A Priori Knowledge-Based Post-Doppler STAP for Traffic Monitoring with Airborne Radar

Die Verkehrsüberwachung gewinnt aufgrund des weltweiten Anstiegs der Verkehrsteilnehmer immer mehr an Bedeutung. Sicherer und effizierter Straßenverkehr erfordert detaillierte Verkehrsinformationen. Häufig sind diese lediglich stationär, räumlich stark begrenzt und meist nur auf Hauptverkehrsstraßen verfügbar. In dieser Hinsicht ist ein Ausfall des Telekommunikationsnetzes, beispielsweise im Falle einer Katastrophe, und der damit einhergehende Informationsverlust als kritisch einzustufen. Flugzeuggetragene Radarsysteme mit synthetischer Apertur (eng. Synthetic Aperture Radar - SAR) können für dieses Szenario eine Lösung darstellen, da sie großflächig hochauflösende Bilder generieren können, unabhängig von Tageslicht und Witterungsbedingungen. Sie ermöglichen aufgrund dieser Charakteristik die Detektion von Bewegtzielen am Boden (eng. ground moving target indication – GMTI). Moderne GMTI-Algorithmen und -Systeme, die prinzipiell für die Verkehrsüberwachung verwendbar sind, wurden in der Literatur bereits diskutiert. Allerdings ist die Robustheit dieser Systeme oft mit hohen Kosten, hoher Hardwarekomplexität und hohem Rechenaufwand verbunden. Diese Dissertation stellt einen neuartigen GMTI-Prozessor vor, der auf dem Radar-Mehrkanalverfahren post-Doppler space-time adaptive processing (PD STAP) basiert. Durch die Überlagerung einer Straßenkarte mit einem digitalen Höhenmodell ist es mithilfe des PD STAP möglich, Falschdetektionen zu erkennen und auszuschließen sowie die detektierten Fahrzeuge ihren korrekten Straßenpositionen zu zuordnen. Die präzisen Schätzungen von Position, Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung der Fahrzeuge können mit vergleichsweise geringerer Hardware-Komplexität zu niedrigeren Kosten durchgeführt werden. Ferner wird im Rahmen dieser Arbeit ein effizienter Datenkalibrierungsalgorithmus erläutert, der das Ungleichgewicht zwischen den Empfangskanälen sowie die Variation des Dopplerschwerpunkts über Entfernung und Azimut korrigiert und so das Messergebnis verbessert. Darüber hinaus werden neue und automatisierte Strategien zur Erhebung von Trainingsdaten vorgestellt, die für die Schätzung der Clutter-Kovarianzmatrix wegen ihres direkten Einflusses auf die Clutter-Unterdrückung und Zieldetektion essentiell für PD STAP sind. Der neuartige PD STAP Prozessor verfügt über drei verschiedene Betriebsarten, die für militärische und zivile Anwendungen geeignet sind, darunter ein schneller Verarbeitungsalgorithmus der das Potential für eine zukünftige Echtzeit-Verkehrsüberwachung hat. Alle Betriebsarten wurden erfolgreich mit Radar-Mehrkanaldaten des flugzeuggetragenen F-SAR-Radarsensors des DLR getestet

High-accuracy digital elevation model generation and ship monitoring from synthetic aperture radar images: innovative techniques and experimental results.

In this Thesis several state-of-the-art and innovative techniques for Digital Elevation Model (DEM) generation from Synthetic Aperture Radar (SAR) images are deeply analyzed, with a special focus on the methods which allow the improvement of the accuracy of the DEM product, which is directly related to the geolocation accuracy of geocoded images and is considered as an enabling factor for a large series of civilian and Defence applications. Furthermore, some of the proposed techniques, which are based both on phase and amplitude information, are experimented on real data, i.e. COSMO-SkyMed (CSK) data, assessing the achievable performances compared with the state-of-the-art, and pointing out and quantitatively highlighting the acquisition and processing strategies which would allow to maximize the quality of the results. Moreover, a critical analysis is performed about the main errors affecting the applied techniques, as well as the limitations of the orbital configurations, identifying several complementary techniques which would allow to overcome or mitigate the observed drawbacks. An innovative procedure for on-demand DEM production from CSK SAR data is elaborated and proposed, as well as an auto-validation technique which would enable the validation of the produced DEM also where vertical ground truths are not available. Based on the obtained results and on the consequent critical analysis, several interferometric specifications for new generation SAR satellites are identified. Finally, a literature review is proposed about the main state-of-the-art ship monitoring techniques, considered as one of the main fields of application which takes benefit from SAR data, based on single/multi-platform multi-channel SAR data, with a focus on TanDEM-X (TDX). In particular, in Chapter 1 the main concepts concerning SAR operating principles are introduced and the main characteristics and performances of CSK and TDX satellite systems are described; in Chapter 2 a review is proposed about the state-of-the-art SAR interferometric techniques for DEM generation, analyzing all the relevant processing steps and deepening the study of the main solutions recently proposed in the literature to increase the accuracy of the interferometric processing; in Chapter 3 complementary and innovative techniques respect to the interferometric processing are analyzed to mitigate disadvantages and to improve performances; in Chapter 4 experimental results are presented, obtained in the generation of high accuracy DEM by applying to a dataset of CSK images properly selected state-of-the-art interferometric techniques and innovative methods to improve DEM accuracy, exploring relevant limitations, and pointing out innovative acquisition and processing strategies. In Chapter 5, the basic principles of Ground Moving Target Indication (GMTI) are described, focusing on Displaced Phase Center Antenna (DPCA) and Along-Track Interferometry (ATI) techniques

