Sharad

“Elaborazione dei dati radar per l'osservazione di pianeti
del sistema solare”
Dottorato di Ricerca in Telerilevamento
Presentazione I Anno
Marco Mastrogiuseppe
Il Radar Altimetro Cassini
e il Sounder Sharad
Attività svolte:
•
Analisi e processing dei dati altimetrici della sonda
Cassini mappatura di tutte le tracce altimetriche,
analisi degli incroci altimetrici e altimetro-SAR.
•
Studio teorico di un metodo in grado di stimare il valor
medio dell'indice di rifrazione in mezzi stratificati, analisi
delle prestazioni nel caso Sharad tramite simulazione
Montecarlo.
•
Studio congiunto Sharad e Marsis sull' attenuazione nei
mezzi attraverso l'analisi delle eco sottosuperficiali.
Sharad data inversion
Cassini: mappature delle tracce
altimetriche, incroci altimetro
- SAR
Attività svolte:
•
Studio teorico dei modelli elettromagnetici per
l'interpretazione dei segnali ricevuti dal radar Cassini.
•
Mappatura completa di tutte le tracce altimetriche
•
Studio degli incroci altimetrici, delle sovrapposizioni
altimetriche e altimetro SAR .
Le tracce Altimetriche e le immagini SAR sono state referenziate
su una sfera con raggio pari a quello di Titano. Grazie alla
recente conoscenza dell'ellissoide e del geoide di
riferimento, è ora possibile georeferenziare tutti i dati a
disposizione e ottenere la topografia completa.
Sharad data inversion
Cassini: Radar Altimeter coverage (Oct 2009)
Tracce altimetriche dall'inizio missione a Ottobre 2009
Sharad data inversion
Cassini: Correzioni ephemeridi
e sovrapposizioni altimetriche
Il lavoro svolto di mappatura e ricerca delle
sovrapposizioni delle tracce altimetriche, il processing e
l'analisi delle quote dei profili altimetrici, permette di
valutare l'accuratezza delle ephemeridi calcolate dai
navigatori.
Questo lavoro permetterà al gruppo Radio Science , di
verificare la correttezza delle nuove stime fatte sulle
ephemeridi della sonda Cassini.
Nella slide seguente viene mostrato il risultato dello
studio sulla sovrapposizione delle tracce altimetriche
T8 e T13.
Sharad data inversion
Cassini: Correzioni ephemeridi
e sovrapposizioni altimetriche
I due Profili Altimetrici delle tracce sovrapposte T8 e T13 mostrano
uno scostamento medio di circa 70 m. Questo scostamento è
imputabile ad un errore nel calcolo delle ephemeridi.
Sharad data inversion
Cassini: Analisi congiunta Altimetro - SAR
L'analisi congiunta delle immagini SAR e delle tracce
altimetriche e la loro correlazione sono indispensabili per lo
studio delle proprietà di scattering della superfice.
Sharad data inversion
Cassini: Studio delle immagini SAR della
superficie di Titano
Lo studio delle immagini SAR è necessario per
comprendere gli scenari visti dall'altimetro.
Esse ci stanno mostrando la complessità della superficie
di Titano fatta di crateri, laghi, dune etc.
In una delle ultime osservazioni altimetriche il radar ha
osservato uno dei laghi di Titano ma sfortunatamente il
segnale si è saturato perdendo parte dell'informazione.
Titan's Lakes seen in T28
Sharad data inversion
Cassini: Stima degli slopes superficiali e della
riflettività basata su osservazioni multiple
Attività future:
Terminato il lavoro di georeferenziazione delle immagini SAR e
delle tracce altimetriche sarà possibile:
•
Individuare zone osservate sotto diversi angoli e stimarne gli
slopes e la riflettività attraverso modelli già studiati.
