ITMI20101167A1 - Apparato per la misura del movimento del suolo con immagini sar mediante almeno un riflettore di onde elettromagnetiche. - Google Patents

Apparato per la misura del movimento del suolo con immagini sar mediante almeno un riflettore di onde elettromagnetiche. Download PDF

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Description

“Apparato per la misura del movimento del suolo con immagini SAR mediante almeno un riflettore di onde elettromagnetiche. â€
La presente invenzione concerne un apparato per la misura del movimento del suolo con immagini SAR mediante almeno un riflettore di onde elettromagnetiche.
La presente invenzione concerne un dispositivo per l’esecuzione di misure di movimento di elevata precisione basate su tecniche di interferometria SAR. E’ noto che un sistema radar ad apertura sintetica (SAR) opera ad una frequenza generalmente compresa tra i 400 Mhz e i 10 Ghz, ed à ̈ solitamente, installato su aerei o piattaforme satellitari orbitanti ad una quota compresa tra i 250 e gli 800 Km. L'antenna del radar à ̈ puntata verso terra ortogonalmente alla direzione del moto della piattaforma (aereo o satellite) con un angolo, detto di "Off-nadir", compreso tra 20 e 80 gradi rispetto alla direzione di Nadir, cioà ̈ perpendicolarmente alla terra.
Con tale sistema si possono generare immagini della superficie terrestre con una risoluzione spaziale anche inferiore al metro, indipendentemente dalla copertura nuvolosa e dalla presenza di illuminazione solare. Combinando opportunamente più immagini SAR acquisite in istanti diversi sulla stessa area d’interesse e generando degli interferogrammi (come ampiamente documentato in letteratura), in alcuni casi à ̈ possibile eseguire misure di spostamento del terreno di elevata precisione, potendo rilevare spostamenti differenziali di entità anche inferiore a 1 mm/anno (in corrispondenza, ad esempio, di faglie sismiche, aree in frana, subsidenze, bradisismi, ecc.) grazie all’utilizzo dell’ informazione di fase del segnale radar. L’idea di base à ̈ comunque quella di confrontare la distanza sensore-bersaglio in istanti diversi e mettere in evidenza eventuali spostamenti. Tra le tecniche di misura basate sull’ interferometria SAR, in particolare si cita la tecnica PSInSAR<â„¢>quale chiaro esempio di applicazione industriale.
Un sistema di misura dei movimenti del terreno basato su radar SAR satellitare risulta efficace quando le caratteristiche del terreno consentono agli impulsi radar di essere riflessi conservando un’energia sufficiente per garantire un rapporto segnalerumore adeguato agli impieghi interferometrici; in tal caso, oltre i valori di ampiezza si utilizzano i dati di fase del segnale radar che risultano funzione della distanza sensorebersaglio. La natura del terreno influenza in modo determinante il segnale di ritorno; in alcuni casi, soprattutto in aree vegetate e prive di manufatti o rocce esposte, può accadere che tale segnale, interagendo con il terreno, subisca una eccessiva attenuazione fino a risultare inutilizzabile per la stima degli spostamenti.
Per sopperire alle avverse caratteristiche fisiche del terreno, si possono impiegare riflettori artificiali, ovvero dispositivi studiati specificatamente per riflettere gran parte del segnale trasmesso verso l’antenna della sorgente illuminante. I riflettori artificiali corrispondono generalmente ad oggetti metallici (tipicamente di forma assimilabile ad un triedro) che vengono disposti in modo opportuno nell’area oggetto di monitoraggio e resi solidali al terreno che s’intende monitorare per mezzo di opportuni basamenti.
Questi dispositivi, analoghi alle cosiddette “mire ottiche†utilizzate per rilievi geodetici convenzionali, devono mantenere stabile nel tempo la loro “firma radar†, ovvero, i valori di riflettività radar ad essi associati devono risultare stabili ed affidabili sia per quanto riguarda i valori di ampiezza sia per quanto riguarda i valori di fase. In particolare, per applicazioni interferometriche, i riflettori artificiali devono risultare sufficientemente robusti agli eventi atmosferici per far sì che, nel tempo, risulti sempre possibile misurarne con precisione il centro di fase che risulta, di fatto, il punto passibile di monitoraggio con dati SAR interferometrici.
