A Computationally Efficient algorithm to estimate the Parameters of a Two-Dimensional Chirp Model with the product term

Chirp signal models and their generalizations have been used to model many natural and man-made phenomena in signal processing and time series literature. In recent times, several methods have been proposed for parameter estimation of these models. These methods however are either statistically sub-optimal or computationally burdensome, specially for two dimensional (2D) chirp models. In this paper, we consider the problem of parameter estimation of 2D chirp models and propose a computationally efficient estimator and establish asymptotic theoretical properties of the proposed estimators. And the proposed estimators are observed to have the same rates of convergence as the least squares estimators (LSEs). Furthermore, the proposed estimators of chirp rate parameters are shown to be asymptotically optimal. Extensive and detailed numerical simulations are conducted, which support theoretical results of the proposed estimators

Denoising modulo samples: k-NN regression and tightness of SDP relaxation

Many modern applications involve the acquisition of noisy modulo samples of a function $f$, with the goal being to recover estimates of the original samples of $f$. For a Lipschitz function $f:[0,1]^d \to \mathbb{R}$, suppose we are given the samples $y_i = (f(x_i) + \eta_i)\bmod 1; \quad i=1,\dots,n$ where $\eta_i$ denotes noise. Assuming $\eta_i$ are zero-mean i.i.d Gaussian's, and $x_i$'s form a uniform grid, we derive a two-stage algorithm that recovers estimates of the samples $f(x_i)$ with a uniform error rate $O((\frac{\log n}{n})^{\frac{1}{d+2}})$ holding with high probability. The first stage involves embedding the points on the unit complex circle, and obtaining denoised estimates of $f(x_i)\bmod 1$ via a $k$NN (nearest neighbor) estimator. The second stage involves a sequential unwrapping procedure which unwraps the denoised mod $1$ estimates from the first stage. Recently, Cucuringu and Tyagi proposed an alternative way of denoising modulo $1$ data which works with their representation on the unit complex circle. They formulated a smoothness regularized least squares problem on the product manifold of unit circles, where the smoothness is measured with respect to the Laplacian of a proximity graph $G$ involving the $x_i$'s. This is a nonconvex quadratically constrained quadratic program (QCQP) hence they proposed solving its semidefinite program (SDP) based relaxation. We derive sufficient conditions under which the SDP is a tight relaxation of the QCQP. Hence under these conditions, the global solution of QCQP can be obtained in polynomial time.Comment: 34 pages, 6 figure

Optical thin film measurement by interferometric fringe projection and fluorescence stimulated emission

The introduction of a new technique for metrology of thin liquid films to give both the profile of the exterior surface and information on the thickness of the film is the main focus of this research. The proposed approach is based on the use of fringe projection system with a narrow band laser illumination and a high concentration of fluorescent dye dissolved in the fluid in order to generate fluorescence emission from minimum thickness of the film (i.e. the top few microns). The method relies on calculation of an interference phase term and the modulation depth of the fringes created by means of a twin fibre configuration. The characterisation of candidate fluorescent dyes in terms of absorption, related to the depth of penetration of the incident light into the dye and their fluorescence emission efficiency is presented and their application in full field imaging experiments is evaluated. A strong focus of the technique proposed is its flexibility and versatility allowing its extension to phase stepping techniques applied to determine the (fringe) phase map from static and dynamic fluids. Some experiments are carried out using the best dye solution in terms of fluorescence emission and light depth penetration. On the basis of the phase-height relationship achieved during the calibration process, the proposed measurement system is applied for the shape measurement of some static fluids. The profile of the exterior surface of these fluids is investigated by means of phasestepping technique and the resolution of the measurements is estimated. Furthermore a flow rig set-up based on inclined system (gravity assisted) is presented in order to test the shape measurement system in presence of real liquid flows. Different liquid flow thicknesses are processed and analysed. Example data will be included from some fluid films of known geometry in order to validate the method

Provably robust estimation of modulo 1 samples of a smooth function with applications to phase unwrapping

