BR112015013524B1

BR112015013524B1 - Método de remoção da interferência da superfície em radar de abertura sintética, sar, visualização de alvos de subsuperfície em um sistema sar e sistema de sar para fornecimento de imagens de sar que apresentam a interferência de superfície removida

Info

Publication number: BR112015013524B1
Application number: BR112015013524-2A
Authority: BR
Inventors: Hans Hellsten
Original assignee: Saab Ab
Priority date: 2012-12-17
Filing date: 2012-12-17
Publication date: 2022-06-28
Also published as: BR112015013524A2; EP2932296A4; US20170299716A1; WO2014098660A1; US10416303B2; US9519055B2; EP2932296B1; EP2932296A1; ES2797529T3; US20150331097A1

Abstract

MÉTODO DE REMOÇÃO DA INTERFERÊNCIA DA SUPERFÍCIE EM UMA VISUALIZAÇÃO POR RADAR SAR DE ALVOS DE SUBSUPERFÍCIE, SISTEMA DE SAR PARA FORNECIMENTO DE IMAGENS DE SAR QUE APRESENTAM A INTERFERÊNCIA DE SUPERFÍCIE REMOVIDA. A presente invenção refere-se a um método e sistema para a obtenção (245, 250, 340, 345) de imagens de SAR com interferência de superfície reduzida ou eliminada para detecção de alvos de subsuperfície, e o método compreende as seguintes etapas: - a seleção (235, 240) de uma primeira frequência e de um ângulo de incidência para um sinal de radar de modo que a razão entre a retrodispersão na superfície e a retrodispersão do alvo da subsuperfície seja significativamente maior na polarização vertical (215) do que na horizontal; - a obtenção (245, 250, 340, 345, 340, 345) de imagens de SAR polarizadas verticalmente (215) e horizontalmente (210) com base no mesmo trajeto de SAR explorando a primeira frequência selecionada e o ângulo de visualização; - a ponderação e diferenciação das imagens de SAR polarizadas verticalmente e horizontalmente (210, 215) de modo que a retrodispersão na superfície seja cancelada completamente entre as duas imagens e somente a combinação dos componentes da retrodispersão do alvo permaneça.

Description

Campo Técnico

[0001] A presente invenção refere-se a um dispositivo de radar para visualização de subsuperfície que compreende uma unidade transmissora e uma unidade receptora, e a unidade transmissora é arranjada para transmitir um primeiro sinal de onda de rádio em um lobo na direção de uma área do solo selecionada em um ângulo de elevação selecionado θ para a área do solo. A invenção também se refere a um método para tal dispositivo de radar para visualização da subsuperfície.

Antecedentes da Invenção

[0002] Nas áreas áridas e a céu aberto de muitos conflitos atuais, o ato de enterrar objetos é um elemento comum nas táticas militares. A base lógica é que essa é frequentemente a única maneira de escondê- los e é muito simples de fazer, por exemplo, em um terreno arenoso. Esses objetos podem ser minas, armas ou túneis e esconderijos escondidos. De modo correspondente, há uma grande necessidade de dispositivos eficientes para detectar esses tipos de objetos enterrados.

[0003] As circunstâncias e finalidades da detecção de objetos enterrados variam. Capacidade de vigilância aliada a uma grande probabilidade de detecção é de interesse geral. Por exemplo, um transporte militar em uma rota ao longo de uma estrada deve possuir a capacidade de detectar as minas que podem prejudicá-lo enquanto viaja em uma velocidade razoável. Por outro lado, após um tratado de paz, há grande necessidade de uma remoção de minas eficiente, o que requer que todas as minas sejam encontradas e desativadas. Elas podem estar espalhadas sobre grandes áreas e nem sempre de forma que seja

[0001] bem controlada. Neste caso não há nenhuma demanda real de tempo, embora a tarefa de vigilância seja frequentemente tão extensa que a capacidade de vigilância deve ser grande. A tarefa de procurar por armas escondidas frequentemente é limitada a determinadas áreas e pode não ter nenhum requisito real imediato de tempo. No entanto, pode haver uma pressão forte para a obtenção de resultados dentro de prazos definitivos, de modo que a capacidade de vigilância também é de grande interesse neste caso.

[0002] Uma área de aplicação emergente é a restauração de antigos armazéns militares e de áreas de treinamento para o uso civil do solo. As áreas podem estar gravemente poluídas por arsenais não detonados e resíduos prejudiciais. A localização desses depósitos de resíduos pode ter sido esquecida devido às dramáticas mudanças organizacionais, por exemplo, na Europa Oriental.

[0003] Quando os requisitos de vigilância são grandes, o uso de dispositivos portáteis para detecção de minas pode ser ineficiente. Além disso, os dispositivos de detecção automoventes que dependem de efeitos magnetostáticos ou eletrostáticos (que medem desse modo a permeabilidade do solo ou a constante de dieleletricidade) têm uma baixa capacidade de vigilância. A razão é que os campos estáticos diminuem em faixas curtas, necessitando de movimentos cuidadosos e lentos no processo de detecção. Por outro lado, o radar é baseado em radiação eletromagnética. Uma vez que a atenuação da faixa da radiação eletromagnética é menor do que a dos campos eletrostáticos, o radar parece ser o princípio a ser preferido para a detecção de ampla cobertura de objetos na subsuperfície.