•
Correlare alle immagini SAR la forma dell'echo altimetrico,
in maniera tale da individuare, attraverso l'aiuto di
simulazioni, i modelli elettromagnetici che meglio si adattano
a rappresentare gli scenari incontrati.
•
Correlare alle quote altimetriche i dati gravitazionali della
sonda. Questo permetterà di comprendere se vale il modello
di compensazione isostatica su Titano.
Sharad data inversion
Il Radar Altimetro Cassini
e il Sounder Sharad
Attività svolte:
•
Analisi e processing dei dati altimetrici della sonda Cassini
mappatura di tutte le tracce altimetriche, analisi degli
incroci altimetrici e altimetro-SAR.
•
Studio teorico di un metodo in grado di stimare il valor
medio dell'indice di rifrazione in mezzi stratificati,
analisi delle prestazioni nel caso Sharad tramite
simulazione Montecarlo.
•
Studio congiunto Sharad e Marsis sull' attenuazione
nei mezzi attraverso l'analisi
delle echo
sottosuperficiali.
Sharad data inversion
Sharad : Metodo di stima dell'indice di
rifrazione
Diversi radargrammi dei sounders Sharad e Marsis mostrano la
presenza di riflessioni provenienti dalla sottosuperficie. Il
tempo di ritardo delle riflessioni dell'onda E.M. può essere
direttamente misurato.
Per risalire dalla misura temporale alla misura in distanza è
necessario conoscere la velocità media di propagazione nel
mezzo e quindi l'indice di rifrazione.
C = C0/n
Sharad data inversion
C0 = velocità e.m. nel vuoto
n= indice di rifrazione
Sharad: Layer structures
Surface
20 usec
Subsurface
In questo esempio
Tempo di ritardo: 20 us
2*Profondità della sottosuperficie = 20 us * C0/n n=?
Sharad data inversion
Sharad: metodo di stima
dell'indice di rifrazione
Il metodo qui proposto punta a valutare l'indice di rifrazione tra
due strati separati da un mezzo omogeneo.
Esso è basato sulla legge di Snell.
Supponiamo che un'impulso E.M., irradiato da un'antenna,
viaggi nel vuoto e attraversi nadiralmente due interfacce piane
parallele, separate da un mezzo con indice di rifrazione n.
L'impulso subisce una prima riflessione ad una distanza
temporale pari a 2*R /c e una seconda riflessione ad una
distanza temporale pari a (2*∆R)/(c/√n).
Dove ∆R è la distanza temporale rispetto la prima riflessione
Sharad data inversion
Sharad: metodo di stima
dell'indice di rifrazione
Consideriamo ora un'impulso E.M. che incide i due strati con
un certo angolo rispetto alla normale delle superfici,
consideriamo inoltre uno scattering alle interfacce non
completamente speculare.
La distanza temporale della prima riflessione sarà cambiata
solo di un fattore geometrico mentre la distanza temporale
della seconda riflessione sarà funzione dell'angolo di rifrazione
di Snell.
Stimando le distanze ∆R nel caso nadir e off nadir è quindi
possibile stimare l'indice di rifrazione del mezzo indagato.
Sharad data inversion
Sharad: metodo di stima dell'indice di
rifrazione
Sharad data inversion
Sharad: Accuratezza del
metodo
Nel caso ideale di due facce piane parallele o di due punti
scatteranti immersi in un mezzo omogeneo, l'accuratezza del
parametro stimato è direttamente legata all'accuratezza della
stima fatta in distanza nel caso Nadir e Off Nadir looking.
Accuratezza in distanza: στ= 1 / ( B*2*√snr)
Sharad data inversion
Sharad: Limiti nel caso di Sharad
Per il caso Sharad le due osservazioni possono essere realizzate
con due aperture sintetiche.
L'accuratezza del metodo è stata valutata tramite delle
simulazioni con il metodo Montecarlo.
