Contribution to ground-based and UAV SAR systems for Earth observation

Mankind's way of life is the main driver of a planetary-scale change that is marked by the growing of human population's demand of energy, food, goods, services and information. As a result, it have emerged new ecological, economical, social and geopolitical concerns. In this scenario, SAR remote sensing is a potential tool that provides unique information about the Earth's properties and processes that can be used to solve societal challenges of local and global dimension. SARs, which are coherent systems that are able to provide high resolution images with weather independence, represent a suitable alternative for EO with diverse applications. Some examples of SAR application areas are topography (DEM generation with interferometry), agriculture (crop classification or soil moisture), or geology (monitoring surface deformation). In this framework, the encompassing objective of the present doctoral work has been part of the implementation and the subsequent evaluation of capabilities of two X-band SAR sensors. On the one hand, the RISKSAR-X radar designed to be operated at ground to monitor small-scale areas of observation and, on the other, the ARBRES-X sensor designed to be integrated into small UAVs. Despite its inherently dissimilar conception, the concurrence of both sensors has been evidenced along this manuscript. By taking advantage of the similarities between them, it has been possible to analogously assess both sensors to obtain conclusions. In this context, the common link has been the development of the polarimetric OtF operation mode of the RISKSAR-X, allowing this sensor to be operated equivalently to the ARBRES-X. Regarding the RISKSAR-X SAR sensor, several hardware contributions have been developed during part of this Ph.D. with the aim of improving the system performance. By endowing the system with the capability to operate in the fully polarimetric OtF acquisition mode, the relative long scanning time has been reduced. It is of great interest since the measured scatterers that present a short term variable reflectivity during the scanning time, such as moving vegetation, may degrade the extracted parameters from the retrieved data and the SAR image reconstruction. During this doctoral activity, it has been studied the image blurring, the decorrelation and the coherence degradation introduced by this effect. Furthermore, a new term in the differential interferometric coherence that takes into account the image blurring has been introduced. Concerning the ARBRES-X SAR system, one of the main objectives pursued during this Ph.D. has been the integration of the sensor into a small UAV MP overcoming restrictions of weight, size and aerodynamics of the platform. The use of this type of platforms is expected to open up new possibilities in airborne SAR remote sensing, since it offers much more versatility than the commonly used fixed wings UAVs. Different innovative flight strategies with this type of platforms have been assessed and some preliminary results have been obtained with the use of the ARBRES-X SAR system. During the course of the present doctoral work, much effort has been devoted to achieve the first experimental repeat-pass interfereometric results obtained with the UAV MP together with the ARBRES-X. Moreover, the sensor has been endowed with fully polarimetric capabilities by applying the improvements developed to the RISKSAR-X radar, which is another example of the duality between both systems. Finally, a vertical and a semicircular aperture have been successfully performed obtaining SLC images of the scenario, which envisages the capability of the UAV MP to perform tomographic images and complete circular apertures in the future. In conclusion, the UAV MP is a promising platform that opens new potentials for several applications, such as repeat-pass interferometry or differential tomography imaging with the realization of almost arbitrary trajectories.El mode de viure de la humanitat és el principal motor d'un canvi a escala planetària que està marcat per la creixent demanda d'energia, d'aliment, de béns, de serveis i d'informació de les poblacions humanes. Com a resultat, han sorgit noves inquietuds ecològiques, econòmiques, socials i geopolítiques. En aquest escenari, la detecció remota SAR és una eina potencial que proporciona informació única sobre les propietats i processos de la Terra que es pot utilitzar per resoldre reptes socials de dimensió local i global. Els SARs, que són sistemes coherents que poden proporcionar imatges d'alta resolució amb independència del temps, representen una alternativa adequada per a l'observació de la Terra. Alguns exemples d'àrees d'aplicació SAR són la topografia (generació de DEM amb interferometria), l'agricultura (classificació de cultius o humitat del sòl) o la geologia (monitoratge de deformació superficial). En aquest context, l'objectiu general del present doctorat ha estat part de la implementació i posterior avaluació de les capacitats de dos sensors SAR de banda X. D'una banda, el radar RISKSAR-X dissenyat per funcionar a terra i monitoritzar àrees d'observació a petita escala i, d'altra, el sensor ARBRES-X dissenyat per ser integrat en petits UAVs. Malgrat la seva concepció inherentment diferent, la concurrència d'ambdós sensors s'ha evidenciat al llarg d'aquest manuscrit. Aprofitant les similituds entre ells, s'han pogut avaluar de forma anàloga els dos sensors per obtenir conclusions. En aquest sentit, el vincle comú ha estat el desenvolupament del mode de funcionament polimètric OtF del RISKSAR-X, permetent que aquest sensor operi de forma equivalent a l'ARBRES-X. Pel que fa al sensor RISKSAR-X, s'han desenvolupat diverses contribucions hardware durant part d'aquest doctorat amb l'objectiu de millorar el rendiment del sistema. En dotar el sistema de la possibilitat d'operar en el mode d'adquisició totalment polarimètric OtF, s'ha reduït el relatiu llarg temps d'escaneig. Això és de gran interès ja que els blancs mesurats que presenten una reflectivitat variable a curt termini, com ara la vegetació en moviment, poden degradar els paràmetres extrets de les dades recuperades i la reconstrucció d'imatges SAR. Durant aquesta activitat doctoral s'ha estudiat el desenfocat de la imatge, la decorrelació i la degradació de la coherència introduïts per aquest efecte. A més, s'ha introduït un nou terme en la coherència interferomètrica diferencial que té en compte el desenfocat de la imatge. Pel que fa al sistema ARBRES-X, un dels principals objectius perseguits durant aquest doctorat ha estat la integració del sensor en un petit UAV MP superant les restriccions de pes, grandària i aerodinàmica de la plataforma. S'espera que l'ús d'aquest tipus de plataformes obri noves possibilitats en la detecció remota SAR aerotransportada, ja que ofereix molta més versatilitat que els UAV d'ales fixes habituals. S'han avaluat diferents estratègies de vol innovadores amb aquest tipus de plataformes i s'han obtingut resultats preliminars amb l'ús del sistema ARBRES-X. Durant el transcurs del present treball, s'ha dedicat molt esforç a assolir els primers resultats experimentals d'interferometria de múltiple passada obtinguts amb l'UAV MP conjuntament amb l'ARBRES-X. A més, el sensor ha estat dotat de capacitats totalment polarimètriques aplicant les millores desenvolupades al radar RISKSAR-X, el qual constitueix un altre exemple de la dualitat entre ambdós sistemes. Finalment, s'han realitzat amb èxit una apertura vertical i semicircular obtenint imatges SLC de l'escenari, el qual permet preveure la capacitat de l'UAV MP per a realitzar imatges tomogràfiques i apertures circulars completes en el futur. En conclusió, l'UAV MP és una plataforma prometedora que obre nous potencials per a diverses aplicacions, com ara la interferometria de múltiple passada o la tomografia diferencial amb la realització de trajectòries gairebé arbitràries

