Optimized Nonuniform FFTs and Their Application to Array Factor Computation

We deal with developing an optimized approach for implementing nonuniform fast Fourier transform (NUFFT) algorithms under a general and new perspective for 1-D transformations. The computations of nonequispaced results, nonequispaced data, and Type-3 nonuniform discrete Fourier transforms are tackled in a unified way. They exploit “uniformly sampled” exponentials to interpolate the “nonuniformly sampled” ones involved in the nonuniform discrete Fourier transforms (NUFDTs), so as to enable the use of standard fast Fourier transforms, and an optimized window. The computational costs and the memory requirements are analyzed, and their convenient performance is assessed also by comparing them with other approaches in the literature. Numerical results demonstrate that the method is more accurate and does not introduce any additional computational or memory burden. The computation of the window functions amounts to that of a Legendre polynomial expansion, i.e., a simple polynomial evaluation. This is convenient in terms of computational burden and of the proper arrangement of the calculations. A case study of electromagnetic interest has been carried out by applying the developed NUFFTs to the radiation of linear regular or irregular arrays onto a set of regular or irregular spectral points. Guidelines for multidimensional extension of the proposed approach are also presented

An Efficient Framework For Fast Computer Aided Design of Microwave Circuits Based on the Higher-Order 3D Finite-Element Method

In this paper, an efficient computational framework for the full-wave design by optimization of complex microwave passive devices, such as antennas, filters, and multiplexers, is described. The framework consists of a computational engine, a 3D object modeler, and a graphical user interface. The computational engine, which is based on a finite element method with curvilinear higher-order tetrahedral elements, is coupled with built-in or external gradient-based optimization procedures. For speed, a model order reduction technique is used and the gradient computation is achieved by perturbation with geometry deformation, processed on the level of the individual mesh nodes. To maximize performance, the framework is targeted to multicore CPU architectures and its extended version can also use multiple GPUs. To illustrate the accuracy and high efficiency of the framework, we provide examples of simulations of a dielectric resonator antenna and full-wave design by optimization of two diplexers involving tens of unknowns, and show that the design can be completed within the duration of a few simulations using industry-standard FEM solvers. The accuracy of the design is confirmed by measurements

An Efficient Hybrid GO-PWS Algorithm to Analyze Conformal Serrated-Edge Reflectors for Millimeter-Wave Compact Range

A method to analyze parabolic reflectors with arbitrary piecewise rim is presented in this communication. This kind of reflectors, when operating as collimators in compact range facilities, needs to be large in terms of wavelength. Their analysis is very inefficient, when it is carried out with fullwave/MoM techniques, and it is not very appropriate for designing with PO techniques. Also, fast GO formulations do not offer enough accuracy to reach performance results. The proposed algorithm is based on a GO-PWS hybrid scheme, using analytical as well as non-analytical formulations. On one side, an analytical treatment of the polygonal rim reflectors is carried out. On the other side, non-analytical calculi are based on efficient operations, such as M2 order 2-dimensional FFT. A combination of these two techniques in the algorithm ensures real ad-hoc design capabilities, reached through analysis speedup. The purpose of the algorithm is to obtain an optimal conformal serrated-edge reflector design through the analysis of the field quality within the quiet zone that it is able to generate in its forward half space

Sparse Bases and Bayesian Inference of Electromagnetic Scattering

Many approaches in CEM rely on the decomposition of complex radiation and scattering behavior with a set of basis vectors. Accurate estimation of the quantities of interest can be synthesized through a weighted sum of these vectors. In addition to basis decompositions, sparse signal processing techniques developed in the CS community can be leveraged when only a small subset of the basis vectors are required to sufficiently represent the quantity of interest. We investigate several concepts in which novel bases are applied to common electromagnetic problems and leverage the sparsity property to improve performance and/or reduce computational burden. The first concept explores the use of multiple types of scattering primitives to reconstruct scattering patterns of electrically large targets. Using a combination of isotropic point scatterers and wedge diffraction primitives as our bases, a 40% reduction in reconstruction error can be achieved. Next, a sparse basis is used to improve DOA estimation. We implement the BSBL technique to determine the angle of arrival of multiple incident signals with only a single snapshot of data from an arbitrary arrangement of non-isotropic antennas. This is an improvement over the current state-of-the-art, where restrictions on the antenna type, configuration, and a priori knowledge of the number of signals are often assumed. Lastly, we investigate the feasibility of a basis set to reconstruct the scattering patterns of electrically small targets. The basis is derived from the TCM and can capture non-localized scattering behavior. Preliminary results indicate that this basis may be used in an interpolation and extrapolation scheme to generate scattering patterns over multiple frequencies

