estudi de viabilitat d'un sar orbital compacte

Departament de Teoria del Senyal i ComunicacionsRemote Sensing Lab

Estudi i especificació d’un sistema SAR orbital compacte

Autor: Albert García Mondéjar

Remote Sensing Lab (RSLab)Departament de Teoria de Senyal i Comunicacions

(TSC)Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)

Barcelona (SPAIN)

Director: Paco López Dekker

Gener 2009

Projecte Final de Carrera


SAR - Synthetic Aperture Radar

Un SAR és un tipus de radar que utilitza el processament de senyal per obtenir imatges d’alta resolució.


Índex

1. Introducció

2. Consideracions del sistema

3. Definició del procés de disseny

4. Proposta de missió

5. Conclussions i línies de futur

1/39


1. Introducció

1. Introducció

2. Consideracions del sistema3. Definició del procés de disseny4. Proposta de missió5. Conclussions i línies de futur

- Context global- Context del projecte- Propòsit i limitacions de l’estudi- Aplicacions d’un SAR orbital

2/39


1. Introducció1978

Missió SEASAT

Altitud 800 Km

Massa Satèl·lit 2,3 Tn

Banda Freqüencial L

Tamany Antena 10.7x2.2 m2

Amplada Swath 100 Km

3/39

Context global


1. Introducció1978

Missió SEASAT ERS -1 ERS -2 RADARSAT-1 ENVISAT ALOS

Altitud 800 Km 785 Km 785 Km 798 Km 790 Km 700 Km

Massa Satèl·lit 2,3 Tn 2,1 Tn 2,5 Tn 2,7 Tn 8,2 Tn 4,0 Tn

Banda Freqüencial L C C C L

Tamany Antena 10.7x2.2 m2 10x1 m2 15x1.5 m2 10x1.3m2 8.9x3.1m2

Amplada Swath 100 Km 102.5 Km 100 Km 105 Km 70 Km

1991 1995 2002 2006

3/39

Context global


1. Introducció Context global2007

RADARSAT-2 TERRASAR-X ASTROLITE SENTINEL-1 MAPSAR Missió

798 Km 514 Km 500 Km 693 Km 600 Km Altitud

2,2 Tn 1,0 Tn 0,5 Tn 2,3 Tn 0,5 Tn Massa Satèl·lit

C X X C L Banda Freqüencial

15x1.37 m2 4.8x0.7 m2 4.1x1.2m2 12.3x0.84m2 7.5x5m2 Tamany Antena

100 Km 30 Km 20 Km 80 Km 30 Km Amplada Swath

2010 2011 20132009

4/39


1. Introducció

PCOTPrograma Catalàd’Observació de la Terra

ICCInstitut Cartogràficde Catalunya

Universitat Politècnica deCatalunya

Departament deTeoria del Senyali Comunicacions

Context del projecte

5/39


1. Introducció

SARMISPSARMISP“SAR MIssions on Small Platforms”

1. Missions SAR actuals i futures2. Tècniques de baix consum de potència:

Radiòmetres i SAR biestàtic3. Aplicacions amb SAR4. Configuració d’un SAR i principals

paràmetres

5/39





Context del projecte


1. Introducció Propòsit i limitacions de l’estudi

1. Identificar els paràmetres que defineixen el nostre sistema.

2. Sistematitzar possibles fluxos de disseny del sistema.

3. Quantificar el concepte de “compacte”.

4. Realitzar un possible disseny.

1. Basar l’estudi en les missions actuals.

2. No proposar nous conceptes de SAR.

PropòsitPropòsit LimitacionsLimitacions

6/39


100 m

10 m

1 m

P L S C X K

1. Introducció Aplicacions OperacionalsResolució [log]

Banda de freqüència

7/39


2. Consideracions del Sistema

1. Introducció2. Consideracions del sistema

3. Definició del procés de disseny4. Proposta de missió5. Conclussions i línies de futur

- Geometria d’un SAR orbital- Resolucions - Sensitivitat- Antena- PRF- Ambigüitats

8/39


Geometria d’un SAR orb.2. Consideracions del Sistema

• Com més baixa sigui l’òrbita menys potència s’haurà de transmetre. També tindrem més problemes de fricció atmosfèrica.• El límit de les missions actuals es troba al voltant de 500 km.

Altitud (h)

• És l’angle entre el feix del radar i el nadir.• Per valors petits tenim més backscatter però menys resolució en range i swath.