[0004] Os objetos na subsuperfície podem ser pequenos e seus sinais muito fracos. Portanto, um dispositivo de detecção deve detectar somente uma pequena parte do solo onde o distúrbio no solo devido à presença de um objeto será relativamente visível. Um problema com a operação de radar em faixas de vigilância maiores é, portanto, como obter uma resolução suficiente isolando pequenos volumes de solo. O princípio do radar de abertura sintética, SAR, é um método bem conhecido para obter uma alta resolução bidimensional da superfície do solo.

[0005] O Radar de Abertura Sintética, SAR, é usado de preferência a partir do ar, embora sistemas baseados no solo também sejam possíveis. Um SAR transportado pelo ar produz imagens bidimensionais perpendiculares ao trajeto do avião no voo. Uma dimensão na imagem é chamada faixa (ou varredura transversal) e é uma medida da distância da "linha de visão" do radar ao alvo. A medição e a resolução da faixa são obtidas no radar de abertura sintética da mesma maneira que na maioria dos outros radares: a faixa é determinada pela medição precisa do tempo a partir da transmissão de um pulso para recebimento do eco de um alvo e, no SAR mais simples, a resolução da faixa é determinada pela largura de faixa do sinal transmitido, isto é, os sinais com largura de faixa maior produzem uma resolução de faixa fina.

[0006] A outra dimensão é chamada azimute (ou direção longitudinal) e é perpendicular à faixa sobre a superfície do solo. É a capacidade de SAR de produzir uma resolução em azimute fina que o diferencia dos outros radares. Para obter uma resolução em azimute fina, é necessária uma antena fisicamente grande para focalizar a energia transmitida e recebida em um feixe agudo. A agudeza do feixe define a resolução em azimute. Do mesmo modo, os sistemas óticos, tais como os telescópios, requerem grandes aberturas (espelhos ou lentes que são análogos à antena de radar) para obter uma resolução de visualização fina. Uma vez que os SARs têm uma frequência muito mais baixa do que os sistemas óticos, mesmo o SAR de resoluções moderadas requer uma antena fisicamente maior que pode ser praticamente carregada por uma plataforma transportada pelo ar: uma antena com comprimento de várias centenas de metros é frequentemente necessária. No entanto, o radar transportado pelo ar pode coletar dados enquanto voa por uma determinada distância e então processar os dados como se eles viessem de uma antena fisicamente longa. A distância que o avião voa na sintetização da antena é conhecida como abertura sintética. Uma largura de feixe sintética estreita resulta de uma abertura sintética relativamente longa, que produz a resolução mais fina que é possível a partir de uma antena física menor.

[0007] Embora esta seção tente apresentar uma compreensão intuitiva, os SARs não são tão simples tal como descrito acima. Mesmo para resoluções em azimute moderadas, a faixa de um alvo a cada posição na abertura sintética muda ao longo da abertura sintética. No SAR a energia refletida do alvo deve ser "focalizada matematicamente" para compensar a dependência da faixa através da abertura antes da formação da imagem. Quando a abertura é grande, o SAR pode oferecer uma resolução próxima do comprimento de onda do radar. A focalização é altamente sensível às suposições de geometria e os objetos desaparecerão na imagem de SAR a menos que essas suposições sejam feitas corretamente.

[0008] No entanto, o radar previamente conhecido ou os sistemas de SAR não podem ter nem apresentar uma capacidade de detecção reduzida quando usados para detecção subterrânea, uma vez que a energia eletromagnética não pode penetrar suficientemente no solo, mas é refletida sobre a superfície.

[0009] O documento EP196522A1 descreve o uso de SAR limitado por difração que fornece um grande ângulo de integração e uma profundidade de campo curta que faz com que a energia dos alvos subterrâneos seja focalizada de modo independente em profundidades diferentes para permitir a visualização 3D.

[00010] O documento US2007/0024489A1 apresenta métodos e sistemas de processamento de sinal para o radar de penetração no solo a partir de plataformas elevadas para obter imagens de subsuperfície. O ângulo de depressão, a frequência e a polarização podem ser ajustados manualmente para as condições do solo. Particularmente, o ângulo de depressão é ajustado no "pseudoângulo de Brewster" para uma penetração aprimorada no solo.

[00011] O objetivo da presente invenção consiste na provisão de um radar aperfeiçoado que pode ser usado para formação de imagens subterrâneas aprimoradas

Sumário da Invenção

[00012] A presente invenção refere-se a um Radar de Abertura Sintética para detecção de alvos abaixo do solo.

[00013] A ideia central da invenção é uma combinação linear de duas imagens de SAR obtidas simultaneamente. Uma imagem de SAR é obtida com as ondas de rádio polarizadas horizontalmente, a outra com ondas de rádio polarizadas verticalmente. O inventor descobriu que ambas as polarizações respondem com intensidade muito diferente aos detalhes de superfície, uma vez que suas respostas subterrâneas ocorrem com intensidades mais similares. A combinação linear é ajustada de uma maneira particular de modo que uma diferença entre as duas imagens obtidas de maneira diferente praticamente cancela reciprocamente a interferência da superfície, mas os sinais de subsuperfície não se cancelam reciprocamente um ao outro. O método e o(s) algoritmo(s) preciso(s) para a combinação linear usam uma imagem de SAR de diferença polarimétrica de "energia mínima" adaptável, removendo a influência da superfície.

