GeoSAR Feasibility Study: Summary of the Group Design Project. MSc in Astronautics and Space Engineering 2012/13

Students of the MSc course in Astronautics and Space Engineering 2012–13 at Cranfield University performed a feasibility study of a geosynchronous radar mission for their group project. This report summarises the students’ work and their findings. The report consists of an overview and discussion of the technical work of the project and a compilation of the executive summaries which describe the specific contributions of each student. The mission studied is a Ku-band monostatic SAR in a small inclination (80 km relative orbit diameter) geosynchronous orbit. The total launch mass is 2 tonnes, and images with resolution 40 m to monitor land subsidence in urban areas are produced. The mission appears to be feasible within the scope of an ESA Earth Explorer proposal

Research progress on geosynchronous synthetic aperture radar

Based on its ability to obtain two-dimensional (2D) high-resolution images in all-time and all-weather conditions, spaceborne synthetic aperture radar (SAR) has become an important remote sensing technique and the study of such systems has entered a period of vigorous development. Advanced imaging modes such as radar interferometry, tomography, and multi-static imaging, have been demonstrated. However, current in-orbit spaceborne SARs, which all operate in low Earth orbits, have relatively long revisit times ranging from several days to dozens of days, restricting their temporal sampling rate. Geosynchronous SAR (GEO SAR) is an active research area because it provides significant new capability, especially its much-improved temporal sampling. This paper reviews the research progress of GEO SAR technologies in detail. Two typical orbit schemes are presented, followed by the corresponding key issues, including system design, echo focusing, main disturbance factors, repeat-track interferometry, etc, inherent to these schemes. Both analysis and solution research of the above key issues are described. GEO SAR concepts involving multiple platforms are described, including the GEO SAR constellation, GEO-LEO/airborne/unmanned aerial vehicle bistatic SAR, and formation flying GEO SAR (FF-GEO SAR). Due to the high potential of FF-GEO SAR for three-dimensional (3D) deformation retrieval and coherence-based SAR tomography (TomoSAR), we have recently carried out some research related to FF-GEO SAR. This research, which is also discussed in this paper, includes developing a formation design method and an improved TomoSAR processing algorithm. It is found that GEO SAR will continue to be an active topic in the aspect of data processing and multi-platform concept in the near future

1-D broadside-radiating leaky-wave antenna based on a numerically synthesized impedance surface

A newly-developed deterministic numerical technique for the automated design of metasurface antennas is applied here for the first time to the design of a 1-D printed Leaky-Wave Antenna (LWA) for broadside radiation. The surface impedance synthesis process does not require any a priori knowledge on the impedance pattern, and starts from a mask constraint on the desired far-field and practical bounds on the unit cell impedance values. The designed reactance surface for broadside radiation exhibits a non conventional patterning; this highlights the merit of using an automated design process for a design well known to be challenging for analytical methods. The antenna is physically implemented with an array of metal strips with varying gap widths and simulation results show very good agreement with the predicted performance

Beam scanning by liquid-crystal biasing in a modified SIW structure

A fixed-frequency beam-scanning 1D antenna based on Liquid Crystals (LCs) is designed for application in 2D scanning with lateral alignment. The 2D array environment imposes full decoupling of adjacent 1D antennas, which often conflicts with the LC requirement of DC biasing: the proposed design accommodates both. The LC medium is placed inside a Substrate Integrated Waveguide (SIW) modified to work as a Groove Gap Waveguide, with radiating slots etched on the upper broad wall, that radiates as a Leaky-Wave Antenna (LWA). This allows effective application of the DC bias voltage needed for tuning the LCs. At the same time, the RF field remains laterally confined, enabling the possibility to lay several antennas in parallel and achieve 2D beam scanning. The design is validated by simulation employing the actual properties of a commercial LC medium

Advanced pixel selection and optimization algorithms for Persistent Scatterer Interferometry (PSI)

