Artigo - 2012 - Antena Log-Periódica Aplicada a Sensoriamento Remoto Em Radares Aerotransportados

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Antena Log-Periódica Aplicada a Sensoriamento

Remoto em Radares Aerotransportados

Arismar Cerqueira S. Jr., I. F. da CostaInstituto Nacional de Telecomunicações - (Inatel)

Santa Rita do Sapucaí – Minas GeraisEmail: arismar@inatel.br

H. E. Hernández - FigueroaUnicamp – Departamento de Micro-ondas e Óptica

Campinas – São Paulo

J. R. Moreira Neto, E. ReisOrbiSat da Amazônia Ind. e Aerolevantamento S.A.

Campinas – São Paulo

 Resumo — Este artigo relata o projeto de uma antena log-

periódica para aplicações de sensoriamento remoto em radares

de abertura sintética (SAR) aerotransportados. O projeto e a

análise de desempenho da antena foram realizados utilizando osoftware HFSS em função dos pré-requisitos eletromagnéticos

e das restrições aerodinâmicas deste tipo de radar. Vale

ressaltar que o modelo numérico contempla a fuselagem e a

asa de um avião comercial. Resultados numéricos demonstram

a aplicabilidade da antena proposta para radares SAR

operantes na banda P na faixa de 350 a 450 MHz com

polarização dupla e alto alcance, assegurado pelo ganho de7,74 dBi.

 Palavras chave; Antena, Log-periódica, sensoriamento

remoto e radar aerotransportado.

I.  I NTRODUÇÃO 

Sensoriamento Remoto é a ciência relacionada àutilização conjunta de sensores em satélites ou aeronaves

 para aquisição e processamento de dados com o objetivo deestudar o ambiente terrestre por meio do registro e da análisedas interações entre a radiação eletromagnética e assubstâncias componentes do planeta Terra. Esta tecnologiatem sido utilizada em diversas áreas, desde análisestopográficas até o controle do desmatamento e aplicações emsegurança nacional.

O sensor ativo de micro-ondas mais comum é o RADAR,acrônimo para  Radio Detection And Ranging . Este sensortransmite um sinal de micro-ondas, na forma de pulsos

eletromagnéticos regulares, em direção ao alvo e detecta asua porção retro espalhada. A intensidade deste sinal retroespalhado é medida para discriminar diferentes alvos, e oatraso temporal (ou defasagem) entre os sinais transmitido erefletido determina a distância do alvo. O sistema de radarconsiste basicamente de um transmissor, um receptor, umaantena e um sistema eletrônico para processar e gravar osdados. Radares podem ser embarcados em plataformasorbitais (satélites ou ônibus espaciais) ou aerotransportadas(aeronaves) [1]. A onda eletromagnética iluminaobliquamente uma faixa da superfície, na direção

 perpendicular à de movimento da plataforma. Estes sistemassão chamados Radar de Visada Lateral (Side-Looking

 Airborne Radar  – SLAR).

Radares aerotransportados podem ter antenas de até 2 m,enquanto satélites podem suportar antenas de 10 a 15 m decomprimento. Para superar esta limitação de tamanho, omovimento da plataforma e os processos especiais degravação e o processamento dos ecos do sinal retroespalhado podem ser usados para simular antenas muitomaiores. Além disso, radares SAR (Synthetic Aperture

 Radar ) que utilizam antena com polarização dupla podemgerar até 3 imagens alternando a recepção e a transmissão dosinal entre as polarizações vertical e horizontal. Com issocada resultado das alterações enfatiza uma característica dosolo e da vegetação, o que permite um estudo mais precisodo local.

Este artigo relata o projeto de uma antena log-periódica[2], banda larga com polarização dupla e alto ganho paraaplicações de sensoriamento remoto em radares SARaerotransportados. O artigo foi dividido em 4 seções. Aseção 2 descreve as características dos sistemas desensoriamento remoto e apresenta imagens explicativassobre a banda de operação e os resultados obtidos com asdiferentes polarizações. A seção 3 relata o desenvolvimentoda antena log-periódica para aplicações em radaresaerotransportados, levando em consideração os pré-requisitos eletromagnéticos e as restrições aerodinâmicas.Por fim, a última seção resume os resultados obtidos e expõe

 possíveis trabalhos futuros a serem realizados a partir da

contribuição da presente pesquisa.

II.  SENSORIAMENTO R EMOTO EM R ADARES

AEROTRANSPORTADOS 

A banda escolhida para a operação do radar foi à banda Pdevido às suas características de penetração na vegetação.

