A Comparison of Fixed Threshold CFAR and CNN Ship Detection Methods for S-band NovaSAR Images

NovaSAR is a commercial S-band Synthetic Aperture Radar (SAR) small satellite, built and operated by SSTL in the UK. One of its primary mission objectives is to carry out maritime surveillance and monitoring for security and defence applications. An investigation was carried out into comparing and contrasting conventional and new methods to perform automated ship detection in NovaSAR images. The outcome of this investigation could show the potential effectiveness of ship detection using spaceborne S-band SAR for Maritime Domain Awareness (MDA). The conventional approach is to apply a suitable distribution model to characterise sea surface clutter, followed by the implementation of a fixed threshold, Constant False Alarm Rate (CFAR) detection algorithm. In comparison, a RetinaNet-based convolutional neural network (CNN)solution was developed and trained on an open-source C-band dataset in order to determine the validity of applying non-native training data to S-band imagery. The detection performance was then compared with the CFAR technique, finding that for two selected test acquisitions a CNN-based ship detection algorithm was able to outperform a fixed threshold, CFAR-based method in the absence of native training data. CNN ship detection performance was further improved by applying transfer learning to a native S-band NovaSAR image dataset

The InflateSAR Campaign: Testing SAR Vessel Detection Systems for Refugee Rubber Inflatables

Countless numbers of people lost their lives at Europe’s southern borders in recent years in the attempt to cross to Europe in small rubber inflatables. This work examines satellite-based approaches to build up future systems that can automatically detect those boats. We compare the performance of several automatic vessel detectors using real synthetic aperture radar (SAR) data from X-band and C-band sensors on TerraSAR-X and Sentinel-1. The data was collected in an experimental campaign where an empty boat lies on a lake’s surface to analyse the influence of main sensor parameters (incidence angle, polarization mode, spatial resolution) on the detectability of our inflatable. All detectors are implemented with a moving window and use local clutter statistics from the adjacent water surface. Among tested detectors are well-known intensity-based (CA-CFAR), sublook-based (sublook correlation) and polarimetric-based (PWF, PMF, PNF, entropy, symmetry and iDPolRAD) approaches. Additionally, we introduced a new version of the volume detecting iDPolRAD aimed at detecting surface anomalies and compare two approaches to combine the volume and the surface in one algorithm, producing two new highly performing detectors. The results are compared with receiver operating characteristic (ROC) curves, enabling us to compare detectors independently of threshold selection

Ground moving target indication with synthetic aperture radars for maritime surveillance