Método(s) de Detecção

[00014] A presente invenção apresenta um método de detecção de objetos no subsolo com base em um algoritmo de detecção de mudança de polarização (algoritmo PCD) da invenção que se aplica ao radar de abertura sintética de baixa frequência (SAR) em frequências abaixo de 500 MHz. O comprimento de onda nessas frequências é maior ou igual a 0,6 m.

[00015] A retrodispersão do radar que ocorre em solo nu nesses comprimentos de onda pode estar relacionada aos componentes de Fourier do perfil de elevação do solo, pela teoria da dispersão de Bragg. Para a maioria dos tipos de solo nu e comprimentos de onda considerados, as amplitudes de elevação dos componentes de Fourier individuais são só uma fração do comprimento de onda. Por essa razão, também os efeitos de polarização tornam-se bem modelados pelo assim chamado "modelo de pequena perturbação" (SPM), estabelecido integralmente na teoria da dispersão eletromagnética em superfície irregular. No caso do solo nu, o PCD pode ser projetado para basear-se de maneira determinista neste modelo de SPM ou alternativamente ser projetado como um algoritmo adaptável, combinando estatisticamente os dados ao modelo. Esta última abordagem tem a vantagem de incorporar também os desvios do SPM. Por exemplo, o método pode permitir que a superfície do solo tenha alguma vegetação, mas somente quando for utilizada a abordagem em que os dados são estatisticamente combinados por um algoritmo adaptável. O modelo de SPM então não é mais válido, e a situação fica difícil de modelar teoricamente, mas ainda permanece pelo menos aproximadamente verdadeiro que as amplitudes da retrodispersão estão em uma razão fixa entre a polarização vertical e horizontal ao ir de pixel em pixel, com as amplitudes verticais significativamente mais fortes.

[00016] O algoritmo PCD tem a finalidade de eliminar a retrodispersão na superfície do solo nas aplicações de detecção de alvo na subsuperfície. Tal como descrito, a retrodispersão na superfície é causada pela irregularidade da superfície do solo. Ela compete e em muitos casos inibe qualquer resposta dos objetos de subsuperfície. De fato, uma vez que as respostas da superfície e da subsuperfície somam- se com uma diferença de fase aleatória, qualquer resposta subterrânea pode diminuir a resposta livre do solo assim como pode aumentá-la. Portanto, o fato de limitar a resposta livre como um meio para encontrar a resposta da subsuperfície é considerado ineficiente.

[00017] A detecção de mudança coerente - CCD - é um processo conhecido de cancelamento da retrodispersão na superfície que leva em conta a informação de fase. O cancelamento é obtido subtraindo-se a informação de fase/amplitude de uma imagem de SAR de outra no mesmo cenário de solo. A CCD requer que o cenário tenha sido sobreavoado duas vezes com a distribuição do alvo modificada no meio, mas que outros parâmetros (por exemplo, umidade da do solo) não tenham sido modificados. Ela não pode ser um método de cancelamento muito eficiente, uma vez que muitas das estruturas de ruído multiplicativas (manchas e lobos laterais - esses efeitos podem ser significativos) serão independentes entre os sobrevoos e não serão canceladas.

[00018] O algoritmo PCD da presente invenção baseia-se nas medições polarizadas horizontalmente e verticalmente simultâneas ou entrelaçadas durante o mesmo voo. Desse modo, não apresenta as limitações de eficiência da CCD. Por outro lado, implica em uma redução livre da resposta do alvo com 6 - 10 dB, embora esse inconveniente possa ser compensado (de acordo com a equação do radar) com a diminuição das faixas de vigilância em 40% a 50%.

[00019] Desse modo, de acordo com um primeiro aspecto, é apresentado um método de remoção da interferência de superfície na visualização do radar SAR de alvos de subsuperfície, e o método compreende as seguintes etapas: - a seleção de uma primeira frequência e de um ângulo de incidência (%0) para um sinal de radar de modo que a razão entre a retrodispersão na superfície e a retrodispersão do alvo da subsuperfície seja significativamente maior na polarização vertical do que na horizontal; - a obtenção de imagens de SAR polarizadas verticalmente e horizontalmente com base no mesmo trajeto de SAR explorando a primeira frequência selecionada e o ângulo de incidência para um sinal de radar polarizado verticalmente e polarizado horizontalmente; - a ponderação e diferenciação das imagens de SAR polarizadas verticalmente e horizontalmente de modo que a retrodispersão na superfície seja cancelada completamente entre as duas imagens e somente a combinação dos componentes da retrodispersão do alvo permaneça.

[00020] Método, em que a primeira frequência do sinal de radar e o ângulo de incidência são escolhidos de modo que o comprimento de onda do sinal de radar polarizado verticalmente é maior ou igual à irregularidade da superfície.

[00021] Método, em que o ângulo de incidência é escolhido para que seja tão baixo quanto possível, mas sem o surgimento de sombras.