Tesi amb diferents seccions retallades per dret de l'editorPremi Extraordinari de Doctorat, promoció 2018-2019. Àmbit de les TICGround deformation measurements can provide valuable information for minimization of associated loss and damage caused by natural and environmental hazards. As a kind of remote sensing technique, Persistent Scatterer Interferometry (PSI) SAR is able to measure ground deformation with high spatial resolution, efficiently. Moreover, the ground deformation monitoring accuracy of PSI techniques can reach up to millimeter level. However, low coherence could hinderthe exploitation of SAR data, and high-accuracy deformation monitoring can only be achieved by PSI for high quality pixels. Therefore, pixel optimization and identification of coherent pixels are crucial for PSI techniques. In this thesis, advanced pixel selection and optimization algorithms have been investigated. Firstly, a full-resolution pixel selection method based on the Temporal Phase Coherence (TPC) has been proposed. This method first estimates noise phase term of each pixel at interferogram level. Then, for each pixel, its noise phase terms of all interferograms are used to assess this pixel’s temporal phase quality (i.e., TPC). In the next, based on the relationship between TPC and phase Standard Deviation (STD), a threshold can be posed on TPC to identify high phase quality pixels. This pixel selection method can work with both Deterministic Scatterers (PSs) and Distributed Scatterers (DSs). To valid the effectiveness of the developed method, it has been used to monitor the Canillo (Andorra) landslide. The results show that the TPC method can obtained highest density of valid pixels among the employed three approaches in this challenging area with X-band SAR data. Second, to balance the polarimetric DInSAR phase optimization effect and the computation cost, a new PolPSI algorithm is developed. This proposed PolPSI algorithm is based on the Coherency Matrix Decomposition result to determine the optimal scattering mechanism of each pixel, thus it is named as CMD-PolPSI. CMDPolPSI need not to search for solution within the full space of solution, it is therefore much computationally faster than the classical Equal Scattering Mechanism (ESM) method, but with lower optimization performance. On the other hand, its optimization performance outperforms the less computational costly BEST method. Third, an adaptive algorithm SMF-POLOPT has been proposed to adaptive filtering and optimizing PolSAR pixels for PolPSI applications. This proposed algorithm is based on PolSAR classification results to firstly identify Polarimetric Homogeneous Pixels (PHPs) for each pixel, and at the same time classify PS and DS pixels. After that, DS pixels are filtered by their associated PHPs, and then optimized based on the coherence stability phase quality metric; PS pixels are unfiltered and directly optimized based on the DA phase quality metric. SMF-POLOPT can simultaneously reduce speckle noise and retain structures’ details. Meanwhile, SMF-POLOPT is able to obtain much higher density of valid pixels for deformation monitoring than the ESM method. To conclude, one pixel selection method has been developed and tested, two PolPSI algorithms have been proposed in this thesis. This work make contributions to the research of “Advanced Pixel Selection and Optimization Algorithms for Persistent Scatterer InterferometryLes mesures de deformació del sòl poden proporcionar informació valuosa per minimitzar les pèrdues i els danys associats causats pels riscos naturals i ambientals. Com a tècnica de teledetecció, la interferometria de