Contribution to ground-based and UAV SAR systems for Earth observation

Mankind's way of life is the main driver of a planetary-scale change that is marked by the growing of human population's demand of energy, food, goods, services and information. As a result, it have emerged new ecological, economical, social and geopolitical concerns. In this scenario, SAR remote sensing is a potential tool that provides unique information about the Earth's properties and processes that can be used to solve societal challenges of local and global dimension. SARs, which are coherent systems that are able to provide high resolution images with weather independence, represent a suitable alternative for EO with diverse applications. Some examples of SAR application areas are topography (DEM generation with interferometry), agriculture (crop classification or soil moisture), or geology (monitoring surface deformation). In this framework, the encompassing objective of the present doctoral work has been part of the implementation and the subsequent evaluation of capabilities of two X-band SAR sensors. On the one hand, the RISKSAR-X radar designed to be operated at ground to monitor small-scale areas of observation and, on the other, the ARBRES-X sensor designed to be integrated into small UAVs. Despite its inherently dissimilar conception, the concurrence of both sensors has been evidenced along this manuscript. By taking advantage of the similarities between them, it has been possible to analogously assess both sensors to obtain conclusions. In this context, the common link has been the development of the polarimetric OtF operation mode of the RISKSAR-X, allowing this sensor to be operated equivalently to the ARBRES-X. Regarding the RISKSAR-X SAR sensor, several hardware contributions have been developed during part of this Ph.D. with the aim of improving the system performance. By endowing the system with the capability to operate in the fully polarimetric OtF acquisition mode, the relative long scanning time has been reduced. It is of great interest since the measured scatterers that present a short term variable reflectivity during the scanning time, such as moving vegetation, may degrade the extracted parameters from the retrieved data and the SAR image reconstruction. During this doctoral activity, it has been studied the image blurring, the decorrelation and the coherence degradation introduced by this effect. Furthermore, a new term in the differential interferometric coherence that takes into account the image blurring has been introduced. Concerning the ARBRES-X SAR system, one of the main objectives pursued during this Ph.D. has been the integration of the sensor into a small UAV MP overcoming restrictions of weight, size and aerodynamics of the platform. The use of this type of platforms is expected to open up new possibilities in airborne SAR remote sensing, since it offers much more versatility than the commonly used fixed wings UAVs. Different innovative flight strategies with this type of platforms have been assessed and some preliminary results have been obtained with the use of the ARBRES-X SAR system. During the course of the present doctoral work, much effort has been devoted to achieve the first experimental repeat-pass interfereometric results obtained with the UAV MP together with the ARBRES-X. Moreover, the sensor has been endowed with fully polarimetric capabilities by applying the improvements developed to the RISKSAR-X radar, which is another example of the duality between both systems. Finally, a vertical and a semicircular aperture have been successfully performed obtaining SLC images of the scenario, which envisages the capability of the UAV MP to perform tomographic images and complete circular apertures in the future. In conclusion, the UAV MP is a promising platform that opens new potentials for several applications, such as repeat-pass interferometry or differential tomography imaging with the realization of almost arbitrary trajectories.El