IT201800006797A1 - Radar ad apertura sintetica basato a terra (gbsar) con antenne multiple in trasmissione e ricezione (mimo)e facente uso della tecnica di elaborazione detta compressive sensing (cs). - Google Patents
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Description
Descrizione del brevetto per Invenzione avente per titolo:
“Radar ad apertura sintetica basato a terra (GBSAR) con antenne multiple in trasmissione e ricezione (MIMO) e facente uso della tecnica di elaborazione detta Compressive Sensing (CS) ";
Settore dell’invenzione
Il trovato riguarda un radar ad apertura sintetica ed in particolare un radar del tipo “Ground Based” impiegato per il telerilevamento di spostamenti di bersagli. Stato dell’arte
I Radar ad Aperture Sintetica (SAR) interferometrici basati a terra (GBSAR: Ground Based Syntethic Aperture Radar) sono da tempo noti e ampiamente usati per il monitoraggio di versanti instabili e grandi strutture come ad esempio riportato in Tarchi D. at al. “Landslide monitoring by using ground-based SAR interferometry: An example of application to the Tessina landslide” Engineering Geology, Vol. 68, No.1-2, February 2003, pp.15-30.
Tali radar fanno uso di una coppia di antenne (rispettivamente in trasmissione e ricezione) che si muove lungo una guida meccanica per acquisire un’immagine radar sintetizzando un’apertura virtuale pari alla lunghezza di scansione.
Sono inoltre noti sistemi GBSAR interferometrici basati su un’architettura MIMO (Multiple Input Multiple Output).
Un esempio di tali sistemi è riportato in Tarchi D. et. al. “MIMO radar and ground-based SAR imaging systems: equivalent approaches for remote sensing.” IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Vol.51, No.
1, pp. 425-435, 2013. Tale radar si basa su una particolare disposizione regolare delle antenne di trasmissione e di ricezione studiata per minimizzare i lobi laterali (grating lobes).
E’ inoltre nota una tecnica di elaborazione detta Compressive Sensing “CS” (vedi ad esempio Baraniuk, R. G. “Compressive sensing IEEE signal processing magazine, Vol. 24, No. 4, pp.118-121, 2007) applicata a dati acquisiti mediante un GBSAR convenzionale come riportato in Zonno, M. “GBSAR data focusing based on compressive sensing.” in EUSAR 2014; 10th European Conference on Synthetic Aperture Radar; Proceedings of (pp. 1-4).
2014.
La tecnica CS è stata inoltre recentemente utilizzata anche in un GBSAR MIMO come descritto in M. Sato, “2-D and 3-D near range SAR imaging.” in Antenna Measurements & Applications (CAMA), 2017 IEEE Conference on, pp.157-160 e in W. Feng, L. Yi, M. Sato “Near range radar imaging by SFCW linear sparse array based on block sparsity” 2017 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), 23-28 July 2017 DOI: 10.1109/IGARSS.2017.8128215).
Tuttavia tale sistema fa uso di una distribuzione convenzionale di antenne ed applica la tecnica CS allo scopo di ridurre il numero di frequenze, non il numero di antenne come invece nel trovato oggetto di questo brevetto.
Scopo dell’invenzione
Un primo scopo dell’invenzione è quello di superare gli inconvenienti dei sistemi GBSAR a scansione meccanica di tipo noto velocizzando il tempo di acquisizione delle immagini e gli inconvenienti degli attuali MIMO GBSAR che presentano forti lobi laterali dovuti alla spaziatura regolare delle antenne.
Un secondo scopo è quello di proporre un sistema GBSAR MIMO capace di misurare due diverse componenti dello spostamento di un bersaglio nel campo di vista del radar.
Sommario dell’invenzione
A tali scopi secondo l’invenzione viene proposto un sistema secondo almeno una delle rivendicazioni allegate, comprendente un radar ad apertura sintetica basato a terra (GBSAR) con una distribuzione irregolare di antenne multiple in trasmissione e ricezione (MIMO) che fa uso di una tecnica di elaborazione delle immagini comprendente un algoritmo del tipo CS (Compressive Sensing).
Un primo vantaggio dell’invenzione rispetto ai sistemi GBSAR MIMO noti è la riduzione del numero di antenne a parità di prestazioni in termini di risoluzione angolare e di consentire di ottenere immagini non affette dal problema dei lobi laterali (grating globes).
Un secondo vantaggio rispetto ai GBSAR MIMO noti è che è possibile usare antenne più grandi e quindi più direttive.
Un secondo vantaggio è dato dal fatto che, in una particolare configurazione del radar oggetto di questa invenzione è possibile acquisire due immagini dello stesso scenario preso da due diversi punti di vista e misurare due diverse componenti dell’eventuale spostamento dei bersagli nel campo di vista.
Lista dei disegni
Questi ed ulteriori vantaggi saranno meglio compresi da un tecnico del ramo dalla descrizione che segue e dagli annessi disegni nei quali
- la figura 1 mostra schematicamente il radar oggetto dell’invenzione.
