Reflectoare „LOW COST” pentru monitorizare satelitara de tip InSAR

Prezentul articol descrie proiectarea si testarea unor reflectoare si matrice de reflectoare pentru calibrarea scenelor obtinute de la misiunile spatiale InSAR.

Din prelucrarea seturilor de scene sunt obtinute harti ale vitezelor de deplasare ale punctelor de pe suprafata studiata, punandu-se astfel in evidenta fenomene de tipul instabilitatii masivelor de pamant sau al subsidentei pe suprafete extinse. 

Pentru masurarea deformatiilor suprafetei Pamantului, in practica inginereasca se utilizeaza metode topografice sau, local, metode de instrumentare fizica, in ciuda preciziei milimetrice sau chiar sub-milimetrice. Aceste instrumente sunt limitate la determinari locale, in general pe puncte cunoscute, materializate in teren. Metodele amintite se dovedesc nefezabile in cazul masurarii unor suprafete intinse, care necesita observarea unui numar mare de puncte intr-un timp suficient de scurt si de-a lungul unui interval mare de timp, cu esantionari frecvente.

Monitorizarea mediului natural sau construit necesita o arie mare de scanare la rezolutii inalte, care nu poate fi masurata cu ajutorul instrumentelor traditionale sau fotografierii aeriene, fara preturi foarte ridicate. De multe ori, imaginile trebuie sa fie obtinute in perioade de turbulenta meteorologica sau de noapte.

Derivat din tehnologia radar, Radarul cu Deschidere Sintetica (Synthetic Aperture Radar – SAR) poate trece peste aceste impedimente. Sistemele SAR au avantajul de a folosi caracteristicile propagarii la distanta a microundelor si puterea de procesare a echipamentelor electronice digitale de a reda imagini cu rezolutie ridicata.

Sistemul SAR transmite unde electromagnetice la lungimi de unda care pot varia de la cativa milimetri pana la zeci de centimetri, putand fi folosit in orice conditii climatice, ziua si noaptea.

SAR este o forma de radar a carui principala caracteristica este masurarea miscarii relative dintre antena si pozitia dorita. Aceasta caracteristica produce o variatie de semnal coerent pe termen lung, care este folosita pentru a obtine o rezolutie spatiala mai mare fata de metoda clasica de scanare cu microunde.

Folosind tehnica de procesare SAR (Curlander and McDonough, 1991), intensitatea si faza semnalului radar reflectat, ale fiecarui element scanat, pot fi calculate in forma unei imagini complexe SAR, ce reprezinta reflexia suprafetei pamantului. Sistemele curente produc imagini cu o rezolutie planimetrica ce variaza de la cativa milimetri pana la cativa metri. Schema de operare a sistemului SAR poate fi observata in fig. 1.

Bazata pe SAR, o noua tehnica a fost derivata, numita InSAR (Interferometrie bazata pe SAR), care poate exploata diferentele de faza provenite de la cel putin doua citiri ale aceleasi zone scanate.

InSAR este o tehnica radar folosita in geodezie si in teledetectie, care analizeaza imaginile SAR obtinute de sateliti. Aceasta tehnica este folosita pentru a genera harti ale deformatiilor suprafetei sau ale elevatiilor terenului.

Datorita aplicatiilor in diferite sfere, ca monitorizarea geofizica a hazardurilor naturale, monitorizarea stabilitatii structurale, monitorizarea atmosferica si modelarea digitala cu acuratete a terenului la o scara mare, aceasta tehnologie cunoaste cea mai rapida dezvoltare in domeniul teledetectiei.

Valorificarea unei expuneri interferometrice presupune prelucrarea a cel putin doua imagini SAR care acopera o portiune de teritoriu identica pentru ambele imagini. Asadar, achizitia de date necesita o inregistrare dubla a aceleiasi suprafete a Pamantului.

