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Synthetic aperture radar imaging in the time domain for nonlinear sensor trajectories and SAR tomography


Frey, Othmar. Synthetic aperture radar imaging in the time domain for nonlinear sensor trajectories and SAR tomography. 2010, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Synthetic aperture radar (SAR) systems are used to obtain geospatial information for a broad range of applications, such as measuring geo- and biophysical parameters, topographic mapping, monitoring of land subsidence, landslides, and crustal deformation, as well as disaster mapping. In recent years, advanced SAR acquisition modes of growing complexity have been proposed in order to gain more flexibility in terms of usable sensor constellations and acquisition scenarios, as well as in an attempt to increase the number of observables to allow for a more reliable image and parameter inversion. These new imaging modes require more flexible SAR image reconstruction algorithms. Within the scope of this dissertation, a novel time-domain back-projection (TDBP) based SAR image processing software was developed and investigated in terms of two nonstandard data acquisitions scenarios: 1) SAR imaging along highly nonlinear sensor trajectories, and 2) high-resolution tomographic imaging of a forest at L-band and P-band. To this end, two airborne SAR experiments were designed, which were flown by the German Aerospace Center’s E-SAR system in September 2006. By means of the experimental data involving highly nonlinear sensor trajectories it was shown that the TDBP focusing algorithm yields a superior image quality as compared to a combined chirp scaling and mosaicking approach. The results of the study indicate that, in general, the TDBP algorithm imposes virtually no restrictions on the shape of the sensor trajectory. It is therefore an attractive method for efficient mapping along curvilinear objects of interest, such as traffic routes, rivers, or pipelines. A second emphasis of this dissertation is on SAR tomography of forest environments. In order to explore in detail the back-scattering behavior of radar signals within a forest a non-model-based TDBP tomographic imaging approach was pursued. In particular, three different direction-of-arrival estimation techniques, multi look beamforming, robust Capon beamforming, and MUSIC beamforming, were implemented in order to focus the two multi-baseline airborne SAR data sets at L-band and P-band. In terms of focusing quality, an unprecedented level of detail was obtained using the proposed TDBP-based tomographic imaging approach. Gaps in the canopy due to features like small forest roads are well visible in the tomographic image, for instance. Thus, the three-dimensional tomographic SAR imagery provides a good basis to investigate the back-scattering properties of the forested area at L-band and P-band. With three prospective spaceborne SAR remote sensing missions, BIOMASS at P-band, Tandem-L, and DESDynI, both at L-band, which are all aimed at global mapping and monitoring of carbon stock by assessing the above ground biomass of forests, establishing a good understanding of the interaction of microwaves at L-band and P-band with forests is critical in order to develop reliable biomass products. By means of a detailed analysis of the high-quality three- dimensional SAR data products obtained by tomographic processing, including cross-validation with airborne laser scanning data, a substantial contribution towards an improved understanding of the interaction of microwaves at L-band and P-band with forest environments was achieved within this work.