mode de viure de la humanitat és el principal motor d'un canvi a escala planetària que està marcat per la creixent demanda d'energia, d'aliment, de béns, de serveis i d'informació de les poblacions humanes. Com a resultat, han sorgit noves inquietuds ecològiques, econòmiques, socials i geopolítiques. En aquest escenari, la detecció remota SAR és una eina potencial que proporciona informació única sobre les propietats i processos de la Terra que es pot utilitzar per resoldre reptes socials de dimensió local i global. Els SARs, que són sistemes coherents que poden proporcionar imatges d'alta resolució amb independència del temps, representen una alternativa adequada per a l'observació de la Terra. Alguns exemples d'àrees d'aplicació SAR són la topografia (generació de DEM amb interferometria), l'agricultura (classificació de cultius o humitat del sòl) o la geologia (monitoratge de deformació superficial). En aquest context, l'objectiu general del present doctorat ha estat part de la implementació i posterior avaluació de les capacitats de dos sensors SAR de banda X. D'una banda, el radar RISKSAR-X dissenyat per funcionar a terra i monitoritzar àrees d'observació a petita escala i, d'altra, el sensor ARBRES-X dissenyat per ser integrat en petits UAVs. Malgrat la seva concepció inherentment diferent, la concurrència d'ambdós sensors s'ha evidenciat al llarg d'aquest manuscrit. Aprofitant les similituds entre ells, s'han pogut avaluar de forma anàloga els dos sensors per obtenir conclusions. En aquest sentit, el vincle comú ha estat el desenvolupament del mode de funcionament polimètric OtF del RISKSAR-X, permetent que aquest sensor operi de forma equivalent a l'ARBRES-X. Pel que fa al sensor RISKSAR-X, s'han desenvolupat diverses contribucions hardware durant part d'aquest doctorat amb l'objectiu de millorar el rendiment del sistema. En dotar el sistema de la possibilitat d'operar en el mode d'adquisició totalment polarimètric OtF, s'ha reduït el relatiu llarg temps d'escaneig. Això és de gran interès ja que els blancs mesurats que presenten una reflectivitat variable a curt termini, com ara la vegetació en moviment, poden degradar els paràmetres extrets de les dades recuperades i la reconstrucció d'imatges SAR. Durant aquesta activitat doctoral s'ha estudiat el desenfocat de la imatge, la decorrelació i la degradació de la coherència introduïts per aquest efecte. A més, s'ha introduït un nou terme en la coherència interferomètrica diferencial que té en compte el desenfocat de la imatge. Pel que fa al sistema ARBRES-X, un dels principals objectius perseguits durant aquest doctorat ha estat la integració del sensor en un petit UAV MP superant les restriccions de pes, grandària i aerodinàmica de la plataforma. S'espera que l'ús d'aquest tipus de plataformes obri noves possibilitats en la detecció remota SAR aerotransportada, ja que ofereix molta més versatilitat que els UAV d'ales fixes habituals. S'han avaluat diferents estratègies de vol innovadores amb aquest tipus de plataformes i s'han obtingut resultats preliminars amb l'ús del sistema ARBRES-X. Durant el transcurs del present treball, s'ha dedicat molt esforç a assolir els primers resultats experimentals d'interferometria de múltiple passada obtinguts amb l'UAV MP conjuntament amb l'ARBRES-X. A més, el sensor ha estat dotat de capacitats totalment polarimètriques aplicant les millores desenvolupades al radar RISKSAR-X, el qual constitueix un altre exemple de la dualitat entre ambdós sistemes. Finalment, s'han realitzat amb èxit una apertura vertical i semicircular obtenint imatges SLC de l'escenari, el qual permet preveure la capacitat de l'UAV MP per a realitzar imatges tomogràfiques i apertures circulars completes en el futur. En conclusió, l'UAV MP és una plataforma prometedora que obre nous potencials per a diverses aplicacions, com ara la interferometria de múltiple passada o la tomografia diferencial amb la realització de trajectòries gairebé arbitràries.Postprint (published version