Principiul sistemului InSAR este compararea componentelor undei (fazelor) ale imaginilor radar obtinute pentru suprafete identice (fig. 2), rezultand determinarea inaltimilor relative ale terenului. Daca imaginile radar sunt surprinse la o diferenta oarecare de timp este posibil calculul deformatilor spatiale care au loc in aceasta perioada.

Diferenta de faza rezultata este un nou tip de imagine, denumita interferagrama, care reprezinta o structura vizuala de franjuri luminoase, ce contine setul complet de informatii referitoare la geometria relativa (fig. 3) [1]. 

 TIPURI DE REFLECTOARE

Scenele InSAR ce urmeaza a fi prelucrate trebuie georeferentiate cu precizie, astfel incat in teren este necesara instalarea unor puncte fixe cunoscute, care sa apara in mod distinct in imagini. Pentru obtinerea unui semnal reflectat de buna calitate, sunt folosite, cu preponderenta, doua categorii de reflectoare:

1. A) Reflectoare pasive – cu forme geometrice specifice, care reflecta undele incidente inapoi catre emitator. Tipurile comune folosite sunt reflectoarele tip colt de cub (fig 4). Acestea sunt alcatuite, de obicei, din otel sau aluminiu.

Orientarea reflectorului, pentru a putea fi folosit atat pentru traiectoria ascendenta, cat si descendenta, implica o rotire manuala si/sau un mecanism adiacent care sa alinieze elementul cu axa de vizare a satelitului.

De asemenea, reflectoarele de acest tip trebuie sa aiba o fundatie suficient de stabila, de obicei din beton si ancore tensionate, care au rolul de a mentine reflectorul in aceeasi pozitie indiferent de conditiile meteorologice, pentru imbunatatirea acuratetei masuratorilor.

1. B) Reflectoare active (transpondere) – Primesc semnalul de la satelit, corecteaza diferenta de faza indusa de intarzierea provocata de circuitele reflectorului activ, amplifica semnalul si il transmit catre satelit.

Reflectoarele active prezinta avantaje majore fata de reflectoarele pasive, cum ar fi:

• Ofera interferente mici catre alte tinte radar sau radio;
• Pot fi folosite la o gama mai larga de unghiuri de incidenta;
• Sunt mici, usoare si greu de observat;
• Nu sunt afectate de vanturi puternice.

CONSTRUIREA SISTEMULUI DE INCERCARI FIZICE

Pentru dezvoltarea unor noi modele de reflectoare, de tip cluster, a fost necesara construirea unui sistem radar intr-o banda de frecventa utilizata de misiunile spatiale vizate, cu care sa se poata efectua testele fizice pe diferite tipuri de reflectoare.

Pentru punerea in evidenta a variatiei semnalului, in functie de distanta fata de radar si unghiul de incindenta, a fost construit un sistem de actuatoare liniar si unghiular, care expune tinta in pozitia dorita.

Sistemul radar include un generator de functii Tektronix, un osciloscop Tektronix model TBS 1154 si o pereche de antene, una folosita pentru emisie si una pentru receptie.

Actuatorul a fost realizat pentru a putea efectua masuratorile necesare dezvoltarii functiei de calibrare. Functia de calibrare va depinde si de unghiul de incidenta al undelor electromagnetice in domeniul -45° ÷ +45°, cu un pas de 1°. Aceste masuratori nu puteau fi facute cu precizie fara a utiliza un sistem automat. Actuatorul liniar este prezentat in fig. 9 si 10.

Pentru colectarea si centralizarea tuturor parametrilor de masura, a fost dezvoltata o aplicatie software ce ruleaza pe o tableta cu sistem de operare Android. Conexiunea cu toate echipamentele dezvoltate se face prin Bluetooth. 

CONSTRUIREA REFLECTOARELOR

Exista mai multe forme geometrice de reflectoare pasive care se folosesc in mod curent in domeniul tehnologiei radar, cea de tip corner reflector si derivatele sale fiind cele mai raspandite datorita performantelor net superioare. De asemenea, reflectoarele de tip corner reflector sunt accesibile din punct de vedere constructiv si exista pentru acestea formule de calcul analitice pentru caracteristica RCS (Radar Cross Section).

