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Proposta de tese de doutoramentoSistema de Sonar de Abertura Sintética Interferométrico Apoiado por

Navegação por Satélite

Proposta de tese de doutoramento

Informação dos proponentes

Aluno: Nome completo:

Sérgio Rui dos Santos Barbosa Oliveira da Silva

E-Mail:

[email protected]

Curriculum Vitæ:

Em anexo.

Orientador: Nome completo:

Sérgio Reis Cunha

E-Mail:

[email protected]

Curriculum Vitæ:

Em anexo.

Instituição que confere o título: Faculdade de Engenharia da Universidade doPorto

Instituição de acolhimento: Faculdade de Engenharia da Universidade doPorto

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Identificação do projectoTítulo:

Sistema de sonar de abertura sintética interferométrico apoiado por navegação por satélite

Palavras-chave:

InSAS, SAS, SAR, abertura sintética, interferometria.

Data prevista para início de trabalhos

Fim de 2004

Duração prevista:

4 anos.

Sumário:

O trabalho proposto consiste no desenvolvimento de um sistema InSAS (InterferometricSynthetic Aperture Sonar) montado numa plataforma flutuante destinada a fazer levantamentos defundos de cursos de água, lagos e outras áreas submersas. Engloba tanto a construção da plataformae do hardware SAS, bem como o estudo, desenvolvimento de metodologias, algoritmos e softwarede processamento de dados. Tal como os sistemas SAR (Synthetic Aperture Radar), um sistemaSAS explora o processamento de conjuntos de sinais emitidos/recebidos por uma sonda emmovimento relativamente a alvos de características estáticas por forma a gerar imagens de elevadaresolução. A capacidade de distinção dos alvos reside na sofisticação dos sinais transmitidos e noprocessamento das formas de onda das sequências de ecos resultantes. Comparativamente asistemas de abertura estreita real, o hardware necessário é mais simples, conduzindo a uma soluçãode baixo custo.

O projecto apresentado permitirá o mapeamento e caracterização de leitos pouco profundos,podendo ser aplicado em ambientes fluviais, rias, albufeiras, etc. A sua contribuição para o estudodestas zonas será do maior interesse para todas as aéreas cientificas, económicas e ambientais comestas relacionadas (manutenção de infra-estruturas, extracção de inertes, navegabilidade fluvial,entre outras).

A plataforma flutuante conterá uma matriz de transdutores acústicos, colocados na quilha damesma, e por um conjunto de receptores GPS e um sensor inercial por forma a determinar a suaposição e atitude com elevada precisão e resolução temporal. Contempla ainda um computador debordo para geração de sinais, bem como captação e armazenamento dos dados adquiridos.

A tecnologia SAS é relativamente recente, sendo um tema de investigação actual. Ossistemas SAS existentes baseiam-se tipicamente em plataformas completamente submersas,

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impedindo o uso de sistemas de navegação de precisão. Isto tem impacto imediato na qualidade dosdados obtidos. Ao usar-se uma plataforma flutuante torna-se possível navegar por satélite. Otrabalho descrito nesta proposta assenta no recurso à precisão obtida em posição e atitude pelaconjunção de receptores GPS (com processamento das fases das portadoras - CP-DGPS) com umsistema inercial para endereçar os problemas relacionados com os erros de medição e discriminaçãode alvos. Tal constitui a contribuição esperada principal desta abordagem.

O processo de levantamento consistirá no arrastamento desta plataforma ao longo de perfisrectilíneos paralelos. Durante o percurso são emitidos sequências de sinais acústicos e registados osrespectivos ecos. Conhecendo-se a posição e atitude da plataforma é possível processar os dadosrecolhidos por forma a gerar mapas tridimensionais do fundo analisado. Pretende-se aindadesenvolver algoritmos de processamento de dados baseados em interferometria, com vista adiscriminar entre as componentes horizontal e vertical das distâncias a cada alvo sondado. Emtermos de precisão as metas são: resolução de alvos decimétrica, distância aos alvos na ordem dasdezenas de metros e velocidade de exploração na gama do metro por segundo.