A very high resolution X- and Ku-band field study of a barley crop in support of the SWINTOL Project

SAR Wave INteraction for Natural Targets Over Land (SWINTOL) is a project funded by the European Space Agency. The study’s goal is to better understand the interaction of high frequency radar (> X-band) with vegetation and soils, in order to drive the development of a high-frequency electromagnetic model to simulate SAR imagery at high resolution (< 1 m). Existing models work well at C and X band frequencies, but do not work properly at higher frequencies. Cranfield University’s role in this project was to provide the field data necessary for model validation and development. Radar imagery was taken of a barley crop over an entire growing season. The portable outdoor GB-SAR system used the tomographic profiling (TP) technique to capture polarimetric imagery of the crop. TP is a scheme that provides detailed maps of the vertical backscatter pattern through a crop canopy, along a narrow transect directly beneath the radar platform. Fully-polarimetric imagery was obtained across overlapping 6.5 GHz bandwidths over the X- and Ku-band frequency range 8-20 GHz. This gave the opportunity to see the detailed scattering behaviour within the crop at the plant component level, from emergence of the crop through to harvesting. In combination with the imagery, full bio-geophysical characterisation of the crop and soil was made on each measurement date. Surface roughness characterisation of the soil was captured using a 3D optical stereoscopic system. This work details the measurements made, and provides a comparative assessment of the results in terms of understanding the backscatter in relation to biophysical and radar parameters

Advanced pixel selection and optimization algorithms for Persistent Scatterer Interferometry (PSI)

