A review of RFI mitigation techniques in microwave radiometry

Radio frequency interference (RFI) is a well-known problem in microwave radiometry (MWR). Any undesired signal overlapping the MWR protected frequency bands introduces a bias in the measurements, which can corrupt the retrieved geophysical parameters. This paper presents a literature review of RFI detection and mitigation techniques for microwave radiometry from space. The reviewed techniques are divided between real aperture and aperture synthesis. A discussion and assessment of the application of RFI mitigation techniques is presented for each type of radiometer.Peer ReviewedPostprint (published version

Radio frequency interference detection and mitigation techniques for navigation and Earth observation

Radio-Frequency Interference (RFI) signals are undesired signals that degrade or disrupt the performance of a wireless receiver. RFI signals can be troublesome for any receiver, but they are especially threatening for applications that use very low power signals. This is the case of applications that rely on the Global Navigation Satellite Systems (GNSS), or passive microwave remote sensing applications such as Microwave Radiometry (MWR) and GNSS-Reflectometry (GNSS-R). In order to solve the problem of RFI, RFI-countermeasures are under development. This PhD thesis is devoted to the design, implementation and test of innovative RFI-countermeasures in the fields of MWR and GNSS. In the part devoted to RFI-countermeasures for MWR applications, first, this PhD thesis completes the development of the MERITXELL instrument. The MERITXELL is a multi-frequency total-power radiometer conceived to be an outstanding platform to perform detection, characterization, and localization of RFI signals at the most common MWR imaging bands up to 92 GHz. Moreover, a novel RFI mitigation technique is proposed for MWR: the Multiresolution Fourier Transform (MFT). An assessment of the performance of the MFT has been carried out by comparison with other time-frequency mitigation techniques. According to the results, the MFT technique is a good trade-off solution among all other techniques since it can mitigate efficiently all kinds of RFI signals under evaluation. In the part devoted to RFI-countermeasures for GNSS and GNSS-R applications, first, a system for RFI detection and localization at GNSS bands is proposed. This system is able to detect RFI signals at the L1 band with a sensitivity of -108 dBm at full-band, and of -135 dBm for continuous wave and chirp-like signals when using the averaged spectrum technique. Besides, the Generalized Spectral Separation Coefficient (GSSC) is proposed as a figure of merit to evaluate the Signal-to-Noise Ratio (SNR) degradation in the Delay-Doppler Maps (DDMs) due to the external RFI effect. Furthermore, the FENIX system has been conceived as an innovative system for RFI detection and mitigation and anti-jamming for GNSS and GNSS-R applications. FENIX uses the MFT blanking as a pre-correlation excision tool to perform the mitigation. In addition, FENIX has been designed to be cross-GNSS compatible and RFI-independent. The principles of operation of the MFT blanking algorithm are assessed and compared with other techniques for GNSS signals. Its performance as a mitigation tool is proven using GNSS-R data samples from a real airborne campaign. After that, the main building blocks of the patented architecture of FENIX have been described. The FENIX architecture has been implemented in three real-time prototypes. Moreover, a simulator named FENIX-Sim allows for testing its performance under different jamming scenarios. The real-time performance of FENIX prototype has been tested using different setups. First, a customized VNA has been built in order to measure the transfer function of FENIX in the presence of several representative RFI/jamming signals. The results show how the power transfer function adapts itself to mitigate the RFI/jamming signal. Moreover, several real-time tests with GNSS receivers have been performed using GPS L1 C/A, GPS L2C, and Galileo E1OS. The results show that FENIX provides an extra resilience against RFI and jamming signals up to 30 dB. Furthermore, FENIX is tested using a real GNSS timing setup. Under nominal conditions, when