SAR-Based Vibration Estimation Using the Discrete Fractional Fourier Transform

A vibration estimation method for synthetic aperture radar (SAR) is presented based on a novel application of the discrete fractional Fourier transform (DFRFT). Small vibrations of ground targets introduce phase modulation in the SAR returned signals. With standard preprocessing of the returned signals, followed by the application of the DFRFT, the time-varying accelerations, frequencies, and displacements associated with vibrating objects can be extracted by successively estimating the quasi-instantaneous chirp rate in the phase-modulated signal in each subaperture. The performance of the proposed method is investigated quantitatively, and the measurable vibration frequencies and displacements are determined. Simulation results show that the proposed method can successfully estimate a two-component vibration at practical signal-to-noise levels. Two airborne experiments were also conducted using the Lynx SAR system in conjunction with vibrating ground test targets. The experiments demonstrated the correct estimation of a 1-Hz vibration with an amplitude of 1.5 cm and a 5-Hz vibration with an amplitude of 1.5 mm

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

High accuracy synthetic aperture radar (SAR) processor for UAV platforms

The usual SAR processing algorithms used in LEO satellites or Ground Based SAR systems are not optimal for UAV based SAR formation (UPC Arbres system). The large dynamics and unstability characteristics of Multicopter UAV produce large defocusing and loss of detail in the SAR images. To prevent these problems the present operating parameters of Arbres must be optimized and a new algorithm able to operate with low Sweep Repetition Frequency (SRF) must be designed and evaluated based on simulated and/or experimental data.The combination of frequency-modulated continuous-wave (FMCW) technology and synthetic aperture radar (SAR) techniques leads to lightweight cost-effective imagining sensor of high resolution. One limiting factor to use of FMCW sensors is the well-known presence of nonlinearities in the transmitted signal. This results in contrast when the system is intended for high-resolution long-range applications, as it is the case for SAR. There are many algorithms to implement SAR formation but in this case the system it is placed in a UAV (UPC ARBRES system). The large dynamics and instability characteristics of drone UAV produce large defocusing and loss of detail in the SAR images. In this project is presented an algorithm to form synthetic apertures and compensate the defocusing and other aspects that are produced by the motion of the system. Firstly, the system it is assuming the Stop and Go assumption. Finally, the algorithm generates the raw data and the SAR image without assuming Stop and Go.La combinación de la tecnología de onda continúa modulada en frecuencia (FMCW, por sus siglas en inglés) y la tecnología de radar de apertura sintética (SAR, por sus siglas en inglés) conduce a un sensor de alta resolución, liviano y económico. Una limitación para el uso de sensores FMCW es la presencia conocida de no linealidades en la señal transmitida. Por otro lado, contrasta cuando el sistema está diseñado para aplicaciones de largo alcance de alta resolución, como es el caso de SAR. Hay muchos algoritmos para implementar la formación de imágenes SAR, pero en este caso el sistema se coloca en un UAV (sistema UPC ARBRES). La gran dinámica y las características de inestabilidad de los aviones no tripulados UAV producen gran desenfoque y pérdida de detalle en las imágenes de SAR. En este proyecto se presenta un algoritmo para formar aberturas sintéticas y compensar el desenfoque y otros aspectos que son producidos por el movimiento del sistema. En primer lugar, el sistema está asumiendo el supuesto de Stop and Go. Finalmente, el algoritmo genera los datos y la imagen SAR sin asumir Stop and Go.La combinació de la tecnologia d'ona continua modulada en freqüència (FMCW, per les seves sigles en anglès) i la tecnologia de radar d'obertura sintètica (SAR, per les seves sigles en anglès) condueix a un sensor d'alta resolució, lleuger i econòmic. Una limitació per a l'ús de sensors FMCW és la presència coneguda de no-liníalitats en el senyal transmès. D'altra banda, contrasta quan el sistema està dissenyat per a aplicacions de llarg abast d'alta resolució, com és el cas de SAR. Hi ha molts algorismes per implementar la formació d'imatges SAR, però en aquest cas el sistema es col·loca en un UAV (sistema UPC *ARBRES). La gran dinàmica i les característiques d'inestabilitat dels avions no tripulats UAV produeixen gran desenfoqui i pèrdua de detall en les imatges SAR. En aquest projecte es presenta un algorisme per formar obertures sintètiques i compensar el desenfoqui i altres aspectes que són produïts pel moviment del sistema. En primer lloc, el sistema està assumint el supòsit de Stop and Go. Finalment, l'algorisme genera les dades i la imatge *SAR sense assumir Stop and Go

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

Signal processing for microwave imaging systems with very sparse array

This dissertation investigates image reconstruction algorithms for near-field, two dimensional (2D) synthetic aperture radar (SAR) using compressed sensing (CS) based methods. In conventional SAR imaging systems, acquiring higher-quality images requires longer measuring time and/or more elements in an antenna array. Millimeter wave imaging systems using evenly-spaced antenna arrays also have spatial resolution constraints due to the large size of the antennas. This dissertation applies the CS principle to a bistatic antenna array that consists of separate transmitter and receiver subarrays very sparsely and non-uniformly distributed on a 2D plane. One pair of transmitter and receiver elements is turned on at a time, and different pairs are turned on in series to achieve synthetic aperture and controlled random measurements. This dissertation contributes to CS-hardware co-design by proposing several signal-processing methods, including monostatic approximation, re-gridding, adaptive interpolation, CS-based reconstruction, and image denoising. The proposed algorithms enable the successful implementation of CS-SAR hardware cameras, improve the resolution and image quality, and reduce hardware cost and experiment time. This dissertation also describes and analyzes the results for each independent method. The algorithms proposed in this dissertation break the limitations of hardware configuration. By using 16 x 16 transmit and receive elements with an average space of 16 mm, the sparse-array camera achieves the image resolution of 2 mm. This is equivalent to six percent of the λ/4 evenly-spaced array. The reconstructed images achieve similar quality as the fully-sampled array with the structure similarity (SSIM) larger than 0.8 and peak signal-to-noise ratio (PSNR) greater than 25 --Abstract, page iv