IT201900005444A1

IT201900005444A1 - Innovativo metodo per eseguire acquisizioni sar con dimensioni di swath incrementate

Info

Publication number: IT201900005444A1
Application number: IT102019000005444A
Authority: IT
Inventors: Diego Calabrese
Original assignee: Thales Alenia Space Italia Spa Con Unico Socio
Priority date: 2019-04-09
Filing date: 2019-04-09
Publication date: 2020-10-09
Also published as: WO2020208579A1; EP3953732A1; US20220214449A1

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“INNOVATIVO METODO PER ESEGUIRE ACQUISIZIONI SAR CON DIMENSIONI DI SWATH INCREMENTATE”

CAMPO TECNICO DELL’INVENZIONE

La presente invenzione riguarda, in generale, il rilevamento da remoto basato su radar ad apertura sintetica (Synthetic Aperture Radar - SAR) e, più nello specifico, un innovativo metodo per eseguire acquisizioni SAR che consente di soddisfare i requisiti, tra loro in conflitto, tra risoluzione in azimut e dimensioni di swath, limitando al contempo la complessità hardware nei sistemi SAR.

STATO DELLA TECNICA

Com’è noto, una delle applicazioni più importanti dei sistemi di osservazione della Terra (Earth Observation - EO) basati su SAR spaziali e aerei è la capacità di acquisire grandi aree della superficie terrestre con elevata risoluzione.

La principale geometria di acquisizione SAR è la cosiddetta modalità Stripmap, in cui un sensore SAR trasportato lungo una direzione di volo di una piattaforma aerea o spaziale (per esempio, un velivolo/drone o un satellite/veicolo spaziale) trasmette segnali radar verso una striscia della superficie terrestre (nota come swath) e quindi riceve dalla stessa corrispondenti segnali retrodiffusi. Tipicamente, lo swath si estende principalmente parallelamente a una direzione di azimut, che viene individuata da una traccia a terra della direzione di volo e che è parallela a detta direzione di volo. Inoltre, lo swath ha una data larghezza lungo una direzione di acrosstrack, che giace sulla superficie terrestre ed è ortogonale sia alla direzione di azimut sia a una direzione di nadir che passa attraverso il centro di fase dell’antenna del sensore SAR e che è ortogonale alla superficie terrestre e alla direzione di volo (e, quindi, anche alla direzione di azimut). Com’è noto, la risoluzione nominale in azimut della modalità Stripmap è limitata a metà della lunghezza fisica o equivalente lungo la direzione di azimut dell’antenna del sensore SAR.

Spesso, per migliorare la risoluzione in azimut, si utilizza la cosiddetta modalità Spotlight, che è la principale tecnica SAR per ottenere un’elevata risoluzione spaziale. In particolare, la modalità Spotlight prevede un puntamento continuo, o quasi continuo, del fascio di antenna del sensore SAR in azimut durante il volo in modo da illuminare una stessa area di interesse della superficie terrestre con i segnali radar trasmessi e quindi ricevere dalla stessa i corrispondenti segnali retrodiffusi. In questo modo, viene aumentato il tempo di persistenza del sensore SAR sull’area di interesse e, quindi, viene migliorata la risoluzione in azimut. Sfortunatamente, la modalità Spotlight non consente di acquisire strisce, avendo in tal modo una forte limitazione in termini di lunghezza dell’area acquisita lungo la direzione di azimut.

Più in generale, la tecnologia SAR può essere considerata una tecnologia matura; infatti, oggigiorno vi sono innumerevoli articoli, manuali, brevetti e domande di brevetto che ne descrivono le caratteristiche e il potenziale; a tale proposito, è possibile fare riferimento, per esempio,

• all’articolo a nome di A. Currie et al. intitolato “Wide-swath SAR”, IEE Proceedings of Radar and Signal Processing, vol. 139, no. 2, 1 aprile 1992, pagine da 122 a 135, che verrà indicato qui di seguito, per semplicità descrittiva, come Rif 1 e che descrive vari metodi per ampliare lo swath osservabile attraverso un SAR;

• all’articolo a nome di G. Krieger et al. intitolato “Advanced Concepts for High-Resolution Wide-Swath SAR Imaging”, 8<th >European Conference on Synthetic Aperture Radar, 7 giugno 2010, pagine da 524 a 527, che verrà indicato qui di seguito, per semplicità descrittiva, come Rif 2 e che presenta vari concetti relativi ai sistemi SAR multi-canale per creare immagini SAR a swath ampio ad alta risoluzione;

• al libro di J. C. Curlander e R. N. McDonough intitolato “Synthetic Aperture Radar: Systems and Signal Processing”, Wiley Series in Remote Sensing, Wiley-Interscience, 1991, che verrà indicato qui di seguito, per semplicità descrittiva, come Rif 3 e che è un manuale sui sistemi SAR;

• al libro di G. Franceschetti e R. Danari intitolato “Synthetic Aperture RADAR Processing”, CRC Press, Marzo 1999, che verrà indicato qui di seguito, per semplicità descrittiva, come Rif 4 e che è un altro manuale sui sistemi SAR;

• all’articolo a nome di D. Calabrese intitolato “DIscrete Stepped Strip (DI2S)”, EUSAR 2014 - 10<th >European Conference on Synthetic Aperture Radar, dal 3 al 5 giugno 2014, Berlino, Germania, che verrà indicato qui di seguito, per semplicità descrittiva, come Rif 5; o, equivalentemente, EP2954347B1 ed EP2956795B1, che verranno indicati qui di seguito, per semplicità descrittiva, come Rif 6 e Rif 7, rispettivamente.

