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.

Calibration of the detector flight models for the HERMES and SPIRIT nanosatellite missions

The High Energy Rapid Modular Ensemble of Satellites (HERMES) is a new mission concept involving the development of a constellation of six CubeSats in low Earth orbit with new miniaturized instruments that host a hybrid Silicon Drift Detector/GAGG:Ce based system for X-ray and γ-ray detection, aiming to monitor high-energy cosmic transients, such as Gamma Ray Bursts and the electromagnetic counterparts of gravitational wave events. The HERMES constellation will also operate together with the Australian-Italian SpIRIT mission, which will house a HERMES-like detector. The HERMES pathfinder mini-constellation, consisting of six satellites plus SpIRIT, is likely to be launched in 2023. The HERMES detectors are based on the heritage of the Italian ReDSoX collaboration, with joint design and production by INFN-Trieste and Fondazione Bruno Kessler, and the involvement of several Italian research institutes and universities. An application-specific, low-noise, low-power integrated circuit (ASIC) called LYRA was conceived and designed for the HERMES readout electronics. My thesis project focuses on the ground calibrations of the first HERMES and SpIRIT flight detectors, with a performance assessment and characterization of the detectors. The first part of this work addresses measurements and experimental tests on laboratory prototypes of the HERMES detectors and their front-end electronics, while the second part is based on the design of the experimental setup for flight detector calibrations and related functional tests for data acquisition, as well as the development of the calibration software. In more detail, the calibration parameters (such as the gain of each detector channel) are determined using measurements with radioactive sources, performed at different operating temperatures between -20°C and +20°C by placing the detector in a suitable climate chamber. The final part of the thesis involves the analysis of the calibration data and a discussion of the results.