The explosive growth of shipping traffic all over the World, with around three quarters of the total trade goods and crude oil transported by sea, has raised newly emerging concerns (economical, ecological, social and geopolitical). Geo-information (location and speed) of ocean-going vessels is crucial in the maritime framework, playing a key role in the related environmental monitoring, fisheries management and maritime/coastal security. In this scenario space-based synthetic aperture radar (SAR) remote sensing is a potential tool for globally monitoring the oceans and seas, providing two-dimensional high-resolution imaging capabilities in all-day and all-weather conditions. The combination of ground moving target indication (GMTI) modes with multichannel spaceborne SAR systems represents a powerful apparatus for surveillance of maritime activities. The level of readiness of such a technology for road traffic monitoring is still low, and for the marine scenario is even less mature. Some of the current space-based SAR missions include an experimental GMTI mode with reduced detection capabilities, especially for small and slow moving targets. In this framework, this doctoral dissertation focuses on the study and analysis of the GMTI limitations of current state-of-the-art SAR missions when operating over maritime scenarios and the proposal of novel and optimal multichannel SAR-GMTI architectures, providing subclutter visibility of small (reduced reflectivity) slow moving vessels. This doctoral activity carries out a transversal analysis embracing system-architecture proposal and optimization, processing strategies assessment, performance evaluation, sea/ocean clutter characterization and adequate calibration methodologies suggestion. Firstly, the scarce availability of multichannel SAR-GMTI raw data and the related restrictions to access it have raised the need to implement flexible simulation tools for SAR-GMTI performance evaluation and mission. These simulation tools allow the comparative study and evaluation of the SAR-GMTI mode operated with current SAR missions, showing the reduced ability of these missions to detect small and slow boats in subclutter visibility. Improved performance is achieved with the new multichannel architecture based on non-uniformly distributed receivers (with external deployable antennas), setting the ground for future SAR-GMTI mission development. Some experimental multichannel SAR-GMTI data sets over the sea and acquired with two instruments, airborne F-SAR and spaceborne TerraSAR-X (TSX) platforms, have been processed to evaluate their detection capabilities as well as the adequate processing strategies (including channel balancing). This doctoral activity presents also a preliminary characterization of the sea clutter returns imaged by the spaceborne TSX instrument in a three-level basis, i.e., radiometric, statistical and polarimetric descriptions using experimental polarimetric data. This study has shown that the system-dependent limitations, such as thermal noise and temporal decorrelation, play a key role in the appropriate interpretation of the data and so should be properly included in the physical backscattering models of the sea. Current and most of the upcoming SAR missions are based on active phase array antennas (APAA) technology for the operation of multiple modes of acquisitions. The related calibration is a complex procedure due to the high number of different beams to be operated. Alternative internal calibration methodologies have been proposed and analyzed in the frame of this doctoral thesis. These approaches improved the radiometric calibration performance compared to the conventional ones. The presented formulation of the system errors as well as the proposed alternative strategies set the path to extrapolate the analysis for multichannel SAR systems.L'increment continu del tràfic marítim arreu del món, amb gairebé tres quartes parts del total de mercaderies i cru transportats per mar, porta associats uns impactes canviants a nivell econòmic, ambiental, social i geopolític. La geo-informació (localització i velocitat) dels vaixells té un paper fonamental en el monitoratge ambiental, la gestió de la pesca i la seguretat marítima/costanera. Els radars d'obertura sintètica (SAR, sigles en anglès) embarcats en satèl·lits són una eina molt potent per al monitoratge global dels oceans i dels mars, gràcies a la seva capacitat de generar imatges d'alta resolució amb independència de les condicions meteorològiques i de la llum solar. La detecció de blancs mòbils terrestres (GMTI, sigles en anglès) combinada amb sistemes multicanal SAR és fonamental per a la vigilància de les activitats marítimes. El nivell de maduresa d'aquesta tecnologia per monitorar tràfic rodat és baix, però per al cas marítim encara ho és més. Algunes missions SAR orbitals inclouen el mode GMTI, però amb unes capacitats de detecció reduïdes, especialment per a blancs petits i lents. En aquest marc, la tesi doctoral es centra en l'estudi i anàlisi de les limitacions GMTI dels actuals sistemes SAR operant en entorns marítims, proposant noves configuracions SAR-GMTI multicanal optimitzades per a la detecció de vaixells petits (emmascarats pels retrons radar del mar) i que es mouen lentament. La present dissertació doctoral du a terme un estudi transversal que abasta des de la proposta i optimització de sistemes/configuracions, passant per l'avaluació de les tècniques de processat, fins a l'estudi del rendiment de la missió, caracterització del mar i la valoració de noves metodologies de calibratge. En primer terme, diverses eines de simulació flexibles s'han implementat per poder avaluar les capacitats GMTI de diferents missions tenint en compte la poca disponibilitat de dades multicanal SAR-GMTI. Aquests simuladors permeten l'estudi comparatiu de les capacitats GMTI de les missions SAR orbitals actuals, demostrant les seves reduïdes opcions per identificar vaixells emmascarats pels retorns del mar. En el marc de l'activitat de recerca s'han processat dades experimentals SAR-GMTI multicanal de sistemes aeris (F-SAR) i orbitals (TerraSAR-X), per tal d'avaluar les seves capacitats de detecció de blancs mòbils sobre entorns marítims, proposant les estratègies de processat i calibratge més adients. Com a part de l'activitat de recerca doctoral, s'ha portat a terme una caracterització preliminar dels retorns radar del mar adquirits amb el sensor orbital TerraSAR-X, amb tres nivells d'anàlisi (radiomètric, estadístic i polarimètric). Aquest estudi demostra que aspectes com el soroll tèrmic i la decorrelació temporal, dependents del propi sensor i de l'entorn dinàmic del mar, poden limitar la correcta interpretació de les dades, i per tant, s'han d'incloure en els models físics dels mecanismes de dispersió del mar. Les missions SAR tant actuals com futures es basen en l'explotació de la tecnologia de les agrupacions d'antenes de fase activa (APAA) per operar diferents modes d'adquisició. El procés de calibratge associat és molt complex atès el gran nombre de feixos que es poden utilitzar. En el marc de la tesi doctoral s'han proposat i avaluat metodologies alternatives de calibratge intern per aquests sistemes, amb un millor rendiment en comparació amb les tècniques convencionals. Aquestes estratègies de calibratge, juntament amb la corresponent formulació dels errors de sistema, estableixen les bases per a l'estudi i avaluació en sistemes multicanal SA