Com’è ampiamente noto nel settore dei SAR, la risoluzione in azimut per un’acquisizione SAR nella modalità Stripmode è una funzione dell’apertura angolare (o differenza angolare – delta angolo) con cui si osserva un bersaglio mediante il sensore SAR; o, equivalentemente, la risoluzione in azimut può anche essere considerata come una funzione della differenza temporale (delta tempo - correlato alla velocità del sensore SAR) con cui si osserva il bersaglio. In particolare, la risoluzione in azimut può essere espressa dalla seguente equazione (per ulteriori dettagli, si può fare riferimento a Rif 3 e Rif 4):

in cui res indica la risoluzione in azimut, λ indica la lunghezza d’onda utilizzata dal sensore SAR e delta_angle indica l’apertura angolare (o differenza angolare - delta angolo) con cui si osserva l’obiettivo mediante il sensore SAR.

Assumendo l’apertura angolare delta_angle come un’apertura di 3 dB (unidirezionale) dell’antenna (= 0,886λ/L, in cui L indica la lunghezza fisica o equivalente lungo la direzione di azimut dell’antenna del sensore SAR), è possibile ottenere il vincolo tradizionalmente associato alla risoluzione in azimut per la modalità Stripmap, che è uguale a L/2 (per ulteriori dettagli, si può fare di nuovo riferimento a Rif 3 e Rif 4).

Come indicato nella letteratura SAR, esistono relazioni matematiche che mettono in relazione i parametri delle modalità operative. In particolare, il campionamento in azimut stabilisce che la frequenza di ripetizione di impulso (Pulse Repetition Frequency - PRF) di trasmissione/ricezione è correlata alla dimensione del fascio e alla velocità del sensore SAR (per ulteriori dettagli, si può fare di nuovo riferimento a Rif 3 e Rif 4):

in cui ɑ è un parametro dipendente dal livello desiderato di ambiguità, νsat indica la velocità del sensore SAR e L indica la lunghezza fisica o equivalente lungo la direzione di azimut dell’antenna del sensore SAR.

Il valore della PRF limita l’estensione dell’area misurata (swath) in range (per ulteriori dettagli, si può fare di nuovo riferimento a Rif 3 e Rif 4):

in cui ΔR indica l’estensione dell’area misurata (swath) in range, τ indica l’intervallo temporale (o la durata) dell’impulso radar trasmesso e c indica la velocità della luce.

Alla luce di quanto precede, vale la pena notare che una copertura di swath non ambigua, ampia, un’elevata risoluzione in azimut e un’elevata sensibilità impongono requisiti contrastanti sulla progettazione di SAR. In particolare, i requisiti per avere swath ampi ed elevate risoluzioni in azimut sono in reciproco conflitto. Infatti, da un lato, è preferibile una bassa PRF per avere “più tempo” per acquisire una scena ampia in un piano di across-trackelevazione. Tuttavia, d’altra parte, è preferibile un fascio di antenna ampio per migliorare la risoluzione in azimut. Sfortunatamente, quest’ultima caratteristica richiede un’elevata PRF, entrando così in conflitto con il primo requisito.

Per migliorare le capacità dei sistemi SAR e per proporre nuove soluzioni per superare i limiti della tradizionale modalità Stripmap, sono state proposte negli ultimi anni svariate tecniche. Tali tecniche impongono degradazione di prestazioni e/o una considerevole complicazione nello sviluppo hardware.

In particolare, oltre alla modalità Spotlight e alle modalità a burst (per esempio, ScanSAR e TOPS) che forniscono un deterioramento in termini di risoluzione in azimut, nella letteratura SAR vi sono tecniche diverse che tentano di superare i requisiti in reciproco conflitto di cui sopra. Queste tecniche possono essere logicamente suddivise in:

• tecniche a condivisione di spazio (o divisione di spazio);

• tecniche a condivisione angolare/di angolo (o divisione angolare/di angolo); e

• tecniche a condivisione di tempo (o divisione di tempo).

Tecniche a condivisione di spazio

Per superare i problemi di cui sopra, in passato sono state proposte tecniche che utilizzano modalità a divisione di spazio, quale, per esempio, la cosiddetta tecnica a centri a spostamento di fase (Displaced Phase Center - DPC) (per ulteriori dettagli, si può fare riferimento a Rif 1 e Rif 2), che richiede l’uso di molteplici antenne di ricezione. Ciò può essere conseguito utilizzando molteplici sensori SAR o segmentando una singola antenna e utilizzando molteplici sistemi di ricezione. In particolare, secondo la tecnica DPC, viene trasmesso un fascio ampio (ovvero, dimensione di antenna ridotta L) e quindi contemporaneamente ricevuto con M antenne (di piccola dimensione come quella utilizzata nella trasmissione) disposte lungo la direzione di azimut. L’uso di molteplici elementi di ricezione consente di avere un maggior numero di campioni azimutali e, quindi, di utilizzare una PRF inferiore (per ulteriori dettagli, si può far riferimento a Rif 1 e Rif 2).

A tale proposito, le figure 1A e 1B illustrano schematicamente un esempio di operazioni di trasmissione e ricezione secondo la tecnica DPC. In particolare, la figura 1A mostra la trasmissione, per mezzo di un antenna 11, di un fascio ampio in azimut (ovvero, un fascio che è ampio lungo la direzione di azimut - ovvero, la direzione di volo), che determina una piccola dimensione equivalente dell’antenna 11 lungo la direzione di azimut. Invece, la figura 1B mostra la ricezione simultanea eseguita da M ricevitori e M antenne “piccole” 12 (o una grande suddivisa in M sotto-blocchi) disposte lungo la direzione di azimut, in cui anche per la ricezione si utilizza un fascio simile a quello trasmesso.

La massima controindicazione della tecnica DPC è la complessità; infatti, questa tecnica richiede l’uso simultaneo di M ricevitori e M antenne “piccole” (o una grande suddivisa in M sotto-blocchi) e, quindi, richiede elevata potenza di trasmissione per ottenere la necessaria sensibilità di prodotto. Inoltre, la letteratura SAR evidenzia alcuni aspetti critici a livello di algoritmo relativamente alla sensibilità agli errori di conoscenza degli M centri di fase, e anche effetti indesiderati sul livello di ambiguità.

