesi 70.000.000

SRL-1

Il SIR-C/X-SAR ha prodotto 95 ore di dati, registrati su 166 cassette, ricoprendo, in 939 data takes (equivalenti a 20.000 volumi di enciclopedia):

Km 2

SRL-2

Il SIR-C/X-SAR ha prodotto 110 ore di dati, registrati su 199 cassette, ricoprendo, in 950 data takes:

44 paesi 83.000.000 Km 2

Missioni spaziali con partecipazione Italia cnd.

66

IIIa3° Missione SIR-C/X-SAR (SRTM)

Febbraio 2000Missione abitata - 6 astronauti.

Struttura della Shuttle modificata per permettere l’interferometria dallo spazio a

singolo passaggio.

Missioni spaziali con partecipazione Italia cnd

67

Onda ricevuta

Onda trasmessa

Missioni SRL-1 e SRL-2 Missione SRTM

IIIaMissioni spaziali con partecipazione Italia cnd

68

IIIa Missioni spaziali con partecipazione Italia cnd

69

E’ una stella cadente?

No, è la scia dello shuttle nel cielo di San Marino!

IIIaMissioni spaziali con partecipazione Italia cnd.

70

multifrequenza multipolarizzazione multi angolo di vista multipassaggio

Parametri e Applicazioni del SAR

Per ogni sito si possono usare più immagini per realizzare immagini complesse (a falsi colori)

multifrequenziali multitemporali multipolarimetriche tridimensionali

IIIa

Alcune applicazioni sono illustrate nelle immagini seguenti

71

Immagine Tridimensionale GeoreferenziataIIIa

VulcanoEtna

Parametri e Applicazioni del SAR cnd.

72

Immagine MultitemporaleIIIa

La valledell’Arno,

In Toscana

Anno 1994Rosso 16 Apr. Verde 17 Apr.Blu 13 Apr.

Missioni spaziali con partecipazione Italia cnd

INTRODUCTION TO SYNTHETIC APERTURE RADAR

73

IIIb

Nei libri nei quali il SAR épresentato, questo siintroduce invocando l’effettoDoppler. I risultati non sonoerrati, ma il modello fisico égrossolanamente errato.

L’effetto Doppler accade quandoIl segnale viene ricevuto nelladirezione di spostamento dellapiattaforma, mentre nel caso in esame la ricezione accade nelladirezione ortogonale.

IIIb Applicazioni del SAR

74

IIIb

Il sistema SAR presentato assume che siano irradiati impulsi. Il motivo éche la fisica del sistema é più facilmente presentata. A rigore, questosistema, non ancora correntemente applicato, dovrebbe chiamarsi ImpSAR(Impulse SAR), perchè il SAR tradizionale adopera segnali sinusoidaliimpulsati.

Dal punto vista fisico, il funzionamento é lo stesso: gli impulsi devonoessere modificati, in modo da sommarsi coerentemente se provenienti dalpunto in esame sul territorio. A tal fine é opportuno esprimere il segnalesinusoidale nella forma:

e lavorare direttamente sulla fase Φ: la somma coerente implica quindila modifica della fase del segnale sinusoidale.

irtirt expReexpRecos

2;2

f

Il sistema SAR

75

SAR interferometrico (IFSAR)

Immagine con singolo sensore Immagini con doppio sensore

IIIb

Esempio di procedura di elaborazione con uso di segnale complessoImmagine tridimensionale

76

1. Vengono generate le due immagini (2-D), relative alla coppia deisensori

IIb IFSAR cnd.

rirxrx

4exp,,1

2. Le due immagini vannoregistrate nello spazio,in modo da sovrapporreuna sull’altra

rrirrxrx

4exp,,ˆ2

77

1. Fase Interferometrica

rrrxrxrx 4,ˆ,ˆPh, *

21

IIbIFSAR cnd.

cossin2222

rHzrllrrr

2. Geometria

3. Derivazione

cos

sincos

sinl

rrl

rrrr

zrz

rl

rz

cos4

sin

cos4

sinl

rz4. Conclusione

78

SAR InterferometricoDEM

Sardinia, Italy

Amplitude Phase Coherence

Raw data ESA copyright

IIbIFSAR cnd.

79

Frange InterferometricheIIb

VulcanoETNa

IFSAR cnd.

80

Immagine TridimensionaleIIb

Vulcano Etna

IFSAR cnd.

81

Immagine Tridimensionale GeoreferenziataIIIb

VulcanoETNA

IFSAR cnd.

82

SAR MultitemporaleIIIa

La valledell’Arno,

In Toscana

Anno 1994Rosso 16 Apr. Verde 17 Apr.Blu 13 Apr.

83

Domande ?

III

Commenti ?


III. ? ? ?

84

IV. Stato dell’Arte Come già esposto all’inizio della Sez. VI, i sensori satellitariinviano a Terra un segnale coincidente essenzialmente con la misura effettuata, E’ compito della Stazione di Terra dielaborare tali raw data per generare i dati richiesti nellevarie applicazioni (Value Added Products).