Tesi amb diferents seccions retallades per dret de l'editorPremi Extraordinari de Doctorat, promoció 2018-2019. Àmbit de les TICGround deformation measurements can provide valuable information for minimization of associated loss and damage caused by natural and environmental hazards. As a kind of remote sensing technique, Persistent Scatterer Interferometry (PSI) SAR is able to measure ground deformation with high spatial resolution, efficiently. Moreover, the ground deformation monitoring accuracy of PSI techniques can reach up to millimeter level. However, low coherence could hinderthe exploitation of SAR data, and high-accuracy deformation monitoring can only be achieved by PSI for high quality pixels. Therefore, pixel optimization and identification of coherent pixels are crucial for PSI techniques. In this thesis, advanced pixel selection and optimization algorithms have been investigated. Firstly, a full-resolution pixel selection method based on the Temporal Phase Coherence (TPC) has been proposed. This method first estimates noise phase term of each pixel at interferogram level. Then, for each pixel, its noise phase terms of all interferograms are used to assess this pixel’s temporal phase quality (i.e., TPC). In the next, based on the relationship between TPC and phase Standard Deviation (STD), a threshold can be posed on TPC to identify high phase quality pixels. This pixel selection method can work with both Deterministic Scatterers (PSs) and Distributed Scatterers (DSs). To valid the effectiveness of the developed method, it has been used to monitor the Canillo (Andorra) landslide. The results show that the TPC method can obtained highest density of valid pixels among the employed three approaches in this challenging area with X-band SAR data. Second, to balance the polarimetric DInSAR phase optimization effect and the computation cost, a new PolPSI algorithm is developed. This proposed PolPSI algorithm is based on the Coherency Matrix Decomposition result to determine the optimal scattering mechanism of each pixel, thus it is named as CMD-PolPSI. CMDPolPSI need not to search for solution within the full space of solution, it is therefore much computationally faster than the classical Equal Scattering Mechanism (ESM) method, but with lower optimization performance. On the other hand, its optimization performance outperforms the less computational costly BEST method. Third, an adaptive algorithm SMF-POLOPT has been proposed to adaptive filtering and optimizing PolSAR pixels for PolPSI applications. This proposed algorithm is based on PolSAR classification results to firstly identify Polarimetric Homogeneous Pixels (PHPs) for each pixel, and at the same time classify PS and DS pixels. After that, DS pixels are filtered by their associated PHPs, and then optimized based on the coherence stability phase quality metric; PS pixels are unfiltered and directly optimized based on the DA phase quality metric. SMF-POLOPT can simultaneously reduce speckle noise and retain structures’ details. Meanwhile, SMF-POLOPT is able to obtain much higher density of valid pixels for deformation monitoring than the ESM method. To conclude, one pixel selection method has been developed and tested, two PolPSI algorithms have been proposed in this thesis. This work make contributions to the research of “Advanced Pixel Selection and Optimization Algorithms for Persistent Scatterer InterferometryLes mesures de deformació del sòl poden proporcionar informació valuosa per minimitzar les pèrdues i els danys associats causats pels riscos naturals i ambientals. Com a tècnica de teledetecció, la interferometria de dispersors persistents (Persistent Scatter Interferometry, PSI) SAR és capaç de mesurar de forma eficient la deformació del terreny amb una alta resolució espacial. A més, la precisió de monitorització de la deformació del sòl de les tècniques PSI pot arribar a arribar a nivells del mil·límetre. No obstant això, una baixa coherència pot dificultar l’explotació de dades SAR i el control de deformació d’alta precisió només es pot aconseguir mitjançant PSI per a píxels d’alta qualitat. Per tant, l’optimització de píxels i la identificació de píxels coherents són crucials en les tècniques PSI. En aquesta tesi s¿han investigat algorismes avançats de selecció i optimització de píxels. En primer lloc, s'ha proposat un mètode de selecció de píxels de resolució completa basat en la coherència temporal de fase (Temporal Phase Coherence, TPC). Aquest mètode estima per primera vegada el terme de fase de soroll de cada píxel a nivell d’interferograma. A continuació, per a cada píxel, s'utilitzen els termes de la fase de soroll de tots els interferogrames per avaluar la qualitat de fase temporal d'aquest píxel (és a dir, TPC). A la següent, basant-se en la relació entre el TPC i la desviació estàndard de fase (STD), es pot plantejar un llindar de TPC per identificar píxels de qualitat de fase alta. Aquest mètode de selecció de píxels es capaç de detectar tant els dispersors deterministes (PS) com els distribuïts (DS). Per validar l’eficàcia del mètode desenvolupat, s’ha utilitzat per controlar l’esllavissada de Canillo (Andorra). Els resultats mostren que el mètode TPC pot obtenir la major densitat de píxels vàlids, comparat amb els mètodes clàssics de selecció, en aquesta àrea difícil amb dades de SAR de banda X. En segon lloc, per equilibrar l’efecte d’optimització de fase DInSAR polarimètrica i el cost de càlcul, es desenvolupa un nou algorisme de PolPSI. Aquest algorisme proposat de PolPSI es basa en el resultat de la descomposició de la matriu de coherència per determinar el mecanisme de dispersió òptim de cada píxel, de manera que es denomina CMD-PolPSI. CMDPolPSI no necessita buscar solucions dins de l’espai complet de la solució, per tant, és molt més eficient computacionalment que el mètode clàssic de mecanismes d’igualtat de dispersió (Equal Scattering Mechanism, ESM), però amb un efecte d’optimització no tant òptim. D'altra banda, el seu efecte d'optimització supera el mètode BEST, el que te un menor cost computacional. En tercer lloc, s'ha proposat un algoritme adaptatiu SMF-POLOPT per al filtratge adaptatiu i l'optimització de píxels PolSAR per a aplicacions PolPSI. Aquest algorisme proposat es basa en els resultats de classificació PolSAR per identificar primer els píxels homogenis polarimètrics (PHP) per a cada píxel i, alhora, classificar els píxels PS i DS. Després d'això, els píxels DS es filtren pels seus PHP associats i, a continuació, s'optimitzen en funció de la mètrica de qualitat de la fase d'estabilitat de coherència; els píxels classificats com PS no es filtren i s'optimitzen directament en funció de la mètrica de qualitat de la fase DA. SMF-POLOPT pot reduir simultàniament el soroll de la fase interferomètrica i conservar els detalls de les estructures. Mentrestant, SMF-POLOPT aconsegueix obtenir una densitat molt més alta de píxels vàlids per al seguiment de la deformació que el mètode ESM. Per concloure, en aquesta tesi s’ha desenvolupat i provat un mètode de selecció de píxels, i s’han proposat dos algoritmes PolPSI. Aquest treball contribueix a la recerca en "Advanced Pixel Selection and Optimization Algorithms for Persistent Scatterer Interferometry"Postprint (published version