I riflettori artificiali creano dei punti di misura radar ben visibili nelle immagini SAR, infatti, grazie all’elevato valore dell’Area Equivalente Radar (spesso nota in letteratura come Radar Cross Section o RCS) che caratterizza questi dispositivi, il rapporto segnale-rumore risulta solitamente molto elevato sia per quanto riguarda i valori di ampiezza, sia per quelli di fase del segnale retrodiffuso e ne permette pertanto un uso efficace nelle applicazioni interferometriche.
La tecnica dei riflettori artificiali à ̈ nota e documentata in letteratura, tuttavia, i riflettori artificiali fino ad oggi utilizzati nelle misure di movimento con radar SAR, risultano efficaci solo per una specifica geometria di acquisizione. In particolare, per quanto riguarda i dati SAR satellitari, gli odierni riflettori artificiali, sono progettati per ottenere buoni valori di riflettività per orbite o esclusivamente di tipo ascendente (ovvero con il satellite che illumina l’area d’interesse seguendo un moto da sud verso nord), oppure esclusivamente di tipo discendente (ovvero con il satellite in moto da nord verso sud).
Acquisizioni ripetute in istanti diversi lungo una certa orbita, ovvero dati acquisiti utilizzando una specifica geometria di acquisizione, permettono la misura della sola componente del vettore spostamento parallela alla congiungente sensore-bersaglio a terra. Confrontando, infatti, i valori di distanza tra Γ antenna radar ed il punto di misura, non si possono evidenziare eventuali spostamenti in direzione ortogonale alla linea di vista, dal momento che non danno luogo ad alcuna variazione di distanza. Le misure interferometriche sono misure mono-componente (ovvero sono misure ad una dimensione) e solo la combinazione di due o più misure contemporanee relative allo stesso punto di misura e ottenute da geometrie di acquisizioni distinte e complementari può permettere l’estrazione di due o tre componenti del vettore spostamento.
Per questo motivo, qualora si vogliano ricavare informazioni in due dimensioni relative ad una certa area, ovvero quando sia importante ricavare almeno due componenti del vettore spostamento, il ricorso a riflettori artificiali per creare punti di misura affidabili su terreni sfavorevoli comporta il posizionamento di almeno due riflettori distinti per ogni punto di misura voluto. Nello specifico, per quanto riguarda i dati radar satellitari oggi disponibili, dovrà essere posizionato un riflettore artificiale efficace sulle orbite ascendenti del sensore ed uno, adiacente al primo, efficace sulle orbite discendenti.
Tuttavia, per quanto vicini, due riflettori radar separati avranno due centri di fase distinti: il punto di misura non à ̈ rigorosamente lo stesso per entrambi i riflettori e risulta estremamente complesso assicurarsi che i due centri di fase siano davvero solidali l’un l’altro. Si tenga presente che le misure interferometriche possono avere precisioni anche sub-millimetriche, quindi la presenza di due centri di fase distinti, che si suppongono però solidali, può essere tutf altro che banale in particolare se si tiene conto di possibili effetti “ in situ †che risultino interessare in modo non identico i due riflettori.
Scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un apparato per la misura del movimento del suolo con immagini SAR mediante un riflettore di onde elettromagnetiche che consenta di realizzare un unico punto di misura a terra per misure SAR interferometriche, efficace per due geometrie di acquisizioni complementari (ad esempio orbite di tipo ascendente e discendente), di facile posizionamento, resistente all’azione potenzialmente dannosa di comuni eventi naturali, quali precipitazioni (pioggia, neve, fenomeni grandigeni), venti e possibili danneggiamenti causati dalla fauna locale (ad esempio cervidi e plantigradi) nonché passibile di monitoraggio anche con antenne GPS
In accordo alla presente invenzione detto scopo viene raggiunto mediante un apparato per la misura del movimento del suolo con immagini SAR, detto apparato comprendendo almeno un radar SAR disposto su un satellite o su un aeromobile ed almeno un riflettore di onde elettromagnetiche disposto su una porzione di superficie terrestre da misurare, detto almeno un radar SAR comprendendo mezzi per l’invio di un segnale elettromagnetico su detto riflettore e mezzi per acquisire il segnale elettromagnetico riflesso dal riflettore, detto radar SAR essendo atto a acquisire segnali riflessi lungo orbite ascendenti e discendenti, caratterizzato dal fatto che detto riflettore comprende in un unico pezzo un primo triedro configurato per riflettere il segnale trasmesso dal radar SAR lungo orbite ascendenti ed un secondo triedro configurato per riflettere il segnale trasmesso dal radar SAR lungo orbite discendenti.
