L’attività di ricerca presentata in questa tesi ha riguardato lo studio di problematiche relative all’impiego di sistemi radar ad apertura sintetica (SAR) installati a bordo di piattaforme orbitanti per applicazioni di interferometria. L’interesse che esiste in ambito internazionale per questi sistemi è giustificato dalle prestazioni che essi possono realizzare: elevata risoluzione, osservazione indipendente dalle condizioni di illuminazione e meteorologiche, ripetitività dell’osservazione durante la vita operativa della missione, copertura pressoché globale con la possibilità di osservare aree della superficie terrestre non raggiungibili. Inoltre, i sistemi radar ad apertura sintetica presentano la peculiare capacità delle misure interferometriche, consentendo la produzione di mappe topografiche (Zebker et al., 1994), il controllo delle deformazioni della superficie terrestre (Gabriel et al., 1989), la misura degli spostamenti e della velocità dei ghiacciai, l’osservazione di molte caratteristiche della superficie dell’oceano (Goldstein e Zebker, 1987), ecc.. Questo rende la tecnica considerata di telerilevamento molto interessante per numerose applicazioni scientifiche (ecologia, idrologia, oceanografia, glaciologia, geologia, geofisica, ecc.) e per altre più avanzate, come l’osservazione, il rilievo e, in qualche caso, la previsione di disastri naturali (Evans et al., 1995). Tutto ciò ha determinato ingenti investimenti a livello internazionale per l’impiego dei dati forniti da missioni già effettuate, il progetto e la pianificazione di nuove missioni per l’acquisizione di nuovi dati, la messa a punto di tecniche che permettano di operare il processo di focalizzazione delle immagini ad alta risoluzione con maggiore accuratezza, lo sviluppo di procedure software miranti all’utilizzo operativo a fini applicativi dei prodotti SAR, quali la correzione geometrica e radiometrica di precisione e la proiezione cartografica dei dati tenendo conto della morfologia della scena osservata. I sistemi SAR orbitanti realizzati fino ad oggi permettono applicazioni interferometriche secondo la tecnica repeat-pass, secondo la quale l’acquisizione delle coppie di immagini da combinare interferometricamente è ottenuta per mezzo di passaggi ripetuti del sensore sull’area di interesse. Questo da un lato permette di superare i costi e la complessità dell’operazione contemporanea di due radar, ma dall’altro introduce nuovi elementi critici, quali la perdita di correlazione delle immagini, per effetto della separazione temporale tra le acquisizioni, e l’incertezza e la variabilità della base interferometrica (Li e Goldstein, 1990). Il livello di correlazione tra le acquisizioni non simultanee dipende in maniera decisiva dall’entità dei cambiamenti che si realizzano nella scena tra le acquisizioni, ma esistono anche altre cause per la sua riduzione, individuabili nel rumore introdotto dal sistema radar, nelle aberrazioni prodotte dal processore di focalizzazione, nella differente geometria di osservazione (Just e Bamler, 1994). Per l’ottenimento di risultati di buona qualità dalle applicazioni interferometriche è necessaria una elaborazione accurata dei dati radar, che preveda l’introduzione di correzioni geometriche e radiometriche di precisione, sia al livello della focalizzazione delle immagini ad alta risoluzione mediante l’impiego di processori ad alta fedeltà di fase, sia al momento dell’elaborazione per l’applicazione interferometrica. L’attività qui presentata ha riguardato diversi tra i temi prima considerati ed è consistita sia nell’analisi teorica, sia nella sperimentazione numerica. È stata sviluppata una procedura end-to-end per la generazione di modelli digitali del rilievo (DEM) a partire da coppie di immagini SAR, che è stata applicata a dati dalla recente missione Tandem di ERS-1 e ERS-2. Nel procedimento particolare attenzione è stata rivolta alla ricostruzione della base interferometrica. Con gli stessi dati è stata pure tentata un’applicazione di interferometria differenziale con coppie non tandem, resa impossibile dalla scarsa correlazione delle coppie di immagini non tandem. È stata pure considerata una tecnica di focalizzazione dei dati grezzi mirante a realizzare una elevata accuratezza di fase. Essa si basa sulla ricostruzione della storia di fase dei bersagli osservati senza l’introduzione di approssimazioni nella descrizione del moto del sensore durante la formazione dell’antenna sintetica. Poiché questo non può prescindere dalla dinamica orbitale, per rendere la tecnica applicabile in generale è stato sviluppato un procedimento per il calcolo dell’assetto istantaneo durante l’acquisizione in base al segnale radar ricevuto all’antenna. I due procedimenti sono stati applicati a dati delle missioni ERS e SIR-C (Shuttle Imaging Radar-C). Infine, è presentata l’analisi per una nuova missione di interferometria along-track da antenne orbitanti per la misura di campi di velocità nella scena osservata, principalmente interessante per applicazioni di oceanografia. È stata studiata la configurazione delle antenne per realizzare corrette operazioni, è stata valutata l’accuratezza delle misure di velocità realizzabili e sono stati individuati i requisiti da soddisfare per il successo delle operazioni.

