BR102012030375B1

BR102012030375B1 - airborne interferometric synthetic aperture radar

Info

Publication number: BR102012030375B1
Application number: BR102012030375-2A
Authority: BR
Inventors: Dieter Lübeck; Maurício Aveiro; João Roberto Moreira Neto
Original assignee: Embraer S.A.
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2021-06-22
Also published as: BR102012030375A2

Abstract

RADAR DE ABERTURA SINTÉTICA INTERFEROMÉTRICO AEROTRANSPORTADO compreendendo um corpo (21) associado a um conjunto formado por uma cabeça (22), à qual está fixada pelo menos uma antena da banda centimétrica (23 a, 23b, 23c e 23d), as dimensôes de dito conjunto sendo ligeiramente inferiores às do orifício (27) do suporte padrão (11') utilizado como suporte das câmaras aerofotogramétricas, no qual dito radar está montado mediante um dispositivo de adaptação. Numa concretização alternativa, pelo menos parte de ditas antenas da banda centimétrica (23b, 23d) está instalada numa porção telescópica (22a) da dita cabeça, sendo dita porção telescópica verticalmente deslocável. O referido radar poderá ser complementado por antenas da banda decimétrica (24a, 24b) instaladas nas laterais da fuselagem (15) da aeronave.AIRBORNE INTERFEROMETRIC SYNTHETIC OPENING RADAR comprising a body (21) associated with an assembly formed by a head (22) to which at least one antenna of the centimeter band (23a, 23b, 23c and 23d) is fixed, the dimensions of said set being slightly inferior to those of the hole (27) of the standard support (11') used as support of the aerophotogrammetric cameras, in which said radar is mounted by means of an adaptation device. In an alternative embodiment, at least part of said centimeter band antennas (23b, 23d) is installed in a telescopic portion (22a) of said head, said telescopic portion being vertically displaceable. Said radar may be complemented by decimetric band antennas (24a, 24b) installed on the sides of the fuselage (15) of the aircraft.

Description

Field of Invention

[0001] Refere-se a presente invenção ao campo dos levantamentos plani-altimétricos efetuados a partir do sobrevoo da área de interesse por meio de aeronaves especialmente equipadas para tal e, mais particularmente, ao uso de radares aerotransportados para efetuar tais levantamentos.[0001] The present invention refers to the field of plani-altimetric surveys carried out from the overflight of the area of interest by means of specially equipped aircraft and, more particularly, to the use of airborne radars to carry out such surveys.

State of the art

[0002] O mapeamento plani-altimétrico feito por meio de radar vem substituindo o mapeamento aerofotogramétrico tradicional devido às vantagens que apresenta em comparação a este. Em primeiro lugar, a obtenção dos dados não está sujeita às condições de visibilidade atmosféricas, uma vez que os sinais de radar atravessam as nuvens.[0002] The plani-altimetric mapping done by radar has been replacing the traditional aerophotogrammetric mapping due to the advantages it presents in comparison to this one. First, data acquisition is not subject to atmospheric visibility conditions, as radar signals traverse clouds.

[0003] Outra vantagem reside no fato de que as informações são recebidas sob a forma de sinais elétricos os quais podem ser processados algoritmicamente sem requerer a intervenção humana para interpretação das imagens.[0003] Another advantage lies in the fact that information is received in the form of electrical signals which can be processed algorithmically without requiring human intervention to interpret the images.

[0004] Uma das dificuldades encontradas no emprego de radares para mapeamento plani-altimétrico tem sido adaptação das aeronaves originalmente equipadas para aerofotogrametria para montagem dos radares.[0004] One of the difficulties found in the use of radars for plani-altimetric mapping has been the adaptation of aircraft originally equipped for aerophotogrammetry to assemble the radars.