no RFI/jamming signal is present, a small additional jitter on the order of 2-4 ns is introduced in the system. Besides, a maximum bias of 45 ns has been measured under strong jamming conditions (-30 dBm), which is acceptable for current timing systems requiring accuracy levels of 100 ns. Finally, the design of a backup system for GNSS in tracking applications that require high reliability against RFI and jamming attacks is proposed.Les interferències de radiofreqüència (RFI) són senyals no desitjades que degraden o interrompen el funcionament dels receptors sense fils. Les RFI poden suposar un problema per qualsevol receptor, però són especialment amenaçadores per les a aplicacions que fan servir senyals de molt baixa potència. Aquest és el cas de les aplicacions que depenen dels sistemes mundials de navegació per satèl·lit (GNSS) o de les aplicacions de teledetecció passiva de microones, com la radiometria de microones (MWR) i la reflectometria GNSS (GNSS-R). Per combatre aquest problema, sistemes anti-RFI s'estan desenvolupament actualment. Aquesta tesi doctoral està dedicada al disseny, la implementació i el test de sistemes anti-RFI innovadors en els camps de MWR i GNSS. A la part dedicada als sistemes anti-RFI en MWR, aquesta tesi doctoral completa el desenvolupament de l'instrument MERITXELL. El MERITXELL és un radiòmetre multifreqüència concebut com una plataforma excepcional per la detecció, caracterització i localització de RFI a les bandes de MWR més utilitzades per sota dels 92 GHz. A més a més, es proposa una nova tècnica de mitigació de RFI per MWR: la Transformada de Fourier amb Multiresolució (MFT). El funcionament de la MFT s'ha comparat amb el d'altres tècniques de mitigació en els dominis del temps i la freqüència. D'acord amb els resultats obtinguts, la MFT és una bona solució de compromís entre les altres tècniques, ja que pot mitigar de manera eficient tots els tipus de senyals RFI considerats. A la part dedicada als sistemes anti-RFI en GNSS i GNSS-R, primer es proposa un sistema per a la detecció i localització de RFI a les bandes GNSS. Aquest sistema és capaç de detectar senyals RFI a la banda L1 amb una sensibilitat de -108 dBm a tota la banda, i de -135 dBm per a senyals d'ona contínua i chirp fen un mitjana de l'espectre. A més a més, el Coeficient de Separació Espectral Generalitzada (GSSC) es proposa com una mesura per avaluar la degradació de la relació senyal a soroll (SNR) en els Mapes de Delay-Doppler (DDM) a causa del impacte de les RFI. La major contribució d'aquesta tesi doctoral és el sistema FENIX. FENIX és un sistema innovador de detecció i mitigació de RFI i inhibidors de freqüència per aplicacions GNSS i GNSS-R. FENIX utilitza la MFT per eliminar la interferència abans del procés de correlació amb el codi GNSS independentment del tipus de RFI. L'algoritme de mitigació de FENIX s'ha avaluat i comparat amb altres tècniques i els principals components de la seva arquitectura patentada es descriuen. Finalment, un simulador anomenat FENIX-Sim permet avaluar el seu rendiment en diferents escenaris d'interferència. El funcionament en temps real del prototip FENIX ha estat provat utilitzant diferents mètodes. En primer lloc, s'ha creat un analitzador de xarxes per a mesurar la funció de transferència del FENIX en presència de diverses RFI representatives. Els resultats mostren com la funció de transferència s'adapta per mitigar el senyal interferent. A més a més, s'han realitzat diferents proves en temps real amb receptors GNSS compatibles amb els senyals GPS L1 C/A, GPS L2C i Galileo E1OS. Els resultats mostren que FENIX proporciona una resistència addicional contra les RFI i els senyals dels inhibidors de freqüència de fins a 30 dB. A més a més, FENIX s'ha provat amb un sistema comercial de temporització basat en GNSS. En condicions nominals, sense RFI, FENIX introdueix un petit error addicional de tan sols 2-4 ns. Per contra, el biaix màxim mesurat en condicions d'alta interferència (-30 dBm) és de 45 ns, el qual és acceptable per als sistemes de temporització actuals que requereixen nivells de precisió d'uns 100 ns. Finalment, es proposa el disseny d'un sistema robust de seguiment, complementari als GNSS, per a aplicacions que requereixen alta fiabilitat contra RFI.Postprint (published version

