Procedimiento y sistema de formación de imágenes radiométrica de síntesis de apertura espacio-temporal.

Procedimiento de formación de imágenes radiométrica destinado a cartografiar por lo menos un parámetro característico de objetos distantes dispuestos sobre una superficie y detectable por la radiación electromagnética multiangular emitida por los objetos,

utilizando el procedimiento una antena de red (8; 432; 532) formada por unas antenas elementales (A(k)) dispuestas a bordo de por lo menos un satélite (4; 404, 406; 504, 506) móvil con respecto a la superficie, estando el procedimiento caracterizado porque comprende las etapas que consisten en: identificar (202) cada antena elemental (A(k)) por un índice k,

aplicar (206) una indicación de tiempo según una base de tiempos (60), a posiciones sucesivas (P(t(i))) de una antena elemental (A(1)) predeterminada de la antena de red (8; 432, 532) que sirve como referencia espaciotemporal, muestreándose las posiciones sucesivas de la antena elemental de referencia (A(1)) según un período de muestreo (Dtmue) en instantes sucesivos (t(i)) ordenados según un índice (i) y referenciándose dentro de un marco de referencia espacial fijo con respecto a la superficie sobrevolada,

estando un reloj local (H(k)) asociado a cada antena elemental (A(k)), para cada posición sucesiva muestreada (P(t(i))) de la antena elemental de referencia A(1), sincronizar (208) cada reloj local asociado (H(k)) con la base de tiempos (60),

para cada posición sucesiva muestreada (P(t(i))) de la antena elemental de referencia (A(1)), determinar (210) las posiciones espaciales respectivas de las antenas elementales A(k) con respecto a la antena elemental de referencia (A(1)),

en cada instante de muestreo (t(i)) correspondiente a una posición muestreada (P(t(i))) de la antena elemental (A(1)), medir (212) de manera analítica un campo electromagnético recibido por cada antena elemental (A(k)) y suministrar, para cada una de ellas, una componente en fase y una componente en cuadratura del campo, asignar (214) a cada medición analítica del campo electromagnético (E(k,t(i))) medido el índice (k) de la antena elemental correspondiente y la fecha (t(i)) de muestreo correspondiente,

para un índice de imagen (im) predeterminado, definir (220) un dominio de imagen temporal (DIM(im)) constituido por los instantes de muestreo (t(j)) tales que la diferencia t(im)-t(j) es inferior o igual a una duración temporal de dominio de imagen DtIM predeterminada,

para cada par (k, j) de índice (k) de antena elemental (A(k)) y de índice de instante de muestreo (j) correspondiente al dominio de imagen temporal DIM(im), suministrar (222) un vector de medición M(k, j) que contiene ordenadas temporalmente las muestras de las mediciones del campo electromagnético recibido por la antena elemental (A(k)) en los instantes de muestreo comprendidos entre el instante de muestreo t(j) y el instante de muestreo )**Fórmula** , designando Dtc una duración de integración de la correlación entre dos vectores de medición M(k,j), M(k',j'),

construir (224) una imagen (IM(im)) a partir de una función de visibilidad espacio-temporal que comprende un conjunto de coeficientes de visibilidades, siendo igual por lo menos un coeficiente de visibilidad a la correlación de dos vectores de medición M(k,j), M(k',j') cuyos índices de muestreo j, j' son diferentes.

Procedimiento y sistema de formación de imágenes radiométrica de síntesis de apertura espacio-temporal.

La presente invención se refiere a un procedimiento de formación de imágenes de síntesis de apertura que utiliza un radiómetro de formación de imágenes llevado a bordo de, por lo menos, un satélite y se refiere también al sistema de formación de imágenes correspondiente de realización del procedimiento.

Se han desarrollado satélites de observación de la Tierra, como, por ejemplo, el satélite SMOS (denominación en inglés de Soil Moisture and Ocean Salinity) para medir las temperaturas de brillo en forma de radiaciones electromagnéticas polarizadas, multiangulares, del suelo y de los océanos, con una alta posibilidad de revisita, típicamente un período de tres días, y de realizar así un seguimiento de la evolución de la humedad de los suelos y la salinidad de los océanos.