[0005] Ao contrário do que ocorre com os equipamentos fotogramétricos, cuja instalação em aeronaves é feita por meio de dispositivos padronizados e amplamente divulgados, no caso dos radares isso não ocorre. Consequentemente, a instalação desses radares é feita de maneira improvisada. Os documentos PI 0711331-5, WO 9207282, US 501 792 2, e US 545 195 7 descrevem o estado da técnica. Não há nenhum sensor radar para fins cartográficos que tenha interface mecânica para o suporte padrão comumente utilizado nos levantamentos aerofotogramétricos.[0005] Unlike what happens with photogrammetric equipment, whose installation in aircraft is done through standardized and widely publicized devices, in the case of radars this does not occur. Consequently, the installation of these radars is done in an improvised way. Documents PI 0711331-5, WO 9207282, US 501 792 2, and US 545 1957 describe the state of the art. There is no radar sensor for cartographic purposes that has a mechanical interface to the standard support commonly used in aerophotogrammetric surveys.

[0006] Com efeito, os sensores radar são integrados de forma independente, não utilizando a infraestrutura disponível do suporte padrão em aeronaves para câmeras fotogramétricas de grande formato.[0006] Indeed, radar sensors are independently integrated, not using the infrastructure available from standard aircraft support for large format photogrammetric cameras.

[0007] O tempo e custo de integração na aeronave dos radares disponíveis no mercado são muito altos. O procedimento atual de instalação de um radar em uma aeronave pode ser descrito abaixo: - contrata-se um engenheiro aeronáutico para auxiliar o engenheiro eletrônico do radar na escolha dos pontos de fixação do radar e do local das perfurações a serem feitas para fixação das antenas do radar. - eventualmente necessita-se o uso de radomes para as antenas para redução do atrito do ar durante o voo da aeronave; - contrata-se uma oficina aeronáutica especializada, que junto às autoridades aeronáuticas competentes, irá realizar as modificações na aeronave e o teste em voo das modificações, para que a autoridade aeronáutica competente faça emissão do certificado suplementar, do tipo STC.[0007] The time and cost of integrating the radars available on the market into the aircraft are very high. The current procedure for installing a radar in an aircraft can be described below: - an aeronautical engineer is hired to assist the radar electronics engineer in choosing the radar attachment points and the location of the perforations to be made to attach the antennas of the radar. - eventually it is necessary to use radomes for the antennas to reduce air friction during the aircraft flight; - a specialized aeronautical workshop is contracted, which together with the competent aeronautical authorities, will carry out the modifications to the aircraft and the in-flight testing of the modifications, so that the competent aeronautical authority can issue the supplementary certificate, of the STC type.

Objectives of the invention

[0008] Um primeiro objetivo é o de prover um conjunto de radar mais suporte que seja de fácil instalação e alta robustez.[0008] A first objective is to provide a more supportive radar set that is easy to install and high robustness.

[0009] Outro objetivo é o de aproveitar na medida do possível, dispositivos já conhecidos tais como os utilizados em aerofotogrametria.[0009] Another objective is to use, as far as possible, devices already known such as those used in aerophotogrammetry.

Summary description

[0010] Os objetivos acima, bem como outros, são atingidos mediante o provimento de uma unidade de radar de dimensões reduzidas e compatíveis com os suportes utilizados nas câmaras aerofotogramétricas.[0010] The above objectives, as well as others, are achieved through the provision of a radar unit of reduced dimensions and compatible with the supports used in aerophotogrammetric cameras.

[0011] De acordo com outra característica da invenção, a unidade de radar é móvel, podendo ser escamoteada de modo a não ficar saliente durante as manobras de decolagem e pouso da aeronave.[0011] According to another feature of the invention, the radar unit is mobile and can be retracted so as not to protrude during the aircraft takeoff and landing maneuvers.

Description of figures

[0012] As demais características e vantagens da invenção ficarão mais evidentes através da descrição de uma concretização preferida, dada a título exemplificativo e não limitativo, e das figuras que a ela se referem, nas quais:[0012] The other characteristics and advantages of the invention will be more evident through the description of a preferred embodiment, given by way of example and not limitation, and the figures that refer to it, in which:

[0013] A figura 1 mostra um conjunto conhecido de câmara fotogramétrica instalada na fuselagem de um avião de pequeno porte.[0013] Figure 1 shows a known photogrammetric camera assembly installed in the fuselage of a small plane.