dispersors persistents (Persistent Scatter Interferometry, PSI) SAR és capaç de mesurar de forma eficient la deformació del terreny amb una alta resolució espacial. A més, la precisió de monitorització de la deformació del sòl de les tècniques PSI pot arribar a arribar a nivells del mil·límetre. No obstant això, una baixa coherència pot dificultar l’explotació de dades SAR i el control de deformació d’alta precisió només es pot aconseguir mitjançant PSI per a píxels d’alta qualitat. Per tant, l’optimització de píxels i la identificació de píxels coherents són crucials en les tècniques PSI. En aquesta tesi s¿han investigat algorismes avançats de selecció i optimització de píxels. En primer lloc, s'ha proposat un mètode de selecció de píxels de resolució completa basat en la coherència temporal de fase (Temporal Phase Coherence, TPC). Aquest mètode estima per primera vegada el terme de fase de soroll de cada píxel a nivell d’interferograma. A continuació, per a cada píxel, s'utilitzen els termes de la fase de soroll de tots els interferogrames per avaluar la qualitat de fase temporal d'aquest píxel (és a dir, TPC). A la següent, basant-se en la relació entre el TPC i la desviació estàndard de fase (STD), es pot plantejar un llindar de TPC per identificar píxels de qualitat de fase alta. Aquest mètode de selecció de píxels es capaç de detectar tant els dispersors deterministes (PS) com els distribuïts (DS). Per validar l’eficàcia del mètode desenvolupat, s’ha utilitzat per controlar l’esllavissada de Canillo (Andorra). Els resultats mostren que el mètode TPC pot obtenir la major densitat de píxels vàlids, comparat amb els mètodes clàssics de selecció, en aquesta àrea difícil amb dades de SAR de banda X. En segon lloc, per equilibrar l’efecte d’optimització de fase DInSAR polarimètrica i el cost de càlcul, es desenvolupa un nou algorisme de PolPSI. Aquest algorisme proposat de PolPSI es basa en el resultat de la descomposició de la matriu de coherència per determinar el mecanisme de dispersió òptim de cada píxel, de manera que es denomina CMD-PolPSI. CMDPolPSI no necessita buscar solucions dins de l’espai complet de la solució, per tant, és molt més eficient computacionalment que el mètode clàssic de mecanismes d’igualtat de dispersió (Equal Scattering Mechanism, ESM), però amb un efecte d’optimització no tant òptim. D'altra banda, el seu efecte d'optimització supera el mètode BEST, el que te un menor cost computacional. En tercer lloc, s'ha proposat un algoritme adaptatiu SMF-POLOPT per al filtratge adaptatiu i l'optimització de píxels PolSAR per a aplicacions PolPSI. Aquest algorisme proposat es basa en els resultats de classificació PolSAR per identificar primer els píxels homogenis polarimètrics (PHP) per a cada píxel i, alhora, classificar els píxels PS i DS. Després d'això, els píxels DS es filtren pels seus PHP associats i, a continuació, s'optimitzen en funció de la mètrica de qualitat de la fase d'estabilitat de coherència; els píxels classificats com PS no es filtren i s'optimitzen directament en funció de la mètrica de qualitat de la fase DA. SMF-POLOPT pot reduir simultàniament el soroll de la fase interferomètrica i conservar els detalls de les estructures. Mentrestant, SMF-POLOPT aconsegueix obtenir una densitat molt més alta de píxels vàlids per al seguiment de la deformació que el mètode ESM. Per concloure, en aquesta tesi s’ha desenvolupat i provat un mètode de selecció de píxels, i s’han proposat dos algoritmes PolPSI. Aquest treball contribueix a la recerca en "Advanced Pixel Selection and Optimization Algorithms for Persistent Scatterer Interferometry"Postprint (published version