Development of a ground-based polarimetric broadband SAR system for noninvasive ground-truth validation in vegetation monitoring

Copyright © 2004 IEEEWe have developed a ground-based polarimetric broadband synthetic aperture radar (SAR) system for noninvasive ground-truth validation in polarimetric SAR remote sensing of terrestrial vegetation cover. This system consists of a vector network analyzer, one dual-polarized antenna, and an antenna positioner. It can be operated in a frequency range from 50 MHz to 20 GHz, with a scanning aperture of 20 m in the horizontal and 1.5 m in the vertical direction. Tests carried out with standard reflectors showed that the polarimetric measurement capabilities of this system are satisfactory. Using the polarimetric ground-based SAR (GB-SAR) system, we carried out measurements on a specific vegetation cover pertinent to the remote sensing of forested regions within Sendai City, consisting of three different kinds of trees common within the Kawauchi Campus of Tohoku University. Measurements were collected in spring, summer, and autumn. Three-dimensional (3-D) polarization-sensitive images were reconstructed from the acquired data. Analysis of the 3-D polarimetric images of each measurement found differences (at times strong differences) among the polarization signatures. There were stronger reflections in all of the HH, VH, VV images in the second (summer) measurement, especially in the VH image, due to the substantial growth of branches and leaves in summer. This ground-truth validation system provided valuable information about the scattering mechanisms of the three trees selected for analysis in different seasons, which can be detected by broadband polarimetric ground-based SAR measurements. The experimental results demonstrate the excellent polarimetric performance of the newly developed SAR imaging system, which should find many useful and immediate applications in noninvasive ground-truth validation of diverse terrestrial vegetation covers.Zheng-Shu Zhou, W.-M. Boerner and M. Sat

A Study of Types of Sensors used in Remote Sensing

Of late, the science of Remote Sensing has been gaining a lot of interest and attention due to its wide variety of applications. Remotely sensed data can be used in various fields such as medicine, agriculture, engineering, weather forecasting, military tactics, disaster management etc. only to name a few. This article presents a study of the two categories of sensors namely optical and microwave which are used for remotely sensing the occurrence of disasters such as earthquakes, floods, landslides, avalanches, tropical cyclones and suspicious movements. The remotely sensed data acquired either through satellites or through ground based- synthetic aperture radar systems could be used to avert or mitigate a disaster or to perform a post-disaster analysis