Le caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una sua forma di realizzazione pratica, illustrata a titolo di esempio non limitativo negli uniti disegni, nei quali:
la figura 1 mostra un apparato per misura del movimento del suolo con immagini SAR in accordo alla presente invenzione;
la figura 2 à ̈ una vista in prospettiva del riflettore di onde elettromagnetiche per l’apparato di misura di figura 1;
la figura 3 Ã ̈ una vista frontale del riflettore di figura 2;
la figura 4 à ̈ una vista dall’alto del riflettore di figura 2;
la figura 5 Ã ̈ una vista frontale del riflettore di figura 2 con copertura;
la figura 6 à ̈ una vista dall’alto del riflettore di figura 5;
la figura 7 mostra la mappa di riflettività da immagine SAR relativa ad un passaggio lungo un’orbita ascendente;
la figura 8 mostra la mappa di riflettività da immagine SAR relativa ad un passaggio lungo un’orbita discendente;
la figure 9 e 10 mostrano le serie storiche di riflettività ascendente e discendente di uno dei riflettori utilizzati in accordo alla presente invenzione.
Con riferimento alla figura 1 à ̈ mostrato un apparato di misura del movimento del suolo con immagini SAR in accordo alla presente invenzione; detto apparato comprende un radar SAR 10, di tipo satellitare o disposto su un aeromobile, ed atto ad acquisire immagini SAR lungo orbite ascendenti 50 e discendenti 51. L’apparato comprende almeno un riflettore 1 di onde elettromagnetiche disposto una porzione di superficie terrestre da misurare o area di interesse e configurato per riflettere gran parte del segnale trasmesso verso l’antenna ricevente 12 del radar SAR sia lungo orbite ascendenti 50 che lungo orbite discendenti 51 del radar SAR 10. Per tale motivo il riflettore 1 comprende un primo triedro 1 in grado di riflettere il segnale 60 emesso da un’antenna trasmittente 11 del radar SAR lungo orbite ascendenti ed un secondo triedro 2 atto a riflettere il segnale 60 emesso dalla sorgente SAR lungo orbite discendenti; il radar SAR 10 à ̈ in grado di ricevere i segnali riflessi 61 consentendo una più accurata misura del movimento del suolo con immagini SAR. Preferibilmente antenna trasmittente ed antenna ricevente costituiscono una singola antenna.
Il riflettore 1 costituisce un unico centro di fase per il radar SAR 10. Con tale apparato si possono acquisire immagini SAR della superficie terrestre molto accurate; combinando opportunamente più immagini SAR acquisite in istanti diversi sulla stessa area d’interesse e generando degli interferogrammi, à ̈ possibile eseguire misure di spostamento del terreno di elevata precisione, potendo rilevare spostamenti differenziali di entità anche inferiore a 1 mm/anno (in corrispondenza, ad esempio, di faglie sismiche, aree in frana, subsidenze, bradisismi, ecc.) grazie all’utilizzo dell’informazione di fase del segnale radar.
Con riferimento alle figure 2-6 Ã ̈ mostrato un riflettore 1 per onde elettromagnetiche di un apparato per la misura di immagini SAR in accordo alla presente invenzione. Il riflettore 1 di tipo passivo comprende il primo 2 ed il secondo 3 triedro aventi il vertice 4 ed uno spigolo 5 in comune ma nessuna faccia laterale o base in comune. Il primo triedro 2 comprende le facce laterali 21, 22 e la base 23 ed il secondo triedro 3 comprende le facce laterali 31, 32 e la base 33 (figure 2-4). Le facce laterali 21, 22 e 31, 32 hanno lo spigolo 5 in comune e sono disposte in modo da essere ortogonali fra loro ed alla base 23, 33 dei triedri 2 e 3; le basi 23 e 33 hanno solo il vertice 4 in comune. Inoltre le facce laterali adiacenti 21, 32 e 22, 31 del primo 2 e del secondo triedro sono ortogonali fra loro.
Preferibilmente il riflettore 1 à ̈ disposto ad una certa altezza dal terreno mediante un sostegno 6; detto sostegno 6 consente l’orientazione dei triedri 1 e 2, orientando le basi 23 e 33.