El satélite SMOS recorre una órbita heliosincrónica a la altitud de 755 km y a la velocidad de 7 km/s según un período de 100 minutos.

El radiómetro de formación de imágenes llevado a bordo del satélite SMOS funciona en la banda L dentro de una banda de 17 MHz en torno a la frecuencia correspondiente a una longitud de onda de 21 cm.

El radiómetro de formación de imágenes está compuesto por 54 antenas elementales dispuestas por grupos de dieciocho en tres palas de un rotor en forma de “Y”.

Las antenas elementales están asociadas, cada una de ellas, a un receptor diferente y están conectadas, a través de los receptores y de un arnés compuesto por fibras ópticas, a un correlador de salida codificada en un bit, que permite correlacionar los campos eléctricos recibidos por cada par de antenas elementales.

Las longitudes de las fibras ópticas que forman el arnés son prácticamente idénticas y la precisión de posicionamiento de las antenas en las palas es de 3 mm. Cuando el satélite está en servicio, el mismo está inclinado un ángulo de 31, 2 grados con respecto a la dirección del nadir.

Al ser de aproximadamente 1.000 km la instantánea, denominada snap-shot, el pixel de la imagen construida por un procedimiento de síntesis de apertura espacial es igual a 40 km y el tiempo de integración para calcular la correlación para un par cualquiera de antenas elementales es igual a 1, 2 segundos.

El tamaño del píxel es igual a la resolución geométrica del dispositivo de formación de imágenes y el tiempo de integración constitutivo de una instantánea.

Así, cien instantáneas consecutivas permiten la adquisición del mismo píxel para diferentes ángulos de incidencia comprendidos entre 0 y 55 grados.

Además, la sensibilidad radiométrica, denominada también resolución radiométrica, está comprendida entre 3, 5 y 5, 8º K.

El tiempo de muestreo de cada medición elemental del campo eléctrico recibido por una antena elemental es igual a 10-6 segundos.

Debido a la estructura de tres palas del radiómetro, la superficie de apertura obtenida es, por una parte, más pequeña que la correspondiente del disco en el cual están circunscritas las palas, y, por otra parte, anisótropa.

El aumento del número de palas permite incrementar la superficie de apertura y mejorar la isotropía de su contorno, aunque esto da como resultado un aumento del número de antenas elementales y consecuentemente un aumento de la masa del satélite.

El problema técnico consiste en incrementar la superficie de apertura sintetizada del radiómetro sin aumentar el número de antenas elementales, la resolución geométrica y sin deteriorar la resolución radiométrica.

A este efecto, la invención tiene como objetivo un procedimiento de formación de imágenes radiométrica destinado a cartografiar por lo menos un parámetro característico de objetos distantes dispuestos sobre una superficie y detectable por la radiación electromagnética multiangular emitida por los objetos, de manera que el procedimiento utiliza una antena de red formada por antenas elementales dispuestas a bordo de, por lo menos, un satélite móvil con respecto a la superficie, estando el procedimiento caracterizado porque comprende las etapas que consisten en:

identificar cada antena elemental A (k) por un índice k,

aplicar una indicación de tiempo según una base de tiempos, a posiciones sucesivas P (t (i) ) de una antena elemental A (1) predeterminada de la antena de red que sirve como referencia espacio-temporal, muestreándose las posiciones sucesivas de la antena elemental de referencia A (1) según un período de muestreo Δtmue en instantes sucesivos t (i) ordenados según un índice i y referenciándose dentro de un marco de referencia espacial fijo con respecto a la superficie sobrevolada,

estando un reloj local H (k) asociado a cada antena elemental A (k) , para cada posición sucesiva muestreada P (t (i) ) de la antena elemental de referencia A (1) , sincronizar cada reloj local asociado H (k) con la base de tiempos,

