Estimating Cloud and Rain Parameters from Doppler Radar Data

Real-time mapping of the parameters of precipitating water clouds and rain making use of a vertically-directed Doppler radar is an important problem. In this paper, an algorithm based on an independent estimation of the droplet effective diameter and concentration is suggested. This approach differs from the Marshall-Palmer retrieval procedure that is based on a single estimated parameter, the radar reflectivity factor. It is shown that the Marshall-Palmer approach can provide good estimates of the averaged parameters, however is not suitable for producing the high resolution time-height maps of the parameters. The two-parameter retrieval algorithm under discussion was tested using the data obtained with the 36 GHz polarimetric Doppler cloud radar MIRA-36. The results of the measurements and their processing are presented. The algorithm suggested has appeared to be applicable for real-time measurements with the vertically-directed Doppler radars.Построение изображений параметров водяных облаков, дающих осадки, и дождя с помощью вертикально направленного доплеровского радиолокатора является важной задачей. В статье предложен алгоритм, основанный на независимой оценке эффективного диаметра и концентрации капель. Этот подход отличается от подхода Маршалла-Пальмера, основанного на оценке одного параметра – радиолокационной отражаемости. Показано, что подход Маршалла-Пальмера обеспечивает хорошую оценку усредненных параметров, но не годится для построения изображений параметров с высоким разрешением в координатах время – высота. Рассматриваемый подход с двумя параметрами был испытан на поляриметрическом доплеровском радиолокаторе MIRA-36. В статье приведены результаты измерений и их обработки. Предложенный алгоритм оказался приемлемым для работы в реальном времени на вертикально направленных доплеровских радиолокаторах.Побудова зображень параметрів водяних хмар, що дають опади, та дощу за допомогою вертикально орієнтованого доплерівського радіолокатора є важливою задачею. В статті запропоновано алгоритм, що базується на незалежній оцінці ефективного діаметра та концентрації крапель. Цей підхід відрізняється від підходу Маршала-Пальмера, що базується на оцінці одного параметра – коефіцієнта радіолокаційного відбиття. Показано, що підхід Маршала-Пальмера забезпечує добру оцінку усереднених параметрів, але не придатний для побудови зображень параметрів з високим розділенням в координатах час – висота. Розглянутий підхід з двома параметрами було випробувано на поляриметричному доплерівському радіолокаторі MIRA-36. В статті наведено результати вимірювань та їх обробки. Запропонований алгоритм виявився придатним для роботи у реальному часі на вертикально спрямованих доплерівських радіолокаторах

Noise Reduction Algorithm Based on Template Wavelet Coefficients

In the paper, a new algorithm based on the application of template wavelet coefficients is proposed to solve the problems concerning noise reduction in the vicinity of edges in signals and images and suppressing parasitic oscillations, which arise when threshold wavelet algorithms are used. It is shown that this approach calls for choosing a specific wavelet. Examples of the application of the developed technique are given.В статье предложен новый алгоритм, основанный на применении шаблонных вейвлетных коэффициентов для решения проблем, связанных с удалением шума в окрестности границ в сигналах и изображениях и подавлением паразитных осцилляций, которые возникают при использовании пороговых вейвлетных алгоритмов. Показано, что этот подход требует выбора специального вейвлета. Приведены примеры применения предложенного подхода.У статті запропоновано новий алгоритм, що базується на використанні шаблонних вейвлетних коефіцієнтів для розв’язання проблем, пов’язаних з видаленням шуму поблизу меж в сигналах та зображеннях і знищення паразитних осциляцій, що виникають у разі застосування порогових вейвлетних алгоритмів. Зазначено, що цей підхід вимагає вибору спеціального вейвлета. Наведено приклади використання запропонованого підходу