Qualitative Methods In Microwave Imaging

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2017Thesis (Ph.D.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2017Mikrodalga görüntüleme doğrudan erişilemeyen saçıcıların elektriksel özelliklerini (göreli dielektrik sabiti \u1d716\u1d45f, göreli manyetrik geçirgenlik katsayısı \u1d707\u1d45f iletkenlik \u1d70e yahut debye parametreleri) saçtıkları elektrik alandan tespiti ile ilgilenen yeni bir teknolojidir. Mikrodalga görüntüleme hasarsız muayene, toprak altı görüntüleme, duvar arkası görüntüleme ve biyolojik doku görüntüleme gibi çeşitli tıbbi ve askeri uygulamalarda gelecek vaadeden bir teknikdir. Mikrodalga görüntülenmenin günümüz biliminde bu denli önemli olmasının temel nedeni ise biyolojik dokularla etkileşime geçtiğinde ionize edici bir özelliği olmamasıdır. Bu nedenle mikrodalga görüntüleme günümüzde sıkça kullanılan ve çoğu ionize edici radrasyona bağlı olan görüntüleme teknolojilerinin tümü için çok önemli bir yedek seçenektir. Ters saçılma teorisi nitel görüntüleme yöntemleri adı altında oldukça teorik bir takım yöntemleri literatürde barındırmakradır. Nitel görüntüleme yöntemleri integral denklemlerden saçıcının yalnızca şekil ve konumunun tespiti için kullanılır olup ve saçıcıların yapısı ve şekli ile ilgili herhangi bir ön bilgiye ihtiyaç duymamaktadır. Nitel görüntüleme yöntemlerinin en bilindik iki tanesi: (i) doğrusal örnekleme yöntemi ve (ii) faktörizasyon yöntemidir. Doğrusal örnekleme yöntemi ve faktörizasyon yöntemi formülasyon ve performans açısından birbirine oldukça benzerdir. Kısaca anlatmak gerekirse, doğrusal örnekleme yöntemi tarihsel olarak faktörizasyon yönteminden önce önerilmiş olup henüz matematiksel olarak tam olarak ispat edilememiştir. Faktörizasyon yöntemi ise doğrusal örnkeleme yönteminden esinlenerek geliştirilmiş olup doğruluğu matematiksel olarak da kanıtlanmıştır. Bu iki yönteminde ters problemin birbirine bağlı iki doğrusal olmayan integral denklem olarak ifade edilebildiği mikrodalga görüntülemede kullanılması mümkündür. Mikrodalga görüntülemede geleneksel çözüm yolu doğrusal olan veya doğrusal olmayan optimizasyon metodlarıdır. Bu metotlar eldeki doğrusal olmayan elektromanyeik saçılma problemini bir minimizasyon problemi haline dönüştürür. Ek olarak bu yöntemlerin bazıları doğrusal olmayan saçılma problemini doğrusal hale getirebilmek amacıyla Born yaklaşımını da kullanır. Sonuç olarak eldeki amaç fonksiyonunu minimize etmek amacıyla bilindik bir optimizasyon yöntemini (konjuge gradyan metodu, Newton yöntemi vs.) kullanır. Diğer bir deyişle nicel görüntüleme yöntemi olan bu metotlar fiziksel saçılma mekanizmasını kullaranarak elde edilen ölçülmüş elektrik alanı oluşturacak saçıcının şeklini ve elektriksel özelliklerini (göreli dielektrik sabiti \u1d716\u1d45f, göreli manyetrik geçirgenlik katsayısı \u1d707\u1d45f iletkenlik \u1d70e yahut debye parametreleri) kestirmeye çalışır. Bu nicel yöntemlerin dışında bir de yukarıda da bahsettiğimiz nitel görüntüleme yöntemleri vardır ki bunlar saçılma problemini sadece saçıcıların şeklini ve konumunu bulmak amacıyla çözerler. Nitel görüntülenme yöntemleri, nicel görüntüleme metotlarından farklı olarak hedef cisimlerin şekli ve konumunu tespit amacıyla genellikle elektromanyetik saçılma probleminin belirli bir saçıcı veya saçıcılar kümesi için doğrusal olması gerçeğini ve dualite prensiplerini kullanır. Nitel görüntüleme yöntemlerinin bu görece düşük beklentisi ve doğrusal yapıları onların bilgisayar ortamında kolayca gerçeklenebilmesini ve nicel görüntüleme yöntemlerine oranla çok daha az sürelerde ve çok daha az bir hesaplama yükü ile bilgisayar ortamında çalıştırılabilmesini sağlar. Tecrübelerimize dayanarak örnek vermek gerekirse, üç boyutlu (yaklaşık 150 bin – 300 bin bilinmeyen içeren) bir saçılma probleminin kontrast kaynak yöntemi ile çözülmesi ortalama bir bilgisayarda (8 GB RAM) olarak 1-2 saat alırken, aynı probleme LSM veya FM’nin uygulanması için maksimum 5 – 10 dk. gibi bir süre yeterli olacaktır. Tüm bu avantajalrına rağmen, başta LSM ve FM olmak üzere tüm nitel görüntüleme yöntemleri mühendislik alanında çok da uygulama alanı bulamamaktadır. Bunun başlıca sebepleri nitel görüntüleme yöntemlerinin genellikle çok üst düzey bir matematiksel arkaplana dayanması, bu yöntemlerin matematikçiler tarafından fiziksel şartların ve gerçek hayat durumlarının pek de düşünülmeden ortaya konulmuş olması (yani bu yöntemlerin pek çoğu esas olarak düzlem dalga aydınlatması altında ve ölçümlerin ölçüm mesafesi sonsuza yaklaşırkenki asimptotik halleri için kanıtlanmıştır) ve bu yöntemlerin fiziksel bir zemine oturtulmasının zor olmasıdır. İşte bu sebeblerle nitel görüntüleme