Métodos Reflectométricos. João Francisco Galera Monico Setembro 2016

Transcrição

1 Métodos Reflectométricos João Francisco Galera Monico Setembro 2016

2 Introdução Nos métodos de ocultação, pode ocorrer do raio penetrar tão profundamente na atmosfera que ele toca na superfície terrestre, com a possibilidade de ocorrência de uma reflexão do GPS. Sinais refletidos como esse são observáveis provenientes abaixo do plano horizontal, não apenas próximo do horizonte, mas também em outras direções. Obviamente isso requer uma antena com recepção para baixo, ao contrário de recepção apenas para cima, como no caso dos métodos integrativos, ou para o lado, como nos ocultativos. A plataforma de recepção pode estar a qualquer altitude.

3 Figura: Reflexões do sinal GPS no oceano coletadas a partir de um avião, o qual transporta duas antenas, uma apontada para cima e outra para baixo; o sinal origina no oceano na vizinhança do chamado ponto especular. Crédito: CARDELLACH et al., (2011).

4 Reflectometria (GPS-R) A exploração do sinal refletido de GPS para fins de sensoriamento remoto leva o nome de reflectometria (GPS-R) (GNSS-R). Uma forma de categorização de GPS-R é conforme a propriedade do alvo a ser medido. Reflectometria altimétrica mede a altura do alvo (como p.ex. nível dos mares ou altura da neve). Reflectometria por espalhamento mede a rugosidade da superfície (p.ex., desenvolvimento das ondas do mar entre calmo a revolto; ou p.ex. solo exposto versus coberto com vegetação). Um terceiro modo explora a composição material do alvo (p.ex., a umidade do solo ou a densidade da neve).

5 Um aspecto chave em todas as técnicas é a comparação do sinal refletido com o direto, para isolar o papel do alvo nas medições (Figura ao lado). Figura: Exemplo de resultado do rastreio do GPS; o pico à esquerda corresponde a recepção direta pela linha de visada; a curva à direita corresponde a reflexão. O eixo horizontal corresponde ao tempo de propagação do sinal refletido, com relação ao direto; esse atraso de propagação permite estimar a altura do avião até o mar. A rugosidade da água (indicativo das ondas) pode ser inferida pelo decaimento da cauda presente no sinal refletido.

6 Outra forma de categorizar GPS-R é com base no regime de espalhamento do sinal eletromagnético. Observações ditas coerentes mantém uma relação estável na fase da portadora, comparando o sinal recebido diretamente através da linha de visada ao satélite com aquele rebatido pelo alvo. Em contraste, observações incoerentes têm fase aleatória. Na realidade, esses dois regimes puros são extremos de um contínuo de situações em que ambos estão presentes, porém em proporções variáveis. De fato, a coerência da reflexão em p.ex. um lago degrada à medida que turbulência se desenvolve na lâmina d água; ou que o receptor acelera a varredura sobre superfície; ou que a direção de incidência oblíqua se aproxima da normal.

7 As teorias que preveem as observações em termos das propriedades do alvo são muito diferentes para os dois regimes, portanto a interpretação é facilitada quando um deles predomina. P.ex., uma antena montada em um tripé a poucos metros da neve observa predominantemente de forma coerente. Já para um avião voando sobre o mar, a mistura dos dois regimes pode ser purificada aumentando a contribuição incoerente e anulando a componente coerente, através de uma randomização das condições de reflexão; no caso do avião, isso pode ser alcançado calculando a média de observações coletadas em vários momentos.

8 Figura: Configuração reflectométrica para medição da altura da neve. Crédito: NIEVINSKI; LARSON ([s.d.])

9 Uma terceira forma de categorizar GPS-R é em termos dos equipamentos utilizados. Comumente empregam-se duas antenas, uma apontada para cima e outra para baixo ou para o horizonte, para rastrear separadamente os sinais direto e refletido. Essa configuração funciona bem quando há boa separação da direção de chegada dos sinais, como p.ex. para um satélite próximo ao zênite, cuja reflexão é proveniente de nadir na superfície.

10 É possível também utilizar uma única antena para receber ambos os sinais; internamente ao receptor, os dois podem ser rastreados individualmente, se houver uma boa separação em termos de tempo de propagação, como p.ex. para uma instalação no alto de uma torre. Alternativamente, os dois sinais podem ser rastreados como um só; nesse caso a potência P registrada é composta das duas potências contribuintes Pd direta e Pr refletida, acrescidas de um termo trigonométrico ditado pela diferença de fase entre as duas

11 À medida que sinais direto e refletido entram e saem de fase, a potência registra interferências construtivas e destrutivas (Figura). Esse fenômeno é idêntico às franjas coloridas observadas com p.ex. mancha de óleo sobre lâmina d água. Tal modalidade é chamada de reflectometria por multicaminho (GPS-MR), e tem a vantagem de não exigir equipamento especializado, além de poder compartilhar a antena instalada para outros propósitos, como p.ex. levantamentos, meteorologia, etc.

12 Figura : Potência registrada composta da interferência construtiva e destrutiva entre sinais coerentes (direto e refletido). O número de oscilações está associado com a altura da antena receptora. Observações medidas, modeladas, e residuais são apresentadas em azul, vermelho, e verde, respectivamente.

13 Equação de Observação

14 Resultados da altura da Neve

15 Aplicação - Resultados (A) (B) correlação: superior a 0,92 EMQ: 20 cm em relação a uma amplitude de 3 metros. Silva et al., Congresso Brasileiro de Cartografia

16 Comentários Finais GNSS sempre apresenta novas aplicações... GNSS-R tem muito ainda a ser explorado... Pesquisas