94024 - PRINCIPI DI LOCALIZZAZIONE E TELERILEVAMENTO AMBIENTALE LM

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso lo studente: - conosce le nozioni fondamentali di elettromagnetismo avanzato necessarie per comprendere l’interazione di onde elettromagnetiche con l’ambiente per applicazioni di telerilevamento - conosce i principi per l’estrazione d’informazioni su posizione e caratteristiche fisiche di oggetti tramite onde elettromagnetiche che si propagano nell’ambiente e interagiscono con essi. - conosce i principi, l'architettura e il funzionamento dei principali sistemi di localizzazione e telerilevamento ed ha esperienza pratica di un radiometro realizzato ad hoc e analizzato durante esercitazioni di laboratorio. - conosce esempi d’interazione delle onde elettromagnetiche con l’ambiente, inclusa la radiazione solare, e l’applicazione delle tecniche di telerilevamento al controllo dei cambiamenti climatici ed ambientali.

Contenuti

Il corso è fortemente consigliato agli studenti interessati alle tematiche del monitoraggio ambientale e dei cambiamenti climatici. In particolare essendo l'unico corso del 2° anno che tratta in modo esteso le tematiche connesse al clima, la sua frequenza è raccomandata per gli studenti del curriculum ICT FOR CLIMATE.

Il corso si articola su due tematiche principali: telerilevamento (remote sensing) e radiolocalizzazione (positioning), più alcune ore di richiami e fondamenti su argomenti di base, che saranno svolte contestualmente agli argomenti che richiedono tali conoscenze. Durante il corso saranno svolte esercitazioni pratiche sulla radiometria a microonde, e seminari di approfondimento sulle applicazioni della localizzazione e le radioassistenze in ambito aeroportuale.

PARTE 0: Richiami e Fondamenti (10h)
Richiami sulle grandezze caratteristiche delle antenne. Arrays lineari di antenne: stima della direzione di arrivo del segnale radio mediante arrays. Richiami su propagazione multicammino, dispersione angolare e temporale del canale radio, effetto Doppler. L'equazione del RADAR: Radar Cross Section monostatica e bistatica. 

PARTE 1: TELERILEVAMENTO (30 h)

Principi e metodi per il telerilevamento. Tecniche di acquisizione dell'informazione mediante l'onda elettromagnetica: telerilevamento passivo e attivo, acquisizione di informazione con cooperazione. Interazione della radiazione elettromagnetica con l'atmosfera e con le superfici naturali (vegetazione, acqua, suolo). La multispettralità e la firma spettrale: esempi. Telerilevamento satellitare: cenni storici, concetti di base sulla composizione di un sistema di telerilevamento per l'Osservazione della Terra.

Principali grandezze radiometriche: densità spettrale di potenza, irradianza, radianza, brillanza. Cenno alle corrispondenti grandezze fotometriche. Emissione elettromagnetica dei corpi: corpo nero, corpo grigio, emissività e temperatura di brillanza. Interazione tra onde elettromagnetiche, ostacoli e atmosfera. La radiazione solare: costante solare, diffusione e assorbimento nell'atmosfera, insolazione, indice di chiarezza, riflettività delle superfici (albedo), assorbimento e riemissione termica. Impatto del global warming e monitoraggio dei cambiamenti climatici: cenno agli effetti di "isola di calore" in ambiente urbano.

Fondamenti di telerilevamento passivo: il radiometro a microonde. Radiometri ottici e termocamere. Cenni su alcune tipologie di sensori elettromagnetici alle frequenze dell'infrarosso e del visibile: sensori a termopile e bolometrici; sensori imaging MOS ed ad accoppiamento di carica (CCD).

Fondamenti di telerilevamento attivo. Cenni sulle principali architetture radar: radar impulsato, ad onda continua (CW), ad onda continua modulato in frequenza (FMCW), radar pulse-Doppler, radar a compressione di impulso (chirp). Rilevamento delle superfici terrestri e marine: i radar scatterometri. Radar per applicazioni di imaging ad alta risoluzione su piattaforma aviotrasportata e satellitare: Side-Looking Radar, Radar ad Apertura Sintetica (SAR), interferometria differenziale. Rilevazione dello stato dei suoli (temperatura, umidità) e delle superfici marine (temperatura delle acque, stato di salute del fitoplancton), erosione delle zone costiere, supporto all'agricoltura e viticoltura di precisione.

