Techniques for ground moving target detection and velocity estimation with multi-channel Synthetic Aperture Radars (SAR)

The main objective of this thesis is the study of a relatively new detection and velocity estimation technique for moving targets in sea scenarios. A Constant False Alarm (CFAR) detector based on fractional Fourier transform and on Displaced Phase Center Antenna (DPCA) has been implemented. For velocity estimation Along-Track interferometry (ATI) and, again, the fractional Fourier transform are used. Additional virtual channels are also studied in addition to standar 2 real channel receiving system. The aim of the thesis is to understand through simulations if such a technique provides improved velocity estimation combined with the detection based on the fractional Fourier transform. L'obiettivo principale di questa tesi è lo studio e l'implementazione nel simulatore della Università Politecnica della Catalogna di una tecnica relativamente nuova di identificazione di oggetti in movimento sulla superficie marina e la stima della velocità. E' stato implementato un identificatore a falso allarme costante basato nella trasformata frazionaria di Fourier. Per la stima della velocità si sono utilizzati l' ATI (Along Track Interferometry) e nuovamente la trasformata frazionaria di Fourier. Si sono anche implementati dei canali virtuali addizionali rispetto ai soli 2 standard canali reali in ricezione. Lo scopo della tesi è di capire attraverso le simulazioni se queste tecniche forniscono una migliore stima della velocità rispetto ad altre tecniche più classich

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

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

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

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

The InflateSAR Campaign: Testing SAR Vessel Detection Systems for Refugee Rubber Inflatables

Countless numbers of people lost their lives at Europe’s southern borders in recent years in the attempt to cross to Europe in small rubber inflatables. This work examines satellite-based approaches to build up future systems that can automatically detect those boats. We compare the performance of several automatic vessel detectors using real synthetic aperture radar (SAR) data from X-band and C-band sensors on TerraSAR-X and Sentinel-1. The data was collected in an experimental campaign where an empty boat lies on a lake’s surface to analyse the influence of main sensor parameters (incidence angle, polarization mode, spatial resolution) on the detectability of our inflatable. All detectors are implemented with a moving window and use local clutter statistics from the adjacent water surface. Among tested detectors are well-known intensity-based (CA-CFAR), sublook-based (sublook correlation) and polarimetric-based (PWF, PMF, PNF, entropy, symmetry and iDPolRAD) approaches. Additionally, we introduced a new version of the volume detecting iDPolRAD aimed at detecting surface anomalies and compare two approaches to combine the volume and the surface in one algorithm, producing two new highly performing detectors. The results are compared with receiver operating characteristic (ROC) curves, enabling us to compare detectors independently of threshold selection

Satellite remote sensing for ice sheet research

Potential research applications of satellite data over the terrestrial ice sheets of Greenland and Antarctica are assessed and actions required to ensure acquisition of relevant data and appropriate processing to a form suitable for research purposes are recommended. Relevant data include high-resolution visible and SAR imagery, infrared, passive-microwave and scatterometer measurements, and surface topography information from laser and radar altimeters