Angle d’incidència ()

9/39

Velocitat orbital (Vs)• Considerem velocitat constant.• Només dependrà de l’altitud del satèl·lit.



10/39

Trajectòria

Geometria d’un SAR orb.

Imatge TerraSAR-X de Barcelona en mode SpotLight


Resolucions2. Consideracions del Sistema

,2 singr

c

B

Resolució en Range

• Dependència amb l’angle d’incidència i l’ample de banda de transmissió (B)

• Més ample de banda disponible(legal y tecnològicament)a altes freqüencies

• Per augmentar la resolució en range és necessari transmetre més potència

11/39


• Resolució en Azimut pel modestrip map:

• Podem augmentar la resolucióamb altres modes com el spot-lightamb els inconvenients de:

• Reducció de cobertura• Més complexitat del sistema


Resolució en Azimut

,2az

az

L

12/39

Resolucions


Sensitivitat2. Consideracions del Sistema

2 30 0

1 3 32(4 ) ( )ant avg t gr

B sys s

P GSNR

R k T V

Equació Radar

La relació senyal-soroll depen de:

• Potència transmesa mitjana• Guany i eficiència de l’antena• Longitud d’ona (major SNR a freqüencies més baixes)• Reflectivitat superficial (asumint blancs distribuïts)• Resolució en Range (més resolució implica més Poténcia)• Distància al blanc• Velocitat orbital (més gran com més baixa sigui l’orbita)• Temperatura del sitema (depén de la figura de soroll del receptor)

3 3

0, 2 30

2(4 ) ( )B sys sne

ant avg t gr

R k T V

P G

• Normalment la sensitivitat s’expresa com a Noise equivalent 0

13/39


Antena SAR2. Consideracions del Sistema

• Límit inferior de l’àrea de l’antena• No depèn de les resolucions ni de lasensitivitat• És el punt de partida a l’hora d’establir la mida màxima de l’antena

Antenna SAR Envisat 15 x 1.3 m2

2

4 effAG D

• Guany de l’antena

4· tanseff

VA

c

• Àrea efectiva mínima

14/39


PRF2. Consideracions del Sistema

Interferències en NadirInterferències en Transmissió

15/39

• Es produeixen quan rebem ecos i estem transmetent polsos

• Es produeixen quan rebem simultàniament l’eco del nadir, degut als lòbuls secundaris, iels ecos de la senyal útil



Interferències en NadirInterferències en Transmissió

N

p 1

2h c + j PRF> 2R

2h c +2 + j PRF < 2R

c

c 1 P RPFrac 2R .PRF c PRF>

N RPFrac 2R .PRF c PRF<1 PRF

1 NInt 2R .PRF =Int 2R .PRF cc

• Menys PRF vàlides com més augmentemla PRF i com més gran sigui l’angled’incidència.

• El límit inferior de les PRF vindrà donatper les ambigüitats.

min

2 sat

az

VPRF

L

16/39

PRF


Ambigüitats2. Consideracions del Sistema

Ambigüitats en Range

• Provocades pels ecos dels polsosanteriors i posteriors a l’eco del pols desitjat

, ·2 PRFi j i

c jR t

2, ,

, 30 , ,sin( )

i j i ji a

j i j i j

GS

R

,

RASRi

i

i ai

S

S

• distàncies que provoquen ambigüitat

• potència dels senyals ecos anteriors i posteriors

2,0 ,0

3,0 ,0sin( )

i ii

i i

GS

R

• potència de la senyal d’interés

17/39



• El mostrejat de l’espectre Dopplera intervals de PRF provoca que tinguem components espectrals dintre del nostre ample de banda de processat (BP)

Ambigüitats en Azimut

• Sacrificant resolució es pot millorar el rebuig a les ambigüitats (fem l’ample de banda de processat més estret)

min

2 satD

az

VB PRF

L

satP

X

VB

P DB B

/ 2

2

0 / 2

/ 2

2

/ 2

·PRF ·

AASR

p

p

p

p

B

m B

B

B

G f m df

G f df

18/39

Ambigüitats



Ambigüitats en Azimut

/ 2

2

0 / 2

/ 2

2

/ 2

·PRF ·

AASR

p

p

p

p

B

m B

B

B

G f m df

G f df

• Ambigüitats són prou importants,

problemes greus a la imatge final.

