ITTO20130108A1 - Innovativo metodo per generare immagini sar in modalita' stripmap - Google Patents

Innovativo metodo per generare immagini sar in modalita' stripmap

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ITTO20130108A1
ITTO20130108A1 IT000108A ITTO20130108A ITTO20130108A1 IT TO20130108 A1 ITTO20130108 A1 IT TO20130108A1 IT 000108 A IT000108 A IT 000108A IT TO20130108 A ITTO20130108 A IT TO20130108A IT TO20130108 A1 ITTO20130108 A1 IT TO20130108A1
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IT
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sar
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Description

DESCRIZIONE
METODO PER GENERARE IMMAGINI SAR IN MODALITA' STRIPMAPâ€
SETTORE TECNICO DELL’INVENZIONE
La presente invenzione à ̈ relativa, in generale, al telerilevamento tramite radar ad apertura sintetica (“Synthetic Aperture Radar†- SAR) ed, in particolare, ad un innovativo metodo per generare, vale a dire acquisire e processare, cioà ̈ formare, immagini SAR in modalità Stripmap.
STATO DELL’ARTE
In figura 1 à ̈ mostrata una tipica geometria di riferimento per la generazione di immagini SAR della superficie terrestre. A tal riguardo si vuole qui sottolineare il fatto che in figura 1 (ed anche in successive figure che verranno presentate e descritte nel seguito) la superficie terrestre viene (e verrà) mostrata “piatta†solo per comodità e semplicità di illustrazione e descrizione, senza per questo perdere di generalità.
In particolare, la figura 1 illustra schematicamente un radar ad apertura sintetica (nel seguito chiamato, per semplicità di descrizione, sensore SAR) 10 che si muove lungo una direzione di volo d ad una quota h (rispetto alla superficie terrestre) ipotizzata sostanzialmente costante. Com’à ̈ noto, la quota h del sensore SAR 10 à ̈ misurata lungo una direzione di Nadir z che passa per detto sensore SAR 10 (in particolare passa per il centro di fase dell’antenna del sensore SAR 10) ed à ̈ ortogonale alla superficie terrestre ed alla direzione di volo d. Convenientemente, il sensore SAR 10 à ̈ trasportato in volo/orbita da una piattaforma aerea/spaziale (non mostrata in figura 1 per semplicità di illustrazione), come ad esempio un aereo o un velivolo a pilotaggio automatico (“Unmanned Aerial Vehicle†- UAV) o un satellite. La traccia a terra della direzione di volo d individua una direzione di azimut x che à ̈ parallela a detta direzione di volo d ed à ̈ ortogonale alla direzione di Nadir z, mentre una direzione cross-track y, che à ̈ ortogonale sia alla direzione di Nadir z che alla direzione di azimut x, individua, insieme con la direzione di azimut x, un piano xy tangente alla superficie terrestre. In uso, il sensore SAR 10, tramite un’opportuna antenna (non mostrata in figura 1 per semplicità di illustrazione), trasmette impulsi radar e riceve i relativi segnali retro-diffusi (“back-scattered†) in una direzione di acquisizione sr che individua lo slant range e che forma con la direzione di Nadir z un angolo in elevazione Î ̧ e con la direzione di volo d (o, equivalentemente, con la direzione di azimut x) un angolo di squint φ che, nella geometria di acquisizione SAR mostrata in figura 1, à ̈ uguale a 90°.
In particolare, la geometria di acquisizione SAR mostrata in figura 1 à ̈ relativa alla cosiddetta modalità Stripmap in cui il sensore SAR 10 illumina con gli impulsi radar, e quindi riceve i relativi segnali retro-diffusi da, una striscia della superficie terrestre, nota come swath, che si estende principalmente parallelamente alla direzione di azimut x e che ha una data larghezza W lungo la direzione di cross-track y. Per maggiore chiarezza, in figura 2 viene mostrata la geometria di acquisizione SAR in modalità Stripmap nel piano xy, dove à ̈ possibile notare come gli angoli di squint φ siano tutti uguali (in particolare, nell’esempio mostrato in figura 2, gli angoli di squint φ sono tutti angoli retti).
Com’à ̈ noto, la risoluzione in azimut per un’acquisizione SAR in modalità Stripmap à ̈ tradizionalmente definita pari a L/2, dove L indica la lunghezza fisica o equivalente lungo la direzione di azimut x dell’antenna del sensore SAR.
Attualmente, per migliorare (ovvero diminuire) la risoluzione in azimut vengono utilizzati fasci d’antenna molto estesi ottenuti tramite l’utilizzo di antenne di piccole dimensioni o sotto illuminate o con modulazione d’ampiezza e/o di fase così da ridurne le dimensioni equivalenti, oppure viene utilizzata la cosiddetta modalità Spotlight la cui logica di acquisizione viene illustrata schematicamente in figura 3.
In particolare, come mostrato in figura 3, la logica di acquisizione SAR in modalità Spotlight prevede di utilizzare un continuo, o quasi-continuo, ripuntamento del fascio d’antenna durante lo spostamento in volo del sensore SAR 10 (variando dinamicamente il valore dell’angolo di squint φ) in modo tale da illuminare con gli impulsi radar e quindi ricevere i relativi segnali retro-diffusi sempre da una stessa area di interesse aumentando, in questo modo, il tempo di persistenza del sensore SAR 10 su detta area di interesse e migliorando, quindi, la risoluzione in azimut.
Entrambe le suddette metodologie utilizzate per migliorare la risoluzione in azimut soffrono di alcuni inconvenienti. In particolare, l’uso di fasci d’antenna molto estesi richiede l’uso di potenze di trasmissione molto elevate, mentre la modalità Spotlight introduce delle limitazioni sulla lunghezza degli swath in azimut.