Technical approaches, chapter 3, part E

Radar altimeters, scatterometers, and imaging radar are described in terms of their functions, future developments, constraints, and applications

Silicon-organic hybrid electro-optic modulators for high-speed communication systems

Der Austausch von Informationen über globale Kommunikationsnetze ist für viele alltägliche Lebensbereiche selbstverständlich geworden. Die Informationen werden dabei mit immer weiter wachsender Geschwindigkeit und in zunehmendem Umfang geteilt. Durch den enormen Anstieg des Datenverkehrs kommt verstärkt optische Nachrichtentechnik zum Einsatz. Sie bietet gegenüber elektronischen Übertragungsverfahren entscheidende Vorteile bezüglich der Übertragungsdistanz und -kapazität.Wurde optische Übertragung zunächst nur für die Kommunikation über weite Strecken eingesetzt, machen sich die Nachteile elektronischer Verfahren mit dem stark anwachsenden Datenverkehr auch zunehmend über kürzere Strecken bemerkbar, sodass auch dort vermehrt optische Kommunikationssysteme zum Einsatz kommen. Insgesamt nimmt die Anzahl der photonischen Komponenten, die in Kommunikationsanwendungen eingesetzt werden, dadurch rapide zu. Dies führt dazu, dass die einzelnen Bauteile kostengünstiger, energieeffizienter sowie kompakter werden müssen. Ähnlich zur Entwicklung in der Mikroelektronik, wo immer stärkere Miniaturisierung zu einer dramatischen Leistungssteigerung bei gleichzeitiger Reduktion von Kosten, Platzbedarf und Energieverbrauch geführt hat, soll dies in der Photonik durch die Anwendung von integrierten photonischen Schaltkreisen erreicht werden. Integrierte photonische Schaltkreise zeichnen sich durch hohe Funktionalität bei geringem Platzbedarf aus und ermöglichen eine kostengünstige Massenfertigung. Sie sind daher von erheblichem wissenschaftlichen, technischen und kommerziellen Interesse. Insbesondere die Integration auf Siliziumsubstraten verspricht dabei hohe Integrationsdichten, kombiniert mit der Möglichkeit zur Ko-Integration photonischer und elektronischer Schaltkreise. Ein entscheidender Vorteil ist dabei, dass Silizium seit Jahrzehnten das dominierende Material in der Halbleiterindustrie und eines der häufigsten Elemente der Erdkruste ist. Vorteilhaft ist also neben der guten Verfügbarkeit des Materials, insbesondere die Existenz von etablierten und zuverlässigen Prozessen aus der Mikroelektronik, speziell der CMOS-Fertigung, zur lithographischen Strukturierung. Zudem bietet Silizium viele für die integrierte Photonik günstige physikalische Eigenschaften. Beispielsweise die Transparenz im für die Datenübertragung technisch relevanten Spektralbereiche im Nahinfraroten zwischen 1260 nm und 1625 nm und einen hohen Brechungsindexkontrast zu Siliziumdioxid. Die unter dem Begriff Siliziumphotonik zusammengefasste Technologie ist daher eine vielversprechende Plattform für integrierte photonische Schaltkreise. Eines der wichtigsten Bauteile in der optischen Nachrichtentechnik ist der elektro-optische (EO) Modulator. An der Schnittstelle zwischen Elektronik und Optik ist er das zentrale Element in optischen Sendern. Neben geringen Herstellungskosten, geringem Platzbedarf und guter Energieeffizienz ist eine hohe Modulationsgeschwindigkeit eine essentielle Fähigkeit des Modulators, da diese hohe Bandbreiten in der Datenübertragung ermöglicht. Da Silizium aufgrund der punktsymmetrischen Kristallstruktur keine optische Nichtlinearität zweiter Ordnung aufweist, ist in reinem Silizium kein linearer EO Effekt (Pockels-Effekt) verfügbar. Elektro-optische Modulatoren aus Silizium basieren daher darauf, dass die Konzentration freier Ladungsträger in einem Siliziumwellenleiter moduliert wird, was beispielsweise durch Anlegen einer Spannung an einen pn-Übergang realisiert werden kann. Die Änderung der Konzentration freier Ladungsträger führt dabei zu einer Variation des