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Enquadramento com o estado da arteA possibilidade de obtenção de imagens de fundos sub-aquáticos de alta resolução a partir

do uso de sistemas InSAS tem sido alvo de atenção de alguns grupos de investigação. Os primeirossistemas SAS derivaram de sistemas SAR e apareceram como resposta à necessidade de usar umsistema de detecção remota em ambientes onde o uso destes era impraticável [1, 2, 3, 4] afirmando--se como forma de melhorar as características dos sistemas sonar convencionais e permitindo usarfrequências mais baixas e uma menor potência de sinal comparativamente com os sistemas deabertura real [17]. Com o propósito de se desenvolver a tecnologia SAS, surgiram em diversaspartes do globo vários projectos, dos quais se destacam os seguintes:

• Kiwi SAS [1, 6, 7, 8] desenvolvido em meados da década de 90, foi um dosprimeiros projectos a demonstrar a possibilidade de obtenção de imagenslimitadas por difracção usando uma plataforma submersa livre com sistema SAS.

• Projecto SAS da Universidade de Califórnia em Santa Barbara [13] (início dadécada de 90): destaca-se pelo uso de informação redundante por forma acombater os erros provenientes de incertezas de movimentação e atitude da sonda.

• DERA/GESMA SAS [18] (desenvolvido no início da década actual), projecto queutiliza ondas acústicas na gama de frequências de 120-180 kHz e uma matriz de32 elementos. Efectuou testes com uma plataforma sobre carris em águas poucoprofundas, neutralizando a problemática decorrente da incerteza e variação daposição e atitude da sonda.

• Projecto SAMI (Synthetic Aperture Mapping and Imaging) [9, 10, 11], queenvolveu investigadores de Inglaterra, França, Dinamarca e Grécia em meados dadécada de 90 e conduziu experiências no mediterrâneo permitindo obter imagenspor métodos sonar de abertura sintética e interferometria, chegando a resoluçõesde cerca de 1 m. Destaca-se neste projecto a obtenção de resultados em tempo realusando para isso um sistema com 16 processadores.

• Alliant Techsystems [12] (finais da década de 90) desenvolveu um sistema para adetecção de objectos enterrados. A sonda imersa possui 16 elementos receptores e5 transmissores.

• Investigadores na Naval Coastal Systems Station [14, 15] (finais da década de 90)desenvolveram um sistema que usa a técnica de redundânica de centro de fasecomo algoritmo principal para compensação de movimento.

• DARPA SAS [5, 16] constitui uma referência em sistemas InSAS. Usa apenasestimativas de movimento a partir dos dados de sonar recebidos nos seusalgoritmos de autofocus e compensação de movimento. O uso de um sistemainercial poderia ajudar na resolução de erros provenientes de incertezas devidas aomovimento da sonda. No entanto, este trabalho concluiu que o uso deste sem

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correcções provenientes de um sistema de posicionamento absoluto (como o GPS)não produziria resultados aceitáveis. Finais da década de 90

Dada a relação estreita dos sistema SAS com os sistemas SAR existem vários problemascomuns em ambos os sistemas; outros há que são particulares ao SAS. Estes problemas têm sidoendereçados pelos grupos de investigação em InSAS nos últimos anos, destacando-se entre estes osprincipais:

• Estabilidade do meio de propagação de sonar.

• Estimação e correcção de erros de movimentação da plataforma.

• Amostragem da abertura sintética.

• Reconstituição da fase do sinal recebido.

• Processamento requerido para formar a imagem de abertura sintética.

Os erros devidos aos movimentos da plataforma de medida são uma importante fonte deperturbação nos dados obtidos por estes sistemas. Os algoritmos de compensação de movimento sãoum tópico de pesquisa da maior importância para as comunidades científicas que estudam ossistemas SAR e SAS. Devido as características particulares dos sistemas SAS (especialmentecomprimento de onda e velocidade de propagação) estes algoritmos revestem-se da maiorimportância. Os sistemas actuais baseiam-se em algoritmos de estimação de movimento e atitudeposterior à recolha dos dados. Pretende-se com este trabalho desenvolver algoritmos decompensação de movimento que usem a informação obtida pelo uso de navegação por satélite e suaintegração com sistemas inerciais por forma a colmatar as deficiências dos sistemas actuais.