[00022] Método, em que o ângulo de incidência é escolhido para que seja maior do que zero (incidência horizontal) e menor do que o ângulo de Brewster.

[00023] Método, em que os sinais de radar polarizados horizontal e verticalmente são gerados por uma antena horizontal e vertical que conduz os registros no chamado modo pingue-pongue.

[00024] Método, em que a primeira frequência fica no intervalo de 25 e 500 MHz.

[00025] Método, em que a primeira frequência fica no intervalo de 130 e 360 MHz.

[00026] Método, em que os componentes de transmissão e de recepção são adaptados para funcionar dentro de uma faixa de 25 m a 5000 m.

[00027] Método, em que os componentes de transmissão e de recepção são adaptados para funcionar dentro de uma faixa de 100 m a 500 m.

[00028] Método, em que um método de energia mínima adaptável é usado para a ponderação e a diferenciação das imagens de SAR polarizadas verticalmente e horizontalmente de modo que a retrodispersão na superfície é quase ou completamente cancelada entre as duas imagens e somente a combinação dos componentes da retrodispersão do alvo permaneça.

[00029] Método, em que o método compreende as seguintes etapas: - o auxílio de um avião em voo (205); - a obtenção (210) de uma imagem de SAR complexa HH FH(x, y); - a obtenção (215) de uma imagem de SAR complexa FV FV(x, y); - a seleção (305, 350), dentro das imagens, de uma área T que parece ser homogênea; - a localização (310) de um ymin de modo que

- a formação (320) de uma imagem de SAR suprimida da interferência do solo Δ F (x, y) pela formação da expressão

[00030] Método, em que os alvos de subsuperfície são detectados subsequentemente pela aplicação, por exemplo, dos métodos de limitação de CFAR, ICD ou CCD em ΔF.

[00031] De acordo com um segundo aspecto, é apresentado um sistema de SAR que fornece as imagens de SAR que tiveram as interferências da superfície removidas para melhorar a detecção dos alvos de subsuperfície, e o sistema compreende - um primeiro transmissor; - uma primeira antena; - um primeiro duplexer; - um primeiro receptor; para a obtenção de uma imagem de SAR polarizada horizontalmente, e - um segundo transmissor; - uma segunda antena; - um segundo duplexer; - um segundo receptor; para a obtenção de uma imagem de radar polarizada verticalmente, e o sistema compreende adicionalmente - uma unidade do ângulo de incidência para fornecer dados do ângulo de incidência a uma - calculadora de coeficiente analítica, que é configurada para calcular os coeficientes cH,g , cV,g , cH,t , cV,t para serem usados nos cálculos de - um combinador linear, o sistema compreendendo adicionalmente - uma unidade de controle do combinador linear para controle do combinador linear a fim de combinar linearmente as imagens do primeiro receptor e do segundo receptor para formar uma imagem de SAR suprimida da interferência do solo (ΔF(x, y)) pela formação da diferença entre a imagem de SAR de polarização horizontal e o produto de ymin ou CH,g /CV, g e a imagem de SAR de polarização vertical, tal como selecionada por um operador e transportada pela unidade de controle do combinador linear, e o sistema compreende adicionalmente - uma unidade localizadora de gama-min (ymin), para localizar e fornecer ao combinador linear um ymin de uma função de energia, e o sistema também tem - uma unidade de seleção para selecionar uma área de teste homogênea T como entrada na unidade localizadora de gama-min.

[00032] O sistema compreende adicionalmente um detector de alvo e uma unidade de exibição para detecção e visualização dos alvos detectados por um operador.

[00033] O sistema compreende adicionalmente uma unidade de controle de pingue-pongue conectada aos transmissores para fazer com que os transmissores emitam no modo pingue-pongue.

Breve Descrição dos Desenhos

[00034] A invenção e sua modalidade específica serão descritas agora em detalhes com o auxílio dos desenhos a seguir, em que

[00035] A Figura 1 é uma vista de um helicóptero com um radar de abertura sintética de baixa frequência equipado com antenas de polaridade diferente.

[00036] A Figura 2a é um fluxograma de um método geral de detecção de alvos de subsuperfície com o uso de SAR.

[00037] A Figura 2b é um fluxograma de um método analítico de detecção de alvos de subsuperfície com o uso de SAR.

[00038] A Figura 3a é um fluxograma de um método adaptável de detecção de alvos de subsuperfície com o uso de SAR.

[00039] A Figura 3b é um fluxograma mais detalhado do método adaptável da Figura 3a.

[00040] A Figura 4a mostra um exemplo de uma resposta avaliada complexa do alvo e da superfície do solo.

[00041] A Figura 4b mostra as respostas da Figura 4a ponderadas novamente selecionando coeficientes de ponderação para cancelar a resposta da superfície do solo.

[00042] A Figura 4c mostra um diagrama de intensidade do sinal de radar versus o ângulo de incidência usando a teoria de SPM e os coeficientes de reflexão de Fresnel para calcular o alvo e a resposta da superfície como uma função do ângulo de incidência e para verificar a atenuação livre da resposta do alvo quando a resposta da superfície é cancelada. É observado que a atenuação é relativamente independente do ângulo de incidência.

