Simulation of bistatic radar experiments with deep space missions

L’obiettivo del lavoro esposto nella seguente relazione di tesi ha riguardato lo studio e la simulazione di esperimenti di radar bistatico per missioni di esplorazione planeteria. In particolare, il lavoro si è concentrato sull’uso ed il miglioramento di un simulatore software già realizzato da un consorzio di aziende ed enti di ricerca nell’ambito di uno studio dell’Agenzia Spaziale Europea (European Space Agency – ESA) finanziato nel 2008, e svolto fra il 2009 e 2010. L’azienda spagnola GMV ha coordinato lo studio, al quale presero parte anche gruppi di ricerca dell’Università di Roma “Sapienza” e dell’Università di Bologna. Il lavoro svolto si è incentrato sulla determinazione della causa di alcune inconsistenze negli output relativi alla parte del simulatore, progettato in ambiente MATLAB, finalizzato alla stima delle caratteristiche della superficie di Titano, in particolare la costante dielettrica e la rugosità media della superficie, mediante un esperimento con radar bistatico in modalità downlink eseguito dalla sonda Cassini-Huygens in orbita intorno al Titano stesso. Esperimenti con radar bistatico per lo studio di corpi celesti sono presenti nella storia dell’esplorazione spaziale fin dagli anni ’60, anche se ogni volta le apparecchiature utilizzate e le fasi di missione, durante le quali questi esperimenti erano effettuati, non sono state mai appositamente progettate per lo scopo. Da qui la necessità di progettare un simulatore per studiare varie possibili modalità di esperimenti con radar bistatico in diversi tipi di missione. In una prima fase di approccio al simulatore, il lavoro si è incentrato sullo studio della documentazione in allegato al codice così da avere un’idea generale della sua struttura e funzionamento. È seguita poi una fase di studio dettagliato, determinando lo scopo di ogni linea di codice utilizzata, nonché la verifica in letteratura delle formule e dei modelli utilizzati per la determinazione di diversi parametri. In una seconda fase il lavoro ha previsto l’intervento diretto sul codice con una serie di indagini volte a determinarne la coerenza e l’attendibilità dei risultati. Ogni indagine ha previsto una diminuzione delle ipotesi semplificative imposte al modello utilizzato in modo tale da identificare con maggiore sicurezza la parte del codice responsabile dell’inesattezza degli output del simulatore. I risultati ottenuti hanno permesso la correzione di alcune parti del codice e la determinazione della principale fonte di errore sugli output, circoscrivendo l’oggetto di studio per future indagini mirate.

Analisi dei fenomeni franosi lenti nell'abitato di Gaggio Montano mediante interferometria radar

I movimenti lenti delle colate in terra sono una caratteristica geomorfologica comune nell’Appennino settentrionale e sono uno dei principali agenti di modellazione del paesaggio. Spesso case e piccoli centri abitati sorgono in zone affette da questo tipo di movimento franoso e di conseguenza subiscono danni causati da piccoli spostamenti. In questo lavoro di Tesi vengono presentati i risultati ottenuti dall’interferometria radar ad apertura sintetica (InSAR) mediante elaborazione tramite StaMPS (Stanford Method of Persistent Scatterers), utilizzando la tecnica avanzata Small Baseline Subset (Berardino et al., 2002). Questo metodo informatico è applicato alle acquisizioni rilevate dai satelliti Envisat e COSMO-SkyMed in orbita ascendente e discendente, ottenendo una copertura di dati che va dal 2004 al 2015, oltre ad un rilevamento geologico-geomorfologico in dettaglio eseguito nell’area di studio. Questa tecnica di telerilevamento è estremamente efficace per il monitoraggio dei fenomeni di deformazione millimetrica che persistono sulla superficie terrestre, basata sull'impiego di serie temporali d’immagini radar satellitari (Ferretti et al., 2000). Lo studio è stato realizzato nel paese di Gaggio Montano nell’Appennino bolognese. In questa zona sono stati identificati diversi corpi di frana che si muovono con deformazioni costanti durante il tempo di investigazione e grazie ai risultati ottenuti dai satelliti è possibile confrontare tale risultato. Gli spostamenti misurati con il metodo InSAR sono dello stesso ordine di grandezza dei movimenti registrati dai sondaggi inclinometrici. Le probabili cause dell’instabilità di versante a Gaggio Montano sono di natura antropica, in quanto alti tassi di deformazione sono presenti nelle zone dove sorgono case di recente costruzione e complessi industriali. Un’altra plausibile spiegazione potrebbe essere data dalla ricarica costante d’acqua, proveniente dagli strati dei Flysch verso l’interno del complesso caotico sottostante, tale dinamica causa un aumento della pressione dell’acqua nelle argille e di conseguenza genera condizioni d’instabilità sul versante. Inoltre, i depositi franosi rilevati nell’area di studio non mostrano nessun tipo di variazione dovuta ad influenze idrologiche. Per questo motivo le serie temporali analizzare tendo ad essere abbastanza lineari e costanti nel tempo, non essendo influenzate da cicli stagionali.