Space-time adaptive processing techniques for multichannel mobile passive radar

Passive radar technology has reached a level of maturity for stationary sensor operations, widely proving the ability to detect, localize and track targets, by exploiting different kinds of illuminators of opportunity. In recent years, a renewed interest from both the scientific community and the industry has opened new perspectives and research areas. One of the most interesting and challenging ones is the use of passive radar sensors onboard moving platforms. This may offer a number of strategic advantages and extend the functionalities of passive radar to applications like synthetic aperture radar (SAR) imaging and ground moving target indication (GMTI). However, these benefits are paid in terms of motion-induced Doppler distortions of the received signals, which can adversely affect the system performance. In the case of surveillance applications, the detection of slowly moving targets is hindered by the Doppler-spread clutter returns, due to platform motion, and requires the use of space-time processing techniques, applied on signals collected by multiple receiving channels. Although in recent technical literature the feasibility of this concept has been preliminarily demonstrated, mobile passive radar is still far from being a mature technology and several issues still need to be addressed, mostly connected to the peculiar characteristics of the passive bistatic scenario. Specifically, significant limitations may come from the continuous and time-varying nature of the typical waveforms of opportunity, not suitable for conventional space-time processing techniques. Moreover, the low directivity of the practical receiving antennas, paired with a bistatic omni-directional illumination, further increases the clutter Doppler bandwidth and results in the simultaneous reception of non-negligible clutter contributions from a very wide angular sector. Such contributions are likely to undergo an angle-dependent imbalance across the receiving channels, exacerbated by the use of low-cost hardware. This thesis takes research on mobile passive radar for surveillance applications one step further, finding solutions to tackle the main limitations deriving from the passive bistatic framework, while preserving the paradigm of a simple system architecture. Attention is devoted to the development of signal processing algorithms and operational strategies for multichannel mobile passive radar, focusing on space-time processing techniques aimed at clutter cancellation and slowly moving target detection and localization. First, a processing scheme based on the displaced phase centre antenna (DPCA) approach is considered, for dual-channel systems. The scheme offers a simple and effective solution for passive radar GMTI, but its cancellation performance can be severely compromised by the presence of angle-dependent imbalances affecting the receiving channels. Therefore, it is paired with adaptive clutter-based calibration techniques, specifically devised for mobile passive radar. By exploiting the fine Doppler resolution offered by the typical long integration times and the one-to-one relationship between angle of arrival and Doppler frequency of the stationary scatterers, the devised techniques compensate for the angle-dependent imbalances and prove largely necessary to guarantee an effective clutter cancellation. Then, the attention is focused on space-time adaptive processing (STAP) techniques for multichannel mobile passive radar. In this case, the clutter cancellation capability relies on the adaptivity of the space-time filter, by resorting to an adjacent-bin post-Doppler (ABPD) approach. This allows to significantly reduce the size of the adaptive problem and intrinsically compensate for potential angle-dependent channel errors, by operating on a clutter subspace accounting for a limited angular sector. Therefore, ad hoc strategies are devised to counteract the effects of channel imbalance on the moving target detection and localization performance. By exploiting the clutter echoes to correct the spatial steering vector mismatch, the proposed STAP scheme is shown to enable an accurate estimation of target direction of arrival (DOA), which represents a critical task in system featuring few wide beam antennas. Finally, a dual cancelled channel STAP scheme is proposed, aimed at further reducing the system computational complexity and the number of required training data, compared to a conventional full-array solution. The proposed scheme simplifies the DOA estimation process and proves to be robust against the adaptivity losses commonly arising in a real bistatic clutter scenario, allowing effective operation even in the case of a limited sample support. The effectiveness of the techniques proposed in this work is validated by means of extensive simulated analyses and applications to real data, collected by an experimental multichannel passive radar installed on a moving platform and based on DVB-T transmission