Multi-Look Radiometric Correction of SAR Images

Deviations of the aircraft trajectory and instabilities of the aircraft orientation lead to non-uniform illumination of the ground by the antenna beam and, as a result, to radiometric errors in radar images obtained with airborne synthetic aperture radars (SAR). The clutter-lock technique is commonly used to avoid the radiometric errors. However, this approach leads to strong geometric distortions in SAR images in the case of fast and significant instabilities of antenna orientation. Here we propose a multilook radiometric correction technique which can be used instead of the clutter-lock. The proposed approach has been tested by using a Ku-band airborne SAR system installed onboard a light-weight aircraft.Отклонения траектории самолета и нестабильности ориентации самолета приводят к неравномерной подсветке земной поверхности лучом антенны и в результате к радиометрическим ошибкам на радиолокационных изображениях, полученных с помощью самолетных радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА). Чтобы избежать радиометрических ошибок, обычно применяется техника слежения за сигналом от местности. Однако такой подход приводит к значительным геометрическим искажениям на РСА-изображениях в случае быстрых и значительных нестабильностей ориентации антенны. В этой статье мы предложили технику многовзглядовой радиометрической коррекции, которую можно использовать вместо слежения за сигналом от местности. Предложенный подход был испытан с помощью самолетного РСА 2-сантиметрового диапазона длин волн, установленного на легком самолете.Відхилення траєкторії літака та нестабільності орієнтації літака призводять до нерівномірного підсвічування земної поверхні променем антени і, як наслідок, до радіометричних помилок на радіолокаційних зображеннях, отриманих за допомогою літакових радіолокаторів з синтезованою апертурою (РСА). Аби уникнути радіометричних помилок, звичайно використовується техніка слідкування за сигналом від місцевості. Однак такий підхід призводить до значних геометричних спотворень РСА-зображень у випадку швидких та значних нестабільностей орієнтації антени. У цій статті ми пропонуємо техніку багатопоглядової радіометричної корекції, яку можна використовувати замість слідкування за сигналом від місцевості. Запропонований підхід був випробуваний за допомогою літакового РСА 2-сантиметрового діапазону довжин хвиль, встановленого на легкому літаку

SAR Processing Algorithm with Built-In Geometric Correction

Synthetic aperture radar (SAR) systems onboard small aircrafts suffer from trajectory deviations and instabilities of antenna orientation. These kinds of motion errors lead to significant geometric distortions in SAR images. In order to correct the distortions, we propose a time-domain multi-look stripmap SAR processing algorithm with built-in geometric correction. In the algorithm, the azimuth reference functions and range migration curves are designed to produce SAR images directly on a correct rectangular grid on the ground plane. The proposed technique has been successfully tested by using a Ku-band airborne SAR system installed onboard light-weight aircraft.Радиолокационные системы с синтезированной апертурой (РСА), установленные на небольших самолетах, подвержены влиянию отклонений траектории и нестабильности ориентацииантенны. Такие ошибки движения приводят к значительным геометрическим искажениям на радиолокационных изображениях (РЛИ). Чтобы исправить эти искажения, мы предлагаем алгоритм многовзглядовой обработки со встроенной геометрической коррекцией, работающий во временной области и предназначенный для РСА бокового обзора. В этом алгоритме азимутальные опорные функции и кривые миграции строятся таким образом, чтобы получать РЛИ сразу на прямоугольной сетке в плоскости земли. Предложенный метод был успешно испытан с использованием самолетного РСА сантиметрового диапазона длин волн, установленного на легком самолете.Радіолокаційні системи з синтезованою апертурою (РСА), встановлені на невеликих літаках, зазнають впливу відхилень траєкторії і нестабільності орієнтації антени. Такі помилки руху призводять до значних геометричних спотворень на радіолокаційних зображеннях (РЛЗ). Аби виправити ці спотворення, ми пропонуємо алгоритм багатопоглядової обробки з вбудованою геометричною корекцією, який працює у часовому просторі та призначений для РСА бічного огляду. У цьому алгоритмі азимутальні опорні функції та криві міграції формуються таким чином, щоб отримувати РЛЗ одразу на прямокутній сітці в площині землі. Запропонований метод було успішно випробувано з використанням РСА сантиметрового діапазону довжин хвиль, встановленому на легкому літаку

Experimental Ka-Band Ground-Based SAR System

An experimental ground-based synthetic aperture radar (GB-SAR) system operating at Ka-band has been developed. The system is designed to be operated from a top a hill or from a building roof, etc. for imaging the underlying ground terrain. The radar hardware system, operating mode and original data processing techniques are described in the paper. A high-duty-cycle long-LFM-pulse mode (quasi-continuous mode) has been used. An effective adaptive matched filtering for range compression has been introduced that provides high dynamic range and high coherency for the radar system. A prominent point processing autofocus has been implemented for the precise estimation and compensation of motion errors of the radar platform. The achieved performance of the GB-SAR system is illustrated with experimental data.Разработана экспериментальная наземная радиолокационная система с синтезированной апертурой (РСА-система), работающая в Ka-диапазоне длин волн. Система спроектирована для работы с вершины холма или крыши здания и т. п. для построения изображений нижерасположенной местности. В статье описана аппаратная часть радиолокатора, режим работы и оригинальные методы обработки данных. Применен режим работы с длинными импульсами с линейной частотной модуляцией с высокой скважностью (квази-непрерывный режим). Предложена техника сжатия импульсов с эффективным адаптивным согласованным фильтром, которая обеспечивает высокий динамический диапазон и высокую когерентность радиолокационной системы. Для точной оценки и компенсации ошибок движения радиолокационной платформы применен метод автофокусировки по сигналам от ярких точек. Достигнутая эффективность наземной РСА-системы проиллюстрирована на экспериментальных данных.Розроблено експериментальну наземну радіолокаційну систему з синтезованою апертурою (РСА-систему), яка працює в Ka-діапазоні довжин хвиль. Систему спроектовано для роботи з вершини пагорба або даху будівлі тощо для побудови зображень нижче розташованої місцевості. В статті описано апаратну частину радіолокатора, режим роботи і оригінальні методи обробки даних. Застосовано режим роботи з довгими імпульсами з лінійною частотною модуляцією з високою скважністю (квазі-неперервний режим). Запропоновано техніку стискання імпульсів з ефективним адаптивним узгодженим фільтром, що забезпечує високий динамічний діапазон та високу когерентність радіолокаційної системи. Для точної оцінки і компенсації помилок руху радіолокаційної платформи використано метод автофокусування за сигналами від яскравих точок. Досягнута ефективність наземної РСА-системи проілюстрована на експериментальних даних

