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

High Speed Dim Air Target Detection Using Airborne Radar under Clutter and Jamming Effects

The challenging potential problems associated with using airborne radar in detection of high Speed Maneuvering Dim Target (HSMDT) are the highly noise, jamming and clutter effects. The problem is not only how to remove clutter and jamming as well as the range migration and Doppler ambiguity estimation problems due to high relative speed between the targets and airborne radar. Some of the recently published works ignored the range migration problems, while the others ignored the Doppler ambiguity estimation. In this paper a new hybrid technique using Optimum Space Time Adaptive Processing (OSTAP), Second Order Keystone Transform (SOKT), and the Improved Fractional Radon Transform (IFrRT) was proposed. The OSTAP was applied as anti-jamming and clutter rejection method, the SOKT corrects the range curvature and part of the range walk, then the IFrRT estimates the target’ radial acceleration and corrects the residual range walk. The simulation demonstrates the validity and effectiveness of the proposed technique, and its advantages over the previous researches by comparing its probability of detection with the traditional methods. The new approach increases the probability of detection, and also overcomes the limitation of Doppler frequency ambiguity

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

Synthetic Aperture Radar: Rapid Detection of Target Motion in Matlab

Synthetic Aperture Radar (SAR) has come into widespread use in several civilian and military applications. The focus of this paper is the military application of imaging point targets captured by an airborne SAR platform. Using the traditional SAR method of determining target motion by analyzing the difference between subsequent images takes a relatively large amount of processing resources. Using methods in this thesis, target motion can be estimated before even a single image is obtained, reducing the amount of time and power used by a significantly large amount. This thesis builds on work done by Brain Zaharri and David So. Brain Zaharri successfully created a SAR simulation that accurately models the airborne SAR system capturing data of a target space using the Range Doppler Algorithm (RDA). David So extended this work by adding functionality to determine target velocity in the range and azimuth directions by processing the intermittent data created by the several steps of Brian Zaharri’s simulation. This thesis shows further extensions of processing the intermittent data using unique methods. The methods in this thesis successfully demonstrate the ability to quickly and accurately estimate target position, velocity, and acceleration without the need for using multiple SAR images. Target motion in the range direction is detected without using any part of the RDA, while the azimuth direction cuts out several steps, including the range compression phase and the range cell migration correction. Removing these unneeded processing steps dramatically decreases target motion data acquisition time. Both Brian Zaharri’s and David So’s work, along with this thesis, are part of the Cal Poly SAR Automatic Target Recognition (ATR) group of projects, which is sponsored by Raytheon Space & Airborne Systems Division. Because U.S. military SAR data remains classified, the Cal Poly SAR ATR projects addresses the need to educate researchers on the processing of SAR data

Remote Vibration Estimation Using Displaced-Phase-Center Antenna SAR for Strong Clutter Environments

It has been previously demonstrated that it is possible to perform remote vibrometry using synthetic aperture radar (SAR) in conjunction with the discrete fractional Fourier transform (DFrFT). Specifically, the DFrFT estimates the chirp parameters (related to the instantaneous acceleration of a vibrating object) of a slow-time signal associated with the SAR image. However, ground clutter surrounding a vibrating object introduces uncertainties in the estimate of the chirp parameter retrieved via the DFrFT method. To overcome this shortcoming, various techniques based on subspace decomposition of the SAR slow-time signal have been developed. Nonetheless, the effectiveness of these techniques is limited to values of signal-to-clutter ratio ≥5 dB. In this paper, a new vibrometry technique based on displaced-phase-center antenna (DPCA) SAR is proposed. The main characteristic of a DPCA-SAR is that the clutter signal can be canceled, ideally, while retaining information on the instantaneous position and velocity of a target. In this paper, a novel method based on the extended Kalman filter (EKF) is introduced for performing vibrometry using the slow-time signal of a DPCA-SAR. The DPCA-SAR signal model for a vibrating target, the mathematical characterization of the EKF technique, and vibration estimation results for various types of vibration dynamics are presented