Nella letteratura SAR, vi sono alcune varianti che tentano di ridurre questi aspetti critici, come la cosiddetta tecnica ad ampio swath ad alta risoluzione (High Resolution Wide-Swath - HRWS), che implica anche la suddivisione in elevazione al fine di “inseguire” il fascio in elevazione, aumentando in questo modo la direttività e di conseguenza la sensibilità di prodotto.

Tecniche a condivisione angolare

L’intento delle tecniche che utilizzano modalità a divisione di angolo è simile a quello delle tecniche che utilizzano modalità a divisione di spazio, ma gli ulteriori campioni vengono acquisiti mediante campionamento in diverse direzioni. In particolare, vi sono due logiche principali: divisione angolare in elevazione e divisione angolare in azimut.

La divisione angolare in elevazione (a tale proposito, si può fare riferimento, per esempio, alla cosiddetta tecnica a fasci in elevazione multipli (Multiple Elevation Beam -MEB) descritta in Rif 1) implica l’acquisizione simultanea con molteplici antenne/sistemi di ricezione e un singolo trasmettitore (con swath ampio) o più trasmissioni direttive (per ulteriori dettagli, si può fare riferimento a Rif 1). In questo modo, si ottiene una pluralità di acquisizioni nella modalità Stripmap con una risoluzione nominale in azimut (approssimativamente L/2). Per ridurre i problemi di ambiguità in range, la letteratura SAR propone di “squintare” i singoli fasci in elevazione.

A tale proposito, le figure 2A, 2B e 2C illustrano schematicamente un esempio di operazioni di trasmissione e ricezione secondo la tecnica MEB. In particolare, la figura 2A mostra la trasmissione mediante un sistema SAR aereo/spaziale 21 di un ampio fascio in elevazione (ovvero, un fascio che è ampio lungo la direzione di across-track, che è indicata con y). Invece, le figure 2B e 2C mostrano la ricezione da parte del sistema SAR aereo/spaziale 21 che contemporaneamente utilizza fasci più stretti con un diverso puntamento in elevazione in modo da acquisire un singolo swath ampio 22 (ovvero, uno swath che è ampio lungo la direzione di across-track y - figura 2B) o tre swath più stretti 23, 24 e 25, che sono distanziati tra loro lungo la direzione di across-track y (figura 2C).

Invece, la divisione angolare in azimut (a tale proposito, è possibile fare riferimento, per esempio, alla tecnica a multi fascio a singolo centro di fase (Single Phase Centre Multibeam - SPCMB) descritta in Rif 1) implica la trasmissione mediante una singola antenna a fascio ampio e la contemporanea ricezione mediante l’uso di M fasci più stretti puntati in diverse direzioni in azimut organizzati per acquisire l’intera area illuminata. In questo modo, si ottiene un fascio ampio (migliorando in questo modo la risoluzione in azimut), ma analogamente alla modalità Spotlight, i singoli canali di ricezione campionano correttamente una diversa porzione angolare. Questi canali verranno quindi ricombinati durante l’elaborazione per ottenere un delta angolo sintetizzato M volte maggiore, migliorando in questo modo la risoluzione in azimut (per ulteriori dettagli, è possibile far riferimento a Rif 3 e Rif 4).

A tale proposito, le figure 3A e 3B illustrano schematicamente un esempio di operazioni di trasmissione e ricezione secondo la tecnica SPCMB. In particolare, la figura 3A mostra la trasmissione da parte di un sistema SAR aereo/spaziale 31 di un ampio fascio in azimut (ovvero, un fascio che è ampio lungo la direzione di azimut - ovvero, la direzione di volo). Invece, la figura 3B mostra la ricezione da parte del sistema SAR aereo/spaziale 31 che utilizza contemporaneamente fasci più stretti con un diverso puntamento in azimut in modo da acquisire uno swath ampio (ovvero, uno swath che è ampio lungo la direzione di azimut).

In generale, le tecniche basate sulla divisione angolare in azimut hanno molti aspetti critici relativamente al livello di ambiguità; infatti, i lobi laterali dell’antenna utilizzata nella trasmissione e delle singole antenne utilizzate nella ricezione interagiscono, innalzando il livello delle ambiguità.

I concetti di divisione di spazio e angolare sono ben riepilogati in Rif 2, che nel paragrafo 2 riporta: “Svariate proposte risolvono il dilemma della risoluzione in azimut rispetto alla copertura di swath ampia combinando un ricevitore radar multi-canale con un trasmettitore a piccola apertura che illumina un’area ampia sul terreno. Esempi sono SAR a fascio multiplo con angolo di errore…, la tecnica ad antenna a centro di fase spostato (DPCA, Displaced Phase Center Antenna)…, il sistema SAR a schiera quad… e il sistema SAR a swath ampia ad alta risoluzione (HRWS, High Resolution Wide-Swath)”.

Anche in questo caso, la massima controindicazione delle tecniche a divisione angolare è la complessità; infatti, queste tecniche implicano l’uso contemporaneo di M ricevitori e M antenne “piccole” (o una grande suddivisa in M sotto-blocchi) e, quindi, richiedono elevata potenza di trasmissione per conseguire la necessaria sensibilità di prodotto.

Tecniche a condivisione di tempo

L’idea di base delle tecniche a condivisione di tempo (o di impulsi) è quella di suddividere le acquisizioni in una pluralità di strisce elementari acquisite in modalità a divisione di tempo da un singolo SAR utilizzando un singolo ricevitore ed una singola antenna non partizionata per poi combinarle così da ottenere un prodotto con risoluzione in azimut incrementata o per acquisire swath multipli. L’idea di base è quella di eseguire acquisizioni interlacciate a livello di intervallo di ripetizione di impulso (Pulse Repetition Interval - PRI) o a burst, in particolare acquisizioni eseguite variando il puntamento del fascio di antenna in azimut o in elevazione in ogni PRI/burst. Utilizzando una PRF aumentata, è possibile ottenere N acquisizioni Stripmap aventi singolarmente una PRF compatibile con la dimensione dell’antenna. In questo modo, i valori di ambiguità azimutale non vengono alterati e contemporaneamente la somma degli angoli di illuminazione consente di sintetizzare un’antenna equivalente con un fascio maggiore (fino a N volte) o consente la separazione dello swath in range in N swath di dimensioni minori (approssimativamente 1/N - in particolare, larghezza minore lungo la direzione di across-track) senza influire su altri parametri (per esempio risoluzione, ambiguità azimutale, ecc.). Per ulteriori dettagli, è possibile far riferimento a Rif 5, Rif 6 e Rif 7, che riguardano la tecnica a condivisione di tempo di cui sopra (che è denominata “DIscrete Stepped Strip” - DI2S).