[00043] A Figura 5 mostra as relações entre a seção transversal do radar ou refletividades em diferentes polarizações e a superfície e os elementos de dispersão do alvo, medidas em algum ponto em intensidade nas imagens de SAR.

[00044] A Figura 6 mostra, em uma representação de diagrama de blocos, um sistema de SAR para obter imagens de SAR com a interferência de superfície removida para melhorar a detecção de alvos de subsuperfície.

Descrição Detalhada Definições

[00045] Os termos a seguir serão usados com significados associados em todo este documento, se não indicado explicitamente de outro modo.

[00046] Irregularidades da superfície; a irregularidade da superfície é uma medida da irregularidade de uma superfície do solo; há dois critérios bem estabelecidos das irregularidades da superfície: Critério de Rayleigh: se Δh < A/ 8 cos Θ, a superfície é lisa Critério de Fraunhofer: se Δh < A/ 32 cos Θ, então a superfície é lisa onde Δh: desvio padrão da irregularidade da superfície :comprimento de onda : ângulo de incidência Ângulo de incidência; o ângulo de incidência é o ângulo entre a direção longitudinal do sinal de radar de incidência e a direção normal média até a superfície do solo Modo pingue-pongue; um sistema de radar que tem uma primeira e uma segunda antena de transmissão e de recepção combinadas e transmissores e receptores acompanhantes, que pode operar no modo pingue-pongue, isto é, o transmissor da segunda antena não emite até que o receptor da primeira antena receba um eco de um sinal transmitido pelo transmissor da primeira antena, e vice versa.

Geral

[00047] É arranjado um radar SAR de baixa frequência para fornecer um canal polarizado horizontalmente, assim como um canal polarizado verticalmente. Os canais são arranjados para estar em linha com respeito à direção do voo a fim de que cada um forneça uma imagem de SAR pixel a pixel completamente coincidente, com exceção da diferença na polarização, isto é, se a mesma polarização fosse usada, haveria duas imagens inteiramente idênticas.

[00048] O solo a céu aberto tem frequentemente uma irregularidade em que as diferenças médias de altura por uma distância de um a alguns metros são só uma fração dessa distância. O comprimento de onda do radar do radar de baixa frequência é da ordem de um a alguns metros. É sabido, e é uma consequência das equações de Maxwell, que quando a irregularidade dessa maneira é pequena se comparada ao comprimento de onda do sinal de radar, a retrodispersão do sinal de radar com polarização vertical é muito mais forte do que a retrodispersão de um sinal horizontal. Há uma relação entre a retrodispersão na polarização vertical e horizontal nessas condições em particular, o que depende substancialmente do ângulo de incidência, só depende de modo fraco da constante dielétrica e não depende da irregularidade nem do comprimento de onda. Este fato implica que uma imagem de radar da superfície do solo será quase idêntica à da polarização horizontal e vertical, com uma única, porém significativa diferença, de que a imagem polarizada verticalmente tem uma intensidade muito mais alta.

[00049] Se houver alvos do radar abaixo da superfície, esses também serão encontrados nas duas imagens de SAR. A resistência ao radar dos alvos subterrâneos irá variar entre os canais, mas não de acordo com as mesmas leis matemáticas que os reflexos da superfície. Para alvos subterrâneos as condições são indicadas pelos coeficientes de reflexão de Fresnel, que afirmam que a polarização vertical fornece uma intensidade maior. A diferença de intensidade é, no entanto, menor para os alvos subterrâneos do que para a retrodispersão da superfície.

[00050] Devido ao fato de que as condições ambientais na superfície e abaixo do solo facilitam da maneira acima explicada, a retrodispersão da superfície do solo pode ser eliminada na imagem de SAR procurando uma combinação linear das imagens polarizadas de modo diferente. Isto envolve atribuir à retrodispersão da superfície a mesma amplitude, mas um sinal oposto, à medida que a retrodispersão é polarizada de modo diferente. A retrodispersão do objeto subterrâneo será desse modo reduzida, mas somente a um nível que pode ser aceito. A compensação para essa redução é conseguida com o emprego do sistema de radar a uma distância mais curta, com a vantagem crucial de que a interferência de superfície concorrente é desse modo eliminada de maneira considerável.

[00051] Devido ao fato de que a interferência de superfície é em muitos casos a razão principal pela qual os alvos de subsuperfície não podem ser distinguidos, o método apresentado no presente pedido de patente tem grande importância nos pedidos de patente que pretendem identificar alvos de subsuperfície.

Vista Geral do Sistema

[00052] O algoritmo PCD requer uma polarização horizontal transmitida e recebida (HH) e uma polarização vertical transmitida e recebida (VV) da imagem de SAR do solo que, de cada aspecto do levantamento de dados, sejam tão similares quanto possível. Desse modo: As antenas podem ter um centro de fase comum ou um centro de fase deslocado ao longo do eixo de voo. No último caso os centros de fase devem ser ajustados para um centro de fase comum com a separação entre os dois levada em conta na compensação de movimento de processamento de SAR; Uma realização pode ser baseada em um transceptor de radar comum que alterna entre as antenas de polarização H e V ou um canal para cada uma um e que opera em paralelo. O último caso tem, no entanto, o inconveniente de apanhar qualquer resposta de polarização transversal não desejada.