Nelle slides seguenti vengono presentati esempi di un certonumero di elaborazioni, centrate su SAR differenziale(DIFSAR), e SAR Impulsivo (ImpSAR). Il primo trova valideapplicazioni nel controllo dello slittamento delle superfici, attività dei vulcani, controllo della temperatura del suolo, per citarne alcuni: essenzialmente quindi in ambito geologico. Il secondo é validamente adoperato nel settore di problemilegati alla sicurezza.

85

SAR Differenziale (DIFSAR)Controllo dello slittamento nel tempo della superficie

La fase interferometrica é data da

rrsd

44 ddd lrr

sin4

IV

86

il respiro dell’Etna

…e ora…

IVDIFSAR cnd

87

IVDIFSAR cnd

88

il singhiozzo deiCampi Flegrei

(caldera)

…ora…

IVDIFSAR cnd

89

Interferogramma complessivoIV DIFSAR cnd

90

Area urbana di NapoliIV

DIFSAR cnd

91

E’ apparente una significativacorrelazione, spaziale e temporale,tra gli abbassamenti della superficiecittadina, messi in luce dagliinterferogrammi, e i lavori di scavo per i lavori della metropolitana (1992/95)

IV DIFSAR cnd

92

Il più costosotermometronel mondo

…ora…

IVDIFSAR cnd

93

Deformazione correlata alla temperatura della superficie

IVDIFSAR cnd

94

Elaborazione in tempo reale

, txh Segnale ricevuto dal SAR

),(),(),( 0 GH FT del segnale ricevuto

ONE-BIT CODING

FT del segnale d’immagine ,,, 0

GH

Segnale d’immagine ,FT, 1- tx

tdxdttxxgtxhtx ),(,),( 0

95

Elaborazione in tempo reale?

SI , se l’elaborazione è operata nel dominio del tempo, e sia il segnale grezzo ricevuto, siala funzione filtro sono ambodue codificate a 1-bit. L’elaborazione consiste nel far scivolare le due sequenze codificate a 1-bit, l’una rispettoall’altra,e contare le coincidenze.

Alcune elaborazioni eseguite in ambito dellamissione spaziale SRTM sono mostrate nelleslide seguenti

Elaborazione tempo reale cnd.

96Last minute additions






99

IV Vedere attraverso i muri (ImpSAR)

Vedere attraverso i muri è problema di grande rilevanza nelcampo della Sicurezza (Homeland Security). In tal modo si ha ausilio nell’individuare la presenza di terroristi, ed eventualiostaggi negli edifici, come anche depositi di munizioni, etc.. Nel caso di crolli (terremoti, atti di terrorismo, le stessetecniche di avvistamento possono essere adoperate.

Qesta visione è assicurata dalle microonde che, a differenzadelle frequenze ottiche, riescono a passare attraverso ilmateriale che compone i muri. Il sistema ImpSAR é statorecentemente adoperato allo scopo.

Si riportano di seguito alcuni risultati sperimentali in oggetto.

100Optical (top) and ImpSAR (bottom) images of the M20 rifle.

(Courtesy of Eureka Aerospace)

Assenza di muro

IVImpSAR cnd.

101Optical (left) and ImpSAR (right) images of a human being. (Courtesy of Eureka Aerospace)

IVImpSAR cnd.

Assenza di muro

102(Courtesy of Eureka Aerospace)

IVImpSAR cnd.

Assenza e presenza di vari tipi di muro

103(Courtesy of Eureka Aerospace)

IVImpSAR cnd.

Assenza e presenza di vari tipi di muro

104

Domande ?

IV

Commenti ?


IV. ? ? ?

105

V V. Conclusioni

Nelle slides precedenti é stato presentato lo scheletroelettromagnetico che é alla base di tutti I sistemi di remote sensing. A tale presentazione ha fatto seguito un esame deisistemi satellitari di telerilevamento, in modo da far verificareil ruolo fondamentale della teoria elettromagnetica nel loroprogetto e gestione. Questo a portato a stabilire l’attualestato dell’arte di questi sistemi satellitari.

La giusta conclusione della presentazione é elencare i problemi ancora aperti, e degni di studio, con qualche piccolanota di commento. Tale elenco é di seguito presentato.

106

VConclusioni cnd.

Problemi degni di studio

Costellazioni. In Europa ne sono presenti due:CosmoSkyMed (Italia, Francia) e TerraSAR(Germania. Regno Unito): non ve ne sono altre (civili)nel mondo. Cosa può fare una Costellazione di Nsatelliti in più rispetto a N satelliti indipendenti?

Nuovi parametri della superficie esplorata. Sempreben visti, se hanno un senso fisico. Un esempio èil parametro dimensione frattale.

Approfondimento ImpSAR e sviluppo SAR Policromatico (PolySAR)

107

Il vero viaggio di scopertanon consiste nel

cercare nuove terre ma nell'avere nuovi occhi

M. Proust

V

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TELERILEVAMENTO E RETI DI CONTROLLO AMBIENTALE€¦ · Telerilevamento attivo. Bisogna inviare un segnale di esplorazione, il cui ritorno contiene le informazioni richieste, da ottenere