A Study of Types of Sensors used in Remote Sensing

Of late, the science of Remote Sensing has been gaining a lot of interest and attention due to its wide variety of applications. Remotely sensed data can be used in various fields such as medicine, agriculture, engineering, weather forecasting, military tactics, disaster management etc. only to name a few. This article presents a study of the two categories of sensors namely optical and microwave which are used for remotely sensing the occurrence of disasters such as earthquakes, floods, landslides, avalanches, tropical cyclones and suspicious movements. The remotely sensed data acquired either through satellites or through ground based- synthetic aperture radar systems could be used to avert or mitigate a disaster or to perform a post-disaster analysis

Bridge Monitoring Strategies for Sustainable Development with Microwave Radar Interferometry

The potential of a coherent microwave radar for infrastructure health monitoring has been investigated over the past decade. Microwave radar measuring based on interferometry processing is a non-invasive technique that can measure the line-of-sight (LOS) displacements of large infrastructure with sub-millimeter precision and provide the corresponding frequency spectrum. It has the capability to estimate infrastructure vibration simultaneously and remotely with high accuracy and repeatability, which serves the long-term serviceability of bridge structures within the context of the long-term sustainability of civil engineering infrastructure management. In this paper, we present three types of microwave radar systems employed to monitor the displacement of bridges in Japan and Italy. A technique that fuses polarimetric analysis and the interferometry technique for bridge monitoring is proposed. Monitoring results achieved with full polarimetric real aperture radar (RAR), step-frequency continuous-wave (SFCW)-based linear synthetic aperture, and multi-input multi-output (MIMO) array sensors are also presented. The results reveal bridge dynamic responses under different loading conditions, including wind, vehicular traffic, and passing trains, and show that microwave sensor interferometry can be utilized to monitor the dynamics of bridge structures with unprecedented spatial and temporal resolution. This paper demonstrates that microwave sensor interferometry with efficient, cost-effective, and non-destructive properties is a serious contender to employment as a sustainable infrastructure monitoring technology serving the sustainable development agenda