OGGETTO E RIASSUNTO DELL’INVENZIONE
Scopo della presente invenzione à ̈, quindi, quello di fornire un metodo per acquisire immagini SAR in modalità Stripmap che consenta di ottenere risoluzioni in azimut migliori rispetto a quelle ottenibili con le attuali tecniche di acquisizione SAR di tipo Stripmap e che non soffra degli svantaggi precedentemente descritti.
Il suddetto scopo à ̈ raggiunto dalla presente invenzione in quanto essa à ̈ relativa ad un metodo ed un sistema per generare immagini SAR, secondo quanto definito nelle rivendicazioni allegate.
In particolare, il metodo per generare immagini SAR secondo la presente invenzione comprende eseguire, tramite un radar ad apertura sintetica trasportato da una piattaforma aerea o satellitare, N differenti acquisizioni SAR in modalità Stripmap di aree della superficie terrestre, N essendo un numero intero maggiore di uno.
In dettaglio, ogni acquisizione SAR in modalità Stripmap eseguita comprende una pluralità di rispettive operazioni di trasmissione e ricezione radar che sono:
• eseguite in differenti istanti di tempo in rispettive direzioni di acquisizione che sono parallele o quasi parallele tra loro e che non sono parallele alle direzioni di acquisizione delle altre N-1 acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite; ed
• interlacciate nel tempo, singolarmente o a gruppi, con singole, o gruppi di, operazioni di trasmissione e ricezione radar delle altre N-1 acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite.
Inoltre, il metodo comprende anche generare immagini SAR di dette aree della superficie terrestre sulla base delle N differenti acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite.
Convenientemente, per ogni acquisizione SAR in modalità Stripmap eseguita risulta che:
• le rispettive direzioni di acquisizione sono definite istante per istante da uno stesso rispettivo angolo di squint rispetto alla direzione di volo del radar ad apertura sintetica e da uno stesso rispettivo angolo in elevazione rispetto al Nadir del radar ad apertura sintetica; ed
• il rispettivo angolo di squint à ̈ diverso dall’angolo di squint delle altre N-1 acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite e gli angoli in elevazione di tutte le N differenti acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite sono pressoché uguali in modo tale che tutte le N differenti acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite osservino uno stesso swath della superficie terrestre, oppure gli angoli di squint di tutte le N differenti acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite sono uguali ed il rispettivo angolo in elevazione à ̈ diverso dall’angolo in elevazione delle altre N-1 acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite in modo tale che le N differenti acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite osservino N swath distinti della superficie terrestre.
Più convenientemente, l’antenna del radar ad apertura sintetica à ̈ associata ad una frequenza nominale di ripetizione di impulso e le operazioni di trasmissione e ricezione radar sono eseguite con una frequenza operativa di ripetizione che à ̈ uguale
• a N volte la frequenza nominale di ripetizione di impulso in modo tale che ognuna delle N differenti acquisizioni SAR in modalità Stripmap risulti eseguita con la frequenza nominale di ripetizione di impulso; oppure • a circa la frequenza nominale di ripetizione di impulso.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
Per una migliore comprensione della presente invenzione, alcune forme preferite di realizzazione, fornite a puro titolo di esempio esplicativo e non limitativo, verranno ora illustrate con riferimento ai disegni annessi (non in scala), in cui:
• le Figure 1 e 2 illustrano schematicamente una tipica geometria di acquisizione di immagini SAR in modalità Stripmap;
• la Figura 3 illustra schematicamente una tipica geometria di acquisizione di immagini SAR in modalità Spotlight;
• le Figure 4 e 5 illustrano schematicamente un esempio di logica di acquisizione SAR in modalità Stripmap secondo un primo aspetto della presente invenzione;
• la Figura 6 illustra schematicamente un metodo di elaborazione dei dati acquisiti utilizzando la logica di acquisizione SAR in modalità Stripmap delle figure 4 e 5;
• le Figure 7 e 8 illustrano risultati di simulazioni eseguite dalla Richiedente per validare la tecnica di acquisizione SAR in modalità Stripmap secondo detto primo aspetto della presente invenzione;
• la Figura 9 illustra schematicamente un esempio di logica di acquisizione SAR in modalità Stripmap secondo un secondo aspetto della presente invenzione;
• le Figure 10 e 11 illustrano schematicamente effetti dell’applicazione di una prima strategia di acquisizione nell’esecuzione di tecniche di acquisizione SAR in modalità Stripmap secondo un terzo ed un quarto aspetto della presente invenzione; e
• le Figure 12 e 13 illustrano schematicamente effetti dell’applicazione di una seconda strategia di acquisizione nell’esecuzione delle tecniche acquisizione SAR in modalità Stripmap secondo il terzo ed il quarto aspetto della presente invenzione.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DI FORME PREFERITE DI REALIZZAZIONE DELL’INVENZIONE
La seguente descrizione viene fornita per permettere ad un tecnico del settore di realizzare ed usare l’invenzione. Varie modifiche alle forme di realizzazione presentate saranno immediatamente evidenti a persone esperte ed i generici principi qui divulgati potrebbero essere applicati ad altre forme realizzative ed applicazioni senza, però, per questo uscire dall’ambito di tutela della presente invenzione.
Quindi, la presente invenzione non deve essere intesa come limitata alle sole forme di realizzazione descritte e mostrate, ma le deve essere accordato il più ampio ambito di tutela coerentemente con i principi e le caratteristiche qui presentate e definite nelle rivendicazioni allegate.