- la figura 2 mostra un radar secondo l’invenzione nel quale le antenne TX sono disposte lungo una guida lineare G1 e le antenne RX sono disposte lunga una guida G2;
- la figura 3 mostra la disposizione dei punti di acquisizione nel radar di fig.2; - la figura 4 mostra una ulteriore configurazione di un radar secondo l’invenzione.
Descrizione dettagliata
Con riferimento ai disegni allegati, l’unita di trasmissione e ricezione U è collegata mediante due sistemi di switch (detti anche SPNT: Single Pole N-through) SW1 e SW2 rispettivamente a NTX antenne trasmittenti e NRX antenne riceventi. In maniera equivalente ciascun sistema di switch può essere sostituito da coppie di SPDT (SPNT: Single Pole Double through) disposti ad albero.
In maniera equivalente il sistema di switch in ricezione può essere sostituito da NRX ricevitori che operano in parallelo.
In maniera equivalente il sistema di switch in trasmissione può essere sostituito da NTX trasmettitori a divisione di forma d’onda (Waveform Division) come è tipico di molti sistemi MIMO (vedi ad esempio J.J.M. De Wit, et al. “Orthogonal waveforms for FMCW MIMO radar.” In Radar Conference (RADAR), 2011 IEEE, pp.686-691, 2011).
Il radar oggetto di questa invenzione si basa su una particolare distribuzione delle antenne trasmittenti (TX) e riceventi (RX) che descriviamo nel seguito. Con riferimento alla Figura 2, le antenne TX sono disposte lungo una guida lineare G1. Le antenne RX sono disposte lungo una seconda guida lineare G2. Le due guide sono parallele. Lungo le due guide si possono fissare delle antenne su posizioni disposte regolarmente con passo p. In una forma preferita dell’invenzione tale passo è uguale alla metà della lunghezza d’onda del radar ( λ/2). Un numero NTX di antenne trasmittenti sono disposte con una distribuzione irregolare casuale (random), nella relativa guida G1. Un numero NRX di antenne riceventi sono disposte con una distribuzione irregolare casuale (random) nella relativa guida G2.
L’acquisizione avviene come segue.
Una singola antenna TX è accesa e si acquisisce (contemporaneamente o in successione) da tutte le antenne in RX. Questo processo è ripetuto per tutte le antenne TX, in questo modo si ottengono NTX x NRX segnali o dati di acquisizione Srxij.
Per ciascuno di questi dati Srxij si può associare un punto virtuale di acquisizione PVAij nel punto mediano tra il centro della antenna TX e il centro della antenna RX.
Tutti questi punti si troveranno su una linea LM alla distanza mediana tra la guida G1 la guida G2 (vedi Figura 3).
Sulla base della posizione di questi punti sulla linea mediana si costruisce la cosiddetta matrice psi (�) che verrà utilizzata per l’elaborazione CS. La costruzione della matrice psi si esegue come descritto nel seguito.
Il numero di colonne N della matrice è pari alla lunghezza delle guide G1 e G2 diviso la metà del passo p.. Il numero di righe M è scelto arbitrariamente, ma è consigliabile che sia pari a NTX x NRX.
Sono posti a zero tutti gli elementi di tutte le colonne che non corrispondono a un punto mediano di una coppia di antenne TX e RX sono. Gli altri elementi della matrice sono riempiti con numeri casuali.
La matrice così ottenuta è utilizzata per ricostruire (mediante la nota tecnica CS) i valori del campo elettrico acquisito da N antenne virtuali posizionate lungo la linea mediana tra la guida G1 e G2.
Le acquisizioni eseguite con N antenne virtuali possono essere trattate come le acquisizioni di un GBSAR convenzionale che si muove lungo una linea. A questi dati si possono applicare le note tecniche di Sintesi di Apertura (SAR: Synthetic Aperture Radar) e le tecniche dell’interferometria radar per la misura dei piccoli spostamenti. In pratica per misurare gli spostamenti (anche millimetrici) di un bersaglio nel campo di vista del radar, si fanno due acquisizioni in successione trasmettendo e ricevendo da tutte le antenne. Si calcola poi l’interferogramma tra le due immagini radar ottenute.
In un’ulteriore configurazione dello stesso radar (vedi Figura 4) le guide lineari parallele sono tre (G1, G2, G3), in questo modo è possibile acquisire due diversi interferogrammi.
Il primo interferogramma si ottiene usando le antenne su G2 come trasmittenti e le antenne su G1 come riceventi.
Il secondo interferogramma si ottiene usando le antenne su G2 come trasmittenti e le antenne su G3 come riceventi. I due interferogrammi forniscono due diverse componenti dell’eventuale spostamento dei bersagli nel campo di vista.