Interferometric Synthetic Aperture RADAR and Radargrammetry towards the Categorization of Building Changes

The purpose of this work is the investigation of SAR techniques relying on multi image acquisition for fully automatic and rapid change detection analysis at building level. In particular, the benefits and limitations of a complementary use of two specific SAR techniques, InSAR and radargrammetry, in an emergency context are examined in term of quickness, globality and accuracy. The analysis is performed using spaceborne SAR data

Radar Backscatter Modeling Based on Global TanDEM-X Mission Data

Radarrückstreuung bezeichnet den Teil eines ausgesendeten elektromagnetischen Signals, der von einem Ziel am Boden wieder zurück zur Antenne gerichtet ist. Die Eigenschaften des zurückgestreuten Signals ändern sich in Abhängigkeit von Frequenz und Polarisation des Radarsignals, der Aufnahmegeometrie, sowie vom Zustand des Erdbodens und der Art der Bodenbedeckung. Informationen über das Radarrückstreuverhalten sind von höchster Wichtigkeit für die Auslegung von SAR-Missionen und werden verbreitet zur Entwicklung wissenschaftlicher Modelle genutzt, beispielsweise bei der Erforschung der Biosphäre und Kryosphäre. Hauptziel dieser Arbeit ist die Auswertung und Nutzung des globalen TanDEM-X-Datensatzes zur Modellierung der Radarrückstreuung im X-Band unter Berücksichtigung unterschiedlicher Aufnahmeparameter und Landnutzungsarten, sowie die Bereitstellung einer Reihe von globalen Rückstreumodellen, die auf aktuellen Daten basieren, für die wissenschaftliche Gemeinschaft. Es wurde ein neuer Ansatz zur statistischen Modellierung der Rückstreuinformation entwickelt, der die Qualität der zugrunde liegenden Messungen berücksichtigt. Daraus ergeben sich gewichtete polynomiale Modelle für die verschiedenen Landnutzungsarten, wie sie in der GlobCover-Karte der ESA definiert sind. Darüber hinaus wird ein eigener Validierungsansatz vorgestellt, mit zusätzlicher Betrachtung der saisonalen Variation der Rückstreuung und einer separaten Analyse des Rückstreuverhaltens des Tropischen Regenwaldes. Der nächste Schwerpunkt ist die Betrachtung des Grönländischen Eisschildes, das gekennzeichnet ist durch das Vorhandensein verschiedener Arten von Schneebedeckung, die von trockenem bis hin zu sehr feuchtem Schnee variiert. Der begrenzte Detailgrad, den die GlobCover Karte in Grönland aufweist (nur eine Klasse für das gesamte Eisschild), erlaubt dort keine verlässliche Modellierung der Rückstreuung. Diese Schwierigkeit lieferte die Motivation für die Entwicklung eines neuen Ansatzes zur Analyse des Informationsgehalts der interferometrischen TanDEM-X-Daten mit dem Ziel, unterschiedliche Schnee-Fazien mit Hilfe des sog. C-Means Fuzzy Clustering Algorithmus zu lokalisieren. Aus dieser Untersuchung konnte die Existenz von vier unterschiedlichen Klassen von Schnee-Fazien abgeleitet werden, deren Eigenschaften anschließend mit Hilfe externer Referenzdaten interpretiert wurden. Die daraus entstandene Karte wurde zur Erstellung eines einfallswinkelabhängigen Rückstreumodells genutzt, separat für jede der vier Klassen, wobei eine modifizierte Version des entwickelten Algorithmus zur Generierung globaler Rückstreumodelle eingesetzt wurde. Darüber hinaus wurde als Nebenprodukt zusätzlich die Eindringtiefe von TanDEM-X in die Eisschicht geschätzt, durch Inversion des von Weber Hoen und Zebker vorgeschlagenen "Ein-chicht Volumendekorrelationsmodells". Die Ergebnisse wurden mit dem Höhenunterschied zwischen dem globalen TanDEM-X-DEM und ICESat-Messungen verglichen. Abschließend wird ein neu entwickelter Algorithmus zur Generierung von Rückstreukarten großer Gebiete vorgestellt. Dieser erlaubt unter Verwendung von Rückstreumodellen das Angleichen der erstellten Karten anhand eines Referenzeinfallswinkels, was dann das Füllen verbleibender Lücken ermöglicht, die aufgrund fehlender Eingangsdaten vorhanden sind

The University Defence Research Collaboration In Signal Processing

This chapter describes the development of algorithms for automatic detection of anomalies from multi-dimensional, undersampled and incomplete datasets. The challenge in this work is to identify and classify behaviours as normal or abnormal, safe or threatening, from an irregular and often heterogeneous sensor network. Many defence and civilian applications can be modelled as complex networks of interconnected nodes with unknown or uncertain spatio-temporal relations. The behavior of such heterogeneous networks can exhibit dynamic properties, reflecting evolution in both network structure (new nodes appearing and existing nodes disappearing), as well as inter-node relations. The UDRC work has addressed not only the detection of anomalies, but also the identification of their nature and their statistical characteristics. Normal patterns and changes in behavior have been incorporated to provide an acceptable balance between true positive rate, false positive rate, performance and computational cost. Data quality measures have been used to ensure the models of normality are not corrupted by unreliable and ambiguous data. The context for the activity of each node in complex networks offers an even more efficient anomaly detection mechanism. This has allowed the development of efficient approaches which not only detect anomalies but which also go on to classify their behaviour