 Nesta faixa de frequência é possível analisar zonas devegetação densa, tendo em vista que as ondaseletromagnéticas penetram nas copas das árvores

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conseguindo atingir o solo, figura 1b. Existem radares SARque operam na banda X capazes de mapear apenas a copadas árvores, como ilustrado na figura 1a [3]. O nível de

 penetração na vegetação está diretamente relacionado aocomprimento de onda (!) do radar, o qual é de algunscentímetros e dezenas de centímetros nas bandas X e P,respectivamente.

a) Sinais refletidos pelo radar de banda X

 b) Sinais refletidos pelo radar da banda P

Fig.1: Radar de banda X e P

A funcionalidade do radar também depende da polarização da sua antena. Por meio do uso de combinaçõesde recepção e transmissão entre as antenas com polarizaçãovertical e horizontal é possível destacar diferentes

 parâmetros no solo o que amplia ainda mais o uso destatecnologia. A figura 2 apresenta imagens obtidas por radaresSAR operantes nas bandas X e P com polarização dupla. A

 partir destas imagens podem ser feitas análises de relevo evegetação com alta precisão.

a) Ortoimagem em banda P com curvas de nível.

 b) Ortoimagem em banda X , com classificação feita com imagens da banda P.

Fig. 2: Imagens obtidas utilizando radares SAR.

III.  DESENVOLVIMENTO DA ANTENA LOG-PERIÓDICA 

O projeto de uma antena log-periódica de dipolos podeser dividido em duas etapas. Inicialmente, defini-se onúmero de elementos e o espaçamento entre eles a partir dos

 pré-requisitos do padrão de radiação e da banda de operação.A segunda etapa consiste na definição do número deelementos em função dos pontos de ressonância na banda.Isso posto, calcula-se os comprimentos dos elementos (Ln) ea distância entre eles (dn) [4] [5]. A tab.I apresenta os valorescalculados para a antena proposta. Estes valores foramotimizados visando obter uma banda de 25 % em torno de400 MHz e diminuir o tamanho da antena para minimizar oarrasto aerodinâmico.

Tabela I: Parâmetros da antena proposta.

Parâmetro Dimensão (mm)

L (comprimento total da antena) 480

L1 (comprimento do maior elemento) 187

d1 (distância entre o primeiro elemento

e o segundo elemento)

60

d0 ( distância entre o fim da antena e o

maior elemento)

200

O próximo passo foi a elaboração do modelocomputacional no software HFSS para análise dodesempenho da antena em função da sua perda de retorno edo seu padrão de radiação, conforme reportado na figura 3.A antena apresenta uma banda de 57% para S11 < -10 dB,cobrindo a faixa de frequência de 320 a 550MHz. O seu

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 padrão de radiação é do tipo end-fire e com ganho máximoG = 6,2 dBi na direção do eixo Y.

a) Modelo computacional.

 b) Perda de retorno.

c) Padrão de radiação 3D

Fig. 3: Simulações da antena log-periódica com polarização horizontal.

Uma vez que a antena proposta está dentro das exigênciasde banda do projeto, iniciou-se a análise de desempenho das

considerando-a fixada na parte externa da fuselagem doavião, conforme mostrado na figura 4. A fuselagem e asa doavião são metálicas, por isso tem forte influência nascaracterísticas eletromagnéticas da antena. As suasdimensões foram extraídas de uma avião comercial do tipoturbo comander  e importadas no software HFSS utilizando omodelo em formato DXF. No caso da fuselagem, analisou-se

 parte da lateral do avião com dimensões 1,39 x 1,35 x 0,33metros, perfazendo um volume total de 0,62 m3. Já no casoda asa, considerou-se um pedaço com comprimento de 1,35m e largura de 0,4 m. Reduziu-se as suas dimensões até nomínimo o comprimento de onda do radar para reduzir otempo computacional sem afetar as característicaseletromagnéticas.

Fig. 4: Detalhes da simulação

O custo de sensoriamente remoto depende do tempo devôo e, conseqüentemente dos custo operacionais do mesmo,

como por exemplo, despesas com manutenção, combustíveise recursos humanos (pilotos e tripulação). O uso de duasantenas, uma em cada lado da aeronave, pode contribuirsubstancialmente para redução do custo operacional. Destamaneira, pode-se mapear simultaneamente os dois lados daaeronave, com isso reduzir o tempo de vôo à metade.Entretanto, deve-se assegurar que não exista sobreposiçãoentre as áreas mapeadas, fato que resultaria na criação de"fantasmas" no sensoriamento remonto. Tomando-se como

 base a direção nadir (eixo perpendicular à direção de vôo),criou-se o parâmetro rejeição para quantificar o nível deradiação eletromagnético no lado oposto ao que está sendomapeado. A rejeição é dada por:

R = G(!) - G(-!) (1)

sendo G(!) o ganho na direção !  e G(-!)o ganho na direção oposta em relação à nadir. A figura 4destaca uma possível região de interesse para osensoriamento remoto, que varia de 30 a 60 graus no planode elevação (30    ! < ! < 60    !). Adotou-se como pré-requisitode projeto um nível de rejeição de no mínimo 15 dB, ouseja, almeja-se que apenas cerca de 3% da energia radiadaatinja o lado oposto do avião.