AASR 20dB

19/39

Ambigüitats



Ambigüitats en Azimut (AASR)

20/39

Ambigüitats

PRF altes per evitar l’aliasing

Ambigüitats en Range (RASR)

PRF baixes per espaiar elspolsos temporalmet

• Escollir per cada angle d’incidència la PRF que proporciona el millor rebuig en azimut i range a la vegada.


1. Introducció2. Consideracions del sistema3. Definició del procés de disseny

4. Proposta de missió5. Conclussions i línies de futur

- Fluxos de disseny- Resultats Terrasar-X- Software


21/39


3. Definició del procés de disseny Fluxos de disseny

22/39

Laz, Lel

h

f0

i PRF valid

PRF

Swath max

V sat

RASR, AASR

NE

Tant

Pavg

H, v

ae

AefG

PRFmin

PRFmax

az

gr

F

Swath

BR, P

BP, BD



22/39

Laz, Lel

h

f0

i PRF valid

PRF

Swath max

V sat

RASR, AASR

NE

Tant

Pavg

H, v

ae

AefG

PRFmin

PRFmax

az

gr

F

Swath

BR, P

BP, BD

Fluxos de disseny



Tant

NE

e

a

F

BP, P

3- Resolutions3- Resolutions3- Resolutions3- Resolutions

Aef

H, v

G

PRFmax PRF valid

PRFmin Swathmax

2- Antenna Parameters2- Antenna Parameters2- Antenna Parameters2- Antenna Parameters

az gr

RASR AASR

5- Ambiguities5- Ambiguities5- Ambiguities5- AmbiguitiesPavg

4- PRF & Swath 4- PRF & Swath 4- PRF & Swath 4- PRF & Swath

6-SNR6-SNR6-SNR6-SNR

Laz, Lel

SNR

h f0i

1- Basic Parameters1- Basic Parameters1- Basic Parameters1- Basic ParametersV sat

Cas amb Cas amb restriccionsrestriccions

3- Paràmetres d’antena3- Paràmetres d’antena3- Paràmetres d’antena3- Paràmetres d’antena

1- Paràmetres Bàsics1- Paràmetres Bàsics1- Paràmetres Bàsics1- Paràmetres Bàsics

Laz, Lel

h f0i

Tante

a

BP, P

V sat

Aef

H, v

G

2- Resolucions i Swath2- Resolucions i Swath2- Resolucions i Swath2- Resolucions i Swath

az gr

RASR AASR

5- Ambiguitats5- Ambiguitats5- Ambiguitats5- Ambiguitats

Pavg

6-Sensitivitat6-Sensitivitat6-Sensitivitat6-Sensitivitat

PRFmax PRF validPRFmin

4- PRF4- PRF4- PRF4- PRF

Swathmax

NE F SNR

Cas Cas IdealIdeal

23/39

Outputs

Inputs

Fluxos de disseny





Laz, Lel

h f0i

Tante

a

BP, P

V sat

Aef

H, v

G


az gr

RASR AASR


Pavg




Swathmax

NE F SNR

Cas Cas IdealIdeal

Objectius del dissenyObjectius del disseny

• Paràmetres de qualitat mínimsASRmin ≈ 20dB , σ

NE ≈ -20 dB

• Swath i resolucions adequades a l’aplicació a desenvolupar• antena el més petita possible