Preferibilmente il riflettore 1 può comprendere anche un’antenna GPS 8 disposta sulla sommità del riflettore per l’individuazione del riflettore.
Le facce laterali 21-22, 31-32 e le basi 23 e 33 sono realizzate in materiale metallico e preferibilmente possono anche essere costituite da griglie o materiale forato. Le facce laterali a griglia vengono normalmente utilizzate per selezionare le frequenze alle quali i triedri risuonano, risultando trasparenti alle altre frequenze. Inoltre la direzione dei fori può essere selettiva del tipo di polarizzazione dell’onda elettromagnetica incidente; ciò consente, ad esempio, di realizzare un riflettore visibile ai radar che emettono impulsi con polarizzazione verticale anziché orizzontale o vice versa.
Preferibilmente sia le facce laterali 21, 22 e 31, 32 dei triedri 1 e 2, le basi 23 e 33 ed il sostegno 6 sono realizzate con parti smontabili e rimontabili; preferibilmente le facce laterali 21 e 31 appartengono ad un'unica lamina e le facce laterali 22 e 32 appartengono ad un’altra unica lamina. Inoltre le lamine possono essere del tipo a griglia che ne riduce il peso e ne facilita il trasporto.
Preferibilmente il riflettore 1 comprende una copertura 9 in materiale trasparente alle onde elettromagnetiche, in grado di ricoprire interamente entrambi i triedri 1 e 2 e l’eventuale antenna GPS 8 per evitare l’accumulo di qualsiasi tipo di materiale all’interno degli stessi (figure 5 e 6).
Preferibilmente sono disposte fra le facce laterali 21, 31 e 22, 32 dei triedri 1 e 2 delle barre di sostegno 7.
Le dimensioni del riflettore passivo determinano l’Area Equivalente Radar, il cui valore utile dipende essenzialmente dall’angolo di vista tra l’antenna del dispositivo SAR 10 ed il riflettore 1, dalla lunghezza d’onda utilizzata dal radar SAR e dal tipo di terreno sul quale viene posizionato il riflettore 1. Tipicamente, per i radar SAR attualmente disponibili per applicazioni interferometriche, sono da considerarsi normali dimensioni delle facce dei triedri tra i 50 e 100 cm di lato.
Nella figura 7 viene riportata la mappa di riflettività da immagine SAR di un’area di test, l’immagine à ̈ relativa ad un passaggio lungo un’orbita ascendente, in cui sono evidenziati 7 pixel ad elevata luminosità corrispondenti a sette riflettori a doppio triedro AR1...AR7 in accordo all’invenzione; nella figura 8 i medesimi sette riflettori AR1...AR7 risultano visibili su ima immagine della stessa area ottenuta dallo stesso sensore radar, ma lungo un’ orbita discendente. Dette mappe di riflettività sono state ottenute utilizzando dati SAR del satellite RAD ARS AT 1, acquisiti sia in orbite ascendenti che discendenti, posizionando sette riflettori a doppio triedro AR1...AR7 in accordo all’invenzione in un’area a bassa riflettività.
Il sensore ha rilevato la stessa area, sia lungo orbita ascendente, che lungo orbita discendente più volte, ogni acquisizione a distanza di 24 giorni dalla precedente, durante la prima acquisizione sia ascendente che discendente, l’area era priva dei riflettori, nelle successive invece erano presenti i riflettori, senza essere mai stati spostati: in questo modo sono state realizzate delle serie storiche di riflettività, che dimostrano come la luminosità del pixel corrispondente all’area in cui à ̈ stato posizionato il riflettore, cresce sensibilmente dopo la posa dei riflettori.
Le figure 9 e 10 riportano le serie storiche di riflettività ascendente e discendente di uno dei sette riflettori utilizzati ARI ...AR7 (AR2 nelle mappe di riflettività di figura 7 e 8); à ̈ evidente l’aumento di luminosità successivo alla posa del riflettore AR2, nell’istante indicato dalla lettera P, sull’area di utilizzo. L’aumento di luminosità implica un sensibile miglioramento del rapporto segnale rumore, tale da rendere possibili misure interferometriche.
