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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

i



Summary

Synthetic aperture radar (SAR) systems are used to obtain geospatial informa- tion 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 sce- narios, 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 environ- ments. 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, multilook beamforming, robust Capon beamforming, and MUSIC beamforming, were implemented in order to focus the two multibaseline airborne SAR data sets at L-band and P-band. In terms of focusing quality, an unprecedented level ii Summary

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 to- mographic 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 mi- crowaves 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 a 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. iii



Radarsysteme mit synthetischer Apertur (SAR) werden zur Gewinnung von raumbezogener Information f¨r eine breite Palette von Anwendungen benutzt, u wie beispielsweise zur Messung von geo- und biophysikalischen Parametern, zur ¨ Ableitung von H¨heninformation, zur Uberwachung von Absenkungen, Hang- o rutschungen und Bewegungen der Erdkruste, sowie zur Schadenserfassung nach Naturkatastrophen. Im Hinblick auf eine Verbesserung der Flexibilit¨t bez¨glich a u verwendbarer Sensorkonstellationen und m¨glicher Datenakquisitionsszenarien, o sowie mit dem Ziel, die Anzahl der Beobachtungen zu erh¨hen, um eine zu- o verl¨ssigere Bildgebung und Parameterinversion zu erreichen, haben in den a letzten Jahren neue, komplexe SAR Datenakquisitionsmodi grosse Beachtung gefunden. Diese neuen SAR Modi verlangen flexiblere SAR Bildrekonstruktions- algorithmen. Im Rahmen dieser Dissertation wurde eine neue SAR Prozessierungssoftware, welche auf dem “time-domain back-projection” (TDBP) Prinzip basiert, ent- wickelt und anhand von zwei nicht standardm¨ssigen Aufnahmemodi getestet a und evaluiert: 1) SAR Aufnahmen entlang von hochgradig nichtlinearen Sensor- trajektorien, und 2) hochaufl¨sende tomographische Aufnahmen eines Waldes o im L- und P-Band. Die entsprechenden Daten wurden mittels zweier Experi- mente erhoben, welche im September 2006 mit dem flugzeuggest¨tzten E-SAR u Sensor des Deutschen Zentrums f¨r Luft- und Raumfahrt durchgef¨hrt wurden. u u Mithilfe der experimentellen Daten, welche von hochgradig nichtlinearen Sen- sortrajektorien aufgenommen wurden, konnte gezeigt werden, dass der TDBP Algorithmus, im Gegensatz zu einem kombinierten “Chirp Scaling”- und Mo- saikierungsansatz, trotz nichtlinearer Fluggeometrie keine Verschlechterung der Bildqualit¨t aufweist. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass der vorgestellte a TDBP Algorithmus grunds¨tzlich kaum Einschr¨nkungen bez¨glich der Auf- a a u nahmegeometrie unterliegt. Die Prozessierungsmethode erm¨glicht somit eine o effiziente Datenerfassung entlang kurvenf¨rmiger Gebiete und Objekte, wie zum o Beispiel Verkehrswege, Fl¨sse oder Pipelines. u Der zweite Schwerpunkt dieser Dissertation liegt auf der tomographischen Ab- iv bildung von Waldgebieten mittels “Multibaseline” SAR Daten. Um das R¨ck- u streuverhalten 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” Sch¨tzverfahren, a Multilook Beamforming, Robust Capon Beamforming und MUSIC implemen- tiert, um die beiden “Multibaseline” SAR Datens¨tze im L- und P-Band zu fo- a kussieren. Hinsichtlich der Fokussierungsqualit¨t konnte mit dem vorgestellten a TDBP-basierten Ansatz ein bisher unerreichter Detaillierungsgrad in der tomo- graphischen Fokussierung erzielt werden. So sind beispielsweise L¨cken im Kro- u nenschluss des Waldes uber Forstwegen im fokussierten tomographischen Bild ¨ immer noch gut erkennbar. Damit bieten die dreidimensionalen tomographi- schen SAR Bilder eine geeignete Grundlage, um die R¨ckstreueigenschaften des u aufgenommen Waldes in den Frequenzen L-Band und P-Band zu untersuchen. Im Hinblick auf drei in Aussicht stehende satellitengest¨tzte SAR Fernerkun- u dungsmissionen, 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 Verst¨ndnis der Wechselwirkung von Mikrowellen im L-Band und P- a Band mit Wald unerl¨sslich, um zuverl¨ssige Produkte zu entwickeln. Im Rah- a a men dieser Arbeit konnte aufgrund einer detaillierten Analyse der erzeugten, dreidimensionalen SAR Datenprodukte, einschliesslich einer Validierung mit hochaufl¨senden Laserscanning-Daten, ein wesentlicher Beitrag zu einem bes- o seren Verst¨ndnis der R¨ckstreueigenschaften von Wald mit Mikrowellen im L- a u und P-Band geleistet werden.

