Spectral estimation model for linear displacement and vibration monitoring with GBSAR system

In recent years, there has been a growing interest in the development of ground-based Synthetic Aperture Radars (GBSAR) for the purpose of monitoring structural displacements. GBSAR offers high-resolution monitoring over a wide area and can capture data every few minutes. However, compact high-frequency multiple input multiple output (MIMO) radars have emerged as an alternative for monitoring sub-second displacements, such as structural vibrations. MIMO radar has sub-second acquisition interval. However, it has limited cross-range resolution compared to GBSAR, and interference between antennas and presence of multiple scatterers in the scene can cause strong sidelobes in the processed data. On the other hand, GBSAR utilizes a long synthetic aperture to achieve high cross-range resolution. However, due to its longer data acquisition time compared to MIMO radar, conventional methods are insufficient for detecting scatterers’ sub-second displacements that occur during the data acquisition process. This study proposes a method to effectively monitor sub-second or sub-minute displacements using GBSAR signals. The proposed method enhances the conventional radar interferometric processes by employing spectral estimation, allowing for multi-dimensional detection of targets’ azimuth angle, linear displacement, and vibrational characteristics. Consequently, this method improves both the processing of MIMO radar data and enables high-resolution fast displacement monitoring from GBSAR signals. The paper presents the theoretical details and mathematical formulations of the proposed method for both MIMO radar and GBSAR imaging modes. To evaluate the effectiveness of the proposed method, numerical simulations and real experiments are conducted. The experimental results validate the capability of the proposed method in both GBSAR and MIMO configuration modes for high-resolution monitoring of fast linear displacements and vibrations. The results exhibit promising signal-to-noise ratio (SNR) and peak-to-sidelobe ratio (PSLR) values

A Fast and Accurate Far-Field Pseudopolar Format Radar Imaging Algorithm

A novel imaging algorithm to be used under the condition of having an image scene in the far ¿eld of a linear radar aperture is presented. This is an application scenario that is drastically different from those of spaceborne and airborne synthetic aperture radar (SAR) systems, which has not been properly addressed to date. The technique is particularly tailored for a stepped-frequency continuous wave (CW) or frequency-modulated CW radar. The radar aperture must be linear and can be formed either with a physical or synthetic array. With the suggested method, the radar re¿ectivity of the image scene is obtained through an interpolation-free series expansion, where only 2-D fast Fourier transforms of the frequency-domain backscatter data are required. The resulting image is sampled on a "polarlike" or pseudopolar grid, which is introduced to simplify the formulation. The main advantages of this method are its extremely low computational cost and the high accuracy of the resulting imagery. The technique is extensively validated both with numerical simulations and two ground-based SAR data sets. Last but not least, numerical simulations show that this technique can be used with an ultrawideband radar of 1 GHz of bandwidth.JRC.G.6-Security technology assessmen

MONITORAGGIO DI DISSESTI FRANOSI CON METODOLOGIA INTEGRATA BASATA SULL'USO DI SISTEMA RADAR INTERFEROMETRICO TERRESTRE (GBSAR)

2013/2014L’analisi critica del monitoraggio di frane con l’utilizzo dell’interferometria radar da terra è stata lo scopo di questa tesi di dottorato di ricerca in geoscienze. Il progetto prende lo spunto dalla possibilità di poter coniugare le esigenze di una struttura preposta al monitoraggio di dissesti franosi, la disponibilità di tecnologie innovative non invasive e la loro fattibilità nel contesto regionale. L’idea di poter utilizzare ed analizzare criticamente i risultati di una serie di monitoraggi è stata quindi presa come linea guida per questo ciclo di dottorato di ricerca in geoscienze. Nell’ambito delle opere di prevenzione da calamità naturali, il Servizio geologico della Regione Autonoma Friuli Venezia Giulia, di cui l’autore è un componente, ha ritenuto di attivare il monitoraggio di tre frane ubicate nel territorio di competenza con l’utilizzo di misure di superficie eseguite con tecnologie basate sull’uso del sistema radar interferometrico con lo scopo di identificare delle zone caratterizzate da movimenti di versante, così da: • integrare le conoscenze pregresse sulla determinazione della forma ed estensione della massa in movimento nonché della distribuzione di pressioni e sforzi; • determinare gli spostamenti differenziali dell’area di frana; • stimare il campo di velocità e la sua interrelazione con fattori esterni quali piogge o temperatura; I siti individuati per questo piano di monitoraggio sono caratterizzati da diverse tipologie di dissesto e di condizioni al contorno. La loro designazione è stata fatta seguendo questo criterio guida. Considerando l’eterogeneità del territorio regionale sono stati scelti: • Ligosullo (UD): il sito in oggetto è rappresentato dal centro urbano di Ligosullo, caratterizzato da un fenomeno di instabilità generalizzato con tassi di deformazione dell’ordine di alcuni cm/anno; • Cimolais (PN): Il sito in oggetto è rappresentato una parete rocciosa, caratterizzata da fenomeni localizzati di crollo; • Erto e Casso, località La Pineda (PN): il sito in oggetto è rappresentato da una parte dell’accumulo di una paleo frana del monte Salta. Caratterizzato da una zona calanchiva in evoluzione, caratterizzata da frane superficiali diffuse. I motivi che hanno individuato il radar interferometrico terrestre come principale metodo di monitoraggio sono legati alle principali caratteristiche della tecnica, ovvero: • sistema remoto che consente di misurare spostamenti del fronte instabile senza la necessità teorica di installare riflettori artificiali e quindi di accedere direttamente alla zona instabile; • capacità di fornire mappe di spostamento dell’intero versante; • misure in near real time: è possibile elaborare i dati acquisiti in maniera automatica e fornire i risultati in tempo quasi reali (con pochi minuti di ritardo rispetto all’acquisizione); • misure in qualsiasi condizione meteorologica, sia di giorno che di notte grazie all’uso di un sistema radar; • misure ad elevata accuratezza (tra il decimo di millimetro ed il millimetro in funzione della distanza) nate dall’applicazione della ricerca spaziale, che consente di determinare l’entità dello spostamento di un oggetto confrontando le informazioni di fase delle onde elettromagnetiche riflesse dall’oggetto in diversi istanti di tempo.XXVI Ciclo197