optischen Brechungsindex (Plasmadispersions-Effekt). Dieser Effekt ist jedoch nicht effizient,wodurch die Energieeffizienz reiner Siliziummodulatoren insgesamt limitiert ist. Durch die heterogene Integration von Silizium mit weiteren Materialien lässt sich die Siliziumphotonik-Plattform erweitern. Organische EO Materialien lassen sich durch molekulares Design gezielt auf einen starken linearen EO Effekt hin optimieren. Durch die Kombination von Silizium-Nanowellenleitern und organischen EO Materialien lassen sich Hybridbauteile realisieren, welche wesentlich energieeffizienter als reine Siliziummodulatoren sind. In der englischsprachigen Fachliteratur werden diese Bauteile auch als silicon-organic hybrid (SOH) bezeichnet. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit SOH-Modulatoren und deren praktischer Anwendung in der optischen Hochgeschwindigkeitskommunikation. In vorausgehenden Arbeiten wurden die fundamentalen Prinzipien von SOHModulatoren untersucht und deren grundlegende Einsetzbarkeit für die optische Datenübertragung gezeigt. Die vorliegende Arbeit baut darauf auf und adressiert gezielt Aspekte, die für einen praktischen Einsatz von SOH Bauteilen in optischen Kommunikationssystemen von großer Bedeutung sind: Um ein zielgerichtetes Design der Bauteile zu ermöglichen und grundlegende Zielkonflikte im Design zu erkennen, wird ein Modell für das dynamische EO Verhalten der Modulatoren entwickelt und experimentell verifiziert. Für die breitbandige Aufbau- und Verbindungstechnik werden Konzepte zur elektrischen Anbindung schneller SOH-Modulatoren entwickelt und demonstriert. Verschiedene Modulationsformate werden bei Bruttodatenraten von bis zu 160 Gbit/s erfolgreich getestet und demonstrieren die Eignung von SOHModulatoren für praktische Anwendungsszenarien. Kapitel 1 gibt eine kurze Einführung in das Gebiet der Siliziumphotonik und deren Bedeutung für die optische Datenübertragung. Kapitel 2 beschreibt die theoretischen und technologischen Grundlagen elektrooptischer Bauteile auf Basis der Siliziumphotonik. Dies umfasst einen Überblick über den zugehörigen Stand der Wissenschaft und Technik sowie die für die nachfolgenden Kapitel relevanten Konzepte aus der Hochfrequenz- und der Nachrichtentechnik. Kapitel 3 führt ein quantitatives Modell zur Beschreibung der dynamischen elektrischen und EO Eigenschaften von SOH-Modulatoren ein. Das Modell wird experimentell verifiziert und dient als Grundlage für verbesserte Bauteildesigns zukünftiger SOH-Modulatoren, mit denen sich Bandbreiten von mehr als 100 GHz und $\pi$-Spannungen von unter 1 V erreichen lassen. Kapitel 4 demonstriert die Eignung von SOH-Modulatoren für technisch relevante Intensitätsmodulation/Direktempfang-Verfahren (engl. intensity modulation/direct detection, IM/DD), die insbesondere für hochgradig skalierbare Übertragungssysteme mit kleinen und mittleren Reichweiten (board-to-board, rack-to-rack) interessant sind. In diesem Zusammenhang werden verschiedene IM/DD-Modulationsformate experimentell getestet und dabei Bruttodatenraten von bis zu 120 Gbit/s demonstriert. Kapitel 5 befasst sich mit der elektrischen Aufbau- und Verbindungstechnik für SOH-Modulatoren. Dies erfordert Platinen mit guten Hochfrequenzeigenschaften und kleinen Strukturgrößen, um eine hohe Integrationsdichte zu erreichen. Ein Verfahren zur Herstellung von hochfrequenztechnisch breitbandigen Keramikplatinen mit hoher räumlicher Auflösung wird vorgestellt. Mit Hilfe dieser Keramikplatinen wird ein mit Bonddrähten elektrisch angebundener SOH-Modulator vorgestellt und damit eine Bruttodatenrate von 160 Gbit/s demonstriert. Kapitel 6 fasst die vorliegende Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf zukünftig notwendige Schritte, um die Anwendungsreife von SOH-Modulatoren zu erreichen. Zudem werden potentielle weitere Anwendungsfelder für SOH-Modulatoren diskutiert

