Saturday, June 04, 2005

Mi trabajo en la ESA: Lección 2....

Bueno, doy por sabido el concepto de radiometría explicado en la lección anterior, y ahora trataré de hacer una pequeña explicación de lo que es la Interferometría (recordad que MIRAS viene de Microwave Interferometric Radiometer).
Esta es probablemente la lección más compleja de todas las que voy a hacer, pero no solo para aquellos que la leen, sino también para mi que la voy a explicar sin una sola ecuación.

La Interferometría
Para poder hacer un mapa desde el espacio, necesitamos que nuestro radiómetro nos diga la cantidad de energia que le llega desde cada una de las direcciones, y así, al ver el punto de la tierra que ve en esa dirección puede hacer un mapa.

Para hacer esto, clasicamente un teleco diria: "No hay problema, usaremos una antena directiva". Para los que no lo sepan esto quiere decir que la antena solo recibe energia de una dirección, por ejemplo las parabolicas solo reciben energia de la dirección a la que apuntan.

El problema es que para conseguir la resolución de 50 Km que necesitamos, observando desde el espacio a 700 Km, necesitaríamos una parabólica de al menos 10m de diametro. No hace falta ser un experto para darse cuenta de que lanzar un satelite con semejante antena es sencillamente imposible en la actualidad.

Para solucionar este problema ya hace tiempo que en el espacio se utilizan lo quese conoce como tecnicas de Apertura sintética. Lo que hacen es que en vez de una antena grande ponen muchas antenas pequeñas, y procesando ingeniosamente las señales que reciben cada una de las antenas, es posible averiguar con gran resolución la energía que le llega al satélite desde cada una de las direcciones. Aunque en los proximos parrafos lo explicaré con más detalle, para aquellos que no sean ingenieros (de ningun tipo), simplemente deben saber que el MIRAS tiene muchas antenas distribuidas por los 3 brazos, y que se procesa la energia que recibe cada una de ellas para saber cuanta energia llega desde cada dirección.

En la siguiente imagen queda reflejado este concepto. A la izquierda vemos lo que observaría un radiometro con una antena directiva en cada instante. Vemos que solo ve la dirección en la que apunta la antena. A la derecha vemos un radiometro interferometrico (aunque para esta explicación podría ser un radar de apertura sintética igual). Vemos que al ser las antenas pequeñas, ve la energía proviniente de muchas direcciones, pero gracias al procesado posterior es capaz de diferenciar que energía le llega desde cada dirección.

Real aperture vs Interferometric

Comentario un poco más avanzado para ingenieros en general:
Las técnicas de apertura sintetica son muy complejas, y yo no soy ningun experto, pero por decirlo de algun modo sencillo se basan en el hecho de que la señal llega con distinto retardo a cada una de las antenas, a partir de esas diferencias entre las señales se puede saber la dirección de la que proviene. Esto es una enorme simplificación, pues también hay que tener en cuenta el movimiento del satelite, pero para aquellos ingenieros que no sean especialistas en tratamiento de señal, con esta explicación debería bastar.


Comentario para telecos o gente con conocimientos de tratamiento de señal:
Dicho todo lo anterior sobre apertura sintética, darós cuenta de una cosa, todos los sistemas de este tipo son RADARs, es decir, el satelite emite un pulso y lo recibe, y se basan en la coherencia de fase, es decir que se basan en que ellos saben con que frecuencia y fase han emitido el pulso para saber cuanta distancia ha recorrido y medir desfases entre antenas.
Sin embargo, en radiometría no emitimos nada, sino que los cuerpos emiten energía en forma de ondas electromagneticas que son aleatorias, y que por tanto no guardan ninguna coherencia de fase entre los diferentes puntos de los cuerpos observados, y ademas ignoramos la fase inicial. Como poder entonces saber de donde provienen las señales? Bien, lo que hacemos es calcular la correlación entre las señales recibidas por cada par de antenas, más concretamente calculamos al correlación compleja de las señales analíticas, es decir trasladadas a banda base multiplicandolas por una exponencial compleje.Digamos que la correlación es lo que nos proporciona la coherencia de fase para poder calcular la dirección. El razonamiento completo son más de 16 páginas de ecuaciones, pero para hacer un concepto intuitivo de como calculamos la temperatura de brillo a partir de la correlación pensad lo siguiente: Un punto del objeto observado emite una onda, llega a 2 antenas y las correlamos, como las señales tienen diferente retardo esto es equivalente a la autocorrelación en un determinado punto. Como sabeis de las asignaturas de tratamiento de señal (en el caso de Valencia Introducción a las Señales Aleatorias en segundo) la transformada de Fourier de la autocorrelación de una señal es igual a su densidad espectral de potencia, la cual en este caso es kTb (es decir la constante de Boltzmann multiplicada por la temperatura de brillo que queremos calcular.
Ýa se que toda la explicación es rápida y superficial, pero es lo más que puedo daros sin ecuaciones: la realción entre la correlación y la temperatura de brillo a través de la TF y el como es la correlación la que nos da coherencia de fase para calcular la dirección de la que proviene la señal.


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Bien, se que esta lección puede haber asustado a algunos, o parecido un tostón, pero es la última de este tipo, apartir de ahora hablaré un poco más de lo que fue mi trabajo en sí, pues si teneis medio claro la radiometria y la interferometria ya sabeis lo bastante de como va el MIRAS.

1 comments:

federico said...

estimado amigo, realmente admiro tu enoorme capacidad, y aprovechando tu talento, únicamente te haré una pregunta- espero no te suene muy torpe o imbécil de mi parte - al parecer la cosmonave carguera Progress se maneja con un radiometro similar a lo que describes y por un error de la máquina (device o aparatejo)que se equivocó al obtener la diferencial entre las señales recibidas por sus 2 antenas fué que esta colisionó y dañó un módulo de la extinta MIR... es esto cierto? el sistema de aproximación que tiene ( o tenía) instalado Progress era el TORU