Il radar meteorologico: suo utilizzo per il nowcasting, la rilevazione di idrometeore (pioggia, neve, grandine) e la prevenzione di catastrofi (alluvioni, uragani, esondazioni, frane).

Sistemi di telerilevamento attivi a frequenze ottiche: LIDAR e laser scanners, loro utilizzo per la rilevazione di inquinanti nell'atmosfera e misurazione dei gas serra.

Parte 2: LOCALIZZAZIONE (20h)
Principi di radiolocalizzazione: struttura generale e fattori di merito di un sistema di radiolocalizzazione, classificazione dei metodi di radiolocalizzazione (Angle of Arrival, Time of Arrival, Time Difference of Arrival, ecc.), impatto della propagazione reale sulla precisione della stima.

Principali Tecnologie per la radiolocalizzazione.
Introduzione al Global Navigation Satellite System (GNSS): GPS, GALILEO, GLONASS. Principi di funzionamento del GPS. Architettura dei sistemi GNSS e possibili applicazioni.
Tecniche di radiolocalizzazione basate su reti cellulari. La localizzazione nei sistemi radiomobili dal 2G al 4G. La localizzazione nel 5G (cenni). Metodi basati su radio maps e fingerprinting.
Localizzazione in ambiente indoor: utilizzo di WiFi, beacons, reti di sensori wireless. Localizzazione ad alta precisione tramite sistemi UWB (cenni).
Tecniche ibride: assisted-GPS, wifi+barometro, Pedestrian Dead Reckoning mediante sensori inerziali. Rilevazione di prossimità tramite Bluetooth low-energy (BLE): il caso dell'app Immuni.

Applicazioni alla radionavigazione aerea: Radar primario e secondario, VOR e DME, radioaiuti per l'atterraggio (ILS). Utilizzo del GNSS per per la navigazione aerea.

Testi/Bibliografia

Sono disponibili dispense redatte dai docenti e le presentazioni powerpoint utilizzate. Tutto il materiale sarà reso disponibile sulla piattaforma VIRTUALE.

Testi consigliati:

• Brivio P.A., Lechi G., Zilioli E.: Principi e metodi di telerilevamento. Citta' Studi Edizioni, 2006.
• W. G. Rees, "Physical Principles of Remote Sensing", 3rd Edition, Cambridge University Press, 2012.
• F. T. Ulaby, D. G. Long, "Microwave Radar and Radiometric Remote Sensing", Artech House, 2015.
• R. M. Rauber, S. W. Nesbitt, "Radar Meteorology - A first course" Wiley, 2018.
• P. Misra, P. Enge, “Global Positioning System: Signals, Measurements, and Performance (Revised Second Edition)”, Ganga-Jamuna Press, 2012.

Altri testi di consultazione e approfondimento per argomenti specifici:

• G. Falciasecca, "Dopo Marconi il diluvio. Evoluzione nell'infosfera", Ed. Pendragon, 2016.
• Merrill Skolnik, "Radar Handbook", Third Edition, McGraw-Hill, 2008.
• F. Berizzi, "I sistemi di telerilevamento Radar", Apogeo, 2010.
  
• C. Elachi, J. Van Zyl, "Introduction to the physics and techniques of Remote Sensing", 2nd Edition, Wiley, 2006.
  
• Kuo-Nan Liou, "An Introduction to Atmospheric Radiation", Academic Press, 1980.
• P. Dong, Q. Chen, "LiDAR Remote Sensing and Applications", CRC Press, 2018
• Claus Weitkamp, "LIDAR : range-resolved optical remote sensing of the atmosphere", Springer, 2005.
• Vosselman G., Maas H.: Airborne and Terrestrial Laser Scanning, Whittles ed., 2010.
• A.I. Kozlov, L.P. Ligthart, A.I. Logvin, "Mathematical and physical modelling of microwave scattering and polarimetric remote sensing", Kluwer Academic Publishers, 2004.
  