Caracteristica RCS este o masura a vizibilitatii unui reflector fata de un dispozitiv radar. Aceasta este o abstractizare si reprezinta aria imaginara a unei sfere care produce aceeasi putere reflectata ca cea a reflectorului utilizat. Caracteristica RCS (s_max) se masoara in m2 sau dBsm, relatia dintre cele doua unitati de masura fiind:

dBsm = 10 x log10(RCS/1m2);

RCS = 10(Decibels/10)              (1)

Cele mai uzuale tipuri de reflectoare din aceasta categorie, precum si formulele lor de calcul analitice RCS, sunt prezentate in fig. 11.

Pentru a crea un tip de reflector ale carui dimensiuni sa nu depaseasca rezolutia de citire pentru un pixel a satelitului Terrasar – X s-au construit initial o serie de reflectoare din aluminiu, pentru care s-a aratat dimesiunea minima a acestuia (Tabelul 1).

Pentru zone cu vegetatie mai densa se recomanda ca valoarea minima RCS sa fie de cel putin 140 m2 (20 dBm2) [2].

Pentru a avea o sustenabilitate in timp, in zone nepopulate, s-a ales ca material pentru reflectoare betonul. In acest sens, s-au realizat doua matrici de reflectoare, M3 si respectiv M4, care au lungimea unei laturi de cub de 20 cm (fig. 12). 

CALIBRAREA SI TESTAREA SISTEMULUI RADAR DE 10 GHZ

Calibrarea antenei radar a constat in verificarea experimentala, prin masuratori fizice, a amplitudinii semnalului reflectat de reflectoare standard tip CR, a caror caracteristica RCS a putut fi calculata preliminar prin metode analitice si numerice.

In fig. 13, se poate observa antena radar in timpul efectuarii masuratorilor in pozitia de j = 0°.

Rezultatele masuratorilor sunt prezentate in fig. 14 pentru urmatorii parametri: distanta intre reflector si antena radar: 3,6 m; amplitudine puls format din 5 sinusoide: 2,5 V; interval pulsuri: 1 ms; frecventa: 144 MHz. 

CONCLUZII

Reprezentand graficul variatiei valorilor RCS, determinate cu valorile intensitatii masurate (fig. 15 si Tabelul 2), se observa ca este necesara extinderea studiului cu mai multe reflectoare din beton.

Se va avea in vedere diminuarea greutatii reflectorului astfel incat acesta sa aiba un raspuns corespunzator de intensitate, tintind valoarea de 20 dBm2. Se va renunta la reflectoarele din OSB, al caror raspuns depinde in mod direct de acoperirea cu folie din aluminiu si se vor studia, in exclusivitate, reflectoarele din beton, care nu necesita acoperire. Reflectorul M3 instalat a fost rasturnat inainte de trecerea satelitului, inregistrand o valoare mica a intensitatii. 

MULTUMIRI

Acest articol a fost posibil cu sprijinul proiectului de cercetare: „Matrici de reflectoare economice pentru monitorizarea taluzelor si versantilor” din cadrul Programului STAR al Agentiei Spatiale Romane. 

BIBLIOGRAFIE

1. V. Poncos, F. Serban, D. TeleagA, et al, 2012, Water induced geohazards measured with spaceborne Interferometry techniques, Geophysical Research Abstracts, Vol. 14, EGU2012-4654, EGU General Assembly 2012, Vienna, Austria2;
2. Curlander, J., and R. McDonough, 1991. Synthetic aperture radar systems and signal processing, New York: John Wiley & Sons.

Autori:
Daniel Marcel MANOLI,
Adrian Liviu BUGEA,
Adrian PRICEPUTU,
Adrian ANDRONIC,
Constantin UNGUREANU,
Stefan ARDELEAN,
Radu BARBU,
Nicoleta RADULESCU,
Manole Stelian SERBULEA – Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti, Departamentul de Geotehnica si Fundatii 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 138 – iulie 2017, pag. 48