• FARIMA
• FEXP
• CFAR
• metodo frattale

L’ Osservazione della Terra (EO) è riconosciuta come un settore chiave per lo sviluppo, l'implementazione e l'integrazione di scienza e tecnologia nella politica e da parte dell'industria decisionale e di stakeholders. In termini generali, l’EO si riferisce al rilevamento, alla misurazione, l'elaborazione, la modellazione e la diffusione dei dati ambientali, che possono migliorare notevolmente la nostra conoscenza della Terra e le sue dinamiche di sistema. Il telerilevamento basato sull’utilizzo di satelliti gioca un ruolo chiave in quanto in grado di fornire prestazioni molto utili sia in termini di spazio occupato dagli apparati che in termini di servizi, come l'elevata copertura spazio-temporale, l’alta risoluzione spaziale, l'acquisizione continua di dati, le informazioni aggiornate in tempo reale e la vista sinottica.
Un impiego fondamentale per i dati di telerilevamento satellitare è la EO per la sicurezza ambientale marittima. Questa è strettamente connessa alla sicurezza nella navigazione in caso di incidenti navali o incidenti aerei. Infatti questi potrebbero provocare la formazione di ammassi di detriti sulla superficie marina che può essere molto pericolosa per la navigazione. Inoltre la localizzazione di questi può essere utile anche per eventuali operazioni di salvataggio e di soccorso.
Il Radar ad Apertura Sintetica (SAR) è uno strumento fondamentale, che permette di superare i vincoli delle tecniche in situ, ad esempio, la copertura limitata, gli alti costi, in particolare nelle zone lontane dai porti principali, di assicurare una migliore copertura spazio-temporale in maniera non cooperativa e sinottica. Il SAR è un sensore attivo, coerente, a banda limitata, a microonde ad alta risoluzione che può fare misurazioni diurne e notturne quasi indipendentemente dalle condizioni atmosferiche. Tra i sistemi SAR attualmente disponibili, è molto interessante dal punto di vista operativo l'Italiano COSMO-SkyMed poiché è una costellazione di quattro satelliti, ed è caratterizzato da un brevissimo tempo di rivisita e una vasta area di copertura.
La rivelazione automatica di detriti e altri oggetti (ad esempio navi, piattaforme petrolifere, ecc.) sfruttando immagini SAR è un campo di ricerca molto attivo in questi ultimi anni, con l’obiettivo di raggiungere il massimo delle prestazioni. In questa tesi è proposto un metodo fisico per l’osservazione di detriti marini di vario genere in dati COSMO-SkyMed SAR a banda X a piena risoluzione single-look complex slant (SCS). Fisicamente, gli oggetti in mare sono responsabili di una forte e coerente retrodiffusione, che genera punti luminosi in immagini SAR. L'onda elettromagnetica diffusa da questi target è determinata da diversi meccanismi di scattering, che dipendono dal materiale di costruzione e dalle caratteristiche strumentali del radar, come l'angolo di incidenza, la frequenza, la polarizzazione e la risoluzione spaziale. L’osservazione di target in immagini SAR di mare non è un compito facile, in quanto vincoli fisici impediscono una facile interpretazione.
E’ stato implementato un algoritmo in ambiente MATLAB che utilizza due diversi metodi, basati su due diverse caratterizzazioni della superficie del mare. Il primo si basa su una caratterizzazione frattale spettrale della superficie del mare, in particolare mediante i modelli Fractionally Integrated Autoregressive Moving Average (FARIMA) and Fractionally EXPonential (FEXP) per la Densità Spettrale di Potenza (PSD) come funzione del numero d'onda. La tecnica proposta sarà capace di rilevare i detriti utilizzando algoritmi convenzionali e innovativi per riconoscere e discriminare questi da altri fenomeni (look-alike). Il secondo metodo invece si basa sull’utilizzo di un modello elettromagnetico, la funzione K-Generalizzata (GK), per descrivere il comportamento del clutter di mare. La rivelazione si basa su una soglia impostata in base alla distribuzione del clutter, in modo tale da ottenere la probabilità di Falso Allarme costante. Questo approccio viene generalmente indicato con CFAR (Constant False Alarm Rate). Questa tecnica ha riscontrato elevate performance in termini di falsi allarmi e mancate rivelazioni, peccando però per quanto riguarda invece il tempo di processing, non ottimale quanto gli algoritmi precedenti.
Per questo l’algoritmo implementato in questa tesi comprende entrambi i metodi. Applicando inizialmente il primo metodo, molto più veloce di quello basato sul CFAR, si riduce l’immagine SAR ad un’immagine molto più piccola contenente il detrito rivelato su cui verrà applicato il secondo metodo. In questa maniera verranno migliorate le prestazioni per quanto riguarda il tempo di processing.
Vista la mancanza di immagini SAR adatte, contenenti quindi detriti o altri oggetti sulla superficie del mare, è stato necessario simulare, utilizzando la teoria della RCS, target elementari di vario tipo (piano, triedro, ecc..) su immagini SAR di mare.
La tesi è organizzata come segue:
Nel Capitolo 1 sono descritte le principali caratteristiche dei sensori SAR e delle immagini COSMO-SkyMed utilizzate.
Nel Capitolo 2 viene descritto il metodo di simulazione dei detriti marini, con un introduzione generale sulla RCS degli scatteratori elementari.
Nel Capitolo 3, dopo una iniziale descrizione del metodo di filtraggio dello speckle (tecnica di despeckling), vengono presentati i due metodi per la rivelazione dei detriti marini, introducendo inizialmente i modelli FARIMA e FEXP, e successivamente descrivendo le modalità del CFAR.
Il Capitolo 4 illustra i risultati sperimentali dell’applicazione delle tecniche descritte alle immagini usate come test.
Per finire sono introdotte le conclusioni.