A tale riguardo, le figure 4A e 4B illustrano schematicamente un esempio di operazioni di trasmissione e ricezione secondo la tecnica DI2S. In particolare, la figura 4A mostra la trasmissione da parte di un sistema SAR aereo/spaziale 41, dotato di una singola antenna non partizionata e un singolo ricevitore, di fasci stretti (ovvero, fasci che sono stretti lungo la direzione di azimut) il cui puntamento in azimut è variato a livello di PRI/burst. Invece, la figura 4B mostra la ricezione da parte del sistema SAR aereo/spaziale 41 che utilizza detti fasci stretti e varia il loro puntamento in azimut a livello di PRI/burst.

La seguente tabella I riepiloga le caratteristiche/gli svantaggi principali di ogni tecnica.

TABELLA I

OGGETTO E RIASSUNTO DELL’INVENZIONE

Uno scopo generale della presente invenzione è quello di fornire un metodo per eseguire acquisizioni SAR che consenta di superare, almeno in parte, i suddetti svantaggi delle tecniche SAR attualmente note.

Inoltre, uno scopo specifico della presente invenzione è quello di fornire un metodo per eseguire acquisizioni SAR che consenta di acquisire immagini SAR ad elevata risoluzione in azimut, con swath ampio, eliminando (o almeno riducendo) le limitazioni delle tecniche SAR attualmente note.

Questi e altri scopi vengono raggiunti dalla presente invenzione in quanto quest’ultima è relativa a un metodo per eseguire acquisizioni SAR, come definito nelle rivendicazioni allegate.

In particolare, la presente invenzione riguarda un metodo per eseguire acquisizioni SAR, comprendente eseguire acquisizioni SAR in modalità Spotlight/Stripmap di aree/swath della superficie terrestre tramite un sistema radar ad apertura sintetica (SAR) trasportato da una piattaforma aerea o spaziale lungo una direzione di volo, per cui:

• una direzione di azimut è definita da una traccia a terra della direzione di volo sulla superficie terrestre, • è definita una direzione di nadir che è ortogonale alla superficie terrestre, alla direzione di volo e alla direzione di azimut,

• è definita una direzione di across-track che giace sulla superficie terrestre ed è ortogonale alla direzione di azimut e alla direzione di nadir ed

• è definita una direzione di range che si estende dal sistema SAR a un’area/swath acquisita/o della superficie terrestre.

Eseguire acquisizioni SAR in modalità Spotlight/Stripmap di aree/swath della superficie terrestre include acquisire contemporaneamente P aree o porzioni di P swath in un intervallo di ripetizione di impulso (PRI) avente una predefinita durata temporale, P essendo un numero intero maggiore di uno.

Dette/i P aree/swath sono separate/i lungo la direzione di across-track e sono distanziate/i tra loro lungo la direzione di across-track e dal sistema SAR lungo la rispettiva direzione di range da predefinite distanze.

Detta predefinita durata temporale e dette predefinite distanze sono tali da consentire l’acquisizione contemporanea di dette P aree o di porzioni di dette P swath in detto PRI.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Per una migliore comprensione della presente invenzione, verranno ora descritte alcune forme preferite di realizzazione, che sono da intendere puramente a titolo di esempi non limitativi, con riferimento ai disegni allegati (nessuno in scala), in cui:

• le figure 1A e 1B illustrano schematicamente un esempio di operazioni di trasmissione e ricezione secondo la tecnica SAR a condivisione di spazio DPC;

• le figure 2A, 2B e 2C illustrano schematicamente un esempio di operazioni di trasmissione e ricezione secondo la tecnica SAR a condivisione angolare MEB;

• le figure 3A e 3B illustrano schematicamente un esempio di operazioni di trasmissione e ricezione secondo la tecnica SAR a condivisione angolare SPCMB;

• le figure 4A e 4B illustrano schematicamente un esempio di operazioni di trasmissione e ricezione secondo la tecnica SAR a condivisione di tempo DI2S;

• le figure 5A, 5B e 5C illustrano schematicamente un esempio non limitativo di implementazione di un metodo per eseguire acquisizioni SAR secondo una forma preferita di realizzazione della presente invenzione;

• le figure da 6 a 8 mostrano esempi di caratteristiche/prestazioni della presente invenzione;

• le figure 9 e 10 mostrano possibili soluzioni per antenne utilizzate in ricezione secondo forme di realizzazione preferite, non limitative della presente invenzione; e

• le figure da 11 a 13 mostrano possibili soluzioni per antenne utilizzate in trasmissione secondo forme di realizzazione preferite, non limitative della presente invenzione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DI FORME PREFERITE DI REALIZZAZIONE DELL’INVENZIONE

La seguente descrizione è presentata per consentire ad un esperto nella tecnica di realizzare e utilizzare l’invenzione. A tali esperti nella tecnica risulteranno facilmente evidenti varie modifiche da apportare alle forme di realizzazione, senza scostarsi dall’ambito di protezione della presente invenzione come rivendicato. Quindi, la presente invenzione non intende essere limitata alle sole forme di realizzazione mostrate e descritte, ma le deve essere accordato l’ambito di protezione più ampio conforme ai principi e alle caratteristiche descritti qui e definiti nelle rivendicazioni allegate.