Due variabili aleatorie gaussiane con valor medio pari al ritardo
temporale tra radar e punto sottosuperficiale nel caso Nadir e Off
Nadir sono state generate considerando il modello di Snell. La
varianza delle variabili aleatorie è pari all'accuratezza della
misura in distanza.
La stima è stata applicata sulle due variabili e l'errore finale
risulta essere funzione del :
Angolo di off nadir - SNR - Bandwidth - eps_r - depth
Sharad data inversion
Sharad : Accuratezza vs eps_r
Per grandi valori di
eps_r il metodo tende
ad essere meno
accurato. Questo
perchè la differenza
tra l'ipotenusa e il
cateto nel triangolo
OAB diventa
paragonabile con
l'accuratezza in
distanza.
Sharad data inversion
Sharad : Accuratezza vs Off Nadir
Le stesse
considerazioni
possono essere fatte
per gli angoli di Off
Nadir.
Grandi angoli di Off
Nadir danno una
stima più accurata
del parametro
Sharad data inversion
Sharad : Accuratezza vs SNR
Per grandi valori di
Off Nadir, l'SNR
della sottosuperficie
può diventare
piccolo.
L'SNR influenza
direttamente la
stima in distanza e
quindi la stima del
parametro.
Sharad data inversion
Sharad : Accuratezza vs Off Nadir for
different Angles
Sharad data inversion
Attività future per il II anno di dottorato
CASSINI
Terminato il lavoro di georeferenziazione delle immagini SAR e
delle tracce altimetriche le attività future riguarderanno i
seguenti punti:
•
Stima degli slopes superficiali e della riflettività basata su
osservazioni multiple. Grazie alla mappatura completa, sarà
possibile individuare zone di Titano osservate sotto diversi
angoli, applicare il modello di stima degli slopes basato sull'OG
e stimare le proprietà dielettriche della superfice indagata.
•
Correlazione immagini SAR e forma dell'echo altimetrico.
La correlazione degli scenari SAR alla forma dell'eco
altimetrico con l'aiuto di simulazioni , permetterà di valutare i
modelli elettromagnetici che meglio si adattano a rappresentare
gli scenari incontrati.
Sharad data inversion
Attività future per il II anno di dottorato
CASSINI
•
Correlazione quote altimetriche ai dati gravitazionali.
La correlazione dei dati altimetrici con quelli gravitazionali
permetterà di comprendere se vale l'ipotesi di compensazione
isostatica su Titano.
•
Studio delle proprietà di backscattering dei laghi di Titano.
Lo studio di un modello in grado di separare la parte coerente e
incoerente, del segnale scatterato dai laghi di Titano è già in
corso. Esso è basato sull'analisi dello spettro doppler del Burst
ricevuto e della risposta e.m. della superficie nella zona di
Frenel.
Sharad data inversion
Attività future per il II anno di dottorato
SHARAD
•
Realizzazione di un simulatore del “segnale grezzo”
La realizzazione di un simulatore del segnale grezzo, nel caso di
scenari complessi come quello sottosuperficiale, permetterà di
validare il metodo di stima proposto, di ottimizzare gli algoritmi
di processing SAR nel caso specifico dei sounder. Tale
simulatore sarà quindi in grado di generare segnali
sottosuperficiali considerando anche lo spettro nel dominio
delle frequenze doppler. La successiva elaborazione del dato
simulato permetterà, in base al risultato ottenuto, di
comprendere le proprietà dielettriche della sottosuperficie.
Sharad data inversion
Attività future per il II anno di dottorato
SHARAD
•
Studio congiunto Sharad – Marsis
Grazie al processing Dual Band che separa lo spettro del segnale di
Sharad in 2 sottobande , sarà possibile operare come nel caso
Marsis.
Tutte le analisi sviluppate circa la stima delle proprietà dielettriche
della sottosuperficie, l'attenuazione della sottosuperficie
marziana nel caso di Marsis , potranno essere supportate
dall'analisi dei dati di Sharad.
Sharad data inversion