La presente invenzione nasce dall’intuizione della Richiedente di sfruttare in maniera non convenzionale le capacità di puntamento (“steering†) delle antenne utilizzate nei sensori SAR. La Richiedente ha, quindi, ideato una tecnica di acquisizione SAR multi-fascio e multi-temporale, che sfrutta, in “time sharing†, vale a dire a divisione di tempo, le caratteristiche di trasmissione e ricezione di un sensore SAR.
In particolare, l’idea alla base della presente invenzione à ̈ quella di dividere un’acquisizione SAR in modalità Stripmap in N acquisizioni elementari in modalità Stripmap (con N>1) e di combinarle in modo tale da ottenere:
• immagini SAR con una risoluzione in azimut fino ad N volte inferiore rispetto a quella ottenuta con le tecniche convenzionali di acquisizione SAR di tipo Stripmap; o
• N gruppi di immagini SAR in cui ciascun gruppo à ̈ relativo ad un rispettivo swath (vale a dire in modo tale da osservare N swath distinti a parità di risoluzione in azimut).
Specificatamente, un primo aspetto della presente invenzione concerne l’esecuzione di diverse acquisizioni SAR interlacciate a livello di intervallo di ripetizione degli impulsi (“Pulse Repetition Interval†– PRI), che rappresenta il tempo che intercorre tra due impulsi consecutivi trasmessi, in particolare acquisizioni SAR in cui la direzione azimutale di illuminazione dell’antenna, vale a dire l’angolo di squint utilizzato, cambia a livello di PRI.
In dettaglio, utilizzando una frequenza di ripetizione degli impulsi (“Pulse Repetition Frequency†– PRF, dove PRF=1/PRI) incrementata, si possono ottenere N acquisizioni Stripmap aventi, singolarmente, PRF compatibili con la dimensione dell’antenna (così facendo non si hanno dei valori alterati di ambiguità azimutale), in modo tale che la somma dei diversi angoli di squint utilizzati possa sintetizzare un’antenna con un fascio maggiore (fino ad N volte). Integrando gli N angoli di squint e compensando la modulazione d’ampiezza, si può, quindi, ottenere un’immagine SAR avente una risoluzione in azimut migliore di N volte (ossia più piccola di un fattore N). Differentemente dalla modalità Spotlight, la direzione azimutale di illuminazione dell’antenna viene variata senza “inseguire†una predeterminata zona e, quindi, non si introduce nessun vincolo sulla dimensione dello swath in azimut.
La PRF utilizzata à ̈ N volte maggiore della PRF nominale propria dell’antenna considerata, vale a dire che ha lo stesso valore di una PRF impiegata per un’antenna N volte più piccola (cioà ̈ la dimensione necessaria per ottenere la stessa risoluzione in azimut con le tecniche tradizionali).
Il vantaggio à ̈ che un’antenna più grande permette di ottenere, a parità di potenza trasmessa, prestazioni di sensibilità notevolmente superiori, oppure di usare, a parità di prestazioni, una potenza di trasmissione notevolmente inferiore. Inoltre, poiché l’antenna à ̈ di dimensioni maggiori, la densità di potenza in trasmissione (ottenuta dividendo la potenza trasmessa per la superficie dell’antenna) risulta essere notevolmente ridotta. Il fatto di utilizzare un’antenna fisica più grande rende, inoltre, il sistema molto più flessibile in quanto à ̈ compatibile con modalità a PRF minori e quindi con acquisizioni SPOT/STRIP/SCAN a risoluzione peggiore ma con swath sensibilmente migliori (ossia notevolmente maggiori).
Anche se la tecnica di acquisizione SAR in modalità Stripmap secondo il suddetto primo aspetto della presente invenzione si può utilizzare con un generico N intero maggiore di 1, nel seguito, per semplicità di descrizione e senza perdere di generalità, verranno presentati esempi per N=2.
Per una migliore comprensione del primo aspetto della presente invenzione, nelle figure 4 e 5 viene illustrato schematicamente un esempio di logica di acquisizione SAR in modalità Stripmap secondo detto primo aspetto della presente invenzione nel caso di N=2.
In particolare, la figura 4 (in cui il sistema di riferimento cartesiano utilizzato corrisponde sostanzialmente a quello precedentemente introdotto per le figure 1-3) mostra, nel piano xy, un sensore SAR 20 che à ̈ equipaggiato con un’antenna (non mostrata in figura 4 per semplicità di illustrazione) associata ad una data PRF nominale PRFnome che à ̈ trasportato in volo/orbita lungo una direzione di volo d da una piattaforma aerea/spaziale (non mostrata in figura 4 per semplicità di illustrazione), come ad esempio un aereo o un UAV o un elicottero o un satellite. Nell’esempio mostrato in figura 4 il sensore SAR 20 viene utilizzato con una PRF doppia rispetto alla PRF nominale dell’antenna (i.e., PRF=2PRFnom) in modo tale da trasmettere impulsi successivi ad una distanza temporale PRI=1/(2PRFnom). In particolare, come mostrato in figura 4, il sensore SAR 20 viene utilizzato per trasmettere:
• ad un primo istante di tempo t1un primo impulso con una prima direzione di illuminazione sr1orientata rispetto alla direzione di azimut x, ovvero rispetto alla direzione di volo d, secondo un primo angolo di squint φ1; e,
• ad un secondo istante di tempo t2(con t2-t1=PRI), un secondo impulso con una seconda direzione di illuminazione sr2orientata rispetto alla direzione di azimut x, ovvero rispetto alla direzione di volo d, secondo un secondo angolo di squint φ2diverso dal primo angolo di squint φ1.
In dettaglio, il sensore SAR 20 esegue:
• al primo istante di tempo t1una prima acquisizione SAR all’indietro (vale a dire con φ1>90°); ed
• al secondo istante di tempo t2una seconda acquisizione SAR in avanti (vale a dire con φ2<90°).