La presente invenzione deriva dall’idea della Richiedente di combinare le peculiarità della tecnica DI2S a condivisione di tempo con quelle della tecnica MEB a condivisione angolare in modo tale da ridurre i loro rispettivi inconvenienti e da combinare in modo sinergico i loro rispettivi aspetti positivi.

In particolare, la presente invenzione riguarda un metodo per eseguire acquisizioni SAR che è stato denominato dalla Richiedente “campionamento sparso distribuito per sistemi SAR” (DIstributed Sparse Sampling for SAR Systems -DI4S) e che consente di acquisire:

• immagini SAR in modalità Stripmap di

- una pluralità di swath con risoluzione nominale Stripmap in azimut e dimensioni nominali Stripmap di swath (più nello specifico, larghezza nominale Stripmap di swath) o

- una singolo swath con risoluzione nominale Stripmap in azimut e dimensioni di swath aumentate (ovvero, larghezza di swath aumentata rispetto alle larghezza nominale Stripmap di swath); oppure • immagini SAR in modalità Spotlight di

- una pluralità di aree con risoluzione nominale Spotlight in azimut e dimensioni nominali Spotlight di area (più nello specifico, larghezza nominale Spotlight di area) o

- una singola area con risoluzione nominale Spotlight in azimut e dimensioni di area aumentate (ovvero, larghezza di area aumentata rispetto alla larghezza nominale Spotlight di area).

In dettaglio, la presente invenzione riguarda un metodo che comprende eseguire acquisizioni SAR in modalità Spotlight/Stripmap di aree/swath della superficie terrestre tramite un sistema radar ad apertura sintetica (SAR) trasportato da una piattaforma aerea o spaziale (per esempio, un velivolo/drone/elicottero o un satellite/veicolo spaziale) lungo una direzione di volo, per cui:

Più nello specifico, eseguire acquisizioni SAR in modalità Spotlight/Stripmap di aree/swath della superficie terrestre include acquisire contemporaneamente P aree o porzioni di P swath in un intervallo di ripetizione di impulso (PRI) avente una predefinita durata temporale, in cui P è un numero intero maggiore di uno (ovvero, P > 1).

Convenientemente, acquisire contemporaneamente P aree o porzioni di P swath in un PRI include utilizzare:

• P fasci radar di trasmissione che sono angolarmente separati in elevazione rispetto alla direzione di nadir in modo tale da essere puntati, ciascuno, verso una/un rispettiva/o di dette/i P aree/swath o un singolo fascio radar di trasmissione che è tale da illuminare, con uno o più segnali radar trasmessi, dette P aree o porzioni di detti P swath; e

• P fasci radar di ricezione che sono angolarmente separati in elevazione rispetto alla direzione di nadir in modo da essere puntati, ciascuno, verso una/un rispettiva/o di dette/i P aree/swath.

Secondo una prima specifica forma preferita di realizzazione della presente invenzione, la predefinita durata temporale e le predefinite distanze sono tali da consentire l’acquisizione contemporanea di dette P aree o di porzioni di detti P swath in ogni PRI.

Invece, secondo una seconda specifica forma preferita di realizzazione della presente invenzione, si utilizza convenientemente una frequenza di ripetizione di impulso (PRF) operativa che è aumentata di T volte rispetto alla PRF nominale associata al sistema SAR, in cui T è un numero intero maggiore di uno (ovvero, T > 1) e in cui:

• le acquisizioni SAR in modalità Spotlight/Stripmap sono eseguite in modalità a divisione di tempo, per cui in ogni PRI vengono acquisite contemporaneamente P rispettive aree o porzioni di P rispettivi swath;

• per ogni PRI, le/i P rispettive/i aree/swath sono separate/i lungo la direzione di across-track e sono distanziate/i tra loro lungo la direzione di across-track e dal sistema SAR lungo la rispettiva direzione di range da rispettive predefinite distanze; e

• la predefinita durata temporale e le rispettive predefinite distanze associate alle P rispettive/i aree/swath contemporaneamente acquisite in ogni PRI sono tali che le aree o le porzioni degli swath acquisite in T PRI successivi formano una ragione complessiva che è continua (ovvero, non comprende “buchi”) lungo la direzione di acrosstrack.

Convenientemente, secondo detta seconda specifica forma preferita di realizzazione della presente invenzione, per ogni PRI, le/i rispettive/i P aree/swath sono acquisite/i contemporaneamente utilizzando:

• P rispettivi fasci radar di trasmissione che sono separati angolarmente in elevazione rispetto alla direzione di nadir in modo tale da essere puntati, ciascuno, verso una/un rispettiva/o di dette/i P rispettive/i aree/swath o un singolo fascio radar di trasmissione che è tale da illuminare, con uno o più segnali radar trasmessi, dette P rispettive aree o porzioni di detti P rispettivi swath; e

• P rispettivi fasci radar di ricezione che sono separati angolarmente in elevazione rispetto alla direzione di nadir in modo tale da essere puntati, ciascuno, verso una rispettiva di dette/i P rispettive/i aree/swath;

in cui i fasci radar di trasmissione e ricezione utilizzati in T PRI successivi formano un’apertura angolare continua in elevazione (ovvero, un’apertura angolare continua senza interruzioni/buchi angolari lungo la direzione di across-track).

Convenientemente, le acquisizioni SAR in modalità Spotlight/Stripmap vengono eseguite utilizzando, durante la trasmissione e/o la ricezione, un’antenna del sistema SAR partizionata in P zone diverse.

Più convenientemente, le acquisizioni SAR in modalità Spotlight/Stripmap vengono eseguite utilizzando, durante la trasmissione e/o la ricezione, un’antenna del sistema SAR partizionata in P zone diverse in elevazione (ovvero, lungo la direzione di nadir).

Convenientemente, le acquisizioni SAR in modalità Spotlight/Stripmap vengono eseguite utilizzando diversi angoli di squint rispetto alla direzione di azimut e/o forme d’onda ortogonali in modo tale da aumentare le prestazioni in termini di ambiguità in range.