Rispetto allo stato dell’arte, la presente invenzione, oltre al grande vantaggio della doppia geometria riflettente con unico centro di fase, consente di ridurre i costi di installazione rispetto all’ utilizzo di due riflettori tradizionali (uno per orbita ascendente e uno per orbita discendente), avere ingombri ridotti a parità di Area Equivalente Radar rispetto all’utilizzo di due riflettori tradizionali, poter facilmente ospitare antenne GPS che gli esperimenti hanno dimostrato non interferire con il dispositivo stesso, essere maggiormente robuste a variazioni di riflettività, grazie alla copertura in materiale trasparente alle onde elettromagnetiche che evita il deposito di elementi esterni all’interno dei triedri che possono ridurre drasticamente la capacità di riflettere le onde elettromagnetiche (ad esempio l’accumularsi di foglie, sabbia, ecc. ecc).

Claims (12)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Apparato per la misura del movimento del suolo con immagini SAR, detto apparato comprendendo almeno un radar SAR (10) disposto su un satellite o su un aeromobile ed almeno un riflettore (1) di onde elettromagnetiche disposto su una porzione di superficie terrestre da misurare, detto almeno un radar SAR comprendendo mezzi (11) per rinvio di un segnale elettromagnetico (60) su detto riflettore e mezzi (12) per acquisire il segnale elettromagnetico (61) riflesso dal riflettore, detto radar SAR essendo atto ad acquisire segnali riflessi lungo orbite ascendenti (50) e discendenti (51), caratterizzato dal fatto che detto riflettore comprende in un unico pezzo un primo triedro (2) configurato per riflettere il segnale trasmesso dal radar SAR lungo orbite ascendenti (50) ed un secondo triedro (3) configurato per riflettere il segnale trasmesso dal radar SAR lungo orbite discendenti (51).
  2. 2. Apparato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto primo triedro (2) e detto secondo triedro (3) comprendono ciascuno due facce laterali (21, 22, 31, 32) ed una base (23, 33), dette facce laterali (21, 22, 31, 32) essendo ortogonali fra loro ed alla base (23, 33), detto primo triedro (1) e detto secondo triedro (2) avendo uno spigolo (5) ed un vertice (5) in comune ma nessuna faccia laterale o base in comune.
  3. 3. Apparato secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che le facce laterali (21, 22, 31, 32) del primo e del secondo triedro e le basi (23, 33) sono realizzate in materiale metallico forato.
  4. 4. Apparato secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto di comprendere un sostegno (6) atto a consentire Γ orientazione del primo e del secondo triedro mediante orientazione delle basi (23, 33).
  5. 5. Apparato secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che le facce laterali (21, 22, 31, 32) del primo e del secondo triedro, le basi (23, 33) ed il sostegno (6) sono realizzati con parti smontabili e rimontabili.
  6. 6. Apparato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere un’antenna GPS (8) disposta sulla sommità del riflettore.
  7. 7. Apparato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere una copertura (9) in materiale trasparente alle onde elettromagnetiche ed in grado di ricoprire interamente entrambi il primo (2) ed il secondo triedro (3).
  8. 8. Riflettore per onde elettromagnetiche, caratterizzato dal fatto di comprendere in un unico pezzo un primo triedro (2) ed un secondo triedro (3), detto primo triedro (2) e detto secondo triedro (3) comprendendo ciascuno due facce laterali (21, 22, 31, 32) ed una base (23, 33), dette facce laterali (21, 22, 31, 32) essendo ortogonali fra loro ed alla base (23, 33), detto primo triedro (1) e detto secondo triedro (2) avendo uno spigolo (5) ed un vertice (5) in comune ma nessuna faccia laterale o base in comune.
  9. 9. Riflettore secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che le facce laterali (21, 22, 31, 32) del primo e del secondo triedro e le basi (23, 33) sono realizzate in materiale metallico forato.
  10. 10. Riflettore secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto di comprendere un sostegno (6) atto a consentire l’orientazione del primo e del secondo triedro mediante orientazione delle basi (23, 33).
  11. 11. Riflettore secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che le facce laterali (21, 22, 31, 32) del primo e del secondo triedro, le basi (23, 33) ed il sostegno (6) sono realizzati con parti smontabili e rimontabili.
  12. 12. Riflettore secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto di comprendere una copertura (9) in materiale trasparente alle onde elettromagnetiche ed in grado di ricoprire interamente entrambi il primo (2) ed il secondo triedro (3).
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