Le due acquisizioni SAR mostrate in figura 4 rappresentano le acquisizioni elementari di un’acquisizione SAR complessiva in modalità Stripmap che viene mostrata in figura 5, dove à ̈ possibile osservare come siano eseguite una serie di acquisizioni SAR all’indietro (nel seguito chiamate anche acquisizioni dispari per semplicità di descrizione) ed una serie di acquisizioni SAR in avanti (nel seguito chiamate anche acquisizioni pari per semplicità di descrizione) interlacciate a livello di PRI, vale a dire alternando sempre un’acquisizione SAR all’indietro ad un’acquisizione SAR in avanti, ovvero alternando l’uso del primo angolo di squint φ1all’uso del secondo angolo di squint φ2.
In figura 6 à ̈ mostrato un diagramma di flusso che rappresenta un metodo di elaborazione dei dati acquisiti utilizzando la tecnica di acquisizione SAR in modalità Stripmap mostrata in figura 5.
In particolare, come mostrato in figura 6, detto metodo di elaborazione comprende:
• applicare una trasformata veloce di Fourier (“Fast Fourier Transform†- FFT) sia ai dati grezzi ottenuti tramite le acquisizioni dispari (blocco 61), sia ai dati grezzi ottenuti tramite le acquisizioni pari (blocco 62), così da ottenere, rispettivamente, un primo spettro grezzo ed un secondo spettro grezzo;
• stimare i valori del centroide Doppler sulla base dei dati grezzi ottenuti tramite le acquisizioni pari e dispari e, convenientemente, anche sulla base dei valori nominali di puntamento dell’antenna (blocco 63);
• eseguire un filtraggio ed un allineamento in frequenza del primo spettro grezzo (blocco 64) e del secondo spettro grezzo (blocco 65) sulla base dei valori stimati del centroide Doppler e dei valori nominali di puntamento dell’antenna così da ottenere, rispettivamente, un primo spettro posizionato correttamente in frequenza ed un secondo spettro posizionato correttamente in frequenza;
• applicare un’equalizzazione della modulazione di ampiezza sia al primo spettro posizionato correttamente in frequenza (blocco 66), sia al secondo spettro posizionato correttamente in frequenza (blocco 67), così da ottenere, rispettivamente, un primo spettro equalizzato ed un secondo spettro equalizzato;
• combinare in frequenza il primo spettro equalizzato con il secondo spettro equalizzato (blocco 68) così da ottenere uno spettro finale avente dimensioni doppie rispetto a quelle del primo e del secondo spettro grezzo; e • formare un’immagine SAR sulla base dello spettro finale (blocco 69), detta immagine SAR avendo una risoluzione in azimut che à ̈ pari alla metà di quella dell’immagine SAR formata sulla base dei soli dati grezzi ottenuti tramite le acquisizioni dispari o dei soli dati grezzi ottenuti tramite le acquisizioni pari.
E’ importante sottolineare il fatto che con la tecnica proposta si possono correlare i valori dei centroidi Doppler delle acquisizioni pari e dispari tramite i valori nominali legati alla variazione di puntamento dell’antenna e, quindi, si può migliorare la stima del centroide Doppler stesso.
Al fine di far comprendere al meglio le caratteristiche e le potenzialità della tecnica di acquisizione SAR in modalità Stripmap secondo il primo aspetto della presente invenzione, nelle figure 7-9 vengono illustrati i risultati di simulazioni eseguite dalla Richiedente supponendo di lavorare in banda X con un’antenna planare trasportata da un satellite ed avente una lunghezza di 5.6 metri (e sempre nel caso di N=2).
In particolare, in figura 7 viene mostrata l’intensità del pattern due vie relativo alla risposta di un singolo bersaglio (nel seguito chiamato anche con il termine inglese “target†ben noto al tecnico del settore). Come si evince dal grafico di figura 7 la tecnica di acquisizione SAR in modalità Stripmap secondo il primo aspetto della presente invenzione permette di raddoppiare (nel caso generico, di moltiplicare di un fattore N) la persistenza del sensore SAR sul target e quindi di dimezzare (o, nel caso generico, dividere di un fattore N) la risoluzione.
In figura 8 à ̈ riportata la risposta azimutale ottenuta simulando la presenza di due target distanti 2.8 metri, ossia la metà della dimensione dell’antenna. Nel grafico di figura 8 i due target risultano ben distinti in quanto la risoluzione ottenuta à ̈ notevolmente inferiore (circa la metà, ossia circa un quarto della dimensione dell’antenna) del valore previsto dalle tecniche tradizionali (circa la metà della lunghezza fisica o equivalente dell’antenna).
Com’à ̈ noto, il parametro che descrive le caratteristiche di sensibilità di un’immagine SAR, parametro dal quale sono derivate le caratteristiche d’antenna nonché i principali parametri radar come la potenza in trasmissione, à ̈ il NESZ (Noise Equivalent Sigma Zero), per il quale vale la seguente legge di proporzionalità:
P
NESZ  T L P ,
GTG R PRF
dove
• G T indica il guadagno dell’antenna in trasmissione,
• G R indica il guadagno dell’antenna in ricezione, • L P indica la perdita dovuta all’integrazione del pattern non ideale d’antenna, e
• P T indica la potenza trasmessa.
Come precedentemente descritto, il metodo di acquisizione SAR secondo il primo aspetto della presente invenzione permette di ottenere una risoluzione azimutale per acquisizioni in modalità Stripmap inferiore (fino ad N volte) rispetto a quella ottenibile con le tecniche convenzionali (circa la metà della lunghezza fisica o equivalente dell’antenna).
