Appendici tecniche 

L'elaborazione delle immagini e la distribuzione

L'elaboratore a singolo Bit

Le immagini radar, a differenza di quelle ottiche, prima di essere disponibili, richiedono un lasso di tempo necessario all’elaborazione che può essere più o meno lungo, a seconda delle dimensioni della scena ripresa, delle caratteristiche di sensore e delle prestazioni dell’elaboratore. Per avere dei termini di confronto basti pensare, che a metà degli anni ottanta, una scena di 100 x 100 Km richiedeva sino a nove ore d’elaborazione su di un potente calcolatore. Agli inizi degli anni Novanta per la stessa scena ne bastavano un paio, mentre ai giorni nostri è sufficiente un quarto d’ora. Questi miglioramenti sono dovuti sia ad algoritmi più raffinati ed ottimizzati, ma soprattutto all’incremento delle prestazioni di calcolatori. Nonostante questo spaventoso aumento di capacità dei computer, il tempo necessario ad elaborare un’immagine è 60 volte quello necessario al radar per riprendere la scena. Questo significa che quando l’immagine è disponibile il satellite si trova e non meno di 6000 Km dall’area ripresa. Questa limitazione preclude l’utilizzo delle immagini SAR per tutta una serie di applicazioni che richiedono il real time o il near real time.

La necessità di colmare il divario tra l’istante in cui un’area è ripresa e l’istante in cui l’immagine della stessa area è disponibile, ha stimolato la ricerca verso soluzioni algoritmiche e circuitali innovative. In quest’ottica s’inquadra lo sviluppo del processore a singolo bit. La sua realizzazione ha implicato sia l’adozione di un processamento non standard che la realizzazione di un hardware ad hoc.

Processamento a Singolo Bit

Il segnale acquisito dal radar è codificato in numeri a 4 bit, che consentirebbero, senza nessun’altra elaborazione di ottenere immagini con 16 livelli di grigio. L’elaborazione migliora sia la risoluzione geometrica, (cioè le dimensioni dell’oggetto più piccolo che si riesce a scorgere, passando da più di cento metri a meno di 10 metri) che la risoluzione radiometrica (è possibile distinguere oggetti con impercettibili sfumature di intensità. Si pensi che ogni singolo elemento dell’immagine può assumere un valore di grigio tra i 64.000 disponibili). Nel processamento a singolo bit dei quattro bit iniziali se ne conserva solo 1, a valle dell’elaborazione, l’immagine ha dati ancora a 16 bit come nel caso a piena dinamica. Però a differenza di quest’ultima pur conservando la capacità di evidenziare i dettagli (la risoluzione geometrica) ha una peggiore fedeltà radiometrica. Volendo usare un esempio per spiegare le differenze potremmo pensare al caso di due oggetti vicini, leggermente differenti in intensità, nell’immagine processata a singolo bit o apparirebbero di uguale intensità (e quindi indistinguibili) o con differenza di intensità maggiore di quella reale. In ogni caso un osservatore non apprezzerebbe le differenze tra scene omogenee processate a singolo bit e quelle a piena dinamica, data la limitazione dei livelli di grigio che un uomo può distinguere. Le differenze sarebbero invece evidenti nel caso di punti isolati fortemente brillanti.

Implementazione Hardware

L’algoritmo a singolo bit si presta bene per essere realizzato con logica digitale relativamente semplice. L’operazione principale consiste nel prodotto di due matrici, da una parte quella dei dati, dall’altra il filtro. Queste operazioni sono state implementate utilizzando dei componenti innovativi gli FPGA (Field Programmable Gate Array). Questi dispositivi consentono di realizzare circuiti Hardware dedicati, caricando all’atto della loro accensione i programmi, che definiscono la topologia delle connessioni tra le singole celle. In questo modo si ottengono sia i vantaggi dei circuiti Hw (cioè la velocità di esecuzione), che quelli tipici del software (poiché cambiando il programma di avvio è possibile organizzare diversamente le connessioni tra le celle e quindi il comportamento del circuito). Questo implica che se uno o più componenti smettono di funzionare è possibile escluderli e comunque avere l’elaboratore in grado di operare correttamente.

Dopo la descrizione dei vantaggi, è corretto elencare anche gli svantaggi.

Allo stato attuale i componenti sono ingombranti e richiedono relativamente molta potenza, però l’evoluzione tecnologica promette di eliminare in breve tempo questi inconvenienti. Inoltre la loro realizzazione impone degli oneri di sviluppo, che non sarebbero necessari se si usassero dei calcolatori commerciali.