para cada posición sucesiva muestreada P (t (i) ) de la antena elemental de referencia A (1) , determinar las posiciones espaciales respectivas de las antenas elementales A (k) con respecto a la antena elemental de referencia A (1) ,

en cada instante de muestreo t (i) correspondiente a una posición muestreada P (t (i) ) de la antena elemental A (1) , medir de manera analítica un campo electromagnético recibido por cada antena elemental A (k) y suministrar, para cada una de ellas, una componente en fase y una componente en cuadratura del campo,

asignar a cada medición analítica del campo electromagnético (E (k, t) ) medido el índice k de la antena elemental correspondiente y la fecha t (i) de muestreo correspondiente,

para un índice de imagen im predeterminado, definir un dominio de imagen temporal DIM (im) constituido por los instantes de muestreo t (j) tales que la diferencia t (im) -t (j) es inferior o igual a una duración temporal de dominio de imagen ΔtIM predeterminada,

para cada par (k, j) de índice k de antena elemental A (k) y de índice de instante de muestreo j correspondiente al dominio de imagen temporal DIM (im) , suministrar un vector de medición M (k, j) que contiene ordenadas temporalmente las muestras de las mediciones del campo electromagnético recibido por la antena elemental A (k) en los instantes de muestreo comprendidos entre el instante de muestreo t (j) y el instante de muestreo Δt

c

t ( j − ) , designando Δtc una duración de integración de la correlación entre dos vectores de medición Δ

tmue M (k, j) , M (k’, j’) ,

construir una imagen IM (im) a partir de una función de visibilidad espacio-temporal que comprende un conjunto de coeficientes de visibilidades, siendo por lo menos un coeficiente de visibilidad igual a la correlación de dos vectores de medición M (k, j) , M (k’, j’) cuyos índices de muestreo j, j’ son diferentes.

Según unos modos particulares de realización, el procedimiento de formación de imágenes radiométrica comprende una o varias de las siguientes características:

- estando un tamaño de píxel Tpíxel predeterminado y presentando una velocidad de desplazamiento con respecto a la superficie observada Vsat por lo menos un satélite portador de la antena de referencia elemental A (1) , la duración de integración de correlación Δtc es igual al producto de un coeficiente fraccionario α por el tamaño Tpíxel de un píxel dividido por la velocidad Vsat del por lo menos un satelite;

- el coeficiente fraccionario α es inferior o igual a 1/3 y preferentemente igual a 1/5;

- la duración temporal de dominio de imagen ΔtIM es igual a la relación de la más grande de las distancias D que separan un par cualquiera de antenas elementales A (k) con respecto a la velocidad de desplazamiento Vsat del por lo menos un satélite, y

- una banda pasante B de filtrado de las frecuencias en torno a una frecuencia central v0 del campo electromagnético medido por cada una de las antenas elementales A (k) es inferior o igual a la relación de la velocidad de desplazamiento Vsat del por lo menos un satélite con respecto a la más grande de las distancias D que separan un par cualquiera de antenas elementales A (k) ;

- una banda de frecuencias de medición del campo electromagnético recibido por las antenas elementales A (k) está comprendida dentro de la banda L y preferentemente dentro de la banda de las frecuencias comprendidas entre 1.400 y 1.427 MHz;

- la precisión de localización de una antena elemental A (k) es igual al producto de un coeficiente fraccionario β por la... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de formación de imágenes radiométrica destinado a cartografiar por lo menos un parámetro característico de objetos distantes dispuestos sobre una superficie y detectable por la radiación electromagnética multiangular emitida por los objetos, utilizando el procedimiento una antena de red (8; 432; 532) formada por unas antenas elementales (A (k) ) dispuestas a bordo de por lo menos un satélite (4; 404, 406; 504, 506) movil con respecto a la superficie, estando el procedimiento caracterizado porque comprende las etapas que consisten en:

