A Large Along-Track Baseline Approach for Ground Moving Target Indication Using TanDEM-X

In the paper a new method for ground moving target indication (GMTI) using two satellites (i.e. the TerraSAR-X and the TanDEM-X satellite) together is presented. The along-track baseline between the satellites is chosen to be in the order of several kilometres, so that each satellite observes the same moving vehicles at different times in the order of one to several seconds. The proposed method allows the estimation of the ground velocity of the moving targets as well as the estimation of the broadside positions without the need of complex bistatic processing techniques

Innovative Adaptive Techniques for Multi Channel Spaceborne SAR Systems

Synthetic Aperture Radar (SAR) is a well-known technology which allows to coherently combine multiple returns from (typically) ground-based targets from a moving radar mounted either on an airborne or on a space-borne vehicle. The relative motion between the targets on ground and the platform causes a Doppler effect, which is exploited to discriminate along-track positions of targets themselves. In addition, as most of conventional radar, a pulsed wide-band waveform is transmitted periodically, thus allowing even a radar discrimination capability in the range direction (i.e. in distance). For side-looking acquisition geometries, the along-track and the range directions are almost orthogonal, so that the two dimensional target discrimination capabiliy results in the possibility to produce images of the illuminated area on ground. A side-looking geometry consists in the radar antenna to be, either mechanically or electronically, oriented perpendicular to the observed area. Nowadays technology allows discrimination capability (also referred to as resolution) in both alongtrack and range directions in the order of few tenths of centimeters. Since the SAR is a microwave active sensor, this technology assure the possibility to produce images of the terrain independently of the sunlight illumination and/or weather conditions. This makes the SAR a very useful instrument for monitoring and mapping both the natural and the artificial activities over the Earth’s surface. Among all the limitations of a single-channel SAR system, this work focuses over some of them which are briefly listed below: a) the performance achievable in terms of resolution are usually paid in terms of system complexity, dimension, mass and cost; b) since the SAR is a coherent active sensor, it is vulnerable to both intentionally and unintentionally radio-frequency interferences which might limit normal system operability; c) since the Doppler effect it is used to discriminate targets (assumed to be stationary) on the ground, this causes an intrinsic ambiguity in the interpretation of backscattered returns from moving targets. These drawbacks can be easily overcome by resorting to a Multi-cannel SAR (M-SAR) system

Innovative Adaptive Techniques for Multi Channel Spaceborne SAR Systems

Synthetic Aperture Radar (SAR) is a well-known technology which allows to coherently combine multiple returns from (typically) ground-based targets from a moving radar mounted either on an airborne or on a space-borne vehicle. The relative motion between the targets on ground and the platform causes a Doppler effect, which is exploited to discriminate along-track positions of targets themselves. In addition, as most of conventional radar, a pulsed wide-band waveform is transmitted periodically, thus allowing even a radar discrimination capability in the range direction (i.e. in distance). For side-looking acquisition geometries, the along-track and the range directions are almost orthogonal, so that the two dimensional target discrimination capabiliy results in the possibility to produce images of the illuminated area on ground. A side-looking geometry consists in the radar antenna to be, either mechanically or electronically, oriented perpendicular to the observed area. Nowadays technology allows discrimination capability (also referred to as resolution) in both alongtrack and range directions in the order of few tenths of centimeters. Since the SAR is a microwave active sensor, this technology assure the possibility to produce images of the terrain independently of the sunlight illumination and/or weather conditions. This makes the SAR a very useful instrument for monitoring and mapping both the natural and the artificial activities over the Earth’s surface. Among all the limitations of a single-channel SAR system, this work focuses over some of them which are briefly listed below: a) the performance achievable in terms of resolution are usually paid in terms of system complexity, dimension, mass and cost; b) since the SAR is a coherent active sensor, it is vulnerable to both intentionally and unintentionally radio-frequency interferences which might limit normal system operability; c) since the Doppler effect it is used to discriminate targets (assumed to be stationary) on the ground, this causes an intrinsic ambiguity in the interpretation of backscattered returns from moving targets. These drawbacks can be easily overcome by resorting to a Multi-cannel SAR (M-SAR) system

A Priori Knowledge-Based Post-Doppler STAP for Traffic Monitoring with Airborne Radar