yöntemlerinin incelemesi ve nitel görüntüleme yöntemlerinin gerçek hayatta kullanabileceğimiz algoritmalar haline getirilip onların fiziksel arkaplanlarının ve uygulama için gerekli koşulların ortaya konulması önemli bir çalışma alanı teşkil etmektedir. Bu tezin ilk kısmında, iki boyutlu bir uzayda enine manyetik saçılma senaryosu için engebeli bir yüzey altındaki gömülü cisimlerin tespiti amacıyla bir faktörizasyon metodu önerilmiş ve benzetimlerle elde edilmiş sonuçlarla oldukça gerçekçi durumlar için doğrulanmıştır. Esasında engebeli yüzey altında gömülü cisimlerin görüntülenmesi mayın tespiti ve arkelojik gömülerin görüntülenmesi gibi çok değişik uygulamaları olan oldukça karmaşık bir problemdir. Günümüzde yeraltının görüntülenmesi için mikrodalgaları kullanan temel teknoloji uzmanlar tarafından yorumlanması gereken ve sonuçta radaragramlar oluşturan yer radarı (ground penetrating radar, GPR) olduğu bilinmektedir. Bunun haricinde görüntülenmek istenen yeraltı bölgenin elektriksel ve şekilsel özellikleri ile ilgili bilgi veren bazı nitel ters saçılma yöntemleri de literatürde bulunmaktadır. Ayrıca, yeraltı görüntülemede çok önemli bir faktör olan ve çoğu zaman uygulanan yöntemin başarısını belirleyen yüzey engebesinin ise pek az sayıda çalışmada dikkate alındığı gerçeği de bilinmektedir. Bu bağlamda, pek çok görüntüleme probleminde saçıcı cisimlerin yer ve şeklinin tespiti amaçlı kullanılabilecek olan ve aynı anda pek çok sayıda değişik özelliğe sahip saçıcıları da görüntüleyebilen nicel mikrodalga görüntüleme yöntemleri bu problem özelinde de (engebeli bir yüzey altında gömülü saçıcı hedeflerin tespiti) oldukça ilginç bir alternatif teşkil etmektedir. Bundan dolayı tezimizin ilk kısmı bu konu üzerine olan çalışmalarımıza ayrılmıştır. Özel olarak bu kısımda yeraltına gömülü herhangi bir sayıda ve herhangi bir özelliğe sahip saçıcıların yer ve konumları faktörizasyon metodu ile tespit edilecektir. Çalışmamızda sınırlı açıklıklı bir anten dizisi ile belirli bir toprak altı bölgenin taranması durumu değişik aydınlatma frekansları, değişik nem oranına haiz toprak, değişik engebe profilleri, toprağın ve engebe profillerinin kısmen bilindiği durumlar için ayrı ayrı incelenmiş olup her durumda yöntemin başarımı ortaya konmuştur. Elde edilen sonuçlar uygulanan yöntemin gerçek hayattaki problemler için de umut verici olduğunu ortaya koymuştur. Tezin ikinci kısmında ele alınan temel nicel görüntüleme yöntemlerinin gerçek ölçüm düzenekleri için nasıl kullanılacağı problemi ele alınmıştır. Mikrodalga frekanslarında yapılan ölçümlerde yaygın olarak vektör ağ analizörleri (vector network analyzer, VNA) kullanımaktadır. Bu yaygın kullanımın başlıca sebebi vektör ağ analizörlerinin piyasada kolayca bulunabilir oluşu ve bu cihazların gösterdiği yüksek performansdır. Birkaç istisnai durum haricinde mikrodalga görüntüleme problemleri hep saçılan elektrik alan bilgisini kullanıp saçıcı hedeflerin elektriksel parametrelerinin (göreli dielektrik sabiti \u1d716\u1d45f, göreli manyetrik geçirgenlik katsayısı \u1d707\u1d45f iletkenlik \u1d70e yahut debye parametreleri) hesaplanmasını amaçlar. Buna karşın, vektör ağ çözümleyicilerinin ölçtüğü temel büyüklük saçılma parametreleridir. Bu nedenle genellikle yapılan iş ölçülen saçılma parametrelerinin saçılan elektrik alana çevrilmesi için belli başlı prosedürleri uygulamaktır. Saçılma parametreleri ile saçılan elektrik alan arasındaki bu bağlantıyı sağlayan dönüşüm ise genellikle belirli bir geometrik şekle haiz (düzlem, düzgün dairesel silindir veya küre) ve bilindik elektriksel özellikteki cisimlerin ölçülen saçılma parametreleri ile benzetimden elde edilmiş saçılan elektrik alanını karşılaştırmak üzerine kuruludur. Tezin ikinci kısmında bu bilindik kalibrasyon prosedürlerinin yerine daha iyi bir alternatif olarak ele alınan nitel görüntüleme yöntemlerini (doğrusal örneklem yöntemi ve faktörizasyon yöntemi) doğrudan saçılma parametreleri üzerinden yendien formüle ettik. Elde edilen sonuçlar geliştirlen yöntemin hem iki boyutlu hem de üç boyutlu görüntüleme de çok satbil ve doğru bir şekilde çalıştığını göstermektedir. Tezin üçüncü ve son kısmında ise ele alınan nitel görüntüleme yöntemleri (doğrusal örneklem yöntemi ve faktörizasyon yöntemi) ile saklı cisim tespiti probleminin çözümü üzerine yoğunlaştık. Saklı cisim tespiti problemi gerçek hayat uygulamalarında, özellikle çeşitli medikal ve askeri uygulamalarda, pek çok durumda karşımıza çıkmaktadır. Saklı cisim tespiti problemleminin çözümündeki temel zorluk ele alınan (görüntülenmesi hedeflenen) ortamın her noktasındaki elektriksel parametrelerin (göreli dielektrik sabiti \u1d716\u1d45f, göreli manyetrik geçirgenlik katsayısı \u1d707\u1d45f