Analisi delle prestazioni e simulazione di missioni spaziali radar interferometriche e bistatiche

-
1999

Abstract

L’attività di ricerca presentata in questa tesi ha riguardato lo studio di problematiche relative all’impiego di sistemi radar ad apertura sintetica (SAR) installati a bordo di piattaforme orbitanti per applicazioni di interferometria. L’interesse che esiste in ambito internazionale per questi sistemi è giustificato dalle prestazioni che essi possono realizzare: elevata risoluzione, osservazione indipendente dalle condizioni di illuminazione e meteorologiche, ripetitività dell’osservazione durante la vita operativa della missione, copertura pressoché globale con la possibilità di osservare aree della superficie terrestre non raggiungibili. Inoltre, i sistemi radar ad apertura sintetica presentano la peculiare capacità delle misure interferometriche, consentendo la produzione di mappe topografiche (Zebker et al., 1994), il controllo delle deformazioni della superficie terrestre (Gabriel et al., 1989), la misura degli spostamenti e della velocità dei ghiacciai, l’osservazione di molte caratteristiche della superficie dell’oceano (Goldstein e Zebker, 1987), ecc.. Questo rende la tecnica considerata di telerilevamento molto interessante per numerose applicazioni scientifiche (ecologia, idrologia, oceanografia, glaciologia, geologia, geofisica, ecc.) e per altre più avanzate, come l’osservazione, il rilievo e, in qualche caso, la previsione di disastri naturali (Evans et al., 1995). Tutto ciò ha determinato ingenti investimenti a livello internazionale per l’impiego dei dati forniti da missioni già effettuate, il progetto e la pianificazione di nuove missioni per l’acquisizione di nuovi dati, la messa a punto di tecniche che permettano di operare il processo di focalizzazione delle immagini ad alta risoluzione con maggiore accuratezza, lo sviluppo di procedure software miranti all’utilizzo operativo a fini applicativi dei prodotti SAR, quali la correzione geometrica e radiometrica di precisione e la proiezione cartografica dei dati tenendo conto della morfologia della scena osservata. I sistemi SAR orbitanti realizzati fino ad oggi permettono applicazioni interferometriche secondo la tecnica repeat-pass, secondo la quale l’acquisizione delle coppie di immagini da combinare interferometricamente è ottenuta per mezzo di passaggi ripetuti del sensore sull’area di interesse. Questo da un lato permette di superare i costi e la complessità dell’operazione contemporanea di due radar, ma dall’altro introduce nuovi elementi critici, quali la perdita di correlazione delle immagini, per effetto della separazione temporale tra le acquisizioni, e l’incertezza e la variabilità della base interferometrica (Li e Goldstein, 1990). Il livello di correlazione tra le acquisizioni non simultanee dipende in maniera decisiva dall’entità dei cambiamenti che si realizzano nella scena tra le acquisizioni, ma esistono anche altre cause per la sua riduzione, individuabili nel rumore introdotto dal sistema radar, nelle aberrazioni prodotte dal processore di focalizzazione, nella differente geometria di osservazione (Just e Bamler, 1994). Per l’ottenimento di risultati di buona qualità dalle applicazioni interferometriche è necessaria una elaborazione accurata dei dati radar, che preveda l’introduzione di correzioni geometriche e radiometriche di precisione, sia al livello della focalizzazione delle immagini ad alta risoluzione mediante l’impiego di processori ad alta fedeltà di fase, sia al momento dell’elaborazione per l’applicazione interferometrica. L’attività qui presentata ha riguardato diversi tra i temi prima considerati ed è consistita sia nell’analisi teorica, sia nella sperimentazione numerica. È stata sviluppata una procedura end-to-end per la generazione di modelli digitali del rilievo (DEM) a partire da coppie di immagini SAR, che è stata applicata a dati dalla recente missione Tandem di ERS-1 e ERS-2. Nel procedimento particolare attenzione è stata rivolta alla ricostruzione della base interferometrica. Con gli stessi dati è stata pure tentata un’applicazione di interferometria differenziale con coppie non tandem, resa impossibile dalla scarsa correlazione delle coppie di immagini non tandem. È stata pure considerata una tecnica di focalizzazione dei dati grezzi mirante a realizzare una elevata accuratezza di fase. Essa si basa sulla ricostruzione della storia di fase dei bersagli osservati senza l’introduzione di approssimazioni nella descrizione del moto del sensore durante la formazione dell’antenna sintetica. Poiché questo non può prescindere dalla dinamica orbitale, per rendere la tecnica applicabile in generale è stato sviluppato un procedimento per il calcolo dell’assetto istantaneo durante l’acquisizione in base al segnale radar ricevuto all’antenna. I due procedimenti sono stati applicati a dati delle missioni ERS e SIR-C (Shuttle Imaging Radar-C). Infine, è presentata l’analisi per una nuova missione di interferometria along-track da antenne orbitanti per la misura di campi di velocità nella scena osservata, principalmente interessante per applicazioni di oceanografia. È stata studiata la configurazione delle antenne per realizzare corrette operazioni, è stata valutata l’accuratezza delle misure di velocità realizzabili e sono stati individuati i requisiti da soddisfare per il successo delle operazioni.
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