Radar satellite imagery for humanitarian response. Bridging the gap between technology and application

This work deals with radar satellite imagery and its potential to assist of humanitarian operations. As the number of displaced people annually increases, both hosting countries and relief organizations face new challenges which are often related to unclear situations and lack of information on the number and location of people in need, as well as their environments. It was demonstrated in numerous studies that methods of earth observation can deliver this important information for the management of crises, the organization of refugee camps, and the mapping of environmental resources and natural hazards. However, most of these studies make use of -high-resolution optical imagery, while the role of radar satellites is widely neglected. At the same time, radar sensors have characteristics which make them highly suitable for humanitarian response, their potential to capture images through cloud cover and at night in the first place. Consequently, they potentially allow quicker response in cases of emergencies than optical imagery. This work demonstrates the currently unused potential of radar imagery for the assistance of humanitarian operations by case studies which cover the information needs of specific emergency situations. They are thematically grouped into topics related to population, natural hazards and the environment. Furthermore, the case studies address different levels of scientific objectives: The main intention is the development of innovative techniques of digital image processing and geospatial analysis as an answer on the identified existing research gaps. For this reason, novel approaches are presented on the mapping of refugee camps and urban areas, the allocation of biomass and environmental impact assessment. Secondly, existing methods developed for radar imagery are applied, refined, or adapted to specifically demonstrate their benefit in a humanitarian context. This is done for the monitoring of camp growth, the assessment of damages in cities affected by civil war, and the derivation of areas vulnerable to flooding or sea-surface changes. Lastly, to foster the integration of radar images into existing operational workflows of humanitarian data analysis, technically simple and easily-adaptable approaches are suggested for the mapping of rural areas for vaccination campaigns, the identification of changes within and around refugee camps, and the assessment of suitable locations for groundwater drillings. While the studies provide different levels of technical complexity and novelty, they all show that radar imagery can largely contribute to the provision of a variety of information which is required to make solid decisions and to effectively provide help in humanitarian operations. This work furthermore demonstrates that radar images are more than just an alternative image source for areas heavily affected by cloud cover. In fact, what makes them valuable is their information content regarding the characteristics of surfaces, such as shape, orientation, roughness, size, height, moisture, or conductivity. All these give decisive insights about man-made and natural environments in emergency situations and cannot be provided by optical images Finally, the findings of the case studies are put into a larger context, discussing the observed potential and limitations of the presented approaches. The major challenges are summarized which need be addressed to make radar imagery more useful in humanitarian operations in the context of upcoming technical developments. New radar satellites and technological progress in the fields of machine learning and cloud computing will bring new opportunities. At the same time, this work demonstrated the large need for further research, as well as for the collaboration and transfer of knowledge and experiences between scientists, users and relief workers in the field. It is the first extensive scientific compilation of this topic and the first step for a sustainable integration of radar imagery into operational frameworks to assist humanitarian work and to contribute to a more efficient provision of help to those in need.