identificar (202) cada antena elemental (A (k) ) por un índice k,

aplicar (206) una indicación de tiempo según una base de tiempos (60) , a posiciones sucesivas (P (t (i) ) ) de una antena elemental (A (1) ) predeterminada de la antena de red (8; 432, 532) que sirve como referencia espaciotemporal, muestreándose las posiciones sucesivas de la antena elemental de referencia (A (1) ) según un período de muestreo (Δtmue) en instantes sucesivos (t (i) ) ordenados según un índice (i) y referenciándose dentro de un marco de referencia espacial fijo con respecto a la superficie sobrevolada,

estando un reloj local (H (k) ) asociado a cada antena elemental (A (k) ) , para cada posición sucesiva muestreada (P (t (i) ) ) de la antena elemental de referencia A (1) , sincronizar (208) cada reloj local asociado (H (k) ) con la base de tiempos (60) ,

para cada posición sucesiva muestreada (P (t (i) ) ) de la antena elemental de referencia (A (1) ) , determinar (210) las posiciones espaciales respectivas de las antenas elementales A (k) con respecto a la antena elemental de referencia (A (1) ) ,

en cada instante de muestreo (t (i) ) correspondiente a una posición muestreada (P (t (i) ) ) de la antena elemental (A (1) ) , medir (212) de manera analítica un campo electromagnético recibido por cada antena elemental (A (k) ) y suministrar, para cada una de ellas, una componente en fase y una componente en cuadratura del campo,

asignar (214) a cada medición analítica del campo electromagnético (E (k, t (i) ) ) medido el índice (k) de la antena elemental correspondiente y la fecha (t (i) ) de muestreo correspondiente,

para un índice de imagen (im) predeterminado, definir (220) un dominio de imagen temporal (DIM (im) ) constituido por los instantes de muestreo (t (j) ) tales que la diferencia t (im) -t (j) es inferior o igual a una duración temporal de dominio de imagen ΔtIM predeterminada,

para cada par (k, j) de índice (k) de antena elemental (A (k) ) y de índice de instante de muestreo (j) correspondiente al dominio de imagen temporal DIM (im) , suministrar (222) un vector de medición M (k, j) que contiene ordenadas temporalmente las muestras de las mediciones del campo electromagnético recibido por la antena elemental (A (k) ) en los instantes de muestreo comprendidos entre el instante de muestreo t (j) y el instante Δtc

de muestreo t ( j − ) , designando Δtc una duración de integración de la correlación entre dos vectores de Δt

mue medición M (k, j) , M (k’, j’) ,

construir (224) una imagen (IM (im) ) a partir de una función de visibilidad espacio-temporal que comprende un conjunto de coeficientes de visibilidades, siendo igual por lo menos un coeficiente de visibilidad a la correlación de dos vectores de medición M (k, j) , M (k’, j’) cuyos índices de muestreo j, j’ son diferentes.

2. Procedimiento de formación de imágenes radiométrica según la reivindicación 1, caracterizado porque un tamaño de píxel (Tpíxel) está predeterminado y por lo menos un satelite (4; 404; 504) que lleva la antena de referencia elemental (A (1) ) presenta una velocidad de desplazamiento con respecto a la superficie observada (Vsat) , la duración de integración de correlación (Δtc) es igual al producto de un coeficiente fraccionario (α) por el tamaño (Tpíxel) de un píxel dividido por la velocidad (Vsat) de dicho por lo menos un satélite (4; 404; 504) .

3. Procedimiento de formación de imágenes radiométrica según la reivindicación 2, caracterizado porque el coeficiente fraccionario (α) es inferior o igual a 1/3 y preferentemente igual a 1/5.

4. Procedimiento de formación de imágenes radiométrica según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 3, caracterizado porque

la duración temporal de dominio de imagen (ΔtIM) es igual a la relación de la más grande de las distancias (D) que separan un par cualquiera de antenas elementales (A (k) ) con respecto a la velocidad de desplazamiento (Vsat) de dicho por lo menos un satélite (4; 404; 504) , y

porque una banda pasante (B) de filtrado de las frecuencias en torno a una frecuencia central (v0) del campo electromagnético medido por cada una de las antenas elementales (A (k) ) es inferior o igual a la relación de la velocidad de desplazamiento (Vsat) de dicho por lo menos un satélite (4; 404; 504) con respecto a la más grande de las distancias (D) que separan un par cualquiera de antenas elementales (A (k) ) .