Differential interferometry for multi-frequency ground-based SAR systems

Ground-Based Synthetic Aperture Radars (GB-SAR) are a type of Synthetic Aperture Radars (SAR) with a higher flexibility and lower cost than their satellite counterparts. The effectiveness of GB-SAR terrain displacement monitoring has already been proven with bare soils. There is interest in studying their effectiveness in areas covered by vegetation. The Multi-Frequency GB-SAR system developed by Balamis is able to operate in bands X, C, L and P. A measurement campaign took place in the "Castell de Subirats" to study an area covered by vegetation. Two Trihedral Corner Reflectors (TCR) were placed in the area, one of them surrounded by vegetation. Can we consider the reflectors stable? A big Rock is present in the area but is covered by vegetation. Can it be used as natural reflector for low bands? Is it possible to monitor displacements in the reflectors in all bands? In X-band the reflectors are not stable because of the surrounding vegetation. In C-band the TCRs are stable. In L-band one of the TCR and the Rock are stable. In P-band only the Rock is stable. The Rock can be used as a reflector and a calibrator for bands L and P as those frequencies can penetrate vegetation. It is possible to monitor the displacements, except in band X because of the phase shifts caused by the vegetation.Los Radares de Apertura Sintética Terrestres (GB-SAR en inglés) son un tipo de Radares de Apertura Sintética (SAR) con una mayor flexibilidad y un coste más bajo que sus homólogos de satélite. La eficacia de la monitorización de desplazamientos del terreno con sistemas GB-SAR ya se ha demostrado con suelos desnudos. Hay interés por estudiar su efectividad en zonas cubiertas de vegetación. El sistema Multi-Frecuencia GB-SAR desarrollado por Balamis es capaz de operar en las bandas X, C, L y P. Se realizó una campaña de medida en el "Castillo de Subirats" para estudiar una zona cubierta de vegetación. Se colocaron en la zona dos Reflectores de Esquinas Triédricas (TCR), uno de ellos rodeado de vegetación. Podemos considerar los reflectores estables? Hay una gran Piedra presente en la zona pero está cubierta de vegetación. Se puede utilizar como reflector natural para bandas bajas? Es posible medir los desplazamientos en los reflectores en todas las bandas? En banda X, los reflectores no son estables debido a la vegetación circundante. En banda C, los TCR son estables. En banda L, uno de los TCR y la Piedra son estables. En banda P, sólo la Piedra es estable. La Piedra se puede utilizar como reflector y calibrador para las bandas L y P, ya que estas frecuencias pueden penetrar en la vegetación. Es posible medir los desplazamientos, excepto en banda X debido a las inestabilidades de fase provocadas por la vegetación.Els Radars d'Obertura Sintètica Terrestres (GB-SAR en anglès) són un tipus de Radars d'Obertura Sintètica (SAR) amb una major flexibilitat i un cost més baix que els seus homòlegs de satèl·lit. L'eficàcia de la monitorització de desplaçaments del terreny amb sistemes GB-SAR ja s'ha demostrat amb sòls nus. Hi ha interès per estudiar la seva efectivitat en zones cobertes de vegetació. El sistema Multi-Freqüència GB-SAR desenvolupat per Balamis és capaç d'operar a les bandes X, C, L i P. Es va realitzar una campanya de mesura al "Castell de Subirats" per estudiar una zona coberta de vegetació. Es van col·locar a la zona dos Reflectors de Cantonades Trièdriques (TCR), un d'ells envoltat de vegetació. Podem considerar els reflectors estables? Hi ha una gran Pedra present a la zona però està coberta de vegetació. Es pot utilitzar com a reflector natural per a bandes baixes? És possible mesurar els desplaçaments als reflectors a totes les bandes? A banda X, els reflectors no són estables a causa de la vegetació circumdant. A banda C, els TCR són estables. A banda L, un dels TCR i la Pedra són estables. A banda P, només la Pedra és estable. La Pedra es pot utilitzar com a reflector i calibrador per a les bandes L i P, ja que aquestes freqüències poden penetrar la vegetació. És possible mesurar els desplaçaments, excepte a la banda X a causa de les inestabilitats de fase provocades per la vegetació

Ground-based synthetic aperture radar (GBSAR) interferometry for deformation monitoring

Ph. D ThesisGround-based synthetic aperture radar (GBSAR), together with interferometry, represents a powerful tool for deformation monitoring. GBSAR has inherent flexibility, allowing data to be collected with adjustable temporal resolutions through either continuous or discontinuous mode. The goal of this research is to develop a framework to effectively utilise GBSAR for deformation monitoring in both modes, with the emphasis on accuracy, robustness, and real-time capability. To achieve this goal, advanced Interferometric SAR (InSAR) processing algorithms have been proposed to address existing issues in conventional interferometry for GBSAR deformation monitoring. The proposed interferometric algorithms include a new non-local method for the accurate estimation of coherence and interferometric phase, a new approach to selecting coherent pixels with the aim of maximising the density of selected pixels and optimizing the reliability of time series analysis, and a rigorous model for the correction of atmospheric and repositioning errors. On the basis of these algorithms, two complete interferometric processing chains have been developed: one for continuous and the other for discontinuous GBSAR deformation monitoring. The continuous chain is able to process infinite incoming images in real time and extract the evolution of surface movements through temporally coherent pixels. The discontinuous chain integrates additional automatic coregistration of images and correction of repositioning errors between different campaigns. Successful deformation monitoring applications have been completed, including three continuous (a dune, a bridge, and a coastal cliff) and one discontinuous (a hillside), which have demonstrated the feasibility and effectiveness of the presented algorithms and chains for high-accuracy GBSAR interferometric measurement. Significant deformation signals were detected from the three continuous applications and no deformation from the discontinuous. The achieved results are justified quantitatively via a defined precision indicator for the time series estimation and validated qualitatively via a priori knowledge of these observing sites.China Scholarship Council (CSC), Newcastle Universit