24/39

Outputs

Inputs

Fluxos de disseny





Laz, Lel

h f0i

Tante

a

BP, P

V sat

Aef

H, v

G


az gr

RASR AASR


Pavg




Swathmax

NE F SNR

Cas Cas IdealIdeal

Paràmetres bàsicsParàmetres bàsics

• h: mínima altitud posible•i: àrea de cobertura

• f0: Banda X, C o L depenent de l’aplicació

24/39

Outputs

Inputs

Fluxos de disseny






Laz, Lel

h f0i

Tante

a

BP, P

V sat

Aef

H, v

G

az gr

RASR AASR


Pavg




Swathmax

NE F SNR

Cas Cas IdealIdeal

2 sinRgr

cB

24/39

Outputs

Inputs

Fluxos de disseny






Laz, Lel

h f0i

Tante

a

BP, P

V sat

Aef

H, v

G

az gr

RASR AASR


Pavg




Swathmax

NE F SNR

Cas Cas IdealIdeal

Paràmetres d’antenaParàmetres d’antena

• Laz: el doble de la resolució en azimut

• Lel min: mínim segons anàlisi de primer ordre

2azL x

24/39

min

4· tan. s

el az eff

VL L A

c

Outputs

Inputs

Fluxos de disseny







Laz, Lel

h f0i

Tante

a

BP, P

V sat

Aef

H, v

G

az gr

RASR AASR


Pavg



Swathmax

NE F SNR

Cas Cas IdealIdeal

min

2 sat

az

VPRF

L

PRFPRF

• Definir el marge de valors seleccionableOutputs

Inputs

Fluxos de disseny

24/39








Laz, Lel

h f0i

Tante

a

BP, P

V sat

Aef

H, v

G

az gr

RASR AASR Pavg



Swathmax

NE F SNR

Cas Cas IdealIdeal

AmbigüitatsAmbigüitats

• Amb els paràmetres establerts en els pasos anteriors veurem si podem assolir el requeriment de ASR de 20 dB

• Si no podem arribar als 20 dB per tots els angles haurem d’aumentar l’amplada de l’antena i reiterar el procés fins que ho aconseguim

Lel++

Outputs

Inputs

Fluxos de disseny

24/39








Laz, Lel

h f0i

Tante

a

BP, P

V sat

Aef

H, v

G

az gr

RASR AASR Pavg



Swathmax

NE F SNR

Cas Cas IdealIdeal

AmbigüitatsAmbigüitats

• Amb els paràmetres establerts en els pasos anteriors veurem si podem assolir el requeriment de ASR de 20 dB

• Si no podem arribar als 20 dB per tots els angles haurem d’aumentar l’amplada de l’antena i reiterar el procés fins que ho aconseguim

Lel final

Outputs

Inputs

Fluxos de disseny

24/39


6-Sensitivitat6-Sensitivitat6-Sensitivitat6-Sensitivitat5- Ambiguitats5- Ambiguitats5- Ambiguitats5- Ambiguitats






Laz, Lel

h f0i

Tante

a

BP, P

V sat

Aef

H, v

G

az gr

RASR AASR Pavg


Swathmax

NE F SNR

Cas Cas IdealIdeal

SensitivitatSensitivitat

• Establir la potència necessària per tal d’assolir el requeriment de sensitivitat per la resolució decidida

3 3

0, 2 30

2(4 ) ( )B sys sne

ant avg t gr

R k T V

P G

24/39

Outputs

Inputs

Fluxos de disseny


6-Sensitivitat6-Sensitivitat6-Sensitivitat6-Sensitivitat5- Ambiguitats5- Ambiguitats5- Ambiguitats5- Ambiguitats






Laz, Lel

h f0i

Tante

a

BP, P

V sat

Aef

H, v

G

az gr

RASR AASR Pavg


Swathmax

NE F SNR

Cas Cas IdealIdeal SAR dissenyatSAR dissenyat

24/39

Outputs

Inputs

Fluxos de disseny


3. Definició del procés de disseny Software

S3D versió Beta (Software for Small Sensor Design)S3D versió Beta (Software for Small Sensor Design)

25/39



INPUTSINPUTS


25/39

Software




25/39

OUTPUTSOUTPUTS

Software




26/39

Software




INPUTSINPUTS

26/39

Software




26/39

OUTPUTSOUTPUTS

Software


3. Definició del procés de disseny Resultats Terrasar-X

• Validació del procés de disseny amb paràmetres d’un sensor real• Resultats quasi idèntics al sensor real

RequerimentsRequeriments

27/39

Resultats del redissenyResultats del redisseny


1. Introducció2. Consideracions del sistema3. Definició del procés de disseny4. Proposta de missió


- Disseny Orbital- Disseny del SAR- Aplicacions


28/39


4. Proposta de missió Disseny orbital

29/39



Altitud 511 km

Angle d’incidència [20,45]º

Requirements de qualitat ASRmin ≈ 20dB , σ NE

≈ -20 dB

f0 banda L, banda C i banda X

Swath 40 i 30 kilometres

gr [m] 3

az [m] 2,5

Lel [m] El menor possible

Laz [m] Màxim 5 metres

Requeriments de la missióRequeriments de la missió

Proposta de sensor

30/39



Altitud 511 km

Angle d’incidència [20,45]º


≈ -20 dB

f0 1,3 GHz / banda L 5,3 GHz / banda C 9,65 GHz / banda X

Swath 40 30 40 30 40 30

gr [m] 3 3 3 3 3 3

az [m] 4 3 3 2,5 3 2,5

Areamín [m2] 21,1 5,2 2,85

Lel [m] 3 3,8 1 1,2 0,56 0,7

Laz [m] 8 6 6 5 6 5

Pavg [W] 31 W 34 W 121 W 121 W 212W 196 W

marge PRF [Hz] [2098-4700] [2643-5850] [2666-5760]