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit bildgebenden Radarsatelliten und ihrem potenziellen Beitrag zur Unterstützung humanitärer Einsätze. Die jährlich zunehmende Zahl an vertriebenen oder geflüchteten Menschen stellt sowohl Aufnahmeländer als auch humanitäre Organisationen vor große Herausforderungen, da sie oft mit unübersichtlichen Verhältnissen konfrontiert sind. Effektives Krisenmanagement, die Planung und Versorgung von Flüchtlingslagern, sowie der Schutz der betroffenen Menschen erfordern jedoch verlässliche Angaben über Anzahl und Aufenthaltsort der Geflüchteten und ihrer natürlichen Umwelt. Die Bereitstellung dieser Informationen durch Satellitenbilder wurde bereits in zahlreichen Studien aufgezeigt. Sie beruhen in der Regel auf hochaufgelösten optischen Aufnahmen, während bildgebende Radarsatelliten bisher kaum Anwendung finden. Dabei verfügen gerade Radarsatelliten über Eigenschaften, die hilfreich für humanitäre Einsätze sein können, allen voran ihre Unabhängigkeit von Bewölkung oder Tageslicht. Dadurch ermöglichen sie in Krisenfällen verglichen mit optischen Satelliten eine schnellere Reaktion. Diese Arbeit zeigt das derzeit noch ungenutzte Potenzial von Radardaten zur Unterstützung humanitärer Arbeit anhand von Fallstudien auf, in denen konkrete Informationen für ausgewählte Krisensituationen bereitgestellt werden. Sie sind in die Themenbereiche Bevölkerung, Naturgefahren und Ressourcen aufgeteilt, adressieren jedoch unterschiedliche wissenschaftliche Ansprüche: Der Hauptfokus der Arbeit liegt auf der Entwicklung von innovativen Methoden zur Verarbeitung von Radarbildern und räumlichen Daten als Antwort auf den identifizierten Forschungsbedarf in diesem Gebiet. Dies wird anhand der Kartierung von Flüchtlingslagern zur Abschätzung ihrer Bevölkerung, zur Bestimmung von Biomasse, sowie zur Ermittlung des Umwelteinflusses von Flüchtlingslagern aufgezeigt. Darüber hinaus werden existierende oder erprobte Ansätze für die Anwendung im humanitären Kontext angepasst oder weiterentwickelt. Dies erfolgt im Rahmen von Fallstudien zur Dynamik von Flüchtlingslagern, zur Ermittlung von Schäden an Gebäuden in Kriegsgebieten, sowie zur Erkennung von Risiken durch Überflutung. Zuletzt soll die Integration von Radardaten in bereits existierende Abläufe oder Arbeitsroutinen in der humanitären Hilfe anhand technisch vergleichsweise einfacher Ansätze vorgestellt und angeregt werden. Als Beispiele dienen hier die radargestützte Kartierung von entlegenen Gebieten zur Unterstützung von Impfkampagnen, die Identifizierung von Veränderungen in Flüchtlingslagern, sowie die Auswahl geeigneter Standorte zur Grundwasserentnahme. Obwohl sich die Fallstudien hinsichtlich ihres Innovations- und Komplexitätsgrads unterscheiden, zeigen sie alle den Mehrwert von Radardaten für die Bereitstellung von Informationen, um schnelle und fundierte Planungsentscheidungen zu unterstützen. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit deutlich, dass Radardaten für humanitäre Zwecke mehr als nur eine Alternative in stark bewölkten Gebieten sind. Durch ihren Informationsgehalt zur Beschaffenheit von Oberflächen, beispielsweise hinsichtlich ihrer Rauigkeit, Feuchte, Form, Größe oder Höhe, sind sie optischen Daten überlegen und daher für viele Anwendungsbereiche im Kontext humanitärer Arbeit besonders. Die in den Fallstudien gewonnenen Erkenntnisse werden abschließend vor dem Hintergrund von Vor- und Nachteilen von Radardaten, sowie hinsichtlich zukünftiger Entwicklungen und Herausforderungen diskutiert. So versprechen neue Radarsatelliten und technologische Fortschritte im Bereich der Datenverarbeitung großes Potenzial. Gleichzeitig unterstreicht die Arbeit einen großen Bedarf an weiterer Forschung, sowie an Austausch und Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern, Anwendern und Einsatzkräften vor Ort. Die vorliegende Arbeit ist die erste umfassende Darstellung und wissenschaftliche Aufarbeitung dieses Themenkomplexes. Sie soll als Grundstein für eine langfristige Integration von Radardaten in operationelle Abläufe dienen, um humanitäre Arbeit zu unterstützen und eine wirksame Hilfe für Menschen in Not ermöglichen