[0014] A figura 2 mostra uma concretização da unidade de radar de acordo com a invenção.[0014] Figure 2 shows an embodiment of the radar unit according to the invention.

[0015] A figura 3 é uma vista em corte transversal de uma aeronave com o radar em posição de uso.[0015] Figure 3 is a cross-sectional view of an aircraft with the radar in position for use.

[0016] A figura 4 mostra o mesmo radar em posição retraída.[0016] Figure 4 shows the same radar in retracted position.

[0017] A figura 5 mostra uma concretização do radar em que parte da cabeça de suporte das antenas é telescopicamente deslocável.[0017] Figure 5 shows an embodiment of the radar in which part of the support head of the antennas is telescopically displaceable.

[0018] A figura 6 é um diagrama de blocos do radar, de acordo com a invenção.[0018] Figure 6 is a block diagram of the radar, according to the invention.

[0019] A figura 7 é uma vista em corte longitudinal de uma aeronave, mostrando a unidade de radar e alguns acessórios.[0019] Figure 7 is a longitudinal sectional view of an aircraft, showing the radar unit and some accessories.

[0020] A figura 8 ilustra uma concretização alternativa da invenção, na qual toda a cabeça de suporte das antenas é deslocável.[0020] Figure 8 illustrates an alternative embodiment of the invention, in which the entire support head of the antennas is displaceable.

Detailed Description

[0021] A Fig. 1 ilustra uma câmera aerofotogramétrica de formato grande, no caso uma WILD RC-10, instalada numa aeronave de pequeno porte, com destaque no suporte padrão 11 no piso da fuselagem. Esse suporte consiste basicamente num anel de fixação instalado num furo tendo, tipicamente, um diâmetro de 50cm podendo essa dimensão ser reduzida mediante anéis de adaptação, no caso de câmeras menores ou sistemas plani-altimétricos a Laser, os chamados sistemas LIDAR.[0021] Fig. 1 illustrates a large format aerophotogrammetric camera, in this case a WILD RC-10, installed in a small aircraft, highlighted in the standard support 11 on the fuselage floor. This support basically consists of a fixation ring installed in a hole, typically having a diameter of 50cm and this dimension can be reduced by means of adaptation rings, in the case of smaller cameras or laser plani-altimetric systems, the so-called LIDAR systems.

[0022] De acordo com a Fig. 2, o radar proposto 20 compreende um corpo 21 contendo toda a eletrônica analógica, digital, de rádio frequência e de navegação, podendo esta ser baseada em satélites GPS ou em plataforma inercial necessária à operação do radar. Inclusive pode ter os sistemas de processamento em tempo real, gravação de dados brutos e processados, sistema de link up/down de comunicação de dados. O referido corpo está dotado de uma estrutura de suporte (não ilustrada) idêntica àquela de uma câmera aerofotogramétrica, de modo a permitir sua fixação no suporte padrão, permitindo utilizar as aeronaves já modificadas para aero-fotogrametria.[0022] According to Fig. 2, the proposed radar 20 comprises a body 21 containing all analog, digital, radio frequency and navigation electronics, which may be based on GPS satellites or on inertial platform necessary for the operation of the radar . It can even have real-time processing systems, raw and processed data recording, data communication link up/down system. Said body is provided with a support structure (not shown) identical to that of an aerophotogrammetric camera, in order to allow its fixation on the standard support, allowing the use of aircraft already modified for aerophotogrammetry.

[0023] Ainda de acordo com as figuras 2 e 3, bem como com os princípios da invenção, o corpo 21 está associado a um conjunto formado por uma cabeça 22, à qual estão fixadas antenas da banda centimétrica 23a, 23b, 23c e 23d. As dimensões de dito conjunto são ligeiramente inferiores às do orifício 27 do suporte padrão 11’ de tal forma que ditas antenas sobressaem abaixo da fuselagem 25 da aeronave, de modo a poder emitir e receber as ondas do radar sem quaisquer obstruções. A cabeça 22 pode ter uma, duas, três, quatro ou mais antenas de banda centimétrica.[0023] Still according to figures 2 and 3, as well as the principles of the invention, the body 21 is associated with an assembly formed by a head 22, to which antennas of the centimeter band 23a, 23b, 23c and 23d are fixed . The dimensions of said set are slightly smaller than the hole 27 of the standard support 11' in such a way that said antennas protrude below the fuselage 25 of the aircraft, so as to be able to emit and receive the radar waves without any obstructions. Head 22 can have one, two, three, four or more centimeter band antennas.