Maritime Moving Target Detection, Tracking and Geocoding Using Range-Compressed Airborne Radar Data

Eine regelmäßige und großflächige überwachung des Schiffsverkehrs gewinnt zunehmend an Bedeutung, vor allem auch um maritime Gefahrenlagen und illegale Aktivitäten rechtzeitig zu erkennen. Heutzutage werden dafür überwiegend das automatische Identifikationssystem (AIS) und stationäre Radarstationen an den Küsten eingesetzt. Luft- und weltraumgestützte Radarsensoren, die unabhängig vom Wetter und Tageslicht Daten liefern, können die vorgenannten Systeme sehr gut ergänzen. So können sie beispielsweise Schiffe detektieren, die nicht mit AIS-Transpondern ausgestattet sind oder die sich außerhalb der Reichweite der stationären AIS- und Radarstationen befinden. Luftgestützte Radarsensoren ermöglichen eine quasi-kontinuierliche Beobachtung von räumlich begrenzten Gebieten. Im Gegensatz dazu bieten weltraumgestützte Radare eine große räumliche Abdeckung, haben aber den Nachteil einer geringeren temporalen Abdeckung. In dieser Dissertation wird ein umfassendes Konzept für die Verarbeitung von Radardaten für die Schiffsverkehr-überwachung mit luftgestützten Radarsensoren vorgestellt. Die Hauptkomponenten dieses Konzepts sind die Detektion, das Tracking, die Geokodierung, die Bildgebung und die Fusion mit AIS-Daten. Im Rahmen der Dissertation wurden neuartige Algorithmen für die ersten drei Komponenten entwickelt. Die Algorithmen sind so aufgebaut, dass sie sich prinzipiell für zukünftige Echtzeitanwendungen eignen, die eine Verarbeitung an Bord der Radarplattform erfordern. Darüber hinaus eignen sich die Algorithmen auch für beliebige, nicht-lineare Flugpfade der Radarplattform. Sie sind auch robust gegenüber Lagewinkeländerungen, die während der Datenerfassung aufgrund von Luftturbulenzen jederzeit auftreten können. Die für die Untersuchungen verwendeten Daten sind ausschließlich entfernungskomprimierte Radardaten. Da das Signal-Rausch-Verhältnis von Flugzeugradar-Daten im Allgemeinen sehr hoch ist, benötigen die neuentwickelten Algorithmen keine vollständig fokussierten Radarbilder. Dies reduziert die Gesamtverarbeitungszeit erheblich und ebnet den Weg für zukünftige Echtzeitanwendungen. Der entwickelte neuartige Schiffsdetektor arbeitet direkt im Entfernungs-Doppler-Bereich mit sehr kurzen kohärenten Verarbeitungsintervallen (CPIs) der entfernungskomprimierten Radardaten. Aufgrund der sehr kurzen CPIs werden die detektierten Ziele im Dopplerbereich fokussiert abgebildet. Wenn sich die Schiffe zusätzlich mit einer bestimmten Radialgeschwindigkeit bewegen, werden ihre Signale aus dem Clutter-Bereich hinausgeschoben. Dies erhöht das Verhältnis von Signal- zu Clutter-Energie und verbessert somit die Detektierbarkeit. Die Genauigkeit der Detektion hängt stark von der Qualität der von der Meeresoberfläche rückgestreuten Radardaten ab, die für die Schätzung der Clutter-Statistik verwendet werden. Diese wird benötigt, um einen Detektions-Schwellenwert für eine konstante Fehlalarmrate (CFAR) abzuleiten und die Anzahl der Fehlalarme niedrig zu halten. Daher umfasst der vorgeschlagene Detektor auch eine neuartige Methode zur automatischen Extraktion von Trainingsdaten für die Statistikschätzung sowie geeignete Ozean-Clutter-Modelle. Da es sich bei Schiffen um ausgedehnte Ziele handelt, die in hochauflösenden Radardaten mehr als eine Auflösungszelle belegen, werden nach der Detektion mehrere von einem Ziel stammende Pixel zu einem physischen Objekten zusammengefasst, das dann in aufeinanderfolgenden CPIs mit Hilfe eines Bewegungsmodells und eines neuen Mehrzielverfolgungs-Algorithmus (Multi-Target Tracking) getrackt wird. Während des Trackings werden falsche Zielspuren und Geisterzielspuren automatisch erkannt und durch ein leistungsfähiges datenbankbasiertes Track-Management-System terminiert. Die Zielspuren im Entfernungs-Doppler-Bereich werden geokodiert bzw. auf den Boden projiziert, nachdem die Einfallswinkel (DOA) aller Track-Punkte geschätzt wurden. Es werden verschiedene Methoden zur Schätzung der DOA-Winkel für ausgedehnte Ziele vorgeschlagen und anhand von echten Radardaten, die Signale von echten Schiffen beinhalten, bewertet