Consider an unknown smooth function $f: [0,1]^d \rightarrow \mathbb{R}$, and say we are given $n$ noisy mod 1 samples of $f$, i.e., $y_i = (f(x_i) + \eta_i)\mod 1$, for $x_i \in [0,1]^d$, where $\eta_i$ denotes the noise. Given the samples $(x_i,y_i)_{i=1}^{n}$, our goal is to recover smooth, robust estimates of the clean samples $f(x_i) \bmod 1$. We formulate a natural approach for solving this problem, which works with angular embeddings of the noisy mod 1 samples over the unit circle, inspired by the angular synchronization framework. This amounts to solving a smoothness regularized least-squares problem -- a quadratically constrained quadratic program (QCQP) -- where the variables are constrained to lie on the unit circle. Our approach is based on solving its relaxation, which is a trust-region sub-problem and hence solvable efficiently. We provide theoretical guarantees demonstrating its robustness to noise for adversarial, and random Gaussian and Bernoulli noise models. To the best of our knowledge, these are the first such theoretical results for this problem. We demonstrate the robustness and efficiency of our approach via extensive numerical simulations on synthetic data, along with a simple least-squares solution for the unwrapping stage, that recovers the original samples of $f$ (up to a global shift). It is shown to perform well at high levels of noise, when taking as input the denoised modulo $1$ samples. Finally, we also consider two other approaches for denoising the modulo 1 samples that leverage tools from Riemannian optimization on manifolds, including a Burer-Monteiro approach for a semidefinite programming relaxation of our formulation. For the two-dimensional version of the problem, which has applications in radar interferometry, we are able to solve instances of real-world data with a million sample points in under 10 seconds, on a personal laptop.Comment: 68 pages, 32 figures. arXiv admin note: text overlap with arXiv:1710.1021

Advanced interferometric techniques for high resolution bathymetry

International audienceCurrent high-resolution side scan and multibeam sonars produce very large data sets. However, conventional interferometry-based bathymetry algorithms underestimate the potential information of such soundings, generally because they use small baselines to avoid phase ambiguity. Moreover, these algorithms limit the triangulation capabilities of multibeam echosounders to the detection of one sample per beam, i.e., the zero-phase instant. In this paper we argue that the correlation between signals plays a very important role in the exploration of a remotely observed scene. In the case of multibeam sonars, capabilities can be improved by using the interferometric signal as a continuous quantity. This allows consideration of many more useful soundings per beam and enriches understanding of the environment. To this end, continuous interferometry detection is compared here, from a statistical perspective, first with conventional interferometry-based algorithms and then with high-resolution methods, such as the Multiple Signal Classification (MUSIC) algorithm. We demonstrate that a well-designed interferometry algorithm based on a coherence error model and an optimal array configuration permits a reduction in the number of beam formings (and therefore the computational cost) and an improvement in target detection (such as ship mooring cables or masts). A possible interferometry processing algorithm based on the complex correlation between received signals is tested on both sidescan sonars and multibeam echosounders and shows promising results for detection of small in-water targets

Robust and Flexible Persistent Scatterer Interferometry for Long-Term and Large-Scale Displacement Monitoring