[0024] A configuração com quatro grupos de antenas ilustrada na Fig. 3 permite o mapeamento de ambos os lados da linha de voo da aeronave utilizando a técnica interferométrica, no qual as linhas de base são as distâncias verticais 26 entre as antenas 23a-23b e 23c-23d. Outras configurações podem ser utilizadas, tal como, por exemplo, somente uma antena tal como 23a ou 23b. Nesse caso é iluminada uma faixa à direita da linha de voo da aeronave, e o radar deixa de ser interferométrico para topografia, podendo ser utilizado para gerar imagens e/ou para medida de subsistência utilizando a interferometria diferencial.[0024] The configuration with four groups of antennas illustrated in Fig. 3 allows the mapping of both sides of the aircraft's flight line using the interferometric technique, in which the baselines are the vertical distances 26 between the antennas 23a-23b and 23c-23d. Other configurations can be used, such as, for example, only an antenna such as 23a or 23b. In this case, a strip to the right of the aircraft's flight line is illuminated, and the radar is no longer interferometric for topography, but can be used to generate images and/or to measure subsistence using differential interferometry.

[0025] No caso de haver duas antenas, por exemplo, uma para a direita 23a e uma para a esquerda 23c, o radar continua sendo não interferométrico para topografia. Ele pode ser utilizado para gerar imagens com faixas à direita e à esquerda da aeronave e/ou para medida de subsistência utilizando a interferometria diferencial.[0025] In case there are two antennas, for example, one to the right 23a and one to the left 23c, the radar remains non-interferometric for topography. It can be used to generate images with bands to the right and left of the aircraft and/or to measure livelihood using differential interferometry.

[0026] Pode-se também ter as duas antenas no mesmo lado, por exemplo 23a-23b, caso em que o mapeamento plani-altimétrico do lado direito da linha de voo da aeronave com interferometria.[0026] One can also have the two antennas on the same side, for example 23a-23b, in which case the plani-altimetric mapping of the right side of the aircraft flight line with interferometry.

[0027] No caso de ter três antenas, por exemplo duas antenas 23a e 23b para a direita e uma 23c para a esquerda, o radar passa a ser interferométrico para a topografia no lado direito e continua tendo as mesmas características do anterior para o lado esquerdo, ou seja, para fins de mapeamento sem interferometria para topografia e com interferometria diferencial.[0027] In the case of having three antennas, for example two antennas 23a and 23b to the right and one 23c to the left, the radar becomes interferometric for the topography on the right side and continues to have the same characteristics as the previous one for the side left, that is, for mapping purposes without interferometry for topography and with differential interferometry.

[0028] Existe ainda a possibilidade de uso de 5 ou 6 antenas, ou seja, três antenas de cada lado. Nesse caso, haverá até três linhas de base verticais através da combinação entre cada par de antenas. Essa solução é empregada no levantamento plani-altimétrico de regiões muito montanhosas.[0028] There is also the possibility of using 5 or 6 antennas, that is, three antennas on each side. In this case, there will be up to three vertical baselines through the combination between each pair of antennas. This solution is used in the plani-altimetric survey of very mountainous regions.

[0029] A Fig. 3 mostra ainda as antenas de banda decimétrica 24a e 24b que são fixadas nas laterais da fuselagem 25 da aeronave e conectadas ao corpo do radar por cabos coaxiais. A descrição detalhada dessas antenas encontra-se no pedido de patente PI0802273-9, intitulado “Conjunto Radiante Tridimensional Assimétrico”. Outras antenas para banda decimétrica também podem ser aqui utilizadas.[0029] Fig. 3 also shows the decimetric band antennas 24a and 24b that are fixed on the sides of the fuselage 25 of the aircraft and connected to the radar body by coaxial cables. The detailed description of these antennas is found in patent application PI0802273-9, entitled "Asymmetric Three-Dimensional Radiant Assembly". Other antennas for decimetric band can also be used here.