Radarsysteme mit synthetischer Apertur (SAR) werden zur Gewinnung von raumbezogener Information für eine breite Palette von Anwendungen benutzt, wie beispielsweise zur Messung von geo- und biophysikalischen Parametern, zur Ableitung von Höheninformation, zur Uberwachung von Absenkungen, Hangrutschungen und Bewegungen der Erdkruste, sowie zur Schadenserfassung nach Naturkatastrophen. Im Hinblick auf eine Verbesserung der Flexibilität bezüglich verwendbarer Sensorkonstellationen und möglicher Datenakquisitionsszenarien, sowie mit dem Ziel, die Anzahl der Beobachtungen zu erhöhen, um eine zuverlässigere Bildgebung und Parameterinversion zu erreichen, haben in den letzten Jahren neue, komplexe SAR Datenakquisitionsmodi grosse Beachtung gefunden. Diese neuen SAR Modi verlangen flexiblere SAR Bildrekonstruktionsalgorithmen. Im Rahmen dieser Dissertation wurde eine neue SAR Prozessierungssoftware, welche auf dem “time-domain back-projection” (TDBP) Prinzip basiert, entwickelt und anhand von zwei nicht standardmässigen Aufnahmemodi getestet und evaluiert: 1) SAR Aufnahmen entlang von hochgradig nichtlinearen Sensortrajektorien, und 2) hochauflösende tomographische Aufnahmen eines Waldes im L- und P-Band. Die entsprechenden Daten wurden mittels zweier Experimente erhoben, welche im September 2006 mit dem flugzeuggestützten E-SAR Sensor des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt durchgeführt wurden. Mithilfe der experimentellen Daten, welche von hochgradig nichtlinearen Sensortrajektorien aufgenommen wurden, konnte gezeigt werden, dass der TDBP Algorithmus, im Gegensatz zu einem kombinierten “Chirp Scaling”- und Mosaikierungsansatz, trotz nichtlinearer Fluggeometrie keine Verschlechterung der Bildqualität aufweist. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass der vorgestellte TDBP Algorithmus grundsätzlich kaum Einschränkungen bezüglich der Aufnahmegeometrie unterliegt. Die Prozessierungsmethode ermöglicht somit eine effiziente Datenerfassung entlang kurvenförmiger Gebiete und Objekte, wie zum Beispiel Verkehrswege, Flüsse oder Pipelines. Der zweite Schwerpunkt dieser Dissertation liegt auf der tomographischen Abbildung von Waldgebieten mittels “Multibaseline” SAR Daten. Um das Rückstreuverhalten von Radarsignalen innerhalb eines Waldes zu untersuchen wurde ein nicht-modellbasierter, auf dem TDBP Verfahren beruhender Ansatz verfolgt. Insbesondere wurden drei verschiedene “Direction-of-Arrival” Schätzverfahren, Multilook Beamforming, Robust Capon Beamforming und MUSIC implementiert, um die beiden “Multibaseline” SAR Datensätze im L- und P-Band zu fokussieren. Hinsichtlich der Fokussierungsqualität konnte mit dem vorgestellten TDBP-basierten Ansatz ein bisher unerreichter Detaillierungsgrad in der tomographischen Fokussierung erzielt werden. So sind beispielsweise Lücken im Kronenschluss des Waldes über Forstwegen im fokussierten tomographischen Bild immer noch gut erkennbar. Damit bieten die dreidimensionalen tomographischen SAR Bilder eine geeignete Grundlage, um die Rückstreueigenschaften des aufgenommen Waldes in den Frequenzen L-Band und P-Band zu untersuchen. Im Hinblick auf drei in Aussicht stehende satellitengestützte SAR Fernerkundungsmissionen, BIOMASS im P-Band, Tandem-L und DESDynI, im L-Band, welche unter anderem auf eine globale Kartierung und Uberwachung des in Form von Waldbiomasse gespeicherten Kohlenstoffbestandes ausgerichtet sind, ist ein vertieftes Verständnis der Wechselwirkung von Mikrowellen im L-Band und P-Band mit Wald unerlässlich, um zuverlässige Produkte zu entwickeln. Im Rahmen dieser Arbeit konnte aufgrund einer detaillierten Analyse der erzeugten, dreidimensionalen SAR Datenprodukte, einschliesslich einer Validierung mit hochauflösenden Laserscanning-Daten, ein wesentlicher Beitrag zu einem besseren Verständnis der Rückstreueigenschaften von Wald mit Mikrowellen im L- und P-Band geleistet werden.

Abstract

Synthetic aperture radar (SAR) systems are used to obtain geospatial information for a broad range of applications, such as measuring geo- and biophysical parameters, topographic mapping, monitoring of land subsidence, landslides, and crustal deformation, as well as disaster mapping. In recent years, advanced SAR acquisition modes of growing complexity have been proposed in order to gain more flexibility in terms of usable sensor constellations and acquisition scenarios, as well as in an attempt to increase the number of observables to allow for a more reliable image and parameter inversion. These new imaging modes require more flexible SAR image reconstruction algorithms. Within the scope of this dissertation, a novel time-domain back-projection (TDBP) based SAR image processing software was developed and investigated in terms of two nonstandard data acquisitions scenarios: 1) SAR imaging along highly nonlinear sensor trajectories, and 2) high-resolution tomographic imaging of a forest at L-band and P-band. To this end, two airborne SAR experiments were designed, which were flown by the German Aerospace Center’s E-SAR system in September 2006. By means of the experimental data involving highly nonlinear sensor trajectories it was shown that the TDBP focusing algorithm yields a superior image quality as compared to a combined chirp scaling and mosaicking approach. The results of the study indicate that, in general, the TDBP algorithm imposes virtually no restrictions on the shape of the sensor trajectory. It is therefore an attractive method for efficient mapping along curvilinear objects of interest, such as traffic routes, rivers, or pipelines. A second emphasis of this dissertation is on SAR tomography of forest environments. In order to explore in detail the back-scattering behavior of radar signals within a forest a non-model-based TDBP tomographic imaging approach was pursued. In particular, three different direction-of-arrival estimation techniques, multi look beamforming, robust Capon beamforming, and MUSIC beamforming, were implemented in order to focus the two multi-baseline airborne SAR data sets at L-band and P-band. In terms of focusing quality, an unprecedented level of detail was obtained using the proposed TDBP-based tomographic imaging approach. Gaps in the canopy due to features like small forest roads are well visible in the tomographic image, for instance. Thus, the three-dimensional tomographic SAR imagery provides a good basis to investigate the back-scattering properties of the forested area at L-band and P-band. With three prospective spaceborne SAR remote sensing missions, BIOMASS at P-band, Tandem-L, and DESDynI, both at L-band, which are all aimed at global mapping and monitoring of carbon stock by assessing the above ground biomass of forests, establishing a good understanding of the interaction of microwaves at L-band and P-band with forests is critical in order to develop reliable biomass products. By means of a detailed analysis of the high-quality three- dimensional SAR data products obtained by tomographic processing, including cross-validation with airborne laser scanning data, a substantial contribution towards an improved understanding of the interaction of microwaves at L-band and P-band with forest environments was achieved within this work.