Die Persistent Scatterer Interferometrie (PSI) ist eine Methode zur Überwachung von Verschiebungen der Erdoberfläche aus dem Weltraum. Sie basiert auf der Identifizierung und Analyse von stabilen Punktstreuern (sog. Persistent Scatterer, PS) durch die Anwendung von Ansätzen der Zeitreihenanalyse auf Stapel von SAR-Interferogrammen. PS Punkte dominieren die Rückstreuung der Auflösungszellen, in denen sie sich befinden, und werden durch geringfügige Dekorrelation charakterisiert. Verschiebungen solcher PS Punkte können mit einer potenziellen Submillimetergenauigkeit überwacht werden, wenn Störquellen effektiv minimiert werden. Im Laufe der Zeit hat sich die PSI in bestimmten Anwendungen zu einer operationellen Technologie entwickelt. Es gibt jedoch immer noch herausfordernde Anwendungen für die Methode. Physische Veränderungen der Landoberfläche und Änderungen in der Aufnahmegeometrie können dazu führen, dass PS Punkte im Laufe der Zeit erscheinen oder verschwinden. Die Anzahl der kontinuierlich kohärenten PS Punkte nimmt mit zunehmender Länge der Zeitreihen ab, während die Anzahl der TPS Punkte zunimmt, die nur während eines oder mehrerer getrennter Segmente der analysierten Zeitreihe kohärent sind. Daher ist es wünschenswert, die Analyse solcher TPS Punkte in die PSI zu integrieren, um ein flexibles PSI-System zu entwickeln, das in der Lage ist mit dynamischen Veränderungen der Landoberfläche umzugehen und somit ein kontinuierliches Verschiebungsmonitoring ermöglicht. Eine weitere Herausforderung der PSI besteht darin, großflächiges Monitoring in Regionen mit komplexen atmosphärischen Bedingungen durchzuführen. Letztere führen zu hoher Unsicherheit in den Verschiebungszeitreihen bei großen Abständen zur räumlichen Referenz. Diese Arbeit befasst sich mit Modifikationen und Erweiterungen, die auf der Grund lage eines bestehenden PSI-Algorithmus realisiert wurden, um einen robusten und flexiblen PSI-Ansatz zu entwickeln, der mit den oben genannten Herausforderungen umgehen kann. Als erster Hauptbeitrag wird eine Methode präsentiert, die TPS Punkte vollständig in die PSI integriert. In Evaluierungsstudien mit echten SAR Daten wird gezeigt, dass die Integration von TPS Punkten tatsächlich die Bewältigung dynamischer Veränderungen der Landoberfläche ermöglicht und mit zunehmender Zeitreihenlänge zunehmende Relevanz für PSI-basierte Beobachtungsnetzwerke hat. Der zweite Hauptbeitrag ist die Vorstellung einer Methode zur kovarianzbasierten Referenzintegration in großflächige PSI-Anwendungen zur Schätzung von räumlich korreliertem Rauschen. Die Methode basiert auf der Abtastung des Rauschens an Referenzpixeln mit bekannten Verschiebungszeitreihen und anschließender Interpolation auf die restlichen PS Pixel unter Berücksichtigung der räumlichen Statistik des Rauschens. Es wird in einer Simulationsstudie sowie einer Studie mit realen Daten gezeigt, dass die Methode überlegene Leistung im Vergleich zu alternativen Methoden zur Reduktion von räumlich korreliertem Rauschen in Interferogrammen mittels Referenzintegration zeigt. Die entwickelte PSI-Methode wird schließlich zur Untersuchung von Landsenkung im Vietnamesischen Teil des Mekong Deltas eingesetzt, das seit einigen Jahrzehnten von Landsenkung und verschiedenen anderen Umweltproblemen betroffen ist. Die geschätzten Landsenkungsraten zeigen eine hohe Variabilität auf kurzen sowie großen räumlichen Skalen. Die höchsten Senkungsraten von bis zu 6 cm pro Jahr treten hauptsächlich in städtischen Gebieten auf. Es kann gezeigt werden, dass der größte Teil der Landsenkung ihren Ursprung im oberflächennahen Untergrund hat. Die präsentierte Methode zur Reduzierung von räumlich korreliertem Rauschen verbessert die Ergebnisse signifikant, wenn eine angemessene räumliche Verteilung von Referenzgebieten verfügbar ist. In diesem Fall wird das Rauschen effektiv reduziert und unabhängige Ergebnisse von zwei Interferogrammstapeln, die aus unterschiedlichen Orbits aufgenommen wurden, zeigen große Übereinstimmung. Die Integration von TPS Punkten führt für die analysierte Zeitreihe von sechs Jahren zu einer deutlich größeren Anzahl an identifizierten TPS als PS Punkten im gesamten Untersuchungsgebiet und verbessert damit das Beobachtungsnetzwerk erheblich. Ein spezieller Anwendungsfall der TPS Integration wird vorgestellt, der auf der Clusterung von TPS Punkten basiert, die innerhalb der analysierten Zeitreihe erschienen, um neue Konstruktionen systematisch zu identifizieren und ihre anfängliche Bewegungszeitreihen zu analysieren