Prof. Roberto Seu

1. TELERILEVAMENTO ATTIVO A MICROONDE: IL RADAR ALTIMETRO Prof. Roberto Seu

2. LA RADAR ALTIMETRIA L’altimetria si occupa di misurare la quota assoluta di un punto rispetto una superficie di riferimento. Nel caso di nostro interesse i punti di cui si vuole conoscere la quota sono quelli che costituiscono la superficie del mare e il riferimento è dato dal geoide • Studi meteorologici • Supporto alle ricerche su circolazione oceanica, batimetria e caratteristiche del geoide • Protezione delle grandi riserve di pesca oceaniche • Potenziale uso delle risorse marine nella produzione di energia e nell’estrazione di minerali • Il radar altimetro è un sensore attivo a microonde • Principale obiettivo del radar altimetro è misurare con grande precisione il ritardo, la potenza e la forma d’onda dell’eco ricevuto Variazioni del livello del mare misurate da Topex/Poseidon nell’arco di 3 anni (1996-1998)

3. BATIMETRIA Rilevabili dalle modifiche (slopes), indotte sulla superficie media marina, dalla topografia del letto dei fondali marini

4. RADAR ALTIMETRIA CONVENZIONALE • Distanza dall’altimetro • Altezza delle onde • Velocità del vento Impulso trasmesso Area illuminata Forma d’onda del segnale ricevuto Modellizzazione matematica della forma d’onda dell’altimetro: Eco di Brown Nell’area illuminata ci sono infiniti elementi che riflettono il segnale in direzioni diverse (Speckle Noise). Perciò si sommano molte forme d’onda per ridurre il rumore Somma di più forme d’onda individuali

5. APPLICAZIONI DEI RADAR ALTIMETRI: ERS 1 E 2 Il radar altimetro e’ progettato per effettuare misure accurate dell’altezza del satellite rispetto alla superficie marina, che puo’ essere immediatamente convertita in altezza della superficie marina rispetto ad un ellissoide di riferimento. La misura di altezza fatta da un altimetro e’ affetta dal contributo di molti fenomeni differenti, come il sottostante geoide marino e la circolazione generale degli oceani su larga scala. L’altimetro misura anche l’altezza delle onde e la velocita’ del vento

6. APPLICAZIONI DEI RADAR ALTIMETRI: ERS 1 E 2 SUPERFICIE MARINA MEDIA Anche se puo’ sembrare strano, la superficie del’oceano non e’ piatta. Essa contiene infatti colline e valli che sono di fatto una eco del fondo dell’oceano. Proprieta’ ESA Un altro fattore importante che influenza il livello medio della superficie marina e’ la circolazione degli oceani, composta di correnti fredde e calde che contribuiscono significativamente al nostro clima. L’immagine mostra la topografia dell’Atlantico, dai bassifondi continentali sino alle creste dei rilievi centrali. La dinamica di variazione del livello medio del mare ammonta a decine di metri e l’altimetro puo’ misurare queste quantita’ con l’accuratezza di un paio di cm

7. APPLICAZIONI DEI RADAR ALTIMETRI: ERS 1 E 2 MISURA DEL GEOIDE MARINO L’altezza della superficie degli oceani rispetto al centro della terra e’ funzione non solo delle correnti marine, ma anche della composizione della Terra. Variazioni di tale composizione hanno un effetto sul campo gravitazionale terrestre e questo si riflette direttamente nel rilievo della superficie marina. L’informazione estratta dai dati altimetrici (in particolare quelli di ERS) ha consentito la formazione di mappe topografiche della superficie marina media, il geoide marino. Il geoide e’ la superficie fondamentale di riferimento della geodesia. La superficie del geoide e’ espressa come scostamento da una semplice figura matematica, nota come ellissoide di riferimento. Ad esso si riferiscono tutte le differenze in altezza e potenziale di gravita’ (sia sulla terraferma che sui mari).

8. APPLICAZIONI DEI RADAR ALTIMETRI: ERS 1 E 2 MISURA DELLO STATO DEL MARE Il radar altimetro misura anche l’altezza delle onde che appare all’interno della sua impronta e la velocita’ del vento in superficie. Misure dell’altezza delle onde effettuate quasi in tempo reale da ERS sono utilizzate insieme a “modelli” delle onde per ottenere previsioni delle onde utili per l’ottimizzazione di una serie di operazioni marine. Un archivio di queste misure, e di altre simili da altri sensori, e’ in uso per derivare la climatologia delle aree marine in tutta la Terra, consentendo la rivelazione ed il monitoraggio di variazioni climatiche. Tali informazioni sono anche utili per molte industrie marine che progettano per esempio strutture “offshore”.

9. APPLICAZIONI DEI RADAR ALTIMETRI: ERS 1 E 2 MISURA DELLA TOPOGRAFIA DEGLI OCEANI Il livello dei mari varia significativamente con il tempo e nello spazio. Variazioni regionali del livello del mare possono verificarsi ad esempio come conseguenza di differenziali di pressione a loro volta risultato dello scambio di calore con l’atmosfera e quindi possono essere ricondotte a fenomeni di circolazione oceanica. L’altimetro e’ quindi uno strumento importante per lo studio di modelli di circolazione oceanica che consentono di trasformare le informazioni sulla superficie in descrizioni 3-D delle correnti e dei fenomeni di trasporto. Un’importante fluttuazione nel sistema oceano-atmosfera, osservata con ERS, e’ El Nino, che causa un incremento della temperatura lungo il Pacifico centrale e tropicale e che produce variazioni climatiche drammatiche su scale temporali che vanno da mesi ad anni.