Qui di seguito si vuole analizzare la differenza in termini di sensibilità tra due sistemi che hanno parità di risoluzione ma che usano, uno, una tecnica tradizionale basata sull’uso di un’antenna avente una lunghezza fisica o equivalente L e, l’altro, l’innovativa tecnica secondo il primo aspetto della presente invenzione basata sull’uso di un’antenna più lunga di un fattore N, vale a dire avente una lunghezza NxL.
Un’antenna più lunga di N volte comporterà un incremento del guadagno sia in trasmissione che in ricezione di un fattore N. Come precedentemente descritto, la PRF utilizzata nell’elaborazione à ̈ N volte inferiore, cioà ̈ il singolo target viene focalizzato utilizzando un numero di campioni N volte inferiore.
A causa della presenza della cuspide (a tal riguardo, si faccia, ad esempio, riferimento alla figura 7) la perdita di integrazione potrebbe essere leggermente superiore rispetto al caso tradizionale. Tale valore, che dipende dalla forma del fascio d’antenna e dal valore di N, à ̈ comunque non significativo.
In sintesi, risulta che:
NESZinv 1
ï‚» ,
NESZtrad N
dove NESZinv indica il NESZ relativo alla tecnica secondo il primo aspetto della presente invenzione e NESZtrad indica il NESZ relativo alla tecnica tradizionale.
Pertanto, con la tecnica secondo il primo aspetto della presente invenzione vi à ̈ un notevole incremento della sensibilità del prodotto, ossia si riesce a percepire un segnale di intensità N volte inferiore. Detta tecnica secondo il primo aspetto della presente invenzione può, quindi, essere utilizzata anche per ridurre la potenza in trasmissione e, perciò, per ridurre le complessità tecnologiche.
La seguente tabella 1 sintetizza i vantaggi e gli svantaggi, a parità di prestazioni di risoluzione in azimut, della tecnica secondo il primo aspetto della presente invenzione rispetto a quella tradizionale.
TABELLA 1
Vantaggi Svantaggi Potenza in Necessità di Tecnologia trasmissione variare minore velocemente (a Densità di potenza livello di PRI) il (potenza trasmessa puntamento diviso superficie dell’antenna antenna) molto
minore
Antenna di Ingombro dimensioni maggiori • Il sistema à ̈
compatibile con
modalità a PRF
Flessibilità minore;
• Acquisizioni
Strip/Spot/Scan
a swath maggiore
Al fine di evidenziare meglio i vantaggi ottenuti grazie all’uso della tecnica secondo il primo aspetto della presente invenzione rispetto a quella tradizionale, nelle seguenti tabelle 2 e 3 vengono riportati dei confronti a parità di prestazioni di prodotto ed a parità di dimensione in elevazione.
In particolare, i dati mostrati nella seguente tabella 2 sono stati ricavati dalla Richiedente ipotizzando un’applicazione satellitare con un’altezza del satellite di circa 619 Km, una dimensione d’antenna in range di circa 1.5 m, una risoluzione di 1 m x 1 m, una larghezza di swath maggiore di 10 Km (tra 13 e 15 Km in funzione dell’angolo di elevazione), un NESZ di circa -24 dBm2/m2 ed una PRF compresa tra 9300 Hz e 10500 Hz.
TABELLA 2
Tecnica Tecnica Stripmap Stripmap secondo il secondo il Tecnica
primo aspetto primo aspetto Stripmap
della della tradizionale
presente presente con
invenzione invenzione un’antenna
con con avente
un’antenna un’antenna dimensione in
avente avente azimut pari a
dimensione in dimensione in 1.9 m
azimut pari a azimut pari a 3.8 m e con 5.8 m e con N=2 N=3 Potenza
trasmessa ï‚» 24 ï‚» 14 ï‚» 9
[KW]
Densità di  9 2.7 1.1 potenza
trasmessa
[KW/m2]
Compatibilità
con
risoluzione
in azimut di
SI SI SI
1 m e
larghezza di
swath di 13
Km
Compatibilità
con
risoluzione
in azimut di
NO NO SI
3 m e
larghezza di
swath di 40
Km
PRF minima
per Spot/Scan ï‚» 9000 ï‚» 4500 ï‚» 3000
[Hz]
Inoltre, i dati mostrati nella seguente tabella 3 sono stati ricavati dalla Richiedente ipotizzando un’applicazione satellitare con un’altezza del satellite di circa 619 Km, una dimensione d’antenna in range di circa 1.5 m, una risoluzione di 1.5 m x 1.5 m, una larghezza di swath di circa 20 Km, un NESZ di circa -24 dBm2/m2 ed una PRF compresa tra 6200 Hz e 7000 Hz.
TABELLA 3
Tecnica Stripmap secondo il primo Tecnica Stripmap
aspetto della tradizionale con
presente un’antenna avente
invenzione con dimensione in
un’antenna avente azimut pari a 2.9
dimensione in m
azimut pari a 5.8 m e con N=2 Potenza trasmessa
ï‚» 17 ï‚» 9
[KW]
Densità di
potenza trasmessa ï‚»4.5 ï‚»1.1
[KW/m2]
Compatibilità con
risoluzione in
SI SI
azimut di 1.5 m e
larghezza di
swath di 20 Km
Compatibilità con
risoluzione in
azimut di 3 m e NO SI
larghezza di
swath di 40 Km
PRF minima per
ï‚» 6000 ï‚» 3000
Spot/Scan [Hz]
Come si evince dai dati illustrati nelle precedenti tabelle, la tecnica secondo il primo aspetto della presente invenzione consente di realizzare, o comunque riduce sensibilmente le criticità di, sistemi SAR con prodotti Stripmap a risoluzione metrica ed incrementa le tipologie di prodotto ottenibili con sistemi SAR già progettati/operativi.