iletkenlik \u1d70e yahut debye parametreleri) hesaplanmasının gerekliliğidir. Bugüne kadar ele alınan ortamın tüm elektriksel parametrelerinin her noktadaki hesabı için pek çok değişik nicel görüntülüme yöntemi geliştirilmiş ve doğrulanmıştır. Ancak tüm nicel görüntüleme yöntemleri gibi bu yöntemlerinde oldukça ağır bir hesaplama yükü içerdiği gerçeği ortadadır. Daha önce de bahsedildiği üzere nicel yöntemlerin aksine nitel görüntüleme yöntemleri daha basit şekilde bilgisayar ortamında gerçeklenebilen daha basit formülasyonlara sahip ve hesaplama zamanı ve yükü nicel görüntüleme yöntemlerine oranla oldukça düşük olan yöntemlerdir. Tüm bu avantajlarına rağmen nitel görüntüleme yöntemleri saklı cisim tespitinde oldukça az kullanılmıştır. Bunun başlıca sebepleri, yukarıda da bahsedildiği üzere, bu yöntemlerin çok üst düzey bir matematiksel arkaplana dayanması, nitel görüntüleme yöntemlerinin matematikçiler tarafından fiziksel şartların ve gerçek hayat durumlarının pek de düşünülmeden ortaya konulmuş olması ve bu yöntemlerin fiziksel bir zemine oturtulmasının zor olmasıdır. Özel olarak saklı cisim tespiti problemi için bakacak olursak, nitel görüntüleme yöntemleri saklı cisim tespiti probleminde şu iki temel bilgiye ihtiyaç duyar: (i) cisimlerin gömülü olduğu ortamın elektriksel özellikleri (göreli dielektrik sabiti \u1d716\u1d45f, göreli manyetrik geçirgenlik katsayısı \u1d707\u1d45f iletkenlik \u1d70e yahut debye parametreleri) (ii) gömülü cisimlerin olmadğı duumda arka plandan saçılan elektrik alan bilgisi. Açıktır ki bu iki bilginin her ikisini de aynı anda sağlamak neredeyse tüm problemler için imkansızdır. Bu sebeple biz tzin bu üçüncü ve son kısmında bu önsel bilgi probleminin çözümü amacıyla bir yöntem önerdik. Özel olarak, pek çok saklı cisim tespiti probleminde yukarıdaki ikinci bilgi ((ii) gömülü cisimlerin olmadğı duumda arka plandan saçılan elektrik alan bilgisi) aslında elde edilebilir olup bu bilgi ışığında ilk önsel bilgiyi kullanmadan eldeki nitel görüntüleme yöntemlerinin yüksek bir başarımla çalıştırılabileğini önerdik. Elde edilen sonuçlar önerdiğimiz yöntemin oldukça stabil ve doğru bir biçimde çalıştığını doğrular niteliktedir.Microwave imaging (MWI) emerges as a novel technology that aims to extract physical properties of inaccessible objects from the scattered electric field measurements. MWI covers a very wide range of applications which includes but not limited to nondestructive testing (NDT), subsurface imaging, through wall imaging, biological imaging. The most important factor that tends the scientists to imaging with microwaves is non-ionizing nature of MWI when interacted with biological tissues. Therefore, MWI can be regarded as a healthy alternative of current imaging technologies, which are mostly based on ionizing radiation. Inverse scattering theory provides a group of highly theoretical approaches, known as qualitative method. These methods are based on inverting an integral equation for each point over a reconstruction domain to determine only the shape and the position of unknown scatterers without requiring any a-priori information. Two well-known representatives of qualitative inverse scattering methods are (i) linear sampling method (LSM) and (ii) factorization method (FM). These two methods are in fact quite similar in formulation as well as performance. These qualitative approaches are also usable in the MWI, where the inverse problem can be casted into two integral equations. Traditional solution approaches for MWI are based on non-linear or linear optimization methods. These methods recasts the nonlinear scattering problem in form of a minimization problem. Additionally, they can utilize Born approximation to linearize the problem and then the cost function is minimized via one of the canonical optimization approaches such as conjugate gradient method, newton’s method. In other words, these methods model the physical scattering mechanism to determine electrical properties of dielectric objects and attempts to minimize a cost functional by using a canonical minimization procedure. In contrast to these approaches, the qualitative inverse scattering methods uses linearity of the scattering problem or the duality principle to reach their final aim, which is obtaining the support of the scatterer. Thus, their modest goals and linear nature make these qualitative approaches easier to implement and more efficient in use of computational resources. In contrast to all these attractive features, both LSM and FM are rarely investigated from an engineering perspective due to their mathematical background. Hence, analyzing these methods from an engineering perspective and making these methods