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

Opportunistic radar imaging using a multichannel receiver

Bistatic Synthetic Aperture Radars have a physically separated transmitter and receiver where one or both are moving. Besides the advantages of reduced procurement and maintenance costs, the receiving system can sense passively while remaining covert which offers obvious tactical advantages. In this work, spaceborne monostatic SARs are used as emitters of opportunity with a stationary ground-based receiver. The imaging mode of SAR systems over land is usually a wide-swath mode such as ScanSAR or TOPSAR in which the antenna scans the area of interest in range to image a larger swath at the expense of degraded cross-range resolution compared to the conventional stripmap mode. In the bistatic geometry considered here, the signals from the sidelobes of the scanning beams illuminating the adjacent sub-swath are exploited to produce images with high cross-range resolution from data obtained from a SAR system operating in wide-swath mode. To achieve this, the SAR inverse problem is rigorously formulated and solved using a Maximum A Posteriori estimation method providing enhanced cross-range resolution compared to that obtained by classical burst-mode SAR processing. This dramatically increases the number of useful images that can be produced using emitters of opportunity. Signals from any radar satellite in the receiving band of the receiver can be used, thus further decreasing the revisit time of the area of interest. As a comparison, a compressive sensing-based method is critically analysed and proves more sensitive to off-grid targets and only suited to sparse scene. The novel SAR imaging method is demonstrated using simulated data and real measurements from C-band satellites such as RADARSAT-2 and ESA’s satellites ERS-2, ENVISAT and Sentinel-1A. In addition, this thesis analyses the main technological issues in bistatic SAR such as the azimuth-variant characteristic of bistatic data and the effect of imperfect synchronisation between the non-cooperative transmitter and the receiver

Ocean Remote Sensing with Synthetic Aperture Radar

The ocean covers approximately 71% of the Earth’s surface, 90% of the biosphere and contains 97% of Earth’s water. The Synthetic Aperture Radar (SAR) can image the ocean surface in all weather conditions and day or night. SAR remote sensing on ocean and coastal monitoring has become a research hotspot in geoscience and remote sensing. This book—Progress in SAR Oceanography—provides an update of the current state of the science on ocean remote sensing with SAR. Overall, the book presents a variety of marine applications, such as, oceanic surface and internal waves, wind, bathymetry, oil spill, coastline and intertidal zone classification, ship and other man-made objects’ detection, as well as remotely sensed data assimilation. The book is aimed at a wide audience, ranging from graduate students, university teachers and working scientists to policy makers and managers. Efforts have been made to highlight general principles as well as the state-of-the-art technologies in the field of SAR Oceanography

A moving target velocity estimation method based on the MC-MASA SAR mode

Imaging position shift based on the multiple azimuth squint angles (MASA) mode is effective for target azimuth velocity estimation, whereas accuracy is low when target range velocity is high. In this paper, the estimation problem for both target azimuth and range velocities is considered based on the multi-channels MASA (MC-MASA) mode. Firstly, the acquisition geometry of MC-MASA mode and Doppler characteristics of a moving target are analyzed in detail, especially in squint mode. Then, for better moving target estimation, the stationary background clutter is removed using the displacement phase center antenna (DPCA) technique, and the failure in range velocity estimation with sequential SAR images is also discussed. Furthermore, a modified along-track interferometry (ATI) is proposed to preliminarily reconstruct the azimuth-and-range velocity map based on the MC-MASA mode. Since the velocity estimation accuracy is dependent on squint angle and signal-to-clutter ratio (SCR), the circumstances are divided into three cases with different iteration estimation strategies, which could expand the scene application scope of velocity estimation and achieve a high estimation accuracy along both azimuth and range directions. Finally, the performance of the proposed method is demonstrated by experimental results

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

High-accuracy digital elevation model generation and ship monitoring from synthetic aperture radar images: innovative techniques and experimental results.