Come à ̈ stato finora descritto, la tecnica secondo il primo aspetto della presente invenzione permette di acquisire contemporaneamente N immagini Stripmap. In particolare, queste immagini, secondo detto primo aspetto della presente invenzione, sono ottenute con angoli di squint differenti per incrementare la risoluzione in azimut, mentre, secondo un secondo aspetto della presente invenzione, queste immagini possono essere convenientemente ottenute con angoli in elevazione differenti così da acquisire N strisciate disgiunte nella direzione ortogonale a quella di volo.
Specificatamente, l’idea alla base di detto secondo aspetto della presente invenzione à ̈ quella di eseguire diverse acquisizioni SAR interlacciate a livello di PRI (utilizzando di nuovo una PRF aumentata di un fattore N), in particolare acquisizioni SAR in cui la direzione in elevazione di illuminazione dell’antenna cambia a livello di PRI.
Facendo per un attimo di nuovo riferimento alla figura 1, si vuole qui ricordare, per chiarezza di descrizione, che l’angolo in elevazione à ̈ l’angolo Î ̧ compreso tra la direzione di puntamento sr dell’antenna del sensore SAR e la direzione di Nadir z del sensore SAR.
Per una migliore comprensione del secondo aspetto della presente invenzione, in figura 9 viene illustrato schematicamente un esempio di logica di acquisizione SAR in modalità Stripmap secondo detto secondo aspetto della presente invenzione nel caso di N=2 e nel caso di applicazione satellitare (fermo restando che tale logica di acquisizione SAR può essere vantaggiosamente utilizzata anche nel caso di uso di piattaforme aeree).
In particolare, la figura 9 (in cui il sistema di riferimento cartesiano utilizzato corrisponde sostanzialmente a quello precedentemente introdotto per le figure 1-5) mostra un satellite 30 che si muove lungo una direzione di volo d ed à ̈ equipaggiato con un sensore SAR (non mostrato in figura 9 per semplicità di illustrazione) avente un’antenna associata ad una data PRF nominale PRFnom. Nell’esempio mostrato in figura 9 il sensore SAR viene utilizzato con una PRF doppia rispetto alla PRF nominale (i.e., PRF=2PRFnom) in modo tale da trasmettere impulsi successivi ad una distanza temporale PRI=1/(2PRFnom). In particolare, come mostrato in figura 9, il sensore SAR a bordo del satellite 30 esegue una serie di prime acquisizioni SAR utilizzando un primo angolo in elevazione ed una serie di seconde acquisizioni SAR utilizzando un secondo angolo in elevazione, in cui dette prime e seconde acquisizioni SAR sono interlacciate a livello di PRI (vale a dire che si alterna sempre una prima acquisizione SAR ad una seconda acquisizione SAR) e detti primo e secondo angolo in elevazione sono diversi tra loro. In questo modo il sensore SAR a bordo del satellite 30 riesce ad osservare due swath distinti (così come mostrato in figura 9).
Poiché la PRF utilizzata à ̈ N volte superiore a quella richiesta/nominale, le singole acquisizioni avranno delle PRF nominali, quindi tutti i parametri di qualità dei prodotti risulteranno inalterati. Di fatto la tecnica di acquisizione SAR in modalità Stripmap secondo il secondo aspetto della presente invenzione permette la separazione dello swath in range in N swath di dimensione ridotta (circa 1/N) senza alterare gli altri parametri, come ad esempio la risoluzione in azimut.
Pertanto, la tecnica di acquisizione SAR in modalità Stripmap secondo il secondo aspetto della presente invenzione modalità consente di soddisfare due (o nel caso generico N) utenze interessate a zone mediamente estese e distanziate tra di loro nel piano di elevazione. Con la tecnica tradizionale tali richieste andrebbero in conflitto e quindi non potrebbero essere servite contemporaneamente.
Sulla base di quanto finora descritto, per non alterare i parametri di qualità d’immagine, la PRF utilizzata con le tecniche secondo il primo ed il secondo aspetto della presente invenzione à ̈ maggiore rispetto a quella propria dell’antenna. Aumentando la PRF, gli swath in range che si possono acquisire risultano ridotti. Pertanto, un terzo ed un quarto aspetto della presente invenzione sono relativi a tecniche di acquisizione SAR in modalità Stripmap che non utilizzano una PRF aumentata, o comunque non incrementata di un fattore N, in modo tale da controllare gli effetti sul prodotto e gestire le degradazioni indotte.
In particolare, detti terzo e quarto aspetto della presente invenzione sono relativi a tecniche Stripmap cosiddette a “Burst†che non sono interlacciate a livello di PRI, ossia in cui le N acquisizioni Stripmap non sono realizzate variando la direzione in azimut/elevazione di illuminazione dell’antenna a livello di PRI, ma variando la direzione in azimut/elevazione di illuminazione dell’antenna a blocchi di PRI.
Specificatamente, il terzo aspetto della presente invenzione concerne una tecnica Stripmap a Burst in cui le N acquisizioni Stripmap sono realizzate non aumentando la PRF e variando la direzione azimutale di illuminazione dell’antenna, ovvero l’angolo di squint utilizzato, a blocchi di PRI, mentre il quarto aspetto della presente invenzione concerne una tecnica Stripmap a Burst in cui le N acquisizioni Stripmap sono realizzate non aumentando la PRF e variando la direzione in elevazione di illuminazione dell’antenna, ovvero l’angolo in elevazione utilizzato, a blocchi di PRI.