applicable in real world imaging scenarios is an important problem. In the first part of the thesis, we analyze the problem of imaging buried targets under a rough surface for a two dimensional transverse magnetic scattering scenario. In fact, imaging of buried targets under the rough ground is a challenging inverse scattering problem with many applications in engineering such as land mine detection and remote sensing of archaeological artefacts. Conventional technology that uses microwaves for subsurface sensing of the underground is ground penetrating radar (GPR) which generates radargrams that require further interpretation by experts. Also, various quantitative inverse scattering methods are existent in the literature to provide additional information on the morphological and electrical properties of buried obstacles. Furthermore, the surface roughness, which is a critical factor that determines the limits of subsurface imaging, are only considered in a very few studies. In this context, qualitative inverse scattering methods, which are almost exclusively used for reconstructing the shape of inaccessible targets from the scattered field measurements, are particularly interesting since such methods can image multiple objects without requiring a-priori knowledge. Thus, we present a qualitative imaging method for subsurface sensing under a rough surface. The method relies on FM, where the aim is to retrieve the shape of unknown dielectric objects embedded inside a dielectric body whose closed boundary and electrical parameters are known a priori. Results show the stability and accuracy of the proposed method under very realistic conditions. In the second part of this thesis, the problem of using the qualitative methods in the real world measurement scenario is addressed. In the real world applications imaging systems extensively incorporate vector network analyzers (VNAs) instead of implementing additional modules to perform microwave measurements. This is particularly driven by availability of high performance VNAs. While there are alternative ways of reconstructing an image in MWI, imaging methods are naturally formulated in terms of scattered electric field vectors whereas measured scattering parameters (S-parameters) are only auxiliary quantities. Consequently, an intermediate step is required for experimental setups where measured S-parameters are mapped into scattered electric field. This is mostly handled by comparing simulated electric fields against measured S-parameters. As a better alternative to the canonical calibration procedures, we develop novel qualitative microwave imaging algorithms, which uses the measured S-parameters directly. Obtained experimental results prove the accuracy and the stability of the presented method. In the third and last part of the thesis, we consider the problem of using qualitative imaging methods in real world concealed target imaging scenarios. Real world concealed target detection can have different applications ranging from medical imaging to subsurface sensing, as mentioned above. Main challenge for such inverse problems is that the solution procedures are expected to capture the electrical parameters (relative dielectric constant \u1d716\u1d45f, conductivity \u1d70e) of whole medium, which includes the buried objects. Up to date, many quantitative techniques are developed to obtain the complete electrical parameter distribution of a medium. However, if we take a glance at these formulations, we can see that they involve a considerable computational burden. Being contradictory to quantitative techniques, qualitative inversion methods, which aim to recover only the shape of the scatterers, have relatively simple formulations and require lower computational resources. In contrast to such obvious advantages, qualitative inversion techniques are rarely employed in buried obstacle detection, since these methods have strong a priori knowledge requirements in their original form. In particular, to be able to detect the shape of an inclusion by means of these methods, we must supply these two a priori pieces of information: (i) the dielectric parameters of the surrounding medium and (ii) the scattered field when there is no buried object inside the surrounding medium. It is obvious that fulfilling such strong conditions altogether is of a serious issue in any imaging problem. To this end, we propose a strategy to overcome the a priori knowledge requirement on the dielectric parameters of the surrounding medium. Results, which are obtained from real experiments performed in an anechoic chamber, confirm the accuracy and the stability of the proposed formulations.DoktoraPh.D