• B. Hofmann-Wellenhof, H. Lichtenegger E. Wasle, "GNSS – Global Navigation Satellite Systems. GPS, GLONASS, Galileo, and more", Springer, 2007.
• P. D. Groves, "Principles of GNSS, Inertial, and Multisensor Integrated Navigation Systems", Artech House, 2008.
• S. Frattasi, F. Della Rosa, "Mobile Positioning and Tracking - From Conventional to Cooperative Techniques" 2nd Edition, Wiley, 2017.
• D. Dardari, E. Falletti, M. Luise, "Satellite and Terrestrial Radio Positioning Techniques: A Signal Processing Perspective", Academic Press, 2012.

Metodi didattici

Il corso comporta lezioni frontali ed esercitazioni in aula e a casa.
Nel corso delle lezioni saranno presentati esempi di carattere applicativo, ed esercizi di tipo numerico di di tipologia simile a quelli richiesti in sede d'esame.

Periodicamente durante il corso alcune lezioni sono svolte in maniera interattiva, presentando domande a cui gli studenti devono dare risposta in relazione al programma visto fino a quel momento.

Durante il corso saranno svolte esercitazioni pratiche sulla radiometria a microonde, e seminari di approfondimento sulle applicazioni della localizzazione e le radioassistenze in ambito aeroportuale.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L'esame consiste in una prova orale suddivisa in 3 domande, alla prima delle quali il candidato deve rispondere per iscritto. Le domande vertono sull'intero programma del corso.

La prima domanda (scritta), è volta alla risoluzione di un problema di tipo progettuale/numerico e di norma dev'essere svolta in un tempo massimo di un'ora. E' ammesso l'ausilio di appunti, libri, dispense e strumenti di calcolo. La soluzione del problema da parte del candidato viene brevemente discussa nel colloquio orale con il docente che comunica allo studente la valutazione di massima, prima di procedere alla somministrazione delle successive 2 domande orali.

Il voto finale risulta dalla valutazione complessiva (media) delle risposte alle 3 domande. La lode è attribuita a discrezione del docente qualora il candidato risponda in modo corretto e senza errori o imprecisioni rilevanti a tutte e 3 le domande somministrate, ed inoltre nel colloquio dimostri una ottima capacità di analisi critica degli argomenti trattati e una eccellente capacità di espressione e argomentazione.

Per poter sostenere l'esame è obbligatoria l'iscrizione su ALMAEsami.

 

Criteri per la gradazione del voto finale:

Scarsa conoscenza degli argomenti del corso, inadeguata capacità di analisi critica e di analisi/soluzione di problemi progettuali/numerici; espressione scorretta o inappropriata daranno luogo a una valutazione negativa. In caso di voto insufficiente gli studenti dovranno ripetere la prova.

Preparazione su un numero molto limitato di argomenti affrontati nel corso, poca dimestichezza nella risoluzione di problemi progettuali/numerici, e capacità di analisi che emerge solo con l’aiuto del docente, espressione in linguaggio complessivamente corretto → 18-19;

Preparazione su un numero limitato di argomenti affrontati nel corso, limitata autonomia nella soluzione di problemi progettuali/numerici e capacità di analisi autonoma solo su questioni puramente esecutive, espressione in linguaggio corretto → 20-24;

Preparazione su un numero ampio di argomenti affrontati nel corso, buona autonomia nella soluzione di problemi progettuali/numerici e capacità di compiere scelte autonome di analisi critica, padronanza della terminologia specifica → 25-29;

Ottima capacità di analisi critica degli argomenti trattati e una eccellente capacità di espressione e argomentazione; ottima competenza e capacità di applicare le conoscenze a problemi progettuali/numerici in modo autonomo → 30-30L.

Strumenti a supporto della didattica

Diapositive con traccia delle lezioni, dispense, lavagna e proiettore/telecamera. Registrazione delle lezioni tramite piattaforma PANOPTO con possibilità di fruizione in modalità asincrona.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Enrico Maria Vitucci