La tecnica Stripmap a Burst con PRF non incrementata con variazione dell’angolo di squint secondo il terzo aspetto della presente invenzione consente di migliorare la risoluzione in azimut senza deteriorare lo swath in range, vale a dire senza alterare le dimensioni dello swath in range. In particolare, tale tecnica permette di ottenere risoluzioni in azimut inferiori alla metà della lunghezza fisica o equivalente dell’antenna utilizzata.
La tecnica Stripmap a Burst con PRF non incrementata con variazione dell’angolo in elevazione secondo il quarto aspetto della presente invenzione consente di estendere lo swath in range, anche fino a raddoppiarlo.
Per poter dividere l’acquisizione in 2 (nel caso generico in N) supponendo di utilizzare la PRF nominale propria dell’antenna utilizzata, si devono introdurre dei “buchi†nella trama dell’acquisizione. Se questi buchi non hanno caratteristiche periodiche, l’effetto sarà un innalzamento distribuito di tutti i lobi laterali, ossia si deteriora il parametro ISLR (Integrated Side Lobe Ratio) e non il PSLR (Peak Side Lobe Ratio). Viceversa, utilizzando pattern periodici di esecuzione dei due (nel caso generico N) tipi di acquisizione, si creano degli echi appaiati in posizione nota. In funzione delle esigenze si possono scegliere le varie soluzioni e quindi applicare un dato pattern nella logica di acquisizione. Poiché si integreranno un numero inferiore di campioni, il prodotto presenterà un peggioramento del parametro di NESZ.
A titolo di esempio, nelle figure 10 e 11 sono mostrati gli effetti dell’applicazione di un pattern periodico di esecuzione degli N tipi di acquisizione con le tecniche Stripmap a Burst con PRF non incrementata secondo il terzo ed il quarto aspetto della presente invenzione, mentre nelle figure 12 e 13 sono mostrati gli effetti dell’applicazione di un pattern casuale (“random†) di esecuzione degli N tipi di acquisizione con le tecniche Stripmap a Burst con PRF non incrementata secondo il terzo ed il quarto aspetto della presente invenzione.
Rispetto alle tecniche secondo il primo ed il secondo aspetto della presente invenzione, le tecniche secondo il terzo ed il quarto aspetto introducono minori vincoli tecnologici in quanto la commutazione del fascio d’antenna avviene ad una frequenza notevolmente inferiore.
La seguente tabella 4 sintetizza i vantaggi e gli svantaggi della tecniche secondo il terzo ed il quarto aspetto della presente invenzione.
TABELLA 4
Vantaggi Svantaggi Compatibilità con:
• risoluzione in azimut
migliorata (senza
alterazione dello swath);
• swath migliorato (senza I parametri di qualità alterazione della d’immagine sono fortemente risoluzione in azimut); alterati
• multi-swath (senza
alterazione della
risoluzione in azimut e
del singolo swath)
Riassumendo brevemente, la presente invenzione concerne:
• l’uso di una PRF incrementata di un fattore N e l’uso interlacciato di
- N diversi angoli di squint per diminuire di N volte la risoluzione in azimut, o
- N diversi angoli in elevazione per osservare N swath distinti a parità di risoluzione in azimut; e
• l’uso di una PRF non incrementata e l’uso a burst di
- N diversi angoli di squint per migliorare la risoluzione in azimut, o
- N diversi angoli in elevazione per incrementare il numero di swath osservati a parità di risoluzione in azimut.
In conclusione, la presente invenzione sfrutta logiche di acquisizione multi-fascio tali da consentire di ottenere acquisizioni Stripmap con risoluzioni spinte paragonabili a quelle della modalità Spotlight superando, quindi, il vincolo sulla risoluzione in azimut legata alla dimensione della larghezza del fascio d’antenna. La presente invenzione permette anche di gestire in maniera più efficiente l’energia irradiata riducendo la potenza richiesta per garantire il valore stabilito di sensibilità del prodotto (riduzione della potenza in trasmissione e della densità di potenza in trasmissione), e di acquisire contemporaneamente zone non contigue nella direzione ortogonale a quella di volo.
La presente invenzione, quindi, non soltanto incrementa la gamma di prodotti per sistemi già realizzati, ma, soprattutto, introduce una nuova metodologia per la progettazione di nuovi sistemi SAR.
Infine, risulta chiaro che varie modifiche possono essere apportate alla presente invenzione, tutte rientranti nell’ambito di tutela dell’invenzione come definito nelle rivendicazioni allegate.

Claims (10)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per generare immagini SAR comprendente eseguire, tramite un radar ad apertura sintetica (20) trasportato da una piattaforma aerea o satellitare (30), N differenti acquisizioni SAR in modalità Stripmap di aree della superficie terrestre, N essendo un numero intero maggiore di uno; in cui ogni acquisizione SAR in modalità Stripmap eseguita comprende una pluralità di rispettive operazioni di trasmissione e ricezione radar che sono • eseguite in differenti istanti di tempo in rispettive direzioni di acquisizione che sono parallele tra loro e non parallele alle direzioni di acquisizione delle altre N-1 acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite; ed • interlacciate nel tempo, singolarmente o a gruppi, con singole, o gruppi di, operazioni di trasmissione e ricezione radar delle altre N-1 acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite; il metodo comprendendo inoltre generare immagini SAR di dette aree della superficie terrestre sulla base delle N differenti acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite.