In this Thesis several state-of-the-art and innovative techniques for Digital Elevation Model (DEM) generation from Synthetic Aperture Radar (SAR) images are deeply analyzed, with a special focus on the methods which allow the improvement of the accuracy of the DEM product, which is directly related to the geolocation accuracy of geocoded images and is considered as an enabling factor for a large series of civilian and Defence applications. Furthermore, some of the proposed techniques, which are based both on phase and amplitude information, are experimented on real data, i.e. COSMO-SkyMed (CSK) data, assessing the achievable performances compared with the state-of-the-art, and pointing out and quantitatively highlighting the acquisition and processing strategies which would allow to maximize the quality of the results. Moreover, a critical analysis is performed about the main errors affecting the applied techniques, as well as the limitations of the orbital configurations, identifying several complementary techniques which would allow to overcome or mitigate the observed drawbacks. An innovative procedure for on-demand DEM production from CSK SAR data is elaborated and proposed, as well as an auto-validation technique which would enable the validation of the produced DEM also where vertical ground truths are not available. Based on the obtained results and on the consequent critical analysis, several interferometric specifications for new generation SAR satellites are identified. Finally, a literature review is proposed about the main state-of-the-art ship monitoring techniques, considered as one of the main fields of application which takes benefit from SAR data, based on single/multi-platform multi-channel SAR data, with a focus on TanDEM-X (TDX). In particular, in Chapter 1 the main concepts concerning SAR operating principles are introduced and the main characteristics and performances of CSK and TDX satellite systems are described; in Chapter 2 a review is proposed about the state-of-the-art SAR interferometric techniques for DEM generation, analyzing all the relevant processing steps and deepening the study of the main solutions recently proposed in the literature to increase the accuracy of the interferometric processing; in Chapter 3 complementary and innovative techniques respect to the interferometric processing are analyzed to mitigate disadvantages and to improve performances; in Chapter 4 experimental results are presented, obtained in the generation of high accuracy DEM by applying to a dataset of CSK images properly selected state-of-the-art interferometric techniques and innovative methods to improve DEM accuracy, exploring relevant limitations, and pointing out innovative acquisition and processing strategies. In Chapter 5, the basic principles of Ground Moving Target Indication (GMTI) are described, focusing on Displaced Phase Center Antenna (DPCA) and Along-Track Interferometry (ATI) techniques

Ground moving target indication with synthetic aperture radars for maritime surveillance