Convenientemente, le PxT aree o porzioni di swath acquisite in T PRI successivi vengono elaborate individualmente, quindi messe in relazione e, infine, si esegue la combinazione di informazioni, in modo da ridurre/compensare gli errori spaziali, come quelli correlati alla sincronizzazione di canale e alla stima dei parametri Doppler.

Come spiegato in precedenza, uno dei vincoli che limitano le dimensioni di swath in range (o, equivalentemente, lungo la direzione di across-track che corrisponde alla traccia a terra della direzione di range sulla superficie terrestre) è tale che, con le tecniche SAR note, è praticamente impossibile acquisire e ricevere contemporaneamente. Questo vincolo è sintetizzato dalla seguente equazione (già spiegata in precedenza):

Al contrario, la trasmissione verso le e la ricezione dalle zone che sono separate in range (ovvero, lungo la direzione di across-track), come insegnato dalla presente invenzione, consente di superare tale vincolo e, quindi, di aumentare le dimensioni in range (ovvero, lungo la direzione di across-track) dello/degli swath acquisito/i.

Inoltre, utilizzando una data PRF (per esempio, quella nominale o una aumentata) e, quindi, una data durata temporale di PRI, è possibile acquisire allo stesso tempo zone diverse separate in range che sono distanziate le une dalle altre lungo la direzione di across-track e dal SAR utilizzato lungo la rispettiva direzione di range di predefinite distanze. In particolare, la data durata temporale di PRI e dette predefinite distanze sono selezionate (ovvero, sono determinate a priori) in modo da consentire l’acquisizione contemporanea di dette zone diverse. In altri termini, con la stessa PRF è possibile acquisire allo stesso tempo zone diverse, se queste zone hanno un diverso “rank” (distanza di trasmissione e ricezione in termini di PRI).

Convenientemente, per acquisire le P zone diverse separate in range (ovvero, lungo la direzione di acrosstrack), è possibile utilizzare P ricevitori. Inoltre, dato che le P zone sono separate in range, non vi è alcun impatto sul livello di ambiguità in range (tuttavia, è possibile utilizzare diversi angoli di squint rispetto alla direzione di azimut e/o forme d’onda ortogonali per aumentare le prestazioni in termini ambiguità in range).

Per una migliore comprensione della presente invenzione, le figure 5A, 5B e 5C illustrano schematicamente un esempio non limitativo di implementazione di un metodo secondo una forma preferita di realizzazione della presente invenzione, in cui T=1 e P=2.

In particolare, le figure 5A e 5B mostrano un sistema SAR 50 che è installato a bordo ed è trasportato in volo/orbita lungo una direzione di volo d da una piattaforma aerea/spaziale (non mostrata nelle figure 5A e 5B) quale un velivolo, un drone, un elicottero, un satellite o un veicolo spaziale, per cui:

• una direzione di azimut x è definita da una traccia a terra della direzione di volo d sulla superficie terrestre, • è definita una direzione di nadir z che è ortogonale alla superficie terrestre, alla direzione di volo d e alla direzione di azimut x,

• è definita una direzione di across-track y che giace sulla superficie terrestre ed è ortogonale alla direzione di azimut x e alla direzione di nadir z.

Più nello specifico, la figura 5A mostra una geometria di acquisizione tridimensionale, mentre la figura 5B mostra la geometria di acquisizione nel piano zy.

Come mostrato nelle figure 5A e 5B, ad un dato PRI, il sistema SAR 50 acquisisce contemporaneamente una prima porzione A1 di un primo swath S1 e una seconda porzione A2 di un second swath S2, in cui:

• detto primo e detto secondo swath S1 e S2 sono separati lungo la direzione di across-track y; e

• il sistema SAR 50 utilizza contemporaneamente due fasci radar diversi che hanno diversi angoli di elevazione rispetto alla direzione di nadir z, sono separati angolarmente in elevazione (ovvero, rispetto alla direzione di nadir z) e sono puntati, ciascuno, in corrispondenza di una/un rispettiva/o della/del prima/o e della/del seconda/o porzione/swath A1/S1 e A2/S2.

In aggiunta, la figura 5C mostra la geometria di acquisizione nel dominio del tempo. In particolare, come mostrato nella figura 5C, in ogni PRI (in cui tutti i PRI hanno una stessa predefinita durata temporale), il sistema SAR trasmette contemporaneamente verso e, quindi, riceve contemporaneamente dal primo e dal secondo swath S1 e S2, che sono distanziati l’uno dall’altro lungo la direzione di across-track y e dal sistema SAR 50 lungo una rispettiva direzione di range (che si estende da detto sistema SAR 50, rispettivamente, al primo o al secondo swath S1/S2) di predefinite distanze. Detta predefinita durata temporale e dette predefinite distanze sono tali che:

• gli eco radar dalla prima porzione A1 del primo swath S1 sono ricevuti dal sistema SAR 50 dopo approssimativamente tre PRI dalla trasmissione, da parte di detto sistema SAR 50, dei corrispondenti segnali radar che hanno illuminato detta prima porzione A1 e, quindi, hanno prodotto detti echi radar dalla stessa; e

• gli eco radar dalla seconda porzione A2 del secondo swath S2 sono ricevuti dal sistema SAR 50 dopo approssimativamente cinque PRI dalla trasmissione, da parte di detto sistema SAR 50, dei corrispondenti segnali radar che hanno illuminato detta seconda porzione A2 e, quindi, hanno prodotto detti echi radar dalla stessa.

In altri termini, le acquisizioni SAR sono organizzate nel dominio temporale in modo tale che la prima e la seconda swath S1 e S2 abbiano sostanzialmente una stessa distanza all’interno dello stesso PRI. Ovviamente, lo swath più vicino S1 è distanziato dal sistema SAR 50 di una distanza minore rispetto al secondo swath S2, ma la durata temporale delle PRI è scelta in modo tale che il residuo della distanza dopo un numero intero di PRI (rank) sia simile. Ciò consente di acquisire contemporaneamente i due swath separati S1 e S2. Le prestazioni di ambiguità sono garantite dalla distanza angolare e, quindi, dai diversi valori di guadagno di antenna. Come spiegato in precedenza, per aumentare le prestazioni in termini di ambiguità in range, è possibile utilizzare diversi angoli di squint rispetto alla direzione di azimut x e/o forme d’onda ortogonali.