Deformation measurement and monitoring with Ground-Based SAR

The Ground-Based Synthetic Aperture Radar (GB-SAR) is a relatively new technique, which in the last ten years has gained interest as deformation measurement and monitoring tool. The GB-SAR technique is based on an imaging radar-based sensor, which o ers high sensitivity to small displacements, in the region of sub-millimetres to millimetres, long-range measurements, which can work up to some kilometres, and massive deformation measurement capability. These features confer to the GB-SAR technique interesting advantages with respect to other point-wise deformation measurement techniques. The process of estimating deformation from the GB-SAR data is not straightforward: it requires complex data processing and analysis tools. This dissertation is focused on these tools, covering the whole deformation estimation process. This thesis collects the main research results achieved on this topic during my work at the Active Remote Sensing Unit of the Institute of Geomatics. Two di erent approaches for measuring deformation with GB-SAR data are described and discussed. The irst one is the interferometric approach, based on the exploitation of the phase component of the GB-SAR data, which is the commonly used GB-SAR method. The second one is a non-interferometric approach, which exploits the amplitude component of the GB-SAR data, o ering an interesting alternative way to exploit the GB-SAR data. This dissertation has two main objectives. The first one is presenting, step by step, a complete interferometric GB-SAR procedure for deformation measuring and monitoring. The second one is presenting two new algorithms, which represent the most innovative part of this thesis. The first algorithm faces the phase unwrapping problem, providing an automatic solution for detecting and correcting unwrapping errors, which is called 2+1D phase unwrapping. The second algorithm is the base of the above mentioned non- interferometric approach, which overcomes some of the most critical limitation of GB-SAR interferometry, at the expense of getting less precise deformation estimates. The dissertation is divided in 6 chapters. The first one is the introduction, while the second one provides an overview of GB-SAR interferometry, introducing the main aspects that are the basics of the subsequent chapters. Chapter 3 describes a complete GB-SAR processing chain. Chapters 4 and 5 contain the most original part of the dissertation, i.e. the 2D+1 phase unwrapping algorithm, and the non-interferometric approach. Finally, in Chapter 6 the conclusions are discussed and further research is proposed.El radar terrestre d’obertura sintètica (GB-SAR) és una tècnica relativament nova que, en els últims deu anys, ha guanyat interès com a eina per a mesurar i monitorar deformacions. La tècnica GB-SAR es basa en un sistema radar amb capacitat per proporcionar imatges, que ofereix una alta sensibilitat a petits desplaçaments, d’ordre mil·limètric o submil·limètric, que és capaç de mesurar a llargues distàncies (alguns km) i que té una alta capacitat per fer mesures massives. Aquestes característiques donen a la tècnica interessants avantatges respecte a altres tècniques clàssiques de mesura de deformacions, típicament basades en mesures puntuals. Derivar mesures de deformació a partir de dades GB-SAR no és un procés senzill, ja que requereix uns procediments complexos de processat i anàlisi de dades. Aquesta tesi es centra en aquests processos. Aquesta tesi recull alguns dels resultats més destacats de la investigació que he desenvolupat sobre aquest tema a la unitat de Teledetecció Activa de l'Institut de Geomàtica. Al llarg del document es descriuen dues aproximacions diferents per mesurar deformacions amb GB-SAR. Una es basa en la explotació de la tècnica de la interferometria, és a dir explotant la component de la fase de les imatges GB-SAR: és la tècnica GB-SAR usada habitualment. La segona, anomenada tècnica no-interferomètrica, es basa en la component de l’amplitud de les dades GB-SAR i ofereix una interessant alternativa a la primera. La tesi acompleix dos objectius principals. En primer lloc presenta un procediment complet per la mesura i monitoratge de deformacions mitjançant interferometria GB-SAR. En segon lloc, descriu dos nous algorismes que resolen problemes específics de la interferometria clàssica aplicada al GB-SAR i que representen la part més innovadora d’aquesta tesi. El primer algorisme aborda un dels problemes oberts de la interferometria, el phase unwrapping, proposant un mètode automàtic per detectar-ne i corregir-ne els errors. El segon algorisme proposa un nou mètode per a l'explotació de les dades GB-SAR per mesurar deformacions sense utilitzar la interferometria. La estructura de la tesi consisteix en sis capítols. Després de la introducció, el Capítol 2 proporciona una visió general de la interferometria GB-SAR, introduint els conceptes principals utilitzats en la tesi. En el tercer capítol es descriu una cadena de processament basada en GB-SAR interferomètric. Els capítols quart i cinquè contenen la part més original de la tesi: l'algorisme de phase unwrapping i el mètode no-interferomètric per la mesura de deformacions. Finalment, es discuteixen les conclusions principals i es proposen futures línies d’investigació