Radarsysteme mit synthetischer Apertur (SAR) werden zur Gewinnung von raumbezogener Information für eine breite Palette von Anwendungen benutzt, wie beispielsweise zur Messung von geo- und biophysikalischen Parametern, zur Ableitung von Höheninformation, zur Uberwachung von Absenkungen, Hangrutschungen und Bewegungen der Erdkruste, sowie zur Schadenserfassung nach Naturkatastrophen. Im Hinblick auf eine Verbesserung der Flexibilität bezüglich verwendbarer Sensorkonstellationen und möglicher Datenakquisitionsszenarien, sowie mit dem Ziel, die Anzahl der Beobachtungen zu erhöhen, um eine zuverlässigere Bildgebung und Parameterinversion zu erreichen, haben in den letzten Jahren neue, komplexe SAR Datenakquisitionsmodi grosse Beachtung gefunden. Diese neuen SAR Modi verlangen flexiblere SAR Bildrekonstruktionsalgorithmen. Im Rahmen dieser Dissertation wurde eine neue SAR Prozessierungssoftware, welche auf dem “time-domain back-projection” (TDBP) Prinzip basiert, entwickelt und anhand von zwei nicht standardmässigen Aufnahmemodi getestet und evaluiert: 1) SAR Aufnahmen entlang von hochgradig nichtlinearen Sensortrajektorien, und 2) hochauflösende tomographische Aufnahmen eines Waldes im L- und P-Band. Die entsprechenden Daten wurden mittels zweier Experimente erhoben, welche im September 2006 mit dem flugzeuggestützten E-SAR Sensor des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt durchgeführt wurden. Mithilfe der experimentellen Daten, welche von hochgradig nichtlinearen Sensortrajektorien aufgenommen wurden, konnte gezeigt werden, dass der TDBP Algorithmus, im Gegensatz zu einem kombinierten “Chirp Scaling”- und Mosaikierungsansatz, trotz nichtlinearer Fluggeometrie keine Verschlechterung der Bildqualität aufweist. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass der vorgestellte TDBP Algorithmus grundsätzlich kaum Einschränkungen bezüglich der Aufnahmegeometrie unterliegt. Die Prozessierungsmethode ermöglicht somit eine effiziente Datenerfassung entlang kurvenförmiger Gebiete und Objekte, wie zum Beispiel Verkehrswege, Flüsse oder Pipelines. Der zweite Schwerpunkt dieser Dissertation liegt auf der tomographischen Abbildung von Waldgebieten mittels “Multibaseline” SAR Daten. Um das Rückstreuverhalten von Radarsignalen innerhalb eines Waldes zu untersuchen wurde ein nicht-modellbasierter, auf dem TDBP Verfahren beruhender Ansatz verfolgt. Insbesondere wurden drei verschiedene “Direction-of-Arrival” Schätzverfahren, Multilook Beamforming, Robust Capon Beamforming und MUSIC implementiert, um die beiden “Multibaseline” SAR Datensätze im L- und P-Band zu fokussieren. Hinsichtlich der Fokussierungsqualität konnte mit dem vorgestellten TDBP-basierten Ansatz ein bisher unerreichter Detaillierungsgrad in der tomographischen Fokussierung erzielt werden. So sind beispielsweise Lücken im Kronenschluss des Waldes über Forstwegen im fokussierten tomographischen Bild immer noch gut erkennbar. Damit bieten die dreidimensionalen tomographischen SAR Bilder eine geeignete Grundlage, um die Rückstreueigenschaften des aufgenommen Waldes in den Frequenzen L-Band und P-Band zu untersuchen. Im Hinblick auf drei in Aussicht stehende satellitengestützte SAR Fernerkundungsmissionen, BIOMASS im P-Band, Tandem-L und DESDynI, im L-Band, welche unter anderem auf eine globale Kartierung und Uberwachung des in Form von Waldbiomasse gespeicherten Kohlenstoffbestandes ausgerichtet sind, ist ein vertieftes Verständnis der Wechselwirkung von Mikrowellen im L-Band und P-Band mit Wald unerlässlich, um zuverlässige Produkte zu entwickeln. Im Rahmen dieser Arbeit konnte aufgrund einer detaillierten Analyse der erzeugten, dreidimensionalen SAR Datenprodukte, einschliesslich einer Validierung mit hochauflösenden Laserscanning-Daten, ein wesentlicher Beitrag zu einem besseren Verständnis der Rückstreueigenschaften von Wald mit Mikrowellen im L- und P-Band geleistet werden.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Schaepman Michael E, Meier Erich
Communities & Collections:07 Faculty of Science > Institute of Geography
UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:910 Geography & travel
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2010
Deposited On:16 Feb 2011 17:09
Last Modified:25 May 2020 16:56
Publisher:RSL
Series Name:Remote sensing series
Number of Pages:152
ISBN:978-3-03703-025-7
OA Status:Green
Related URLs:https://www.recherche-portal.ch/permalink/f/5u2s2l/ebi01_prod006410622 (Library Catalogue)

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