[0030] As dimensões do radar proposto permitem que ele possa ser deslocado para dentro da fuselagem da aeronave quando conveniente, tal como ilustrado na Fig. 4. Esta característica reduz o arrasto aerodinâmico durante a decolagem, além de não comprometer a distância livre entre a fuselagem e solo quando esta estiver no solo.[0030] The dimensions of the proposed radar allow it to be moved into the aircraft fuselage when convenient, as illustrated in Fig. 4. This feature reduces the aerodynamic drag during takeoff, in addition to not compromising the free distance between the fuselage and ground when it is on the ground.

[0031] A Fig. 5 mostra uma concretização alternativa do radar, a qual permite modificar a linha de base até mais de um metro. Segundo ilustrado, parte do conjunto de antenas, a saber, as antenas 23b e 23d, está instalada numa porção telescópica 22’ da cabeça, a qual é deslocável verticalmente de modo a permitir o ajuste, conforme a necessidade, da linha de base 29, ou seja, a distância entre as antenas 23a (fixa) e 23b, bem como entre 23c (fixa) e 23d.[0031] Fig. 5 shows an alternative embodiment of the radar, which allows modifying the baseline up to more than one meter. As illustrated, part of the antenna assembly, viz. antennas 23b and 23d, is installed in a telescopic portion 22' of the head, which is vertically displaceable so as to allow adjustment, as necessary, of the baseline 29, that is, the distance between antennas 23a (fixed) and 23b, as well as between 23c (fixed) and 23d.

[0032] A Fig. 6 mostra o diagrama em blocos do radar proposto, compreendendo os seguintes elementos: • uma tomada de alimentação 32 que é conectada à fonte de alimentação interna 33 do corpo do radar, a qual alimenta todas as unidades desse corpo; • uma antena GPS 28 que é conectada ao bloco de controle e navegação do radar 37 que por sua vez é controlada através do terminal de operação 31; • as antenas da banda decimétrica 24a e 24b que são conectadas à unidade de amplificação de potência e recepção 38 a qual amplifica o sinal de transmissão do bloco 39, enviando-o a ditas antenas da banda decimétrica. O sinal de retorno do solo é recebido pelas mesmas antenas, amplificado pelo subsistema de recepção 38 e enviado à unidade 39 de rádio frequência; • o conjunto de antenas de banda centimétrica 23a, 23b, 23c e 23d que são conectadas à unidade 34 de amplificação de potência e de recepção. Aqui o sinal de transmissão da unidade de rádio frequência 39 é amplificado e enviado a uma ou mais do referido conjunto de antenas. O sinal de retorno do solo é recebido pelas mesmas antenas, amplificado pelo subsistema de recepção do bloco 34 e enviado à unidade 39 de rádio frequência; • a estrutura 35 de fixação das antenas de banda centimétrica, associada a uma plataforma inercial de alta precisão 36. Os dados dessa plataforma são fusionados com os dados do sistema GPS no bloco de controle e navegação 37; • o bloco 41 que efetua o processamento dos sinais em tempo real, contendo circuitos de conversão analógica-digital, gravação de dados brutos, gravação de dados processados e down-link dos dados processados.[0032] Fig. 6 shows the block diagram of the proposed radar, comprising the following elements: • a power socket 32 that is connected to the internal power supply 33 of the body of the radar, which powers all units of that body; • a GPS antenna 28 which is connected to the radar control and navigation block 37 which in turn is controlled via the operating terminal 31; • the decimetric band antennas 24a and 24b which are connected to the power amplification and reception unit 38 which amplifies the transmit signal from block 39, sending it to said decimetric band antennas. The ground return signal is received by the same antennas, amplified by the receiving subsystem 38 and sent to the radio frequency unit 39; • the set of centimeter-band antennas 23a, 23b, 23c and 23d which are connected to the power amplifying and receiving unit 34. Here the transmit signal from the radio frequency unit 39 is amplified and sent to one or more of said set of antennas. The ground return signal is received by the same antennas, amplified by the receiving subsystem of block 34 and sent to the radio frequency unit 39; • the structure 35 for fixing centimeter band antennas, associated with a high-precision inertial platform 36. The data from this platform are merged with the data from the GPS system in the control and navigation block 37; • block 41 that performs the processing of signals in real time, containing circuits for analog-digital conversion, recording of raw data, recording of processed data and down-link of processed data.