5. Procedimiento de formación de imágenes radiométrica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque una banda de frecuencias de medición del campo electromagnético recibido por las antenas elementales (A (k) ) está comprendida dentro de la banda L y preferentemente dentro de la banda de las frecuencias comprendidas entre 1.400 y 1.427 MHz.

6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 5, caracterizado porque la precisión de localización de una antena elemental (A (k) ) es igual al producto de un coeficiente fraccionario (β) por la longitud de onda (λ0) correspondiente a la frecuencia central (v0) , siendo el coeficiente fraccionario (β) inferior a 1/5 y preferentemente inferior a 3/20.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque la precisión de la base de tiempos (60) es inferior a la relación de la precisión de localización con respecto a la velocidad de la luz.

8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el período de muestreo (Δtmue) es inferior o igual al mínimo de una primera duración mínima de muestreo (ΔtShannon) correspondiente a un criterio de Shannon y de una segunda duración (ΔtB) correspondiente al cumplimiento de la exigencia de una resolución radiométrica predeterminada (ΔTB) ,

siendo la primera duración (ΔtShannon) igual a la mitad del período correspondiente a una longitud de onda (λ0) de una frecuencia de medición,

siendo la segunda duración (ΔtB) función de la resolución radiométrica predeterminada (ΔTB) , de una temperatura de antena (TA) , de una temperatura de receptor T (rec) , de un ancho de banda pasante de filtrado (B) , de un número total (N+1) de antenas elementales, de una longitud (D) de la antena de red (8) , de una superficie eficaz (Se) de una antena elemental, del tamaño de un píxel (Tpíxel) , de la velocidad (Vsat) de dicho por lo menos un satélite (4; 404; 504) .

9. Procedimiento según la reivindicación 8, caracterizado porque la segunda duración (ΔtB) cumple la ecuación:

ΔTB Se 1 Tpíxel 2 B

Δt = 2 (N + 1)

TA +TrecD2 B V

sat

10. Sistema de formación de imágenes radiométrica destinado a cartografiar por lo menos un parámetro característico de objetos distantes dispuestos sobre una superficie y detectable por la radiación electromagnética multiangular emitida por los objetos, caracterizado porque comprende una antena de red (8, 432, 532) formada por unas antenas elementales (A (k) ) dispuestas a bordo de por lo menos un satélite (4; 404, 406; 504, 506) movil con respecto a la superficie,

por lo menos un conjunto de recepción conectado a la antena de red (8; 432; 532) apto para aplicar una indicación de tiempo, según una base de tiempos (60) de alta precisión, a posiciones sucesivas (P (t (i) ) ) de una antena elemental (A (1) ) predeterminada de la antena de red (8, 432, 532) que sirve como referencia espacio-temporal, muestreándose las posiciones sucesivas de la antena elemental de referencia (A (1) ) según un período de muestreo ΔTmue en instantes sucesivos (t (i) ) ordenados según un índice (i) y referenciándose dentro de un marco de referencia espacial fijo con respecto a la superficie sobrevolada,

estando un reloj local (H (k) ) asociado a cada antena elemental (A (k) ) , para cada posición sucesiva muestreada (P (t (i) ) ) de la antena elemental de referencia A (1) , sincronizar cada reloj local asociado (H (k) ) con la base de tiempos (60) ,

para cada posición sucesiva muestreada (P (t (i) ) ) de la antena elemental de referencia (A (1) ) , determinar las posiciones espaciales respectivas de las antenas elementales A (k) con respecto a la antena elemental de referencia (A (1) ) ,