[00053] A Figura 1 mostra um helicóptero 100 provido com um sistema de SAR de baixa frequência equipado com as antenas de polarização H e polarização V 110, 115, 120, 125 para as imagens de SAR entrelaçadas HH e VV.

[00054] A Figura 2a mostra um fluxograma de um método geral de detecção de alvos de subsuperfície utilizando o SAR. Durante o voo 205 a imagem SAR de polarização horizontal 210 e a imagem SAR de polarização vertical 215 são obtidas. As duas imagens são combinadas linearmente 220 pelo uso de determinado(s) método(s) para remover a resposta do solo e acentuar desse modo a resposta do subsolo/subsuperfície. Subsequentemente, os alvos de subsuperfície podem ser detectados manualmente de uma imagem de exibição ou detectados 230 com o auxílio da aplicação, por exemplo, dos métodos limitação de CFAR, ICD ou CCD.

Fórmulas Matemáticas

[00055] Esta seção apresenta as fórmulas de polarimetria para a modificação da retrodispersão da superfície e do alvo para uma superfície semitransparente.

[00056] De acordo com o modelo de pequena perturbação (SPM) na teoria da dispersão eletromagnética em superfície irregular, as imagens de SAR HH e VV (incluindo a fase) avaliadas como complexas têm a seguinte estrutura (abaixo o índice de refração n pode ser aceito como real - a parte imaginária afeta muito pouco para os solos relevantes o ângulo de incidência 20)

em que FH (x, y) é a imagem de SAR de polarização horizontal F (x, y) é a imagem de SAR de polarização vertical cH,g é um coeficiente de retrodispersão de superfície irregular específico de polarização horizontal SPM cV,gé um coeficiente de retrodispersão de superfície irregular específico de polarização vertical SPM fg (x, y) é a contribuição da imagem de SAR a partir da superfície irregular cH,t é uma perda de transmissão de amplitude 2-way específica da polarização horizontal igual à perda de transmissão de energia de 1-way específica da polarização cV,t é uma perda de transmissão de amplitude 2-way específica da polarização vertical igual à perda de transmissão de energia de 1-way específica da polarização é a contribuição da imagem de SAR a partir dos alvos de subsuperfície

[00057] Além disso, os coeficientes de retrodispersão de superfície irregular de SPM específicos de polarização têm a seguinte estrutura:

[00058] Além disso, a perda de transmissão de amplitude 2-way específica da polarização adicional é igual à perda de transmissão de energia de 1-way específica da polarização

em que n é índice de refração (pode ser aceito como real) X0 é o ângulo de incidência e as expressões indicadas nas duas equações acima são o coeficiente de reflexão de Fresnel.

[00059] Neste contexto, pode ser notado que o "opaco" é igual a n = 5,5 e o "transparente" é igual a n = 3, o que resume a variabilidade da maioria dos solos secos, em frequências de aproximadamente 100 MHz.

Princípio de Detecção de Mudança Polarimétrica

[00060] A presente invenção apresenta um método para a criação da assim chamada imagem de mudança polarimétrica. Tal imagem de mudança polarimétrica é obtida em duas etapas principais. As etapas removem de modo eficiente a resposta do solo, mas mantêm a resposta da subsuperfície. A Figura 2b mostra um fluxograma de tal método de detecção de alvos de subsuperfície com o uso de SAR. Ele pode ser chamado de método "analítico".

[00061] As etapas principais, além de obter imagens polarizadas horizontalmente e verticalmente, e os coeficientes de formação 255, 260, tal como descritos acima, são: Multiplicação 265 da segunda equação pelo quociente cH, g/cv, g FH (x, y)=cH, gfg (x, y)+cH, tft (x, y) Fv(x, y)=cv, gfg(x, y)+cv, tft(x, y) 2. Subtração 265 das duas equações uma da outra formando uma imagem de mudança polarimétrica ΔF(x,y), também chamada de imagem de SAR suprimida da interferência do solo.

[00062] Essas etapas resultam em um cancelamento desejado da resposta do solo e também em uma mudança na resposta do alvo de subsuperfície.

Interpretação do PCD com Respeito à Seção Transversal do Radar

[00063] As relações entre a seção transversal do radar ou as refletividades em diferentes polarizações e os elementos de dispersão da superfície e do alvo, medidas em qualquer ponto em intensidade das imagens de SAR serão explicadas a seguir.

Compreensão da Atenuação do Alvo do PCD

[00064] A razão independente das respostas de polarização H e V da superfície do solo e do alvo pode ser usada para suprimir essa última ao preço de uma certa atenuação que afeta a resposta do alvo.

[00065] A Figura 4a mostra um exemplo de resposta avaliada como complexa do alvo e da superfície do solo. A incidência é de cima para a esquerda, e a seta pontilhada no primeiro quadrante e a seta com linha inteira no terceiro quadrante representam a diferença de polarização do alvo devido à reflexão de superfície difusa. A seta de linha inteira no segundo quadrante e a seta de linha pontilhada no quarto quadrante representam a diferença de polarização do solo devido à perda de refração causada pelos coeficientes de reflexão especular de Fresnel.