10. APPLICAZIONI DEI RADAR ALTIMETRI: ENVISAT L’altimetro di Envisat ha uno speciale modo operativo che consente di misurare dettagli topografici come i bordi dei ghiacciai e lo spessore degli iceberg Lo spessore misurato del grande iceberg mostrato in figura era di 25 m, lo spessore totale, inclusa la parte sommersa, era di 200 m

11. APPLICAZIONI DEI RADAR ALTIMETRI: CRYOSAT Cryosat e’ una missione altimetrica dell’ESA, il cui lancio e’ previsto per quest’anno, il cui scopo e’ la determinazione delle variazioni di spessore dei ghiacciai continentali e marini. In particolare il suo obiettivo primario e’ di verificare la possibilita’ di predire l’assottigliamento del ghiaccio Artico a causa del riscaldamento globale. Se il ghiaccio Artico diviene piu’ sottile, potrebbe cambiare la circolazione marina nel nord Atlantico e quindi lo scambio di calore verso l’Europa occidentale.

12. APPLICAZIONI DEI RADAR ALTIMETRI: CRYOSAT Lo scopo della missione Cryosat e’ quello di determinare il comportamento delle masse di ghiaccio sulla Terra. Di importanza fondamentale e’ la verifica del predetto assottigliamento dei ghiacci marini artici, dovuto ai fenomeni di riscaldamento globale e che potrebbe avere come conseguenza importanti variazioni climatiche. In piu’ e’ importante anche scoprire in quale misura i ghiacciai Antartici e della Groenlandia hanno contribuito all’innalzamento del livello del mare. Per raggiungere tali obiettivi l’altimetro di Cryosat e’ estremamente avanzato, utilizzando tecniche di elaborazione basate su apertura sintetica (along-track) ed interferometria

13. (**) (*) L’IMPORTANZA DELLA CRIOSFERA Le previsioni sul clima futuro e sull’altezza del mare dipendono dalla conoscenza delle masse di ghiaccio marine e terrestri. Il 17% dei margini dell’Antartide non sono mai stati misurati, vale a dire che circa il 16% dell’intera criosfera terrestre non è osservabile. Le osservazioni da satellite sono gli unici strumenti di misurazione su larga scala spazio-temporale Dotando il radar altimetro convenzionale delle tecniche di Apertura Sintetica e di Interferometria si ottiene un sensore in grado di misurare lo spessore dell’80% dei ghiacci marini e del 98% delle aree terrestri ghiacciate Variazione nello spessore dei ghiacciai dell’Antartide dal 1992 al 1996 misurate dagli altimetri ERS-1 e ERS-2. Circa il 33% della criosfera dell’Antartide rimane fuori della portata dei radar altimetri pulse-limited di ERS.E’ necessario un radar altimetro ad alta risoluzione per completare il campionamento della criosfera • MODI OPERATIVI: • Convenzionale Pulse Limited per le operazioni sulle zone interne dei ghiacciai terrestri • Apertura Sintetica per le operazioni sui ghiacciai marini (*) • Apertura Sintetica/Interferometrico per le operazioni sui margini dei ghiacciai (**)

14. ALTIMETRO DELAY/DOPPLER, PHASE MONOPULSE Along-Track: Elaborazione Doppler Across-Track: Phase Monopulse I singoli elementi osservati, poiché il satellite è in moto, sono visti sotto diverse angolazioni e forniscono un’evoluzione doppler (Storia Doppler) Elaborazione coerente degli impulsi radar • ELABORAZIONE DELAY/DOPPLER • Migliore risoluzione in Along-Track • Eliminazione degli errori indotti dai dislivelli in Along-Track • Migliore efficienza in potenza Due sistemi antenna/ricevitore • MISURAZIONE D’ANGOLO PHASE MONOPULSE • Misura della posizione in Across-Track • Eliminazione degli errori indotti dai dislivelli in Across-Track

15. COMPENSAZIONE DEL RITARDO Dominio Delay/Along-Track Dominio Delay/Doppler Trasformata di Fourier Ciascuna Storia in Distanza è un’iperbole, e per una data altitudine la sua forma è nota. L’offset di ritardo r può essere facilmente calcolato se la posizione in Along-Track dello scatteratore è nota Il ritardo relativo r(f) è una funzione conosciuta della frequenza Doppler. La compensazione può essere effettuato su tutti i segnali contemporaneamente La compensazione del ritardo risulta essere un problema a molti valori e di non unica soluzione La compensazione del ritardo risulta essere un problema a un solo valore

16. Nel caso di radar pulse-limited c’è uno spostamento dell’area misurata ma non della risposta all’impulso trasmesso. Nel caso di sistemi beam-limited invece l’area illuminata è sempre la stessa mentre la banda della riposta aumenta MISURAZIONE DELL’ANGOLO Una differenza di fase tra gli impulsi ricevuti dalle due antenne indica l’angolo di inclinazione del terreno Scopo principale di questa tecnica è la determinazione dell’elevazione. Errori di angolo si ripercuotono su errori di elevazione. L’errore di elevazione è definito come differenza tra l’elevazione misurata e quella effettiva. Per un satellite posto a un’altezza di 800 Km e inclinazione del terreno di 0.1° in assenza di informazioni circa l’inclinazione del terreno si incorre in un errore di 1,2 m, molto elevato se comparato con l’accuratezza voluta che è dell’ordine dei centimetri

17. PARAMETRI DEL SISTEMA Timing L’alta PRF impone uno schema di trasmissione a burst