Oil spill and ship detection using high resolution polarimetric X-band SAR data

Among illegal human activities, marine pollution and target detection are the key concern of Maritime Security and Safety. This thesis deals with oil spill and ship detection using high resolution X-band polarimetric SAR (PolSAR). Polarimetry aims at analysing the polarization state of a wave field, in order to obtain physical information from the observed object. In this dissertation PolSAR techniques are suggested as improvement of the current State-of-the-Art of SAR marine pollution and target detection, by examining in depth Near Real Time suitability

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

Opportunistic radar imaging using a multichannel receiver

Bistatic Synthetic Aperture Radars have a physically separated transmitter and receiver where one or both are moving. Besides the advantages of reduced procurement and maintenance costs, the receiving system can sense passively while remaining covert which offers obvious tactical advantages. In this work, spaceborne monostatic SARs are used as emitters of opportunity with a stationary ground-based receiver. The imaging mode of SAR systems over land is usually a wide-swath mode such as ScanSAR or TOPSAR in which the antenna scans the area of interest in range to image a larger swath at the expense of degraded cross-range resolution compared to the conventional stripmap mode. In the bistatic geometry considered here, the signals from the sidelobes of the scanning beams illuminating the adjacent sub-swath are exploited to produce images with high cross-range resolution from data obtained from a SAR system operating in wide-swath mode. To achieve this, the SAR inverse problem is rigorously formulated and solved using a Maximum A Posteriori estimation method providing enhanced cross-range resolution compared to that obtained by classical burst-mode SAR processing. This dramatically increases the number of useful images that can be produced using emitters of opportunity. Signals from any radar satellite in the receiving band of the receiver can be used, thus further decreasing the revisit time of the area of interest. As a comparison, a compressive sensing-based method is critically analysed and proves more sensitive to off-grid targets and only suited to sparse scene. The novel SAR imaging method is demonstrated using simulated data and real measurements from C-band satellites such as RADARSAT-2 and ESA’s satellites ERS-2, ENVISAT and Sentinel-1A. In addition, this thesis analyses the main technological issues in bistatic SAR such as the azimuth-variant characteristic of bistatic data and the effect of imperfect synchronisation between the non-cooperative transmitter and the receiver

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

Urban Deformation Monitoring using Persistent Scatterer Interferometry and SAR tomography

This book focuses on remote sensing for urban deformation monitoring. In particular, it highlights how deformation monitoring in urban areas can be carried out using Persistent Scatterer Interferometry (PSI) and Synthetic Aperture Radar (SAR) Tomography (TomoSAR). Several contributions show the capabilities of Interferometric SAR (InSAR) and PSI techniques for urban deformation monitoring. Some of them show the advantages of TomoSAR in un-mixing multiple scatterers for urban mapping and monitoring. This book is dedicated to the technical and scientific community interested in urban applications. It is useful for choosing the appropriate technique and gaining an assessment of the expected performance. The book will also be useful to researchers, as it provides information on the state-of-the-art and new trends in this fiel

Geosynchronous synthetic aperture radar for Earth continuous observation missions