Efficient SAR MTI simulator of marine scenes

Tècniques de detecció de moviment amb radars d'apertura sintètica multicanals sobre escenaris marítims.[ANGLÈS] Multichannel spaceborne and airborne synthetic aperture radars (SAR) offer the opportunity to monitor maritime traffic through specially designed instruments and applying a suitable signal processing in order to reject sea surface clutter. These processing techniques are known as Moving Target Indication techniques (MTI) and the choice of the most adequate method depends on the radar system and operating environment. In maritime scenes the seas presents a complicated clutter whose temporal/spatial coherence models and background reflectivity depends on a large number of factors and are still subject of research. Moreover the targets kinematics are influenced by the sea conditions, producing in some situations high alterations in the imaged target. These aspects make difficult the detectability analysis of vessels in maritime scenarios, requiring both theoretical models and numerical simulations. This thesis looks into the few available MTI techniques and deals experimentally with them in a developed simulator for maritime SAR images. The results are also presented in a image format, giving the sequence for one trial simulation and the asymptotic probability of detection for the simulated conditions.[CASTELLÀ] Los radares de apertura sintética (SAR) multicanal a bordo de satélites o plataformas aerotransportadas ofrecen la oportunidad de monitorizar el tráfico marítimo a través de instrumentos especialmente diseñados y procesando los datos recibidos de forma adecuada para rechazar la señal provocada por la reflexión del mar. A estas técnicas se las conoce como Moving Target Indication techniques (MTI) y la elección de la más adecuada depende del sistema y del entorno de aplicación. En escenarios marinos, el mar presenta un clutter complicado de modelar, cuya coherencia espacio-temporal y reflectividad radar dependen de un gran número de factores que hoy en día todavía siguen siendo investigados. Por otra parte los parámetros dinámicos del target estan influenciados por las condiciones del mar, produciendo en algunas situaciones graves alteraciones en la formación de la imagen. Estos aspectos dificultan el análisis de la detección de las embarcaciones, requiriendo modelos teóricos y simulaciones numéricas. Este Proyecto Final de Carrera investiga las técnicas MTI disponibles, aplicándolas sobre las imágenes marítimas generadas por un simulador SAR. Los resultados son la generación de los productos MTI en formato imagen y el cálculo de la probabilidad de detección para cada target.[CATALÀ] Els radars d'obertura sintètica (SAR) multicanal embarcats en satèl·lits o plataformes aerotransportades ofereixen l'oportunitat de monitoritzar el tràfic marítim a través d'instruments especialment dissenyats i processant les dades rebudes de forma adequada per rebutjar la senyal provocada per la reflexió del mar. A aquestes tècniques se les coneix com Moving Target indication techniques (MTI) i l'elecció de la més adequada depèn del sistema i de l'entorn d'aplicació. En escenaris marins, el mar presenta un clutter complicat de modelar, la coherència espai-temporal i reflectivitat radar depenen d'un gran nombre de factors que avui dia encara segueixen sent investigats. D'altra banda els paràmetres dinàmics del target estan influenciats per les condicions de la mar, produint en algunes situacions greus alteracions en la formació de la imatge. Aquests aspectes dificulten l'anàlisi de la detecció de les embarcacions, requerint models teòrics i simulacions numèriques. Aquest Projecte Final de Carrera investiga les tècniques MTI disponibles, aplicant-les sobre les imatges marítimes generades per un simulador SAR. Els resultats són la generació dels productes MTI en format imatge i el càlcul de la probabilitat asimptòtica de detecció per a cada target