[00066] A Figura 4b mostra as respostas da Figura 4a ponderadas novamente pela seleção de coeficientes de ponderação para cancelar a resposta de superfície do solo.

[00067] A Figura 4c mostra um diagrama de intensidade do sinal de radar versus ângulo de incidência usando a teoria do SPM e os coeficientes de reflexão de Fresnel para calcular a resposta do alvo e da superfície como uma função do ângulo de incidência e para ver a atenuação da resposta do alvo quando a resposta de superfície é cancelada. Deve ser observado que a atenuação é relativamente independente do ângulo de incidência, como também pode ser visto na equação abaixo.

[00068] A Figura 5 mostra as relações entre a seção transversal do radar ou refletividades em diferentes polarizações e os elementos de dispersão da superfície e do alvo, medidas em qualquer ponto em intensidade das imagens de SAR.

Algoritmo PCD Adaptável

[00069] O presente pedido de patente apresenta dois métodos básicos para detecção dos alvos de subsuperfície - um método determinístico/analítico, tal como descrito acima, que conta com o fato de que o índice de refração do solo é conhecido e - um método adaptável, que não requer tal conhecimento, mas que presume que o índice de refração é o mesmo sobre uma área.

[00070] Embora a atenuação da resposta do alvo de subsuperfície é quase independente do índice de refração, a razão entre a superfície V a H depende significativamente do índice de refração, tal como visto na Figura 4a; isto favorece muito o método adaptável.

[00071] As Figuras 3a e 3b mostram um fluxograma do método adaptável. O método conta com o fato de que os alvos de subsuperfície são esporádicos e que eles não afetam em termos de energia a imagem de SAR. O método compreende as seguintes etapas: - a seleção 330, 335 de frequências de SAR e do ângulo de incidência apropriados de modo que a razão entre a retrodispersão na superfície e a retrodispersão do alvo de subsuperfície seja significativamente maior para a polarização vertical do que para a horizontal; - o auxílio de um avião em voo (205); - a obtenção de uma imagem de SAR complexa HH 210, 340 FH (x, y); - a obtenção de uma imagem de SAR complexa VV 215, 345 FV (x, y) ; - a seleção 305, 350 de uma área de teste homogênea T em torno de uma posição de alvo potencial; - a localização 310, 355 de um ymin de modo que uma função de energia E formada como a integral sobre a área T do quadrado da diferença entre a imagem de SAR de polarização horizontal e o produto de ymin e a imagem de SAR de polarização vertical está minimizada;

- a formação 320, 360 de uma imagem de SAR suprimida da interferência do solo ΔF(x, y) pela formação da diferença entre a imagem SAR de polarização horizontal e o produto de ymin e da imagem de SAR de polarização vertical;

[00072] Subsequentemente, os alvos de subsuperfície podem ser detectados 325 pela aplicação, por exemplo, dos métodos de limitação de CFAR, ICD ou CCD em ΔF.

Sistema

[00073] A Figura 6 mostra um diagrama de blocos de um sistema para detecção de alvos de subsuperfície utilizando um ou ambos os métodos descritos acima. A seguir o primeiro transmissor, a primeira antena, o primeiro duplexer e o primeiro receptor são para os sinais de polarização horizontal, enquanto o segundo transmissor, a segunda antena, o segundo duplexer e o segundo receptor são para os sinais de polarização vertical.

[00074] O sistema compreende uma primeira cadeia para obtenção de uma imagem de radar polarizada horizontalmente, isto é, um primeiro transmissor 615, uma primeira antena 605, um primeiro duplexer 610 e um primeiro receptor 620. Adicionalmente, ele compreende uma segunda cadeia para obtenção de uma imagem de radar polarizada verticalmente, isto é, um segundo transmissor 635, uma segunda antena 625, um segundo duplexer 630 e um segundo receptor 640.

[00075] O sistema compreende adicionalmente uma unidade para seleção do ângulo de incidência 650 para fornecer o ângulo de incidência a uma calculadora de coeficiente analítica 655, que calcula os coeficientes cH,g , cV,g , cH,t , cV,t tal como explicado acima.

[00076] Além disso, o sistema compreende uma unidade de controle de combinador linear 660 para controle de um combinador linear 665 a fim de combinar linearmente as imagens do primeiro receptor 620 e do segundo receptor 640 para formar uma imagem de SAR suprimida da interferência do solo ΔF(x, y) pela formação da diferença entre a imagem de SAR de polarização horizontal e o produto de ymin ou CH,t /CV, t, e a imagem de SAR de polarização vertical, tal como selecionadas por um operador e transmitidas pela unidade de controle de combinador linear 660.

[00077] O sistema também compreende uma unidade localizadora de ymin gama-min 670 para localizar e fornecer ao combinador linear um ymin de acordo com o que foi explicado minimização da função de energia E de acordo com o método adaptável tal como explicado acima. O sistema tem também uma unidade de seleção 675 para a seleção de uma área de teste homogênea T como entrada para a unidade localizadora de ymin gama-min.