Die Verkehrsüberwachung gewinnt aufgrund des weltweiten Anstiegs der Verkehrsteilnehmer immer mehr an Bedeutung. Sicherer und effizierter Straßenverkehr erfordert detaillierte Verkehrsinformationen. Häufig sind diese lediglich stationär, räumlich stark begrenzt und meist nur auf Hauptverkehrsstraßen verfügbar. In dieser Hinsicht ist ein Ausfall des Telekommunikationsnetzes, beispielsweise im Falle einer Katastrophe, und der damit einhergehende Informationsverlust als kritisch einzustufen. Flugzeuggetragene Radarsysteme mit synthetischer Apertur (eng. Synthetic Aperture Radar - SAR) können für dieses Szenario eine Lösung darstellen, da sie großflächig hochauflösende Bilder generieren können, unabhängig von Tageslicht und Witterungsbedingungen. Sie ermöglichen aufgrund dieser Charakteristik die Detektion von Bewegtzielen am Boden (eng. ground moving target indication – GMTI). Moderne GMTI-Algorithmen und -Systeme, die prinzipiell für die Verkehrsüberwachung verwendbar sind, wurden in der Literatur bereits diskutiert. Allerdings ist die Robustheit dieser Systeme oft mit hohen Kosten, hoher Hardwarekomplexität und hohem Rechenaufwand verbunden. Diese Dissertation stellt einen neuartigen GMTI-Prozessor vor, der auf dem Radar-Mehrkanalverfahren post-Doppler space-time adaptive processing (PD STAP) basiert. Durch die Überlagerung einer Straßenkarte mit einem digitalen Höhenmodell ist es mithilfe des PD STAP möglich, Falschdetektionen zu erkennen und auszuschließen sowie die detektierten Fahrzeuge ihren korrekten Straßenpositionen zu zuordnen. Die präzisen Schätzungen von Position, Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung der Fahrzeuge können mit vergleichsweise geringerer Hardware-Komplexität zu niedrigeren Kosten durchgeführt werden. Ferner wird im Rahmen dieser Arbeit ein effizienter Datenkalibrierungsalgorithmus erläutert, der das Ungleichgewicht zwischen den Empfangskanälen sowie die Variation des Dopplerschwerpunkts über Entfernung und Azimut korrigiert und so das Messergebnis verbessert. Darüber hinaus werden neue und automatisierte Strategien zur Erhebung von Trainingsdaten vorgestellt, die für die Schätzung der Clutter-Kovarianzmatrix wegen ihres direkten Einflusses auf die Clutter-Unterdrückung und Zieldetektion essentiell für PD STAP sind. Der neuartige PD STAP Prozessor verfügt über drei verschiedene Betriebsarten, die für militärische und zivile Anwendungen geeignet sind, darunter ein schneller Verarbeitungsalgorithmus der das Potential für eine zukünftige Echtzeit-Verkehrsüberwachung hat. Alle Betriebsarten wurden erfolgreich mit Radar-Mehrkanaldaten des flugzeuggetragenen F-SAR-Radarsensors des DLR getestet

Digital Beamforming and Traffic Monitoring Using the new FSAR System of DLR

In November 2006 the first X-band test flight of DLR’s new FSAR system has been performed successfully and in February 2007 the first flight campaign has been conducted for acquiring experimental multi-channel data of controlled ground moving targets. In the paper the performed experiments and the used setup of the FSAR X-band section are described and preliminary results in the field of ground moving target indication and digital beamforming are presented

Retrieval of Ocean Surface Currents and Winds Using Satellite SAR backscatter and Doppler frequency shift

Ocean surface winds and currents play an important role for weather, climate, marine life, ship navigation, oil spill drift and search and rescue. In-situ observations of the ocean are sparse and costly. Satellites provide a useful complement to these observations. Synthetic aperture radar (SAR) is particularly attractive due to its high spatial resolution and its capability to extract both sea surface winds and currents day and night and almost independent of weather.The work in this thesis involves processing of along-track interferometric SAR (ATI-SAR) data, analysis of the backscatter and Doppler frequency shift, and development of wind and current retrieval algorithms. Analysis of the Doppler frequency shift showed a systematic bias. A calibration method was proposed and implemented to correct for this bias. Doppler analysis also showed that the wave contribution to the SAR Doppler centroid often dominates over the current contribution. This wave contribution is estimated using existing theoretical and empirical Doppler models. For wind and current retrieval, two methods were developed and implemented.The first method, called the direct method, consists of retrieval of the wind speed from SAR backscatter using an empirical backscatter model. In order to retrieve the radial current, the retrieved wind speed is used to correct for the wave contribution. The current retrieval was assessed using two different (theoretical and empirical) Doppler models and wind inputs (model and SAR-derived). It was found that the results obtained by combining the Doppler empirical model with the SAR-derived wind speed were more consistent with ocean models.The second method, called Bayesian method, consists of blending the SAR observables (backscatter and Doppler shift) with an atmospheric and an oceanic model to retrieve the total wind and current vector fields. It was shown that this method yields more accurate estimates, i.e. reduces the models biases against in-situ measurements. Moreover, the method introduces small scale features, e.g. fronts and meandering, which are weakly resolved by the models.The correlation between the surface wind vectors and the SAR Doppler shift was demonstrated empirically using the Doppler shift estimated from over 300 TanDEM-X interferograms and ECMWF reanalysis wind vectors. Analysis of polarimetric data showed that theoretical models such as Bragg and composite surface models over-estimate the backscatter polarization ratio and Doppler shift polarization difference. A combination of a theoretical Doppler model and an empirical modulation transfer function was proposed. It was found that this model is more consistent with the analyzed data than the pure theoretical models.The results of this thesis will be useful for integrating SAR retrievals in ocean current products and assimilating SAR observables in the atmospheric, oceanic or coupled models. The results are also relevant for preparation studies of future satellite missions

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

Space Remote Sensing and Detecting Systems of Oceangoing Ships

This paper introduces the implementation of space remote sensing and detecting systems of oceangoing ships as an alternative to the Radio – Automatic Identification System (R-AIS), Satellite – Automatic Identification System (S-AIS), Long Range Identification and Tracking (LRIT), and other current vessel tracking systems. In this paper will be not included  a new project known as a Global Ship Tracking (GST) as an autonomous and discrete satellite network designed by the Space Science Centre (SSC) for research and postgraduate studies in Satellite Communication, Navigation and Surveillance (CNS) at Durban University of Technology (DUT). The ship detection from satellite remote sensing imagery system is a crucial application for maritime safety and security, which includes among others ship tracking, detecting and traffic surveillance, oil spill detection service, and discharge control, sea pollution monitoring, sea ice monitoring service, and protection against illegal fisheries activities. The establishment of a modern sea surface and ships monitoring system needs enhancement of the Satellite Synthetic Aperture Radar (SSAR) that is here discussed as a modern observation infrastructure integrated with Ships Surveillance and Detecting via SSAR TerraSAR-X Spacecraft, Ships Surveillance and Detecting via SSAR Radarsat Spacecraft and Vessels Detecting System (VDS) via SSAR