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O método numérico utilizado para as simulações foi ométodo dos momentos, no qual o domínio computacional édividido em tetraedros e as equações de Maxwell sãoresolvidas numericamente em cada um destes tetraedros.Quando incorporamos parte do avião ao modelo numérico, odomínio computacional cresceu significativamente. A figura5 apresenta exemplos da malha (mesh) utilizada nassimulações com e sem a estrutura do avião. O número detetraedros aumentou de 8.600 para 33.440.

a) Somente a antena com polarização dupla.

 b) Antena fixada na parte externa do avião.

Fig. 5: Exemplo de malhas utilizadas nas simulações.

O passo seguinte foi a analise de interação entre asantenas com polarizações horizontal e vertical, utilizando omodelo numérico apresentado na figura 6a. As figuras 6b e6c apresentam os resultados simulados dos parâmetros S11 eS21, respectivamente. Nota-se que a banda de operação semanteve e que o acoplamento entre as antenas na faixa deinteresse (350 a 450 MHz) é muito baixo, variando entre -33e -28 dB. A mudança no formato da curva da perda deretorno foi causada pelo posicionamento físico da antena na

fuselagem.Os resultados principais do padrão de radiação para duasas polarizações foram resumidos na figura 7. A posição daantena na fuselagem foi otimizada para minimizar a rejeiçãoe viabilizar o sensoriamento remoto simultâneo nos lados daaeronave, assim como mostrado na figura 7a. A rejeiçãocalculada para faixa de interesse (30    ! < ! < 60    !) manteve-sesempre acima de 15 dB, chegando a 22 dB no melhor doscasos. Vale ressaltar que além do aumento da energia radiadana região de interesse, a antena fixada na fuselagemapresenta ganho G= 7,74 dBi, resultando em um aumento de

1,54 dB. A influência da fuselagem no padrão de radiação pode ser observada na figura 7b. Por fim, as figuras 7c e 7dapresentam os resultados da polarização vertical. Assimcomo no caso da polarização horizontal, a rejeição semanteve acima de 15 dB e o ganho maior ou igual a 7 dBi.

a) Modelo numérico.

 b) Perda de retorno (S11).

c) Acoplamento entre as polarizações (S21).

Fig. 6: Antena com polarização dupla fixada na fuselagem e resultadosnuméricos dos parâmetros S

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a) Padrão de radiação 3D da polarização horizontal.

 b) Padrão de radiação no plano de elevação:polarização horizontal comfuselagem (vermelho) e sem fuselagem (azul).

c) Padrão de radiação 3D da polarização vertical.

d) Padrão de radiação da polarização vertical nos planos de elevação (curvaazul) e de azimute (curva vermelha).

Fig. 7: Padrão de radiação em 400 MHz para as duas polarizações.

IV Conclusões

O trabalho baseou-se no desenvolvimento de uma antenalog-periódica para aplicações de sensoriamento remotoutilizando radares SAR. Resultados numéricosdemonstraram a aplicabilidade da antena proposta, a qualapresenta banda de 57% e ganho sempre superior a 7 dB emtoda a faixa de interesse para as polarizações horizontal evertical. Além disso, a antena proposta implica na reduçãodos custos operacionais do sistema, pois viabiliza o usosimultâneo de dois radares SAR, um de cada lado daaeronave. O projeto da antena e a sua posição na aeronave

foram otimizados para assegurar os pré-requisitoseletromagnéticos e aerodinâmicos de radares SAR.Vislumbra-se construir a antena proposta, fixa-la a umaaeronave comercial e testá-la em campo. Estes resultadosserão comparados com os obtidos no presente trabalho paravalidação do projeto.

Bibliografia

[1]  Canadá Centre for Remote Sensing (CCRS),“Fundamentals ofRemote Sensing”, http://ccrs.nrcan.gc.ca/resource/tutor/fundam/index_e.php, acessado em 10/08/2011.

[2] 

Thomas A. Milligan, Modern Antenna Design, 2rd ed., John Wiley&Sons, 2005. [3]  Orbisat, http://www.orbisat.com.br acessado em 20/09/2011 [4]  Balanis, C. A, Antenna Theory: Analysis and Design, 3rd ed., John

Wiley &Sons, 2005. [5]  Lobkova, L.M. Sevastopol, “Research of Radiation Characteristics of

Wire Log-Periodic Antennas”, Microwave & TelecommunicationTechnology, 2007. CriMiCo 2007. 17th International CrimeanConference.