Radar systems for the water resources mission, volume 2

The application of synthetic aperture radar (SAR) in monitoring and managing earth resources was examined. The function of spaceborne radar is to provide maps and map imagery to be used for earth resource and oceanographic applications. Spaceborne radar has the capability of mapping the entire United States regardless of inclement weather; however, the imagery must have a high degree of resolution to be meaningful. Attaining this resolution is possible with the SAR system. Imagery of the required quality must first meet mission parameters in the following areas: antenna patterns, azimuth and range ambiguities, coverage, and angle of incidence

Subsurface sounders

Airborne or spaceborne electromagnetic systems used to detect subsurface features are discussed. Data are given as a function of resistivity of ground material, magnetic permeability of free space, and angular frequency. It was noted that resistivities vary with the water content and temperature

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

Array of sensors: A spatiotemporal-state-space model for target trajectory tracking

In this paper, with the objective of tracking the trajectory of multiple mobile targets, a novel spatiotemporal-state-space model is introduced for an array of sensors distributed in space. Under the wideband assumption, the proposed model incorporates the array geometry in conjunction with crucial target parameters namely (i) ranges, (ii) directions, (iii) velocities and (iv) associated Doppler effects. Computer simulation studies show some representative examples where the proposed model is utilised to track the locations of sources in space with a very high accuracy

OFDM Synthetic Aperture Radar Imaging with Sufficient Cyclic Prefix

The existing linear frequency modulated (LFM) (or step frequency) and random noise synthetic aperture radar (SAR) systems may correspond to the frequency hopping (FH) and direct sequence (DS) spread spectrum systems in the past second and third generation wireless communications. Similar to the current and future wireless communications generations, in this paper, we propose OFDM SAR imaging, where a sufficient cyclic prefix (CP) is added to each OFDM pulse. The sufficient CP insertion converts an inter-symbol interference (ISI) channel from multipaths into multiple ISI-free subchannels as the key in a wireless communications system, and analogously, it provides an inter-range-cell interference (IRCI) free (high range resolution) SAR image in a SAR system. The sufficient CP insertion along with our newly proposed SAR imaging algorithm particularly for the OFDM signals also differentiates this paper from all the existing studies in the literature on OFDM radar signal processing. Simulation results are presented to illustrate the high range resolution performance of our proposed CP based OFDM SAR imaging algorithm.Comment: This version has been accepted by IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 201

高精度3次元近距離レーダに関する研究

Tohoku University佐藤源之課

Application of advanced technology to space automation

Automated operations in space provide the key to optimized mission design and data acquisition at minimum cost for the future. The results of this study strongly accentuate this statement and should provide further incentive for immediate development of specific automtion technology as defined herein. Essential automation technology requirements were identified for future programs. The study was undertaken to address the future role of automation in the space program, the potential benefits to be derived, and the technology efforts that should be directed toward obtaining these benefits

Radar systems for the water resources mission. Volume 4: Appendices E-I

The use of a scanning antenna beam for a synthetic aperture system was examined. When the resolution required was modest, the radar did not use all the time the beam was passing a given point on the ground to build a synthetic aperture, so time was available to scan the beam to other positions and build several images at different ranges. The scanning synthetic-aperture radar (SCANSAR) could achieve swathwidths of well over 100 km with modest antenna size. Design considerations for a SCANSAR for hydrologic parameter observation are presented. Because of the high sensitivity to soil moisture at angles of incidence near vertical, a 7 to 22 deg swath was considered for that application. For snow and ice monitoring, a 22 to 37 deg scan was used. Frequencies from X-band to L-band were used in the design studies, but the proposed system operated in C-band at 4.75 GHz. It achieved an azimuth resolution of about 50 meters at all angles, with a range resolution varying from 150 meters at 7 deg to 31 meters at 37 deg. The antenna required an aperture of 3 x 4.16 meters, and the average transmitter power was under 2 watts