Existe, dentro, do grupo de investigação onde este trabalho se enquadra, longa experiênciade em sistemas de navegação por satélite e sua integração com sensores inerciais, o que adequa estaabordagem aos proponentes [19]. O aluno proposto possui trabalho passado em processamentodigital de sinal, incluindo sistemas áudio e radar, destacando-se o desenvolvimento de trabalho naárea de “software defined radio”, com trabalhos publicados em conferências internacionais daespecialidade [20, 21], pelo que se enquadra com o trabalho.

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Aplicações e justificação do trabalhoUm sistema deste tipo permite a obtenção de imagens quando é impraticável usar sistemas

ópticos ou baseados em ondas electromagnéticas, contribuindo para o conhecimento ecaracterização de diversos ambientes submersos. Existe, assim, uma quantidade considerável deaplicações potenciais, incluindo a avaliação e controlo de recursos e a resposta a desastres naturais.A sua utilidade na caracterização de fundos de zonas fluviais terá implicações directas e importantesem áreas cientificas, económicas e ambientais com estas relacionadas. Destacam-se os principais:

• Instalação e manutenção de infra-estruturas como condutas, pilares, ancoradourosou barragens;

• Exploração de recursos naturais;

• Avaliação e controlo de extracção de inertes e navegabilidade fluvial;

• Pesquisa e identificação de objectos.

Este sistema, graças as suas características, permitirá uma intervenção rápida perantecircunstâncias de natureza urgente.

Este trabalho assenta no desenvolvimento de conhecimentos de processamento de sinal ealgoritmos de aplicação em sistemas de detecção remota baseados no princípio de abertura sintéticae interferometria. Existe trabalho de investigação em Portugal no domínio da tecnologia SAR,especialmente em Lisboa. A importância cientifica da área justifica, contudo, a formação avançadade mais pessoas nesta especialidade e afins.

A área cientifica do projecto proposto é, pelas suas características, é muito próxima deoutras áreas distintas de conhecimento e aplicação. Os sistemas SAR e o processamento dos dadospor eles obtidos, recorrem ao mesmo tipo de conhecimentos científicos. Note-se a relevância destaárea perante a disponibilidade de satélites europeus (ERS-1 / ERS-2 / ENVISAT) destinados acobrir o globo através de tecnologia SAR e contendo uma grande quantidade de informação nãoprocessada acerca da península Ibérica e em particular de Portugal. Os algoritmos desenvolvidospara sistemas de abertura sintética e interferometria também têm aplicação em instrumentaçãogeotécnica (geo-eléctrica, sísmica, GPR, etc.) e tomografia. Até mesmo sistemas de interferometriaóptica (telescópios da nova geração) e sistemas de antenas adaptativas para telecomunicações, quese prevê que terão um papel de grande importância nos sistemas de telecomunicações e delocalização pessoal futuros, assentam em princípios que poderão ser facilmente abordados com osconhecimentos e experiência desenvolvidos em sistemas InSAS.

A conjunção de informação de navegação de precisão com sistemas SAS afigura-se comosendo inovadora, quer no país, quer internacionalmente.

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Descrição técnica do trabalhoO sonar é, como instrumento de detecção remota para fins de determinação da topografia do

leito de rios, lagos e outras áreas submersas e perante os características da água como meio detransmissão de ondas, uma escolha natural. A propagação ocorre a uma velocidade compatível coma utilização de frequências suportadas em hardware de custo moderado. As condições depropagação têm igualmente um grau de independência significativo (ou modelizável) relativamenteàs características da água.