This thesis belongs to the field of remote sensing, particularly Synthetic Aperture Radar (SAR) systems from the space. These systems acquire the signals along the orbital track of one or more satellites where the transmitter and receiver are mounted, and coherently process the echoes in order to form the synthetic aperture. So, high resolution images can be obtained without using large arrays of antennas. The study presented in this thesis is centred in a novel concept in SAR, which is known as Geosynchronous SAR or GEOSAR, where the transmitter and/or receiver are placed in a platform in a geostationary orbit. In this case, the small relative motions between the satellite and the Earth surface are taken to get the necessary motion to form the synthetic aperture and focus the image. The main advantage of these systems with respect to the current technology (where LEO satellites with lower height are considered) is the possibility of permanently acquire images from the same region thanks to the small motion of the platform. Therefore, the different possibilities in the orbital design that offer this novel technology as well as the geometric resolutions obtained in the final image have been firstly studied. However, the use of geosynchronous satellites as illuminators results in slant ranges between 35.000-38.000 Km, which are much higher than the typical values obtained in LEOSAR, under 1.000 Km. Fortunately, the slow motion of the satellite makes possible large integration of pulses during minutes or even hours, reaching Signal-to-Noise Ratio (SNR) levels in the order of LEO acquisitions without using high transmitted power or large antennas. Moreover, such large integration times, increases the length of the synthetic aperture to get the desired geometric resolutions of the image (in the order of a few meters or kilometres depending on the application). On the other hand, the use of long integration time presents some drawbacks such as the scene targets decorrelation, atmospheric artefacts due to the refraction index variations in the tropospheric layer, transmitter and receiver clock jitter, clutter decorrelation or orbital positioning errors; which will affect the correct focusing of the image. For this reason, a detailed theoretical study is presented in the thesis in order to characterize and model these artefacts. Several simulations have been performed in order to see their effects on the final images. Some techniques and algorithms to track and remove these errors from the focused image are presented and the improvement of the final focused image is analysed. Additionally, the real data from a GB-SAR (Ground-Based SAR) have been reused to simulate a long integration time acquisition and see the effects in the image focusing as well as to check the performance of compensation algorithms in the final image. Finally, a ground receiver to reuse signals of opportunity from a broadcasting satellite have been designed and manufactured. This hardware is expected to be an important tool for experimental testing in future GEOSAR analysis.Aquesta tesi s'emmarca dins de l'àmbit de la teledetecció, en particular, en els sistemes coneguts com a radar d'obertura sintètica (SAR en anglès) des de l'espai. Aquests sistemes adquireixen senyal al llarg de l'òrbita d'un o més satèl·lits on estan situats el transmissor i el receptor, i processa els ecos de forma coherent per a formar l'obertura sintètica. D'aquesta manera es poden aconseguir imatge d'alta resolució sense la necessitat d'emprar un array d'antenes molt gran. El treball realitzat en aquest estudi es centra en un nou concepte dins del món SAR que consisteix en l'ús de satèl·lits en òrbita geostacionària per a l'adquisició d'imatges, sistemes coneguts com a Geosynchronous SAR o GEOSAR. En aquest cas, els petits moviments relatius dels satèl·lits respecte de la superfície terrestre s'empren per a aconseguir el desplaçament necessari per a formar l'obertura sintètica i així obtenir la imatge. El principal avantatge d'aquests sistemes respecte a la tecnologia actual (on s'utilitzen satèl·lits en orbites més baixes LEO) és la possibilitat d'adquirir imatges d'una mateixa zona de forma permanent gràcies als petits desplaçaments del satèl·lit. Així doncs, en aquesta tesi s'estudien les diferents possibilitats en el disseny orbital que ofereixen aquests sistemes així com les resolucions d'imatge que s'obtindrien. Tot i així, l'ús de satèl·lits en òrbita geoestacionària, resulta en una distància entre el transmissor/receptor i l'escena entre 35000-38000 Km, molt més gran que les distàncies típiques en els sistemes LEO per sota dels 1000 Km. Tot i així, el moviment lent de les plataformes geostacionàries fa possible la integració de polsos durant minuts o hores, arribant a nivells acceptables de relació senyal a soroll (SNR) sense necessitat d'utilitzar potències transmeses i antenes massa grans. A més a més, aquesta llarga integració també permet assolir unes longituds d'obertura sintètica adients per a arribar a resolucions d'imatge desitjades (de l'ordre de pocs metres o kilòmetres segons l'aplicació). Malgrat això, l'ús de temps d'integració llargs té una sèrie d'inconvenients com poden ser la decorrelació dels blancs de l'escena, l'aparició d'artefactes atmosfèrics deguts als canvis d'índex de refracció en la troposfera, derives dels rellotges del transmissor i receptor, decorrelació del clutter o errors en el posicionament orbital, que poden afectar la correcta focalització de la imatge. Així doncs, en la tesi s'ha fet un detallat estudi teòric d'aquests problemes per tal de modelitzar-los i posteriorment s'han realitzat diverses simulacions per veure els seus efectes en una imatge. Diverses tècniques per a compensar aquests errors i millorar la qualitat de la imatge també s'han estudiat al llarg de la tesi. Per altra banda, dades reals d'un GB-SAR (SAR en una base terrestre) s'han reutilitzat per adaptar-les a una possible adquisició de llarga durada i veure així de forma experimental com afecta la llarga integració en les imatges i com millora l'enfocament després d'aplicar els algoritmes de compensació. Per últim, en la tesi es presenta un sistema receptor terrestre per a poder realitzar un anàlisi experimental del cas GEOSAR utilitzant un il·luminador d'oportunitat. Els primers passos en el disseny i la fabricació del hardware també es presenten en aquesta tes