The explosive growth of shipping traffic all over the World, with around three quarters of the total trade goods and crude oil transported by sea, has raised newly emerging concerns (economical, ecological, social and geopolitical). Geo-information (location and speed) of ocean-going vessels is crucial in the maritime framework, playing a key role in the related environmental monitoring, fisheries management and maritime/coastal security. In this scenario space-based synthetic aperture radar (SAR) remote sensing is a potential tool for globally monitoring the oceans and seas, providing two-dimensional high-resolution imaging capabilities in all-day and all-weather conditions. The combination of ground moving target indication (GMTI) modes with multichannel spaceborne SAR systems represents a powerful apparatus for surveillance of maritime activities. The level of readiness of such a technology for road traffic monitoring is still low, and for the marine scenario is even less mature. Some of the current space-based SAR missions include an experimental GMTI mode with reduced detection capabilities, especially for small and slow moving targets. In this framework, this doctoral dissertation focuses on the study and analysis of the GMTI limitations of current state-of-the-art SAR missions when operating over maritime scenarios and the proposal of novel and optimal multichannel SAR-GMTI architectures, providing subclutter visibility of small (reduced reflectivity) slow moving vessels. This doctoral activity carries out a transversal analysis embracing system-architecture proposal and optimization, processing strategies assessment, performance evaluation, sea/ocean clutter characterization and adequate calibration methodologies suggestion. Firstly, the scarce availability of multichannel SAR-GMTI raw data and the related restrictions to access it have raised the need to implement flexible simulation tools for SAR-GMTI performance evaluation and mission. These simulation tools allow the comparative study and evaluation of the SAR-GMTI mode operated with current SAR missions, showing the reduced ability of these missions to detect small and slow boats in subclutter visibility. Improved performance is achieved with the new multichannel architecture based on non-uniformly distributed receivers (with external deployable antennas), setting the ground for future SAR-GMTI mission development. Some experimental multichannel SAR-GMTI data sets over the sea and acquired with two instruments, airborne F-SAR and spaceborne TerraSAR-X (TSX) platforms, have been processed to evaluate their detection capabilities as well as the adequate processing strategies (including channel balancing). This doctoral activity presents also a preliminary characterization of the sea clutter returns imaged by the spaceborne TSX instrument in a three-level basis, i.e., radiometric, statistical and polarimetric descriptions using experimental polarimetric data. This study has shown that the system-dependent limitations, such as thermal noise and temporal decorrelation, play a key role in the appropriate interpretation of the data and so should be properly included in the physical backscattering models of the sea. Current and most of the upcoming SAR missions are based on active phase array antennas (APAA) technology for the operation of multiple modes of acquisitions. The related calibration is a complex procedure due to the high number of different beams to be operated. Alternative internal calibration methodologies have been proposed and analyzed in the frame of this doctoral thesis. These approaches improved the radiometric calibration performance compared to the conventional ones. The presented formulation of the system errors as well as the proposed alternative strategies set the path to extrapolate the analysis for multichannel SAR systems.L'increment continu del tràfic marítim arreu del món, amb gairebé tres quartes parts del total de mercaderies i cru transportats per mar, porta associats uns impactes canviants a nivell econòmic, ambiental, social i geopolític. La geo-informació (localització i velocitat) dels vaixells té un paper fonamental en el monitoratge ambiental, la gestió de la pesca i la seguretat marítima/costanera. Els radars d'obertura sintètica (SAR, sigles en anglès) embarcats en satèl·lits són una eina molt potent per al monitoratge global dels oceans i dels mars, gràcies a la seva capacitat de generar imatges d'alta resolució amb independència de les condicions meteorològiques i de la llum solar. La detecció de blancs mòbils terrestres (GMTI, sigles en anglès) combinada amb sistemes multicanal SAR és fonamental per a la vigilància de les activitats marítimes. El nivell de maduresa d'aquesta tecnologia per monitorar tràfic rodat és baix, però per al cas marítim encara ho és més. Algunes missions SAR orbitals inclouen el mode GMTI, però amb unes capacitats de detecció reduïdes, especialment per a blancs petits i lents. En aquest marc, la tesi doctoral es centra en l'estudi i anàlisi de les limitacions GMTI dels actuals sistemes SAR operant en entorns marítims, proposant noves configuracions SAR-GMTI multicanal optimitzades per a la detecció de vaixells petits (emmascarats pels retrons radar del mar) i que es mouen lentament. La present dissertació doctoral du a terme un estudi transversal que abasta des de la proposta i optimització de sistemes/configuracions, passant per l'avaluació de les tècniques de processat, fins a l'estudi del rendiment de la missió, caracterització del mar i la valoració de noves metodologies de calibratge. En primer terme, diverses eines de simulació flexibles s'han implementat per poder avaluar les capacitats GMTI de diferents missions tenint en compte la poca disponibilitat de dades multicanal SAR-GMTI. Aquests simuladors permeten l'estudi comparatiu de les capacitats GMTI de les missions SAR orbitals actuals, demostrant les seves reduïdes opcions per identificar vaixells emmascarats pels retorns del mar. En el marc de l'activitat de recerca s'han processat dades experimentals SAR-GMTI multicanal de sistemes aeris (F-SAR) i orbitals (TerraSAR-X), per tal d'avaluar les seves capacitats de detecció de blancs mòbils sobre entorns marítims, proposant les estratègies de processat i calibratge més adients. Com a part de l'activitat de recerca doctoral, s'ha portat a terme una caracterització preliminar dels retorns radar del mar adquirits amb el sensor orbital TerraSAR-X, amb tres nivells d'anàlisi (radiomètric, estadístic i polarimètric). Aquest estudi demostra que aspectes com el soroll tèrmic i la decorrelació temporal, dependents del propi sensor i de l'entorn dinàmic del mar, poden limitar la correcta interpretació de les dades, i per tant, s'han d'incloure en els models físics dels mecanismes de dispersió del mar. Les missions SAR tant actuals com futures es basen en l'explotació de la tecnologia de les agrupacions d'antenes de fase activa (APAA) per operar diferents modes d'adquisició. El procés de calibratge associat és molt complex atès el gran nombre de feixos que es poden utilitzar. En el marc de la tesi doctoral s'han proposat i avaluat metodologies alternatives de calibratge intern per aquests sistemes, amb un millor rendiment en comparació amb les tècniques convencionals. Aquestes estratègies de calibratge, juntament amb la corresponent formulació dels errors de sistema, estableixen les bases per a l'estudi i avaluació en sistemes multicanal SA

Oil spill and ship detection using high resolution polarimetric X-band SAR data

Among illegal human activities, marine pollution and target detection are the key concern of Maritime Security and Safety. This thesis deals with oil spill and ship detection using high resolution X-band polarimetric SAR (PolSAR). Polarimetry aims at analysing the polarization state of a wave field, in order to obtain physical information from the observed object. In this dissertation PolSAR techniques are suggested as improvement of the current State-of-the-Art of SAR marine pollution and target detection, by examining in depth Near Real Time suitability

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