La presente invenzione è stata descritta secondo forme preferite di realizzazione ma varianti equivalenti possono essere concepite senza uscire dall'ambito di protezione dell'invenzione
Claims (7)
- RIVENDICAZIONI 1. Apparato radar terrestre ad apertura sintetica (GBSAR) comprendente una unità di trasmissione e ricezione (U); un numero di antenne trasmittenti (Ntx) comprendente almeno tre antenne trasmittenti (TXi) operativamente collegate con l’unità (U) per trasmettere ciascuna verso un bersaglio (T) disposto nel campo visivo del radar un segnale di trasmissione radar (Stxi) di lunghezza d’onda determinata ( λ), le antenne trasmittenti (TXi) essendo disposte una dopo l’altra lungo una prima guida lineare (G1) di lunghezza fissata (L) con spaziature successive irregolari (Ptxi) di ampiezza pari a multipli diversi di un passo (p) preferibilmente pari a metà della lunghezza d’onda del radar; un numero (Nrx) di antenne riceventi (RXj) operativamente collegate con l’unità (U) per ricevere ciascuna un numero (Ntx) di segnali di ricezione (Srxij) di lunghezza d’onda ( λ) provenienti dal bersaglio (T) e corrispondenti a detti segnali di trasmissione (Stxi) trasmessi da dette antenne trasmittenti (NTX), dette antenne riceventi (RXj) essendo disposte una dopo l’altra lungo almeno una seconda guida lineare (G2) di pari lunghezza e parallela ad una determinata distanza (d) rispetto a detta prima guida (G1), con spaziature successive irregolari (Prxi) di ampiezza pari a multipli diversi di detto passo (p); una unità elettronica di acquisizione ed elaborazione (AEL) operativamente collegata a detta unità di trasmissione e ricezione (U) per: acquisire detti segnali di ricezione (Srxij); associare detti segnali di ricezione (Srxij) a un punto virtuale di acquisizione (PVAij) disposto in posizione mediana tra il centro della antenna (TXi) in trasmissione e il centro della antenna (RXj) in ricezione, costruire una matrice ( φ) di elementi ( φmk) in base alla posizione di detti punti (PVij) la matrice ( φ) avendo con un numero (k) di colonne ( φk) pari alla lunghezza (L) delle guide (G1) e (G2) diviso la metà del passo p ed un numero di righe ( φm) preferibilmente pari al prodotto NTX x NRX, in cui in detta fase di costruzione della matrice sono posti uguali a zero tutti gli elementi ( φmk) di tutte le colonne di ordine (k) non corrispondente alla posizione sulla linea mediana (LM) di un punto virtuale di acquisizione (PVij) e gli altri elementi della matrice sono riempiti con numeri casuali; elaborare detti elementi della matrice ( φ) mediante un algoritmo di compressive sensing (CS) applicato alla matrice ( φ) per ricostruire i valori del campo elettrico acquisito da un ipotetico array “virtuale” costituito da tutti i punti p/2 lungo la linea LM; elaborare detti valori di campo elettrico mediante tecniche di Sintesi di Apertura (SAR) per ottenere almeno una immagine radar di detto bersaglio (T) corrispondente alla acquisizione di detti segnali di ricezione (Stxij).
- 2. Apparato radar terrestre ad apertura sintetica (GBSAR) secondo la rivendicazione 1, in cui detto numero di antenne riceventi comprende ulteriori antenne riceventi (RXj) disposte lungo una terza guida lineare (G3) di pari lunghezza e parallela ad una determinata distanza (d2) rispetto a detta prima guida (G1), con spaziature successive irregolari (Prxi) di ampiezza pari a multipli diversi di detto passo (p), in cui detta una unità elettronica di acquisizione ed elaborazione (AEL) e operativamente collegata a detta unità di trasmissione e ricezione (U) per acquisire due diversi interferogrammi, il primo usando dette antenne trasmittenti disposte sulla guida (G1) e dette antenne riceventi disposte sulla prima guida (G2), il secondo usando dette antenne trasmittenti disposte sulla guida (G1) e dette antenne riceventi disposte sulla terza guida (G3), in modo tale che i due interferogrammi forniscano due diverse componenti dell’eventuale spostamento dei bersagli (T) nel campo di vista.
- 3. Apparato radar terrestre ad apertura sintetica (GBSAR) secondo la rivendicazione 2, dove le antenne trasmittenti sono scambiate con le antenna riceventi
- 4. Apparato secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detta unità di trasmissione e ricezione (U) è collegata mediante sistemi di switch (SW0, SW1, SW2, SW3) rispettivamente ad una o più antenne trasmittenti e ad una o più antenne riceventi.
- 5. Apparato secondo una delle rivendicazioni 1-3, in cui detta unità di trasmissione e ricezione (U) è collegata a coppie di interruttori del tipo SPDT disposti ad albero ad una o più antenne trasmittenti e/o ad una o più antenne riceventi.
- 6. Apparato secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detta unità di trasmissione e ricezione (U) è collegata in parallelo ad una o più antenne riceventi (RXj).
- 7. Apparato secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detta unità di trasmissione e ricezione (U) è collegata ad una o più antenne trasmittenti (TXi) mediante trasmettitori a divisione di forma d’onda.
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