Abstract

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Summary

Synthetic aperture radar (SAR) systems are used to obtain geospatial informa- tion 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 sce- narios, 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 environ- ments. 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, multilook beamforming, robust Capon beamforming, and MUSIC beamforming, were implemented in order to focus the two multibaseline airborne SAR data sets at L-band and P-band. In terms of focusing quality, an unprecedented level ii Summary

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 to- mographic 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 mi- crowaves 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 a 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. iii



Radarsysteme mit synthetischer Apertur (SAR) werden zur Gewinnung von raumbezogener Information f¨r eine breite Palette von Anwendungen benutzt, u wie beispielsweise zur Messung von geo- und biophysikalischen Parametern, zur ¨ Ableitung von H¨heninformation, zur Uberwachung von Absenkungen, Hang- o rutschungen und Bewegungen der Erdkruste, sowie zur Schadenserfassung nach Naturkatastrophen. Im Hinblick auf eine Verbesserung der Flexibilit¨t bez¨glich a u verwendbarer Sensorkonstellationen und m¨glicher Datenakquisitionsszenarien, o sowie mit dem Ziel, die Anzahl der Beobachtungen zu erh¨hen, um eine zu- o verl¨ssigere Bildgebung und Parameterinversion zu erreichen, haben in den a letzten Jahren neue, komplexe SAR Datenakquisitionsmodi grosse Beachtung gefunden. Diese neuen SAR Modi verlangen flexiblere SAR Bildrekonstruktions- algorithmen. Im Rahmen dieser Dissertation wurde eine neue SAR Prozessierungssoftware, welche auf dem “time-domain back-projection” (TDBP) Prinzip basiert, ent- wickelt und anhand von zwei nicht standardm¨ssigen Aufnahmemodi getestet a und evaluiert: 1) SAR Aufnahmen entlang von hochgradig nichtlinearen Sensor- trajektorien, und 2) hochaufl¨sende tomographische Aufnahmen eines Waldes o im L- und P-Band. Die entsprechenden Daten wurden mittels zweier Experi- mente erhoben, welche im September 2006 mit dem flugzeuggest¨tzten E-SAR u Sensor des Deutschen Zentrums f¨r Luft- und Raumfahrt durchgef¨hrt wurden. u u Mithilfe der experimentellen Daten, welche von hochgradig nichtlinearen Sen- sortrajektorien aufgenommen wurden, konnte gezeigt werden, dass der TDBP Algorithmus, im Gegensatz zu einem kombinierten “Chirp Scaling”- und Mo- saikierungsansatz, trotz nichtlinearer Fluggeometrie keine Verschlechterung der Bildqualit¨t aufweist. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass der vorgestellte a TDBP Algorithmus grunds¨tzlich kaum Einschr¨nkungen bez¨glich der Auf- a a u nahmegeometrie unterliegt. Die Prozessierungsmethode erm¨glicht somit eine o effiziente Datenerfassung entlang kurvenf¨rmiger Gebiete und Objekte, wie zum o Beispiel Verkehrswege, Fl¨sse oder Pipelines. u Der zweite Schwerpunkt dieser Dissertation liegt auf der tomographischen Ab- iv bildung von Waldgebieten mittels “Multibaseline” SAR Daten. Um das R¨ck- u streuverhalten 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” Sch¨tzverfahren, a Multilook Beamforming, Robust Capon Beamforming und MUSIC implemen- tiert, um die beiden “Multibaseline” SAR Datens¨tze im L- und P-Band zu fo- a kussieren. Hinsichtlich der Fokussierungsqualit¨t konnte mit dem vorgestellten a TDBP-basierten Ansatz ein bisher unerreichter Detaillierungsgrad in der tomo- graphischen Fokussierung erzielt werden. So sind beispielsweise L¨cken im Kro- u nenschluss des Waldes uber Forstwegen im fokussierten tomographischen Bild ¨ immer noch gut erkennbar. Damit bieten die dreidimensionalen tomographi- schen SAR Bilder eine geeignete Grundlage, um die R¨ckstreueigenschaften des u aufgenommen Waldes in den Frequenzen L-Band und P-Band zu untersuchen. Im Hinblick auf drei in Aussicht stehende satellitengest¨tzte SAR Fernerkun- u dungsmissionen, 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 Verst¨ndnis der Wechselwirkung von Mikrowellen im L-Band und P- a Band mit Wald unerl¨sslich, um zuverl¨ssige Produkte zu entwickeln. Im Rah- a a men dieser Arbeit konnte aufgrund einer detaillierten Analyse der erzeugten, dreidimensionalen SAR Datenprodukte, einschliesslich einer Validierung mit hochaufl¨senden Laserscanning-Daten, ein wesentlicher Beitrag zu einem bes- o seren Verst¨ndnis der R¨ckstreueigenschaften von Wald mit Mikrowellen im L- a u und P-Band geleistet werden.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Schaepman Michael, Meier Erich
Communities & Collections:07 Faculty of Science > Institute of Geography
UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:910 Geography & travel
Uncontrolled Keywords:Dissertationen Abt. Fernerkundung, Lb: Geographische Informationssysteme, Geländemodelle, System Approach, Integration Von R.s. Daten, Lb: Vegetationskunde (Ökologie, Pflanzenkrankheiten), Biomasse, Conservation Wetland, Lb: Radar-erkundung/scatterometer, Radar-altimeter
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2010
Deposited On:16 Feb 2011 17:09
Last Modified:08 Feb 2019 14:58
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/primo-explore/fulldisplay?docid=ebi01_prod006410622&context=L&vid=ZAD&search_scope=default_scope&tab=default_tab&lang=de_DE (Library Catalogue)

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