Um dispositivo sonar, por si só, permite medir a distância a um alvo (ou conjunto de alvos)situados num lóbulo com vértice no transdutor, estando a capacidade de distinção de vários alvos àmesma distância relacionados com a abertura do lóbulo. Pequenas aberturas correspondem asensores físicos de grandes dimensões e, consequentemente, caros. Os sistemas de abertura sintéticapermitem, a partir de sensores de maior abertura e por combinação criteriosa de sinais emitidos erecebidos em condições distintas relativamente aos alvos, obter elevadas resoluções, equivalendo-sea sistemas de abertura estreita. Tal permite gerar imagens do fundo a mapear. A utilização deformas de onda sofisticadas permite ainda a detecção e distinção de alvos situados a diferentesdistâncias do sensor. A energia emitida é distribuída no tempo (ao invés de ser concentrada numimpulso muito curto), o que contribui também para que possam utilizar dispositivos de menor custo.O processamento diferencial da fase da onda recebida por transdutores situados a cotas distintaspermite ainda determinar o ângulo de incidência de cada alvo, conseguindo-se assim gerar modelostridimensionais do fundo. Esta tecnologia é conhecida por InSAS (Interferometric SyntheticAperture Sonar).

Os algoritmos de processamento dependem do conhecimento da trajectória dos sensoresrelativamente à zona sob estudo. Para este efeito, é necessário que a plataforma tenha um sistema denavegação que forneça a posição e a atitude do veículo com elevada precisão. Desejando-se obterprecisões de ordem decimétrica na resolução dos alvos a medir, é necessário que o conhecimentoque se tem do movimento relativo da plataforma seja pelo menos deste nível de precisão. A precisãorequerida para a atitude corresponde à da gama de ângulos que se traduzem, para os alvos situados àdistância máxima sondável, em erros de posição inferiores à resolução desejada. Para alvos adistâncias na casa da dezena de metros, precisão decimétrica traduz-se em requisitos nadeterminação da atitude na ordem das décimas de grau. A utilização de interferometria acrescentanova restrição à precisão requerida para a atitude: à distância entre antenas, o máximo errodecorrente da incerteza na determinação de atitude é apenas uma fracção do comprimento de ondada portadora de áudio (cerca de um centímetro).

Perante estes requisitos, acrescidos ainda pela necessidade de elevada resolução temporaldas soluções de navegação, esta proposta de trabalho contempla a utilização de receptores GPS eum sistema inercial. Os primeiros, a operar em modo diferencial com processamento de fase das

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portadoras, permitem determinar a posição da plataforma com rigor centrimétrico. O sensor inercial,operando em integração estreita com os dados GPS, é responsável pela determinação da atitude comrigor inferior à décima do grau. Esta abordagem constitui um elemento inovador no domínio dautilização de InSAS.

O mapeamento de fundos submersos pode igualmente ser feito por sonares de aberturaestreita, recorrendo a métodos de varrimento e/ou de multifeixe. Comparativamente, estes são maiscaros, visto que exigem transdutores maiores (para proporcionar aberturas menores), sistemasmecânicos de varrimento ou a utilização de múltiplos elementos sensores para se obter a resoluçãorequerida. Em contrapartida, o processamento da informação recolhida é mais fácil, na medida emque cada sinal recebido está directamente relacionado com uma direcção. A tecnologia actualpermite, contudo, que a complexidade de processamento associada aos métodos de aberturasintética sejam compatíveis com sistemas computacionais de custos moderados. Visto que oselementos sensores são mais simples, no cômputo geral existem vantagens claras em termos decusto associado à abordagem proposta.

Figura 1: Desenho ilustrativo da plataforma flutuante. Figura 2: Exemplo de uma imagem obtida por SAS.

A plataforma que se propõe construir é uma estrutura flutuante, feita de material a escolherque suporte os esforços moderados a que o sistema estará sujeito, que interliga rigidamente doissubsistemas: uma matriz de transdutores acústicos situados na quilha da plataforma e o sistema denavegação e computacional, a ser instalado na parte emersa. Tal como a figura 1 ilustra, ostransdutores são instalados por forma ao seu eixo de maior sensibilidade estar orientado numa

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direcção perpendicular à linha de trajectória, fazendo um ângulo com a vertical que se situará entre20º e 80º (o estudo do valor ideal fará parte do trabalho). Relativamente à posição instantânea daplataforma, a zona do fundo irradiada pelos sensores situa-se para um dos lados da mesma, de modoa que alvos distintos situados no mesmo plano perpendicular à trajectória estejam a diferentesdistâncias relativamente aos sensores. A execução de perfis paralelos permite mapear uma série defaixas que, justapostas, cobrem a área de estudo.