Characterization, Classification, and Genesis of Seismocardiographic Signals

Seismocardiographic (SCG) signals are the acoustic and vibration induced by cardiac activity measured non-invasively at the chest surface. These signals may offer a method for diagnosing and monitoring heart function. Successful classification of SCG signals in health and disease depends on accurate signal characterization and feature extraction. In this study, SCG signal features were extracted in the time, frequency, and time-frequency domains. Different methods for estimating time-frequency features of SCG were investigated. Results suggested that the polynomial chirplet transform outperformed wavelet and short time Fourier transforms. Many factors may contribute to increasing intrasubject SCG variability including subject posture and respiratory phase. In this study, the effect of respiration on SCG signal variability was investigated. Results suggested that SCG waveforms can vary with lung volume, respiratory flow direction, or a combination of these criteria. SCG events were classified into groups belonging to these different respiration phases using classifiers, including artificial neural networks, support vector machines, and random forest. Categorizing SCG events into different groups containing similar events allows more accurate estimation of SCG features. SCG feature points were also identified from simultaneous measurements of SCG and other well-known physiologic signals including electrocardiography, phonocardiography, and echocardiography. Future work may use this information to get more insights into the genesis of SCG

医用超音波における散乱体分布の高解像かつ高感度な画像化に関する研究

Ultrasound imaging as an effective method is widely used in medical diagnosis andNDT (non-destructive testing). In particular, ultrasound imaging plays an important role in medical diagnosis due to its safety, noninvasive, inexpensiveness and real-time compared with other medical imaging techniques. However, in general the ultrasound imaging has more speckles and is low definition than the MRI (magnetic resonance imaging) and X-ray CT (computerized tomography). Therefore, it is important to improve the ultrasound imaging quality. In this study, there are three newproposals. The first is the development of a high sensitivity transducer that utilizes piezoelectric charge directly for FET (field effect transistor) channel control. The second is a proposal of a method for estimating the distribution of small scatterers in living tissue using the empirical Bayes method. The third is a super-resolution imagingmethod of scatterers with strong reflection such as organ boundaries and blood vessel walls. The specific description of each chapter is as follows: Chapter 1: The fundamental characteristics and the main applications of ultrasound are discussed, then the advantages and drawbacks of medical ultrasound are high-lighted. Based on the drawbacks, motivations and objectives of this study are stated. Chapter 2: To overcome disadvantages of medical ultrasound, we advanced our studyin two directions: designing new transducer improves the acquisition modality itself, onthe other hand new signal processing improve the acquired echo data. Therefore, the conventional techniques related to the two directions are reviewed. Chapter 3: For high performance piezoelectric, a structure that enables direct coupling of a PZT (lead zirconate titanate) element to the gate of a MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect transistor) to provide a device called the PZT-FET that acts as an ultrasound receiver was proposed. The experimental analysis of the PZT-FET, in terms of its reception sensitivity, dynamic range and -6 dB reception bandwidth have been investigated. The proposed PZT-FET receiver offers high sensitivity, wide dynamic range performance when compared to the typical ultrasound transducer. Chapter 4: In medical ultrasound imaging, speckle patterns caused by reflection interference from small scatterers in living tissue are often suppressed by various methodologies. However, accurate imaging of small scatterers is important in diagnosis; therefore, we investigated influence of speckle pattern on ultrasound imaging by the empirical Bayesian learning. Since small scatterers are spatially correlated and thereby constitute a microstructure, we assume that scatterers are distributed according to the AR (auto regressive) model with unknown parameters. Under this assumption, the AR parameters are estimated by maximizing the marginal likelihood function, and the scatterers distribution is estimated as a MAP (maximum a posteriori) estimator. The performance of our method is evaluated by simulations and experiments. Through the results, we confirmed that the band limited echo has sufficient information of the AR parameters and the power spectrum of the echoes from the scatterers is properly extrapolated. Chapter 5: The medical ultrasound imaging of strong reflectance scatterers based on the MUSIC algorithm is the main subject of Chapter 5. Previously, we have proposed a super-resolution ultrasound imaging based on multiple TRs (transmissions/receptions) with different carrier frequencies called SCM (super resolution FM-chirp correlation method). In order to reduce the number of required TRs for the SCM, the method has been extended to the SA (synthetic aperture) version called SA-SCM. However, since super-resolution processing is performed for each line data obtained by the RBF (reception beam forming) in the SA-SCM, image discontinuities tend to occur in the lateral direction. Therefore, a new method called SCM-weighted SA is proposed, in this version the SCM is performed on each transducer element, and then the SCM result is used as the weight for RBF. The SCM-weighted SA can generate multiple B-mode images each of which corresponds to each carrier frequency, and the appropriate low frequency images among them have no grating lobes. For a further improvement, instead of simple averaging, the SCM applied to the result of the SCM-weighted SA for all frequencies again, which is called SCM-weighted SA-SCM. We evaluated the effectiveness of all the methods by simulations and experiments. From the results, it can be confirmed that the extension of the SCM framework can help ultrasound imaging reduce grating lobes, perform super-resolution and better SNR(signal-to-noise ratio). Chapter 6: A discussion of the overall content of the thesis as well as suggestions for further development together with the remaining problems are summarized.首都大学東京, 2019-03-25, 博士（工学）首都大学東