La figura 6 mostra un esempio di pattern di trasmissione che illumina due zone diverse che non sono contigue lungo la direzione di across-track, in cui T=1 e P=2. Invece, le figure 7 e 8 mostrano i pattern in range bidirezionali di ciascuno dei due canali. Il pattern in range bidirezionale è alterato minimamente rispetto al caso nominale, come mostrato nelle figure 7 e 8.

È importante evidenziare il fatto che la presente invenzione può essere vantaggiosamente sfruttata con entrambe le modalità Stripmap e Spotlight.

Come spiegato in precedenza, la presente invenzione prevede l’acquisizione contemporanea, all’interno di uno stesso PRI, di P zone diverse e separate. Ciò può essere ottenuto per mezzo di diverse soluzioni basate, per esempio, su antenne a riflettore multi-feed, schiere attive o soluzioni ibride (per esempio, un’antenna a riflettore accoppiata ad una schiera attiva che funge da suo feed).

Qui di seguito verrà analizzato il caso di una schiera attiva, fermo restando che è possibile applicare la stessa logica o logiche equivalenti, mutatis mutandis, anche ad altre tipologie di antenna.

In particolare, di seguito, verranno descritti esempi di diversi approcci logici utilizzabili con una schiera attiva, in cui si suppone che P, per semplicità, sia uguale a due (ovvero, P=2).

Più nello specifico, utilizzando una schiera attiva in ricezione, possono essere sfruttate convenientemente due logiche principali:

1) una partizione in elevazione dell’antenna - ovvero, come mostrato nella figura 9, l’antenna utilizzata (in figura 9 indicata nel complesso con 61) può essere convenientemente partizionata in due metà (più in generale, in P porzioni) in elevazione (ovvero, lungo la direzione di nadir) e ogni metà può essere convenientemente sfruttata per ricevere segnali retrodiffusi da un’area diversa; poiché, diversamente dalle tecniche SAR note, non è necessario acquisire una singola zona ampia, è possibile aumentare l’altezza dell’antenna 61 in modo tale che ciascuna delle due metà sia di dimensioni conformi all’area da acquisire; a tale riguardo, vale la pena notare che le tecniche a divisione di spazio richiedono l’acquisizione di un ampio swath in azimut e, quindi, richiedono che l’antenna sia partizionata in azimut in modo tale che le singole sotto-antenne abbiano una dimensione predefinita a seconda della risoluzione desiderata (ovvero, ridotta di un fattore che è almeno uguale al fattore di incremento di risoluzione desiderato); pertanto, diversamente dalla presente invenzione che consente di compensare la partizione in elevazione mediante un’antenna più alta, le tecniche a divisione di spazio non possono utilizzare un’antenna più lunga per recuperare la perdita di direttività; in alcuni casi, affinché sia recuperata la perdita di direttività, è stato proposto in passato l’uso di antenne più alte ma, dato che è necessario acquisire l’intera area, è necessario introdurre un’ulteriore complicazione di ri-puntamento dinamico di fascio in elevazione (il cosiddetto “SCan On Receive”);

2) uno sfruttamento dell’intera antenna (come mostrato nella figura 10, in cui l’antenna è indicata nel complesso con 62) dividendo digitalmente o analogicamente il segnale ricevuto dai singoli elementi di antenna in due parti (più in generale, in P parti) e, successivamente, applicando modulazioni di ampiezza e di fase a ogni parte del segnale per ottenere i fasci desiderati e, quindi, acquisire le zone desiderate.

La prima soluzione ha un’applicazione più semplice ma presenta una perdita di direttività di approssimativamente un fattore P (salvo l’altezza dell’antenna sia aumentata evitando, in tal modo, completamente tale perdita). Diversamente, la seconda soluzione non influisce sulla direttività.

Invece, in trasmissione, è possibile utilizzare più soluzioni:

1) analogamente alla prima soluzione in ricezione, l’antenna utilizzata può essere convenientemente partizionata in due metà (più in generale, in P porzioni) in elevazione; come mostrato nella figura 11 (in cui l’antenna è indicata nel complesso con 71), ciascuna delle due metà illuminerà la zona desiderata; anche in questo caso, per recuperare la direttività, è possibile aumentare l’altezza dell’antenna 71 senza introdurre altre necessità;

2) come mostrato nella figura 12, l’antenna (indicata nel complesso con 72) può essere convenientemente partizionata in blocchi omogenei o caotici, per cui è possibile modulare i singoli blocchi per illuminare le aree desiderate; l’impatto sulla direttività dipenderà dalla distribuzione dei singoli blocchi e, quindi, dal campionamento equivalente delle singole parti in cui è suddivisa l’antenna 72;

3) come mostrato nella figura 13, l’antenna (indicata nel complesso con 73) può essere convenientemente partizionata in blocchi omogenei, rispettando i requisiti di campionamento, per cui è possibile modulare i singoli blocchi per illuminare le aree desiderate; in questo caso non vi è alcuna alterazione di direttività.

La seguente tabella II riepiloga le differenze principali tra la presente invenzione e le tecniche SAR note.

TABELLA II

impulsiva).

Invece, la presente invenzione prevede la contemporanea acquisizione di zone separate in range.

Alla luce di quanto precede, i vantaggi tecnici e le caratteristiche innovative della presente invenzione risultano immediatamente chiari agli esperti nella tecnica.