Contribution to advanced sensor development for passive imaging of the Earth

This work has been formally undertaken within the frame of the scholarship number BES-2012-053917 of 1 December 2012, by the "Secretario de Estado de Investigación del Ministerio de Economía y Competitividad" related to the program "Formación de Personal Investigador (FPI)". The scholarship is related to the research project at the Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) number TEC2011-25865. In a more general scope, this thesis is related to the Remote Sensing Laboratory (Signal Theory & Communication Department, UPC) on-going activities, within the SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) mission by the European Space Agency (ESA). These activities have been organized to provide original advances in the following four main topics: 1) SMOS calibration and performance. Since the launch of the instrument in 2009, SMOS imaging has been performing exclusively in co-polar mode. However, SMOS measurements are fully polarimetric. This feature was not operationally exploited due to the large errors yielded by full-pol images. In this context my work was addressed to support better characterization of the antenna. Based on the idea that SMOS polarization mode was recently implemented using Full-pol measurements, the so-called relative phases have been recomputed by using co-polar and cross-polar measurements. SMOS moderate Side Lobe Level (SLL) is caused by the limited coverage of the measured visibility samples in the frequency domain, so another objective of this work has been devoted to assess the impact of calibration errors into SMOS side lobes level (SLL). The main objective on this topic has been to reproduce by simulation SMOS measured side-lobe levels (SLL) by adding errors to a point source response, in order to identify the dominant source of error. During commissioning phase it was detected that SMOS heater system were introducing small and random sporadic PMS offset steps (jumps) in several units. Another work during this thesis has been devoted to mitigate those PMS jumps by trimming calibration date from single LICEF averaged TA jumps over the ocean. 2) SMOS spatial bias assessment. SMOS measurements still have mathematical image reconstruction errors that must be properly assessed. The aim of this work is to focus on the so-called "floor error", defined in an error free end-to-end image reconstruction simulation. In order to reduce this error, different inversion approaches have been implemented and tested, as the so-called Gibbs 2 approach 3) SMOS improved imaging. One of the problems of most concern within the SMOS mission is related to the so-called "land-sea contamination" (LSC), an artificial increase of ocean brightness temperature close to land masses. Therefore, a systematic assessment has been performed in this thesis in order to understand and mitigate this artifact. This subject is related to one of the main original outcomes of the thesis, since it has a relevant impact on the quality of SMOS imaging. The LSC mitigation technique developed during the work of the thesis has been presented and validated by different methods. 4) SMOS follow-on missions advanced configurations. This work is devoted to assess the impact of instrumental errors on the radiometric accuracy (pixel bias) of one of the selected array configurations of the so-called Super-MIRAS instrument. The aim of this work has been focused on the assessment of different array geometries and instrument architectures of future L-band synthetic aperture radiometers to improve spatial resolution while maintaining radiometric sensitivity.Esta tesis se ha llevado a cabo en el marco de la beca FPI BES-2012-053917 del 1 de diciembre de 2012, por el "Secretario de Estado de Investigación del Ministerio de Economía y Competitividad", asociada al proyecto TEC2011-25865 (Universidad Politècnica de Catalunya). En un sentido más amplio, el trabajo se engloba dentro de las actividades del Grupo de Teledetección (RSLab) del Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones, UPC, en el marco de la misión SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) de la Agencia Espacial Europea del Espacio (ESA). El trabajo se divide en: 1) Calibración y prestaciones del sensor SMOS Desde el lanzamiento del instrumento en 2009, la imagen de SMOS se ha obtenido utilizando medidas en modo co-polar. Sin embargo, las medidas en SMOS se realizan en full-pol. Esto no se había llevado a cabo debido a los grandes errores que se obtenían con imágenes en full-pol. En este contexto mi trabajo se ha enfocado en la realización de una mejor caracterización de la antena. Basado en la idea de que el modo full-pol ha sido recientemente implementado en SMOS, las fases relativas entre antenas han sido recalculadas utilizando medidas co-polares y cross-polares. Los lóbulos secundarios de SMOS (SLL) son causados por la cobertura limitada de las visibilidades medidas en el dominio frecuencial, así que otro de los objetivos de este trabajo ha sido analizar el impacto de errores de calibración en los lóbulos secundarios de SMOS. Básicamente se han reproducido los lóbulos secundarios de SMOS mediantes simulaciones añadiendo errores a una fuente puntual, identificando las principales fuentes de error. Durante la fase de comisionado se detectó que el sistema de calentamiento de SMOS introducía pequeños saltos aleatorios del offset del PMS en diferentes unidades. Para hacer un seguimiento y corregir estos saltos se realizaron calibraciones de offset semanales justo después de la fase de comisionado, así que otro de los trabajos realizados en esta tesis ha sido dirigido a mitigar estos saltos introduciendo calibraciones adicionales antes de los mismos a partir de medir la temperatura de antena media calculada en el océano. 2) Técnicas de reducción de los errores espaciales SMOS tiene un error matemático de reconstrucción en la imagen que ha sido investigado en este trabajo. Así que este trabajo se ha focalizado en el "floor error" definido como el error de reconstrucción en un instrumento ideal libre de errores. Para reducir este error se han utilizado diferentes aproximaciones como Gibbs 2. 3) Mejoras en la inversión de imagen Uno de los mayores problemas durante los primeros cinco años de misión SMOS ha sido la llamada "land-sea contamination" (contaminación tierra-mar). Así pues, se ha realizado un estudio sistemático para comprender y mitigar este artefacto. Este tema está relacionado con uno de los descubrimientos más importantes de esta tesis ya que este tiene un gran impacto en la calidad de la imagen de SMOS. La técnica encontrada para mitigar este error es presentada y validada mediante diferentes métodos. 4) Misiones futuras Este trabajo está enfocado en la investigación del impacto de errores instrumentales en la precisión radiométrica de errores espaciales de una de las posibles nuevas configuraciones de array propuestas para construir un nuevo instrumento llamado Super-MIRAS. El propósito principal de este trabajo está orientado en el desarrollo de diferentes geometrías de arrays y arquitecturas de instrumentos para una futura misión en banda L, en la que se diseñaría un nuevo radiómetro de apertura sintética para mejorar la resolución espacial manteniendo la sensibilidad radiométrica