Proposta de sensor

31/39

Configuracions per banda L, C i XConfiguracions per banda L, C i X



Resultats d’ambigüitats per banda XResultats d’ambigüitats per banda X

32/39


≈ -20 dB

Proposta de sensor



Resultats d’ambigüitats per banda CResultats d’ambigüitats per banda C

33/39

Proposta de sensor


≈ -20 dB



Resultats d’ambigüitats per banda LResultats d’ambigüitats per banda L

34/39

Proposta de sensor


≈ -20 dB



Resultats de Potència mitja requerida Resultats de Potència mitja requerida en funció de la resolució en rangeen funció de la resolució en range

Sensor de 30 km

35/39

Proposta de sensor


≈ -20 dB

Sensor de 40 km


4. Proposta de missió Aplicacions Operacionals

36/39

100 m

10 m

1 m

Resolució [log]

Banda de freqüènciaP L S C X K


1. Introducció2. Consideracions del sistema3. Definició del procés de disseny4. Proposta de missió5. Conclussions i línies de futur


37/39



• NO és viable fer una missió més compacta que una missió del ordre d’un TerraSAR-X amb la tecnologia d’avui en dia.

• La tendència futura és fer sistemes SAR compactes en banda X, podem antena menor.

• El cost al reduïr l’antena és:- es redueix el swath- empitjora el rebuig d’ambigüitats- es necessita més potència

ConclusionsConclusions

38/39



39/39

• Introduir nous conceptes de SAR que no s’han contemplat.

• Determinar el pes del sensor per tal d’establir el % del pes del SAR en el satèl·lit.

• Optimització del software.

• Dissenyar els elements que componen el “Ground segment”.

• Considerar alternatives de menor altitud com naus estratosfèriques o avions no tripulats.

Línies de futurLínies de futur


Gràcies per la vostra atenció



f0 1,3 GHz / banda L 5,3 GHz / banda C 9,65 GHz / banda X

altitud 511 km

angle d’incidència [20,45]º

requirements de qualitat ASRmin ≈ 20dB , σ NE

≈ -20 dB

Swath 30 km

Rg [m] 3

x [m] 4 2’5 2’5

Areamín [m2] 21,1 5,2 2,85

Lel [m] 3,8 1,2 0,7

Laz [m] 6 5 5

marge PRF [Hz] [2651-4655] [3238-5793] [3316-5752]

Pavg [W] 34 W 121 W 196W

Configuracions per banda L, C i XConfiguracions per banda L, C i X

4.2. Proposta de sensor

28/


3- Proposta missió

Experimental Applicacions

100 m

10 m

1 m

P L S C X K

Resolució

Banda de freqüencia


4. Proposta de missió Aplicacions Experimentals

36/39

100 m

10 m

1 m

Banda de freqüència

Resolució [log]

P L S C X K


100 m

10 m

1 m

P L S C X KBanda de freqüència

1. Introducció

8/39

Resolució [log]

Aplicacions Experimentals


1. Introducció





1.1 Context global

5/

• Encoratjar, millorar i promoure la participació de Catalunya en el disseny, desenvolupament i operació d’instrumentació i plataformes d’Observació de la Terra (OT).• Promoure l’interès a Catalunya en el camp de la tecnologia aeroespacial.• Establir col·laboracions i participar en estratègies i projectes d’arreu del món.• Facilitar als usuaris l’accés a la informació d’observació de la Terra.• Potenciar el coneixement i el desenvolupament de metodologies i processos per tal de transformar la informació en coneixement i operativitat.


3- Proposta missió

100 m

10 m

1 m

P L S C X K

Operational ApplicacionsResolució

Banda de freqüencia


1. Introducció

2. Consideracions del sistema


4. S3D versió Beta


6. Conclussions i línies de futur.

Índex1.1. Contexte global1.2. Propòsit i limitacions de l’estudi1.3 Aplicacions d’un SAR orbital

2.1 Geometria d’un SAR orbital2.2 Resolucions 2.3 Sensibilitat2.4 Antena2.5 Ambigüitats2.6 PRF3.1 Fluxos de disseny3.2 Resultats Terrasar

5.1 Disseny Orbital5.2 Disseny del SAR

estudi de viabilitat d'un sar orbital compacte

Technology