  2. 2. Il metodo della rivendicazione 1, in cui per ogni acquisizione SAR in modalità Stripmap eseguita: • le rispettive direzioni di acquisizione sono definite istante per istante da un rispettivo angolo di squint rispetto alla direzione di volo del radar ad apertura sintetica (20) e da un rispettivo angolo in elevazione rispetto al Nadir del radar ad apertura sintetica (20); ed • il rispettivo angolo di squint à ̈ diverso dall’angolo di squint delle altre N-1 acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite e gli angoli in elevazione di tutte le N differenti acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite sono sostanzialmente uguali in modo tale che tutte le N differenti acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite osservino uno stesso swath della superficie terrestre, oppure gli angoli di squint di tutte le N differenti acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite sono uguali ed il rispettivo angolo in elevazione à ̈ diverso dall’angolo in elevazione delle altre N-1 acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite in modo tale che le N differenti acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite osservino swath distinti della superficie terrestre.
  3. 3. Il metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui l’antenna del radar ad apertura sintetica (20) à ̈ associata ad una frequenza nominale di ripetizione di impulso; in cui le rispettive operazioni di trasmissione e ricezione radar di ogni acquisizione SAR in modalità Stripmap eseguita sono singolarmente interlacciate nel tempo con singole operazioni di trasmissione e ricezione radar delle altre N-1 acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite; ed in cui le operazioni di trasmissione e ricezione radar sono eseguite con una frequenza operativa di ripetizione uguale a N volte la frequenza nominale di ripetizione di impulso in modo tale che ognuna delle N differenti acquisizioni SAR in modalità Stripmap risulti eseguita con la frequenza nominale di ripetizione di impulso.
  4. 4. Il metodo della rivendicazione 3, in cui il rispettivo angolo di squint di ogni acquisizione SAR in modalità Stripmap eseguita à ̈ diverso dall’angolo di squint delle altre N-1 acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite e gli angoli in elevazione di tutte le N differenti acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite sono uguali in modo tale che tutte le N differenti acquisizioni SAR in modalità Stripmap osservino uno stesso swath della superficie terrestre; ed in cui generare immagini SAR comprende formare un’immagine SAR di un’area dello swath osservato sulla base di tutte le N differenti acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite, detta immagine SAR formata avendo una risoluzione in azimut N volte minore della risoluzione in azimut di un’immagine SAR di detta area dello swath osservato generata sulla base di una sola qualsiasi delle N differenti acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite.
  5. 5. Il metodo della rivendicazione 4, in cui generare immagini SAR comprende inoltre: • stimare valori del centroide Doppler sulla base dei dati grezzi ottenuti tramite tutte le N differenti acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite; ed • elaborare e combinare i dati grezzi ottenuti tramite ognuna delle N differenti acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite utilizzando i valori stimati del centroide Doppler e dati indicativi del rispettivo puntamento dell’antenna del radar ad apertura sintetica (20), ottenendo in questo modo un unico spettro finale; ed in cui formare un’immagine SAR comprende formare un’immagine SAR dell’area dello swath osservato sulla base dello spettro finale.
  6. 6. Il metodo secondo una qualsiasi rivendicazione 1-3, in cui gli angoli di squint di tutte le N differenti acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite sono uguali ed il rispettivo angolo in elevazione di ogni acquisizione SAR in modalità Stripmap eseguita à ̈ diverso dall’angolo in elevazione delle altre N-1 acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite in modo tale che le N differenti acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite osservino N swath distinti della superficie terrestre; ed in cui generare immagini SAR comprende formare, sulla base di ogni acquisizione SAR in modalità Stripmap eseguita, un’immagine SAR di un’area del rispettivo swath osservato.
  7. 7. Il metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui l’antenna del radar ad apertura sintetica (20) à ̈ associata ad una frequenza nominale di ripetizione di impulso; in cui le rispettive operazioni di trasmissione e ricezione radar di ogni acquisizione SAR in modalità Stripmap eseguita sono interlacciate nel tempo, a gruppi, con gruppi di operazioni di trasmissione e ricezione radar delle altre N-1 acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite; ed in cui le operazioni di trasmissione e ricezione radar sono eseguite con una frequenza operativa di ripetizione paragonabile alla frequenza nominale di ripetizione di impulso.
  8. 8. Il metodo della rivendicazione 7, in cui il rispettivo angolo di squint di ogni acquisizione SAR in modalità Stripmap eseguita à ̈ diverso dall’angolo di squint delle altre N-1 acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite e gli angoli in elevazione di tutte le N differenti acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite sono uguali in modo tale che tutte le N differenti acquisizioni SAR in modalità Stripmap osservino uno stesso swath della superficie terrestre; ed in cui generare immagini SAR comprende formare un’immagine SAR di un’area dello swath osservato sulla base di tutte le N differenti acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite, detta immagine SAR formata avendo una risoluzione in azimut minore della risoluzione in azimut di un’immagine SAR di detta area dello swath osservato generata sulla base di una sola qualsiasi delle N differenti acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite.
  9. 9. Il metodo della rivendicazione 7, in cui gli angoli di squint di tutte le N differenti acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite sono uguali ed il rispettivo angolo in elevazione di ogni acquisizione SAR in modalità Stripmap eseguita à ̈ diverso dall’angolo in elevazione delle altre N-1 acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite in modo tale che le N differenti acquisizioni SAR in modalità Stripmap eseguite osservino N swath distinti della superficie terrestre; ed in cui generare immagini SAR comprende formare, sulla base di ogni acquisizione SAR in modalità Stripmap eseguita, un’immagine SAR di un’area del rispettivo swath osservato.
  10. 10. Sistema SAR comprendente una piattaforma aerea o satellitare (30) equipaggiata con un radar ad apertura sintetica (20); detto sistema SAR essendo configurato per eseguire il metodo per generare immagini SAR rivendicato in una qualsiasi rivendicazione precedente.
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