Contribution to advanced sensor development for passive imaging of the Earth

This work has been formally undertaken within the frame of the scholarship number BES-2012-053917 of 1 December 2012, by the "Secretario de Estado de Investigación del Ministerio de Economía y Competitividad" related to the program "Formación de Personal Investigador (FPI)". The scholarship is related to the research project at the Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) number TEC2011-25865. In a more general scope, this thesis is related to the Remote Sensing Laboratory (Signal Theory & Communication Department, UPC) on-going activities, within the SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) mission by the European Space Agency (ESA). These activities have been organized to provide original advances in the following four main topics: 1) SMOS calibration and performance. Since the launch of the instrument in 2009, SMOS imaging has been performing exclusively in co-polar mode. However, SMOS measurements are fully polarimetric. This feature was not operationally exploited due to the large errors yielded by full-pol images. In this context my work was addressed to support better characterization of the antenna. Based on the idea that SMOS polarization mode was recently implemented using Full-pol measurements, the so-called relative phases have been recomputed by using co-polar and cross-polar measurements. SMOS moderate Side Lobe Level (SLL) is caused by the limited coverage of the measured visibility samples in the frequency domain, so another objective of this work has been devoted to assess the impact of calibration errors into SMOS side lobes level (SLL). The main objective on this topic has been to reproduce by simulation SMOS measured side-lobe levels (SLL) by adding errors to a point source response, in order to identify the dominant source of error. During commissioning phase it was detected that SMOS heater system were introducing small and random sporadic PMS offset steps (jumps) in several units. Another work during this thesis has been devoted to mitigate those PMS jumps by trimming calibration date from single LICEF averaged TA jumps over the ocean. 2) SMOS spatial bias assessment. SMOS measurements still have mathematical image reconstruction errors that must be properly assessed. The aim of this work is to focus on the so-called "floor error", defined in an error free end-to-end image reconstruction simulation. In order to reduce this error, different inversion approaches have been implemented and tested, as the so-called Gibbs 2 approach 3) SMOS improved imaging. One of the problems of most concern within the SMOS mission is related to the so-called "land-sea contamination" (LSC), an artificial increase of ocean brightness temperature close to land masses. Therefore, a systematic assessment has been performed in this thesis in order to understand and mitigate this artifact. This subject is related to one of the main original outcomes of the thesis, since it has a relevant impact on the quality of SMOS imaging. The LSC mitigation technique developed during the work of the thesis has been presented and validated by different methods. 4) SMOS follow-on missions advanced configurations. This work is devoted to assess the impact of instrumental errors on the radiometric accuracy (pixel bias) of one of the selected array configurations of the so-called Super-MIRAS instrument. The aim of this work has been focused on the assessment of different array geometries and instrument architectures of future L-band synthetic aperture radiometers to improve spatial resolution while maintaining radiometric sensitivity.Esta tesis se ha llevado a cabo en el marco de la beca FPI BES-2012-053917 del 1 de diciembre de 2012, por el "Secretario de Estado de Investigación del Ministerio de Economía y Competitividad", asociada al proyecto TEC2011-25865 (Universidad Politècnica de Catalunya). En un sentido más amplio, el trabajo se engloba dentro de las actividades del Grupo de Teledetección (RSLab) del Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones, UPC, en el marco de la misión SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) de la Agencia Espacial Europea del Espacio (ESA). El trabajo se divide en: 1) Calibración y prestaciones del sensor SMOS Desde el lanzamiento del instrumento en 2009, la imagen de SMOS se ha obtenido utilizando medidas en modo co-polar. Sin embargo, las medidas en SMOS se realizan en full-pol. Esto no se había llevado a cabo debido a los grandes errores que se obtenían con imágenes en full-pol. En este contexto mi trabajo se ha enfocado en la realización de una mejor caracterización de la antena. Basado en la idea de que el modo full-pol ha sido recientemente implementado en SMOS, las fases relativas entre antenas han sido recalculadas utilizando medidas co-polares y cross-polares. Los lóbulos secundarios de SMOS (SLL) son causados por la cobertura limitada de las visibilidades medidas en el dominio frecuencial, así que otro de los objetivos de este trabajo ha sido analizar el impacto de errores de calibración en los lóbulos secundarios de SMOS. Básicamente se han reproducido los lóbulos secundarios de SMOS mediantes simulaciones añadiendo errores a una fuente puntual, identificando las principales fuentes de error. Durante la fase de comisionado se detectó que el sistema de calentamiento de SMOS introducía pequeños saltos aleatorios del offset del PMS en diferentes unidades. Para hacer un seguimiento y corregir estos saltos se realizaron calibraciones de offset semanales justo después de la fase de comisionado, así que otro de los trabajos realizados en esta tesis ha sido dirigido a mitigar estos saltos introduciendo calibraciones adicionales antes de los mismos a partir de medir la temperatura de antena media calculada en el océano. 2) Técnicas de reducción de los errores espaciales SMOS tiene un error matemático de reconstrucción en la imagen que ha sido investigado en este trabajo. Así que este trabajo se ha focalizado en el "floor error" definido como el error de reconstrucción en un instrumento ideal libre de errores. Para reducir este error se han utilizado diferentes aproximaciones como Gibbs 2. 3) Mejoras en la inversión de imagen Uno de los mayores problemas durante los primeros cinco años de misión SMOS ha sido la llamada "land-sea contamination" (contaminación tierra-mar). Así pues, se ha realizado un estudio sistemático para comprender y mitigar este artefacto. Este tema está relacionado con uno de los descubrimientos más importantes de esta tesis ya que este tiene un gran impacto en la calidad de la imagen de SMOS. La técnica encontrada para mitigar este error es presentada y validada mediante diferentes métodos. 4) Misiones futuras Este trabajo está enfocado en la investigación del impacto de errores instrumentales en la precisión radiométrica de errores espaciales de una de las posibles nuevas configuraciones de array propuestas para construir un nuevo instrumento llamado Super-MIRAS. El propósito principal de este trabajo está orientado en el desarrollo de diferentes geometrías de arrays y arquitecturas de instrumentos para una futura misión en banda L, en la que se diseñaría un nuevo radiómetro de apertura sintética para mejorar la resolución espacial manteniendo la sensibilidad radiométrica.Postprint (published version