A matriz de transdutores conterá um elemento emissor (ou emissor/receptor), sendo osrestantes receptores. Estes serão situados em duas linhas situadas a profundidades distintas,condição necessária para se determinar a altura dos alvos por interferometria. Cada linha conterá umconjunto de sensores (cujo número será objecto de estudo). A multiplicidade de receptores destina--se a aumentar o produto velocidade de exploração × resolução.

O sistema computacional será composto por um processador e respectivos acessórios, sendocompacto por forma a que possa ser instalado conjuntamente com os dispositivos de navegaçãodentro de uma caixa estanque. Este sistema disporá das devidas capacidades de armazenamento dosdados, bem como interfaces com os sensores. A alimentação será providenciada pela embarcaçãoque rebocará a plataforma, através de um cabo. Os requisitos impostos a esta embarcação sãomínimos, prevendo-se a utilização de uma simples lancha. A opção pela construção de umaplataforma independente em detrimento da adaptação dos sensores a uma embarcação justificam-sepela vantagem do sistema não ficar refém da mesma.

O dimensionamento do sistema é uma dos tarefas do projecto. Os números que a seguir seapresentam resultam de uma análise de viabilidade técnica e servem apenas para fornecer umaperspectiva geral sobre o mesmo:

• Resolução desejada dos alvos a medir: decimétrica.

• Comprimento da onda acústica fundamental: centimétrico (gama dos 150 kHz).

• Distância aos alvos: entre 2 metros e poucas dezenas de metros.

• Cadência de envio de sinais: 10 Hz (adaptável).

• Velocidade de exploração: 1 m/s.

• Número de transdutores: 10.

• Dimensões (Comprimento × Largura × Profundidade): 2 × 1 × 1 metros.

• Peso: 30 kg.

• Largura das faixas mapeada em cada perfil: desde a ordem de grandeza da profundidademédia do local até 10 vezes superior.

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Embora o projecto e concepção do sistema sejam por si só desafios de monta, é noprocessamento dos sinais adquiridos que o trabalho se revela mais aliciante. Além doprocessamento directo dos sinais recebidos com vista à discriminação da contribuição de cada áreaelementar da zona a estudar (quer na direcção perpendicular ao perfil, quer na direcção paralela aomesmo) há todo um conjunto de ferramentas a desenvolver para melhorar os resultados obtidos. Acompensação de movimentos por integração de dados de navegação fornecidos por sensoresexternos de precisão é uma característica particular desta proposta, a ser desenvolvida neste âmbito.Prevê-se também o posterior refinamento das soluções de navegação por análise da imagem obtida(focagem). Será também relevante o processamento diferencial das fases dos ecos recebidos emdiversos sensores (interferometrica) com vista à determinação do ângulo de incidência dos ecos.Este processo abrange a resolução de ambiguidades no número de períodos inteiros de desfasamentoentre os sinais recebidos nos pares de sensores.

Do plano de trabalho constam as seguintes etapas constituintes:

• Realização de um curso de formação de curta duração sobre processamento dedados em sistemas abertura sintética (tipicamente estes cursos endereçam sistemasSAR e podem encontrar-se na Europa).

• Realização de experiências iniciais com sistemas áudio e recorrendo aequipamento de laboratório com vista a dimensionar alguns parâmetrosfundamentais do projecto.

• Projecto de plataforma flutuante e sua implementação.

• Desenvolvimento do sistema computacional de suporte, contemplando tanto ageração e aquisição de sinais como a aquisição de dados e o cálculo de soluçõesde navegação de precisão.

• Desenvolvimento de métodos e algoritmos de processamento de dados.

• Realização de missões de teste.

• Processamento de dados resultantes das missões.

• Extrapolação de conhecimentos para outras aplicações.

• Escrita da tese e outras publicações cientificas.

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