SAR PROCESSING ALGORITHM WITH BUILT-IN GEOMETRIC CORRECTION

Synthetic aperture radar (SAR) systems onboard small aircrafts suffer from trajectory deviations and instabilities of antenna orientation. These kinds of motion errors lead to significant geometric distortions in SAR images. In order to correct the distortions, we propose a time-domain multi-look stripmap SAR processing algorithm with built-in geometric correction. In the algorithm, the azimuth reference functions and range migration curves are designed to produce SAR images directly on a correct rectangular grid on the ground plane. The proposed technique has been successfully tested by using a Ku-band airborne SAR system installed onboard light-weight aircraft.Радиолокационные системы с синтезированной апертурой (РСА), установленные на небольших самолетах, подвержены влиянию отклонений траектории и нестабильности ориентацииантенны. Такие ошибки движения приводят к значительным геометрическим искажениям на радиолокационных изображениях (РЛИ). Чтобы исправить эти искажения, мы предлагаем алгоритм многовзглядовой обработки со встроенной геометрической коррекцией, работающий во временной области и предназначенный для РСА бокового обзора. В этом алгоритме азимутальные опорные функции и кривые миграции строятся таким образом, чтобы получать РЛИ сразу на прямоугольной сетке в плоскости земли. Предложенный метод был успешно испытан с использованием самолетного РСА сантиметрового диапазона длин волн, установленного на легком самолете.Радіолокаційні системи з синтезованою апертурою (РСА), встановлені на невеликих літаках, зазнають впливу відхилень траєкторії і нестабільності орієнтації антени. Такі помилки руху призводять до значних геометричних спотворень на радіолокаційних зображеннях (РЛЗ). Аби виправити ці спотворення, ми пропонуємо алгоритм багатопоглядової обробки з вбудованою геометричною корекцією, який працює у часовому просторі та призначений для РСА бічного огляду. У цьому алгоритмі азимутальні опорні функції та криві міграції формуються таким чином, щоб отримувати РЛЗ одразу на прямокутній сітці в площині землі. Запропонований метод було успішно випробувано з використанням РСА сантиметрового діапазону довжин хвиль, встановленому на легкому літаку

Cost-Effective Airborne SAR

A Ku-band airborne SAR, which is a cost effective system in terms of the development and exploitation costs, has been recently developed and tested at the Institute of Radio Astronomy of the National Academy of Sciences of Ukraine. The SAR system is capable of producing real-time, high-resolution images, and it can be effectively operated from light weight aircrafts. The system benefits essentially from the introduction of a novel algorithm of a real-time estimation of the aircraft orientation angles, which is based on the analysis of backscattered signals. This paper describes the principles of the SAR operation, the setup of the SAR system, its main components, and the signal processing technique used. The results obtained during flight tests are summarized as well.Самолетный радиолокатор Ku-диапазона с синтезированной апертурой (РСА), разработанный и прошедший испытания в Радиоастрономическом институте НАН Украины, является недорогой эффективной системой с точки зрения ее разработки и эксплуатации. Данный РСА может быть установлен на легкомоторном самолете и позволяет получать радиолокационные изображения с высоким разрешением в реальном масштабе времени. Важным достоинством системы является реализация оригинального алгоритма определения углов ориентации самолета в реальном времени, основанного на анализе отраженных от земли сигналов. В статье описаны принципы действия разработанного РСА, устройство и основные компоненты системы, алгоритмы обработки сигналов, а также приведены результаты экспериментальных полетов с использованием системы РСА