Advanced ultrawideband imaging algorithms for breast cancer detection

Ultrawideband (UWB) technology has received considerable attention in recent years as it is regarded to be able to revolutionise a wide range of applications. UWB imaging for breast cancer detection is particularly promising due to its appealing capabilities and advantages over existing techniques, which can serve as an early-stage screening tool, thereby saving millions of lives. Although a lot of progress has been made, several challenges still need to be overcome before it can be applied in practice. These challenges include accurate signal propagation modelling and breast phantom construction, artefact resistant imaging algorithms in realistic breast models, and low-complexity implementations. Under this context, novel solutions are proposed in this thesis to address these key bottlenecks. The thesis first proposes a versatile electromagnetic computational engine (VECE) for simulating the interaction between UWB signals and breast tissues. VECE provides the first implementation of its kind combining auxiliary differential equations (ADE) and convolutional perfectly matched layer (CPML) for describing Debye dispersive medium, and truncating computational domain, respectively. High accuracy and improved computational and memory storage efficiency are offered by VECE, which are validated via extensive analysis and simulations. VECE integrates the state-of-the-art realistic breast phantoms, enabling the modelling of signal propagation and evaluation of imaging algorithms. To mitigate the severe interference of artefacts in UWB breast cancer imaging, a robust and artefact resistant (RAR) algorithm based on neighbourhood pairwise correlation is proposed. RAR is fully investigated and evaluated in a variety of scenarios, and compared with four well-known algorithms. It has been shown to achieve improved tumour detection and robust artefact resistance over its counterparts in most cases, while maintaining high computational efficiency. Simulated tumours in both homogeneous and heterogeneous breast phantoms with mild to moderate densities, combined with an entropy-based artefact removal algorithm, are successfully identified and localised. To further improve the performance of algorithms, diverse and dynamic correlation weighting factors are investigated. Two new algorithms, local coherence exploration (LCE) and dynamic neighbourhood pairwise correlation (DNPC), are presented, which offer improved clutter suppression and image resolution. Moreover, a multiple spatial diversity (MSD) algorithm, which explores and exploits the richness of signals among different transmitter and receiver pairs, is proposed. It is shown to achieve enhanced tumour detection even in severely dense breasts. Finally, two accelerated image reconstruction mechanisms referred to as redundancy elimination (RE) and annulus predication (AP) are proposed. RE removes a huge number of repetitive operations, whereas AP employs a novel annulus prediction to calculate millions of time delays in a highly efficient batch mode. Their efficacy is demonstrated by extensive analysis and simulations. Compared with the non-accelerated method, RE increases the computation speed by two-fold without any performance loss, whereas AP can be 45 times faster with negligible performance degradation