Modeling the amplitude distribution of radar sea clutter

Ship detection in the maritime domain is best performed with radar due to its ability to surveil wide areas and operate in almost any weather condition or time of day. Many common detection schemes require an accurate model of the amplitude distribution of radar echoes backscattered by the ocean surface. This paper presents a review of select amplitude distributions from the literature and their ability to represent data from several different radar systems operating from 1 GHz to 10 GHz. These include the K distribution, arguably the most popular model from the literature as well as the Pareto, K+Rayleigh, and the trimodal discrete (3MD) distributions. The models are evaluated with radar data collected from a ground-based bistatic radar system and two experimental airborne radars. These data sets cover a wide range of frequencies (L-, S-, and X-band), and different collection geometries and sea conditions. To guide the selection of the most appropriate model, two goodness of fit metrics are used, the Bhattacharyya distance which measures the overall distribution error and the threshold error which quantifies mismatch in the distribution tail. Together, they allow a quantitative evaluation of each distribution to accurately model radar sea clutter for the purpose of radar ship detection

Remote Sensing

This dual conception of remote sensing brought us to the idea of preparing two different books; in addition to the first book which displays recent advances in remote sensing applications, this book is devoted to new techniques for data processing, sensors and platforms. We do not intend this book to cover all aspects of remote sensing techniques and platforms, since it would be an impossible task for a single volume. Instead, we have collected a number of high-quality, original and representative contributions in those areas

Echocardiography

The book "Echocardiography - New Techniques" brings worldwide contributions from highly acclaimed clinical and imaging science investigators, and representatives from academic medical centers. Each chapter is designed and written to be accessible to those with a basic knowledge of echocardiography. Additionally, the chapters are meant to be stimulating and educational to the experts and investigators in the field of echocardiography. This book is aimed primarily at cardiology fellows on their basic echocardiography rotation, fellows in general internal medicine, radiology and emergency medicine, and experts in the arena of echocardiography. Over the last few decades, the rate of technological advancements has developed dramatically, resulting in new techniques and improved echocardiographic imaging. The authors of this book focused on presenting the most advanced techniques useful in today's research and in daily clinical practice. These advanced techniques are utilized in the detection of different cardiac pathologies in patients, in contributing to their clinical decision, as well as follow-up and outcome predictions. In addition to the advanced techniques covered, this book expounds upon several special pathologies with respect to the functions of echocardiography