In conclusione, è chiaro che è possibile apportare alla presente invenzione numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell’ambito di protezione dell’invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Metodo per eseguire acquisizioni SAR, comprendente eseguire acquisizioni SAR in modalità Spotlight/Stripmap di aree/swath della superficie terrestre tramite un sistema radar ad apertura sintetica trasportato da una piattaforma aerea o spaziale lungo una direzione di volo, per cui: • una direzione di azimut è definita da una traccia a terra della direzione di volo sulla superficie terrestre, • è definita una direzione di nadir che è ortogonale alla superficie terrestre, alla direzione di volo e alla direzione di azimut, • è definita una direzione di across-track che giace sulla superficie terrestre ed è ortogonale alla direzione di azimut e alla direzione di nadir ed • è definita una direzione di range che si estende dal sistema radar ad apertura sintetica ad un’area/swath acquisita/o della superficie terrestre; in cui eseguire acquisizioni SAR in modalità Spotlight/Stripmap di aree/swath della superficie terrestre include acquisire contemporaneamente P aree o porzioni di P swath in un intervallo di ripetizione di impulso avente una predefinita durata temporale, P essendo un numero intero maggiore di uno; in cui dette/i P aree/swath sono separate/i lungo la direzione di across-track e sono distanziate/i tra loro lungo la direzione di across-track e dal sistema radar ad apertura sintetica lungo la rispettiva direzione di range da predefinite distanze; e in cui detta predefinita durata temporale e dette predefinite distanze sono tali da consentire l’acquisizione contemporanea di dette P aree o porzioni di detti P swath in detto intervallo di ripetizione di impulso.
2. Il metodo della rivendicazione 1, in cui acquisire contemporaneamente P aree o porzioni di P swath in un intervallo di ripetizione di impulso include utilizzare: • P fasci radar di trasmissione che sono separati angolarmente in elevazione rispetto alla direzione di nadir in modo tale da essere puntati, ciascuno, verso una/un rispettiva/o di dette/i P aree/swath o un singolo fascio radar di trasmissione che è tale da illuminare, con uno o più segnali radar trasmessi, dette P aree o porzioni di detti P swath; e • P fasci radar di ricezione che sono separati angolarmente in elevazione rispetto alla direzione di nadir in modo tale da essere puntati, ciascuno, verso una/un rispettiva/o di dette/i P aree/swath.
3. Il metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la predefinita durata temporale e le predefinite distanze sono tali da consentire l’acquisizione contemporanea di dette P aree o di porzioni di detti P swath in ogni intervallo di ripetizione di impulso.
4. Il metodo secondo la rivendicazione 1, in cui le acquisizioni SAR in modalità Spotlight/Stripmap sono eseguite in modalità a divisione di tempo, per cui in ogni intervallo di ripetizione di impulso vengono acquisite contemporaneamente P rispettive aree o porzioni di P rispettivi swath; in cui, per ogni intervallo di ripetizione di impulso, le/i rispettive/i P aree/swath sono separate/i lungo la direzione di across-track e sono distanziate/i tra loro lungo la direzione di across-track e dal sistema radar ad apertura sintetica lungo la rispettiva direzione di range da predefinite rispettive distanze; e in cui la predefinita durata temporale e le rispettive predefinite distanze associate alle/ai P rispettive/i aree/swath acquisite/i contemporaneamente in ogni PRI sono tali che le aree o le porzioni degli swath acquisite in T successivi intervalli di ripetizione di impulso formano una regione complessiva che è continua lungo la direzione di across-track; T essendo un numero intero maggiore di uno.
5. Il metodo della rivendicazione 4, in cui, per ogni intervallo di ripetizione di impulso, le/i rispettive/i P aree/swath sono acquisite/i contemporaneamente utilizzando: • P rispettivi fasci radar di trasmissione che sono separati angolarmente in elevazione rispetto alla direzione di nadir in modo tale da essere puntati, ciascuno, verso una/un rispettiva/o di dette/i P rispettive/i aree/swath o un singolo fascio radar di trasmissione che è tale da illuminare, con uno o più segnali radar trasmessi, dette P rispettive aree o porzioni di dette P rispettivi swath; e • P rispettivi fasci radar di ricezione che sono separati angolarmente in elevazione rispetto alla direzione di nadir in modo tale da essere puntati, ciascuno, verso una/un rispettiva/o di dette/i P rispettive/i aree/swath; in cui i fasci radar di trasmissione e ricezione utilizzati in T successivi intervalli di ripetizione di impulso formano un’apertura angolare continua in elevazione.
6. Il metodo secondo la rivendicazione 2 o 5, in cui le acquisizioni SAR in modalità Spotlight/Stripmap sono eseguite utilizzando, in trasmissione e/o in ricezione, un’antenna del sistema radar ad apertura sintetica partizionata in P zone diverse.
7. Il metodo della rivendicazione 6, in cui le acquisizioni SAR in modalità Spotlight/Stripmap sono eseguite utilizzando, in trasmissione e/o in ricezione, un’antenna del sistema radar ad apertura sintetica partizionata in P zone diverse in elevazione.
8. Il metodo secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui le acquisizioni SAR in modalità Spotlight/Stripmap sono eseguite utilizzando diversi angoli di squint rispetto alla direzione di azimut e/o forme d’onda ortogonali in modo tale da aumentare le prestazioni in termini di ambiguità in range.
9. Sistema radar ad apertura sintetica installato a bordo di una piattaforma aerea o spaziale e configurato per implementare il metodo per eseguire acquisizioni SAR come rivendicato in una qualsiasi rivendicazione precedente.
10. Piattaforma spaziale equipaggiata con un sistema radar ad apertura sintetica configurato per mettere implementare il metodo per eseguire acquisizioni SAR come rivendicato in una qualsiasi rivendicazione 1-8.
11. La piattaforma spaziale della rivendicazione 10, in cui detta piattaforma spaziale è un veicolo spaziale o un satellite.
12. Piattaforma aerea equipaggiata con un sistema radar ad apertura sintetica configurato per implementare il metodo per eseguire acquisizioni SAR come rivendicato in una qualsiasi rivendicazione 1-8.
13. La piattaforma aerea della rivendicazione 12, in cui detta piattaforma aerea è un velivolo, un drone o un elicottero.