en cada instante de muestreo (t (i) ) correspondiente a una posición muestreada (P (t (i) ) ) de la antena elemental (A (1) ) , medir de manera analítica un campo electromagnético recibido por cada antena elemental (A (k) ) y suministrar, para cada una de ellas, una componente en fase y una componente en cuadratura,

asignar a cada medición analítica del campo electromagnético (E (k, t (i) ) ) medido el índice (k) de la antena elemental correspondiente y la fecha (t (i) ) de muestreo correspondiente,

y una unidad de tratamiento (6) apta para para un índice de imagen (im) predeterminado, definir (220) un dominio de imagen temporal (DIM (im) ) constituido 5 por los instantes de muestreo (t (j) ) tales que la diferencia t (im) -t (j) es inferior o igual a una duración temporal de dominio de imagen ΔtIM predeterminada,

para cada par (k, j) de índice (k) de antena elemental (A (k) ) y de índice de instante de muestreo (j) correspondiente al dominio de imagen temporal (DIM (im) ) , suministrar (222) un vector de medición M (k, j) que contiene ordenadas temporalmente las muestras de las mediciones del campo electromagnético recibido por la antena elemental (A (k) ) en los instantes de muestreo comprendidos entre el instante de muestreo t (j) y el instante Δtc

de muestreo t ( j − ) , designando Δtc una duración de integración de la correlación entre dos vectores de Δt

mue medición M (k, j) , M (k’, j’) ,

construir (224) una imagen (IM (im) ) a partir de una función de visibilidad espacio-temporal que comprende un conjunto de coeficientes de visibilidades, siendo por lo menos un coeficiente de visibilidad igual a la correlación de dos vectores de medición M (k, j) , M (k’, j’) cuyos índices de muestreo j, j’ son diferentes.

11. Sistema de formación de imágenes radiométrica según la reivindicación 10, caracterizado porque la antena de red (8; 432; 532) comprende un primer segmento (20; 424) , de antenas elementales alineadas, separado de un segundo segmento (428) de antenas elementales o de una antena aislada única (A (N+1) ) por una distancia de separación inferior o igual a la mitad de un tamaño de la antena de red (8; 432; 532) ,

porque cada antena elemental (A (k) ) tiene un centro respectivo (C (k) ) , los centros (C (k) , C (k+1) ) de dos antenas adyacentes de un mismo segmento (20, 424, 428) están separados por una semilongitud de onda (λ0/2) , y porque el primer segmento (424) y el segundo segmento (428) , respectivamente el primer segmento (20) y la antena 30 aislada (A (N+1) ) , están orientados según una misma dirección.

12. Sistema de formación de imágenes radiométrica según la reivindicación 11, caracterizado porque comprende un solo satélite (4) y una sola antena de red (8) de extensión unidimensional de longitud (D) ,

porque la antena de red (8) comprende un solo segmento (20) de antenas elementales alineadas, presentando el segmento (20) una longitud (D1) que es la mitad de la longitud (D) de la antena de red (8) , y una antena elemental aislada (A (N+1) ) , separada por un espacio vacío (30) de la misma longitud (D1) que la del segmento (20) y alineada con las antenas elementales del segmento (20) .

13. Sistema según la reivindicación 11, caracterizado porque las antenas elementales (426; 436) de la antena de red (432; 532) están dispuestas en dos satelites (404, 406; 504, 506) que describen, cada uno de ellos, una orbita polar heliosincrónica y que forman un vuelo en formación, estando el primer segmento (424) dispuesto en el primer satélite (404; 504) y estando el segundo segmento (428) dispuesto en el segundo satelite (406; 506) .

14. Sistema según la reivindicación 13, caracterizado porque las altitudes de las órbitas polares difieren en una altura inferior al doble de la longitud de un segmento.

15. Sistema según la reivindicación 13, caracterizado porque el primer satélite (504) y el segundo satélite (506) están situados sobre dos órbitas polares heliosincrónicas de la misma altitud, estando los satélites (504, 506) separados 50 en la dirección longitudinal por una distancia comprendida entre una y dos longitudes de un segmento.