UWB radar sensor networks: Detection algorithms design and experimental analysis

In the last years radar sensor networks for localization and tracking in indoor environment have generated more and more interest, especially for anti-intrusion security systems. These networks often use Ultra Wide Band (UWB) technology, which consists in sending very short (few nanoseconds) impulse signals. This approach guarantees high resolution and accuracy and also other advantages such as low price, low power consumption and narrow-band interference (jamming) robustness. In this thesis the overall data processing (done in MATLAB environment) is discussed, starting from experimental measures from sensor devices, ending with the 2D visualization of targets movements over time and focusing mainly on detection and localization algorithms. Moreover, two different scenarios and both single and multiple target tracking are analyzed.

Sottosistema RADAR per Cubesat per la rilevazione di detriti spaziali

Simulazione di funzionamento di un sottosistema RADAR per Cubesat, destinato all'individuazione ed al tracciamento di detriti spaziali di piccole dimensioni.

Radar FMCW per la rilevazione di ostacoli in movimento

Lo scopo di questa attività di tesi è quello di rilevare dinamicamente la posizione di ostacoli mediante radar FMCW. I radar a onda continua modulati in frequenza sono alla base dei moderni sensori in ambito automotive, in quanto consentono allo stesso tempo di rilevare la distanza, l’angolazione e la velocità di un corpo detto target analizzando gli scostamenti temporali e in frequenza tra i segnali (detti chirp) trasmessi e quelli riflessi dai corpi. Nel lavoro di tesi si analizza sperimentalmente come il radar a onda continua MIMO (multiple input multiple output) RBK2, presente presso il laboratorio TLC del Campus di Cesena, può essere utilizzato per ricavare la velocità relativa di un target, che si avvicina o si allontana dal radar. Innanzitutto, vengono settati i parametri per l’acquisizione e per il processing necessario per ottenere una matrice Angolo-Range che caratterizza staticamente il target. Il mixer interno al radar, a seguito della ricezione di un segnale di eco, produce un segnale a frequenza intermedia il cui spettro presenta un picco in corrispondenza della distanza del target che lo ha riflesso. A questo punto si conosce la posizione del corpo e si procede con la stima della velocità sfruttando l’effetto Doppler: analizzando i chirp riflessi dallo stesso target in istanti successivi si ottengono una serie di picchi nella stessa posizione ma con fasi differenti, e da tale sfasamento si ricava la componente radiale della velocità del target. Sono stati studiati sia il caso di misure outdoor che quello di misure indoor, infine è stato elaborato un codice Matlab in grado di fornire un feedback riguardante una possibile collisione in seguito alla stima della velocità del corpo. Tale tecnologia gioca quindi un ruolo fondamentale nell’ambito della sicurezza stradale potendo prevenire incidenti.