[00078] O sistema pode ainda ser provido com um detector de alvo 680 e uma unidade de exibição 685 para detecção e visualização dos alvos detectados por um operador.

Claims

1. Método de remoção da interferência da superfície em radar de abertura sintética, SAR, visualização de alvos de subsuperfície em um sistema SAR, caracterizado pelo fato de que compreende: - a seleção (330, 335) de uma primeira frequência e de um ângulo de incidência (%0) para um sinal de radar de modo que a razão entre a retrodispersão na superfície e a retrodispersão do alvo da subsuperfície seja maior para polarização vertical do que para horizontal; - a obtenção (210, 215, 340, 345) por componentes de transmissão e recepção do sistema de SAR e com o auxílio de uma aeronave em voo (205), uma imagem de SAR polarizada verticalmente FV(X, Y) e uma imagem de SAR polarizada horizontalmente FH(X, Y) com base em um mesmo trajeto de SAR explorando a primeira frequência selecionada e o ângulo de incidência para um sinal de radar polarizado verticalmente e polarizado horizontalmente; - a ponderação e diferenciação (320, 360) das imagens de SAR polarizadas verticalmente e horizontalmente (210, 215), em que um método de energia mínima adaptável seja usado para a ponderação e diferenciação das imagens de SAR polarizadas verticalmente e horizontalmente, de modo que a retrodispersão na superfície seja cancelada completamente entre as duas imagens e somente a combinação dos componentes da retrodispersão do alvo permaneça, pela - seleção (305, 350), dentro das imagens, uma área T que parece ser homogênea; - localização (310) de um ymin de modo que uma função de energia E seja minimizada como:

- formação (320) de uma imagem de SAR suprimida da interferência do solo Δ F (x, y) pela formação da expressão

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira frequência do sinal de radar e o ângulo de incidência são escolhidos de modo que o comprimento de onda do sinal de radar polarizado verticalmente seja maior do que ou igual à irregularidade da superfície.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o ângulo de incidência é escolhido para ser tão baixo quanto possível, mas sem o surgimento de sombras.

4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o ângulo de incidência é escolhido para ser maior do que zero (incidência horizontal) correspondendo à incidência horizontal e menor do que o ângulo de Brewster.

5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que os sinais de radar polarizados horizontalmente e verticalmente são gerados por uma antena horizontal e vertical que conduzem os registros em um modo chamado pingue- pongue.

6. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a primeira frequência fica no intervalo de 25 a 500 MHz.

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a primeira frequência fica no intervalo de 130 a 360 MHz.

8. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que os componentes de transmissão e de recepção foram adaptados para funcionar dentro de uma faixa de 25 m a 5000 m.

9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que os componentes de transmissão e de recepção foram adaptados para funcionar dentro de uma faixa de 100 m a 500 m.

10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que os alvos de subsuperfície são detectados subsequentemente (325) pela aplicação pelo menos um dentre métodos de limitação de CFAR, ICD ou CCD em ΔF.

11. Sistema de SAR (600) para fornecimento de imagens de SAR que apresentam a interferência de superfície removida para melhorar a detecção de alvos de subsuperfície, caracterizado pelo fato de que compreende - um primeiro transmissor (615); - uma primeira antena (605); - um primeiro duplexer (610); - um primeiro receptor (620), configurado para a obtenção (245) de uma imagem de SAR polarizada horizontalmente FH(x, y) com base em um trajeto de SAR, e - um segundo transmissor (635); - uma segunda antena (625); - um segundo duplexer (630); - um segundo receptor (640), configurado para a obtenção (250) de uma imagem de SAR polarizada verticalmente FV(x, y) com base no trajeto de SAR; em que o sistema de SAR compreende adicionalmente - uma unidade do ângulo de incidência (650) para fornecer dados do ângulo de incidência a uma - calculadora de coeficiente analítica (655), que é configurada para calcular os coeficientes cH,g , cV,g , cH,t , cV,t para serem usados nos cálculos de - um combinador linear (665), e o sistema compreende adicionalmente - uma unidade localizadora de gama-min (ymin) (670), para localizar e fornecer ao combinador linear um ymin de uma função de energia, e o sistema também tem - uma unidade de seleção (675) para selecionar uma área de teste homogênea T como entrada na unidade localizadora de gama-min (670) do sistema de SAR, em que a unidade localizadora de gama-min é configurada para localizar um ymin que minimiza uma função de energia E como:

- uma unidade de controle do combinador linear (660) para controle de um combinador linear (665) a fim de combinar linearmente as imagens de SAR polarizadas verticalmente para formar uma imagem de SAR suprimida da interferência do solo (ΔF(x, y)) pela formação da diferença entre a imagem de SAR de polarização horizontal (210) e o produto de ymin encontrado e a imagem de SAR de polarização vertical (215), tal como selecionada por um operador e transportada pela unidade de controle do combinador linear (660).

12. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um detector de alvo (680) e uma unidade de exibição (685) para detecção e visualização dos alvos detectados por um operador.

13. Sistema, de acordo com a reivindicação 11 ou 12, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma unidade de controle de pingue-pongue conectada aos primeiro e segundo transmissores (615, 635) para fazer com que os primeiros e segundo transmissores (615, 635) emitam no modo pingue-pongue.