“Elaborazione dei dati radar per l'osservazione di pianeti...

“Elaborazione dei dati radar per l'osservazione di pianeti del sistema solare”

Dottorato di Ricerca in TelerilevamentoPresentazione I Anno

Marco Mastrogiuseppe

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 eco sottosuperficiali.


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.


Cassini: Radar Altimeter coverage (Oct 2009)

Tracce altimetriche dall'inizio missione a Ottobre 2009


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.


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.


Cassini: Analisi congiunta Altimetro - SARL'analisi congiunta delle immagini SAR e delle tracce

altimetriche e la loro correlazione sono indispensabili per lo studio delle proprietà di scattering della superfice.


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


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.


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 : 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 C0 = velocità e.m. nel vuoto

n= indice di rifrazione


Sharad: Layer structures

Surface

Subsurface20 usec

In questo esempioTempo di ritardo: 20 us

2*Profondità della sottosuperficie = 20 us * C0/n n=?


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: 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: 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: σσττ== 1 / ( B*2*1 / ( B*2*√√snr)snr)


Sharad: Limiti nel caso di SharadPer il caso Sharad le due osservazioni possono essere realizzatecon 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 : 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 : 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 : 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 : Accuratezza vs Off Nadir for different Angles


Attività future per il II anno di dottoratoCASSINITerminato 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, saràpossibile 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.


Attività future per il II anno di dottoratoCASSINI

• 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.


Attività future per il II anno di dottoratoSHARAD

• 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.


Attività future per il II anno di dottoratoSHARAD

• Studio congiunto Sharad – MarsisGrazie 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.

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