Fiber Bragg Grating Based Sensors and Systems

This book is a collection of papers that originated as a Special Issue, focused on some recent advances related to fiber Bragg grating-based sensors and systems. Conventionally, this book can be divided into three parts: intelligent systems, new types of sensors, and original interrogators. The intelligent systems presented include evaluation of strain transition properties between cast-in FBGs and cast aluminum during uniaxial straining, multi-point strain measurements on a containment vessel, damage detection methods based on long-gauge FBG for highway bridges, evaluation of a coupled sequential approach for rotorcraft landing simulation, wearable hand modules and real-time tracking algorithms for measuring finger joint angles of different hand sizes, and glaze icing detection of 110 kV composite insulators. New types of sensors are reflected in multi-addressed fiber Bragg structures for microwave–photonic sensor systems, its applications in load-sensing wheel hub bearings, and more complex influence in problems of generation of vortex optical beams based on chiral fiber-optic periodic structures. Original interrogators include research in optical designs with curved detectors for FBG interrogation monitors; demonstration of a filterless, multi-point, and temperature-independent FBG dynamical demodulator using pulse-width modulation; and dual wavelength differential detection of FBG sensors with a pulsed DFB laser

Dielectrically lined rectangular waveguides as wakefield based dechirper structures

This thesis provides a comprehensive study of the properties of a specific type of a wakefield dechirper: a rectangular waveguide coated with dielectrics. Here, a semi-analytical model of the dechirper is developed and then implemented in the programming language Python. The programme is then used to perform parameter studies regarding the geometrical and dielectric properties of the dechirper. As a last step, a prototype dechirper is introduced. The results of experiments carried out with this prototype are presented and compared to simulations performed with the developed programme.Diese Arbeit stellt eine ausführliche Studie der Eigenschaften eines bestimmten Dechirper-Typs: des rechteckigen, mit Dielektrika beschichteten Wellenleiters, dar. Ein semi-analytisches Modell des Dechirpers wird entwickelt und in Python implementiert. Mithilfe dieses Programms werden Parameterstudien zu den geometrischen und dielektrischen Eigenschaften des Dechirpers durchgeführt. Als letzter Schritt wird ein Dechirper-Prototyp vorgestellt. Experimente, die mit diesem Prototypen durchgeführt wurden, werden präsentiert und mit Simulationen des entwickelten Programms verglichen