[0033] A Fig. 7 mostra uma vista em corte longitudinal do sistema de radar proposto, no qual se podem observar, além da unidade radar propriamente dita e respectivas antenas, a conexão com a antena GPS 28, o terminal de operação 31 que permite ao piloto ativar o radar e também receber instruções de comando e navegação da aeronave para execução do voo de aquisição de dados. Essa figura mostra ainda um defletor aerodinâmico móvel 42, para redução do arrasto da aeronave durante o voo de aquisição de dados.[0033] Fig. 7 shows a longitudinal sectional view of the proposed radar system, in which it can be observed, in addition to the radar unit itself and its antennas, the connection with the GPS antenna 28, the operating terminal 31 that allows the pilot activates the radar and also receives command and navigation instructions from the aircraft to perform the data acquisition flight. This figure also shows a mobile aerodynamic deflector 42, to reduce aircraft drag during the data acquisition flight.

[0034] A Fig. 8 mostra uma concretização alternativa da invenção, na qual toda a cabeça de suporte 22’’ das antenas 23a, 23b, 23c e 23d é verticalmente deslocável. Nesse caso, o corpo do radar 43 diferencia-se daquele ilustrado na Fig. 2, possuindo dimensões maiores de modo a permitir que a dita cabeça possa ser escamoteada para o seu interior, segundo exemplificado pela seta 45. Assim, o referido corpo permanece fixo, sendo apenas a cabeça afastada para fora da fuselagem durante o sobrevoo.[0034] Fig. 8 shows an alternative embodiment of the invention, in which the entire support head 22' of antennas 23a, 23b, 23c and 23d is vertically displaceable. In this case, the radar body 43 differs from that illustrated in Fig. 2, having larger dimensions in order to allow said head to be retracted into its interior, as exemplified by arrow 45. Thus, said body remains fixed , with only the head being moved out of the fuselage during the flyover.

[0035] Se bem que a invenção tenha sido descrita fazendo referência a uma concretização preferida, modificações poderão ser introduzidas no objeto, dentro dos limites da ideia inventiva. De acordo, a invenção se encontra definida e delimitada pelo conjunto de reivindicações que se segue.[0035] Although the invention has been described with reference to a preferred embodiment, modifications may be introduced in the object, within the limits of the inventive idea. Accordingly, the invention is defined and delimited by the following set of claims.

Claims

1. Airborne Interferometric Synthetic Aperture Radar comprising a body (21) provided with a support structure and associated with an assembly formed by a head (22) to which is attached at least one antenna of the centimeter band (23a, 23b, 23c and 23d), characterized in that the dimensions of said assembly are slightly smaller than the orifice (27) of a standard support (11') used as a support for aerial photogrammetric cameras, and the body support structure (21) is identical to that of an aerophotogrammetric camera and is attached to the standard support (11') of the aerophotogrammetric cameras.

2. Radar according to claim 1, characterized in that the vertical distance between at least two antennas (23a-23b, 23c-23d) defines a baseline (26, 29) for interferometric operation.

3. Radar according to claim 1, characterized in that it is associated, in the same aircraft (25) with at least one decimetric band antenna (24a, 24b).

4. Radar according to claim 1, characterized in that part of the antennas (23b, 23d) is installed in a telescopic portion (22') of said head, said telescopic portion being vertically displaceable.

5. Radar according to claim 1, characterized in that the antennas (23a, 23b, 23c, 23d) are installed in a head (22') telescopically displaceable in the vertical direction.

6. Radar according to claim 1, characterized in that it comprises a structure (35) for fixing the centimeter band antennas, associated with a high-precision inertial platform 36, the data from this platform being merged with the data from the GPS system (28) in a control and navigation block (37).