Prodotti del processore a singolo bit

Il processore a singolo bit fornisce in tempo reale le immagini riprese dal sensore SAR, fornisce inoltre sempre in tempo reale le immagini in formato ampiezza e fase, che sono la base di partenza per la generazione dei prodotti topografici quali le mappe di quota del terreno. Queste ultime elaborazioni sono ottenute però su computer convenzionali off–line. Cioè non in tempo reale. Saranno forniti inoltre dati relativi all’allineamento delle antenne. Per ogni elaborazione saranno resi disponibili i dati di qualità delle immagini e i parametri usati per l’elaborazione. Per quanto riguarda i prodotti interferometrici, saranno fornite le mappe di coerenza delle immagini, le frange di inteferenza e le frange srotolate (DEM non georeferenziato)

I prodotti interferometrici richiedono ad oggi circa 2 ore di elaborazione su regioni di dimensioni 50 km x 50 km ove la spaziatura tra un punto di quota ed il successivo è di 25 m. Volendo usare un esempio per valutare la potenza del rilevamento da satellite, potremmo supporre che se 2 operatori a terra dovessero fare lo stesso lavoro, avrebbero bisogno di non meno di 5 anni. (la base per questa stima è ottenuta considerando 4 milioni di punti da misurare, 1 minuto di tempo per ogni singola misura, ed una giornata lavorativa di 24 ore, cioè tre turni).

Il sistema di elaborazione di precisione dei dati, il sistema di archiviazione e distribuzione delle immagini (I-PAF)

Elaborazione precisa dei dati

Le immagini radar, a differenza di quelle ottiche, sono riprese registrando un gran numero (circa 2000 al secondo) di echi riflessi dalla superficie terrestre. I segnali acquisiti sono molto simili a dati olografici e pertanto richiedono una elaborazione molto sofisticata ed onerosa. Una volta ottenute due immagini radr della stessa zona si può procedere alla elaborazione interferometrica, che consiste nel determinare le differenze nei tempi di ritorno degli echi per ciascun elemento dell'immagine ripresa (differenza di fase dei segnali radar). Questa operazione è particolarmente delicata in quanto piccoli errori introdotti dal sistema possono determinare errori inaccettabili nel prodotto finale. Allo scopo di limitare i possibili errori, la missione contempla diverse strategie di correzione dei dati:

  • Il sistema di navigazione consente di registrare con elevata precisione la posizione e la velocità della piattaforma e contestualmente tiene sotto controllo le dimensioni dell'interferometro, costituito da un braccio lungo 60 metri e da due antenne poste alla sua estremità.
  • I dati sono ripresi come "strisciate" della larghezza di circa 50 Km e comprendono sempre due lembi di mare. Questo accorgimento consente di "ancorare" i dati elaborati ad un riferimento molto preciso quale è il mare.
  • Dal momento che le riprese avvengono su orbite ascendenti e discendenti, le strisciate di dati si sovrappongono in zone dette di incrocio. In tali zone è possibile effettuare ulteriori verifiche e correzioni.

 Il sistema di Elaborazione

La tecnologia odierna di elaborazione dei dati consente lo sviluppo del sistema su computer convenzionali. L'elaborazione viene suddivisa in:

  • Trascrizione su supporti magnetici "computer compatibili" dei dati provenienti dalla missione, registrati su nastri ad alta densità;
  • Elaborazione dei segnali di calibrazione degli strumenti di bordo ed elaborazione delle informazioni di posizione e velocità della piattaforma;
  • Elaborazione dei segnali radar per ottenere le immagini (compressione SAR)
  • Sintesi degli Interferogrammi e successiva elaborazione geometrica per ricavare il dato di altezza.
  • Con l'ultimo stadio della catena elaborativa. I dati di altezza ottenuti dagli interferogrammi sono mosaicati per formare i prodotti da distribuire.

Prodotti

Il risultato della elaborazione dei dati acquisiti si può distinguere in due categorie: i prodotti immagine ed i prodotti interferometrici.

Dei prodotti immagine fanno parte tutti i prodotti ottenuti dalla acquisizione ed elaborazione dei segnali provenienti da una singola antenna. queste immagini avranno un formato ed una qualità compatibile con i prodotti ottenuti dalle due missioni precedenti. sarà perciò possibile analizzare i dati delle tre missioni in un contesto più ampio e in qualche caso si potranno ottenere ulteriori risultati degli esperimenti scientifici condotti durante le prime due missioni X-SAR.

Alla categoria dei prodotti interferometrici appartengono i prodotti derivanti dalla elaborazione congiunta dei dati provenienti dalle due antenne poste alle estremità del braccio. I prodotti interferometrici rappresentano il risultato operativo della missione, consentendo di mappare l'altezza della superficie terrestre rispetto ad un unico sistema di riferimento e con una precisione uniforme per la prima volta nella storia. I prodotti generati dai tre partner internazionali avranno qualità e formati identici per garantire un interscambio dei risultati. In particolare i prodotti relativi alla banda X (sensore realizzato da Italia e Germania), per la loro maggiore precisione, saranno utilizzati anche per la calibrazione dei dati in banda C (sensore USA).