Analysis of Tracking Algorithms for Extended Target Radar Problems

This work proposes the analysis of tracking algorithms for point objects and extended targets particle filter on a radar application problem. Through simulations, the number of particles, the process and measurement noise of particle filter have been optimized. Four different scenarios have been considered in this work: point object with linear trajectory, point object with non-linear trajectory, extended object with linear trajectory, extended object with non-linear trajectory. The extended target has been modelled as an ellipse parametrized by the minor and major axes, the orientation angle, and the center coordinates (5 parameters overall).

Mappatura della potenza degli echi del radar MARSIS per l'identificazione della presenza di ghiaccio nel terreno marziano

La superficie marziana è stata analizzata per decenni con immagini e tecniche spettroscopiche, sensibili alle proprietà dei primi millimetri e micrometri del terreno. Le zone sotto la superficie sono state studiate solo indirettamente fino al 2001, quando venne sviluppata la missione Mars Odyssey. Successivamente, è stato lanciato il Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosfere Sounding (MARSIS) a bordo di Mars Express, con l'obiettivo di ricercare ghiaccio e acqua sul pianeta rosso. In questo lavoro è stata mappata la potenza degli echi raccolti da MARSIS, ottenuti ad una frequenza di 4.0 MHz, ispirandosi al lavoro descritto in Mouginot et al. (2010). I valori utilizzati sono stati selezionati tenendo conto degli effetti dell'attenuazione del segnale da parte della ionosfera e della rugosità della superficie. Dalle mappe degli echi, risultanti dall'analisi, si è potuta ricavare la costante dielettrica dello strato sotto la superficie. I dati sono stati normalizzati con una simulazione dei segnali di MARSIS, ottenuta a partire dalla topografia del Marsis Orbiter Laser Altimeter (MOLA). Si osserva che le proprietà dielettriche variano con la latitudine, con valori alti tra 20° e 40° e più bassi ai poli e all'equatore. Le tre zone di maggiore interesse, ovvero le due calotte polari e la Formazione Medusae Fossae, appaiono in blu nella Fig. 4.5. Ciò suggerisce che siano costituite da materiali con una costante dielettrica compresa tra 2 e 4, tipica del ghiaccio. Si pensa, però, che esse possiedano diverse quantità di impurità.

Missione JUICE: analisi delle opportunità per esperimenti di radar bistatico su Ganimede

Esperimenti di radar bistatico sono stati impiegati con successo nell’esplorazione spaziale ai fini di sondare a distanza superfici planetarie attraverso la riflessione di un segnale radio da parte di un corpo bersaglio. Un'appropriata analisi degli echi riflessi può fornire informazioni sulla struttura, sulla composizione chimica e sulla rugosità della superficie del target su scale proporzionali alle lunghezze d’onda trasmesse. Nel seguente studio si propone la modellazione della geometria del collegamento radio tra JUICE e la Terra per trovare opportunità per la sonda di eseguire esperimenti di radar bistatico sulla superficie di Ganimede, durante i soli flyby della luna. Questi, anche se ancora non è stato programmato con dettaglio nella fase scientifica della missione, potrebbero coincidere con finestre temporali plausibili per l’implementazione degli esperimenti analizzati. Ulteriori considerazioni vertono poi sull’angolo di incidenza e sull’effetto che questo avrà sull’accuratezza della stima della costante dielettrica superficiale della luna, effettuabile con osservazioni bistatiche. L’algoritmo principale per il calcolo del punto speculare e i grafici presentati, sono stati implementati con l’ausilio del software MATLAB e del toolkit SPICE. I risultati ottenuti, analizzando i flyby presi a riferimento, mostrano come la geometria della missione, per la maggior parte di essi, non sia la più favorevole per poter effettuare questo tipo di osservazione. Solo tre dei sette flyby analizzati: G04, G05 e G06, risultano avere una geometria favorevole per esperimenti di radar. bistatico su Ganimede.