Contributions to RFI detection, mitigation, and excision for GNSS receivers and spaceborne microwave radiometers

Abstract

(English) Radio Frequency Interference (RFI) poses significant challenges to remote sensing systems, particularly affecting Global Navigation Satellite System-Reflectometry (GNSS-R) and microwave radiometry. This thesis advances two interconnected areas of remote sensing: geophysical parameter retrieval using signals of opportunity and RFI impact assessment on Position, Navigation, and Timing (PNT) systems. The research develops novel approaches for RFI detection, mitigation, and excision across multiple remote sensing platforms, with particular emphasis on space-qualified systems.

The first part of this work advances GNSS-R instrumentation through the development of an experimental testbed and simulator. Laboratory measurements in controlled environments provided critical insights into GNSS-R signal characteristics, enabling systematic validation of signal processing algorithms. The research demonstrates the feasibility of continuous Earth observation through opportunistic platforms, specifically integrating GNSS-R instruments in commercial aviation for applications including weather nowcasting and maritime route optimization. Analysis of polarimetric data revealed significant limitations in current receiver architectures, particularly in processing Left-Hand Circular Polarization (LHCP) signals and reconstructing Stokes parameters. This continued with work conducted at JPL in 2023, analyzing data from the SMAP-R mission which modified its radar payload for GNSS-R reception. The dual capability for forward and backward scattering measurements from the same platform enabled comparative analysis of scattering mechanisms. Leveraging SMAP-R's fully polarimetric reflectometry measurements, we investigated bistatic radar scattering characteristics across varied surface conditions. The analysis focused on two aspects: comparing scattering regime behaviors across different terrains, and developing a prediction model that derives backward-scattering characteristics from forward-scattering measurements. This work extends the theoretical understanding of bistatic scattering mechanisms while providing validation through spaceborne measurements.

The second part addresses RFI challenges through three complementary approaches: spectrum monitoring systems, hardware-efficient algorithms, and polarimetric detection methods. A key contribution is the development of an automatic RFI Detection, Location, and Classification (RFIDLC) system for GNSS bands, utilizing a six-sector antenna array design for real-time processing between 1525 and 1625 MHz. For Synthetic Aperture Radar (SAR) applications, novel algorithms operating on 1-bit quantized signals enabled RFI mitigation despite severe quantization effects. The FPGA implementation achieved significant resource reduction through innovative overclocking and serialization techniques while maintaining space qualification requirements.

A major advancement is the development of the Polarimetric Kurtosis detector for microwave radiometry, extending conventional kurtosis-based detection to the full-polarimetric domain through a four-dimensional measurement derived from Stokes parameters. This technique demonstrates enhanced sensitivity to polarized interference signals, particularly in scenarios where conventional detection methods show limitations. The research validates these approaches through experimental testing on both ground-based and spaceborne platforms, establishing a foundation for future RFI mitigation systems in space-based Earth observation missions.

(Català) La Interferència de Radiofreqüència (RFI) representa un repte significatiu per als sistemes de teledetecció, afectant particularment la Reflectometria del Sistema Global de Navegació per Satèl·lit (GNSS-R) i la radiometria de microones. Aquesta tesi avança en dues àrees interconnectades de la teledetecció: la recuperació de paràmetres geofísics utilitzant senyals d'oportunitat i l'avaluació de l'impacte RFI en els sistemes de Posicionament, Navegació i Temporització (PNT). La recerca desenvolupa nous algorismes per a la detecció, mitigació i excisió d'RFI en múltiples plataformes de teledetecció, amb èmfasi particular en sistemes qualificats per a l'espai.

La primera part d'aquest treball avança en la instrumentació GNSS-R mitjançant el desenvolupament d'un banc de proves experimental i un simulador. Les mesures de laboratori en entorns controlats van proporcionar informació crítica sobre les característiques dels senyals GNSS-R, permetent la validació sistemàtica d'algorismes de processament de senyals. La recerca demostra la viabilitat de l'observació contínua de la Terra mitjançant plataformes oportunistes, específicament integrant instruments GNSS-R en l'aviació comercial per a aplicacions incloent la predicció meteorològica immediata i l'optimització de rutes marítimes. L'anàlisi de dades polarimètriques va revelar limitacions significatives en les arquitectures actuals dels receptors, particularment en el processament de senyals de Polarització Circular Esquerra (LHCP) i la reconstrucció dels paràmetres de Stokes. Això va continuar amb el treball realitzat al JPL el 2023, analitzant dades de la missió SMAP-R que va modificar la seva càrrega útil de radar per a la recepció GNSS-R. La capacitat dual per a mesures de dispersió cap endavant i cap enrere des de la mateixa plataforma va permetre l'anàlisi comparativa dels mecanismes de dispersió. Aprofitant les mesures de reflectometria completament polarimètriques de SMAP-R, vam investigar les característiques de dispersió radar bistàtica en diverses condicions superficials. L'anàlisi es va centrar en dos aspectes: comparar els comportaments del règim de dispersió en diferents terrenys i desenvolupar un model de predicció que deriva les característiques de retrodispersió a partir de mesures de dispersió cap endavant. Aquest treball amplia la comprensió teòrica dels mecanismes de dispersió bistàtica proporcionant validació mitjançant mesures espacials.

La segona part aborda els reptes RFI mitjançant tres enfocaments complementaris: sistemes de monitoratge de l'espectre, algorismes eficients en hardware i mètodes de detecció polarimètrics. Una contribució clau és el desenvolupament d'un sistema automàtic de Detecció, Localització i Classificació RFI (RFIDLC) per a bandes GNSS, utilitzant un disseny d'array d'antenes de sis sectors per al processament en temps real entre 1525 i 1625 MHz. Per a aplicacions de Radar d'Obertura Sintètica (SAR), nous algorismes operant amb senyals quantificats d'1 bit van permetre la mitigació RFI malgrat els severs efectes de quantificació. La implementació en FPGA va aconseguir una reducció significativa de recursos mitjançant tècniques innovadores de sobreclocking i serialització, mantenint els requisits de qualificació espacial.

Un avenç important és el desenvolupament del detector de Kurtosis Polarimètric per a radiometria de microones, estenent la detecció basada en kurtosis convencional al domini completament polarimètric mitjançant una mesura quadridimensional derivada dels paràmetres de Stokes. Aquesta tècnica demostra una sensibilitat millorada als senyals d'interferència polaritzats, particularment en escenaris on els mètodes de detecció convencionals mostren limitacions. La recerca valida aquests enfocaments mitjançant proves experimentals tant en plataformes terrestres com espacials, establint una base per a futurs sistemes de mitigació RFI en missions d'observació terrestre basades en l'espai.

(Español) La Interferencia de Radiofrecuencia (RFI) plantea desafíos significativos para los sistemas de teledetección, afectando particularmente a la Reflectometría del Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS-R) y la radiometría de microondas. Esta tesis avanza en dos áreas interconectadas de la teledetección: la recuperación de parámetros geofísicos utilizando señales de oportunidad y la evaluación del impacto RFI en los sistemas de Posicionamiento, Navegación y Temporización (PNT). La investigación desarrolla nuevos enfoques para la detección, mitigación y excisión de RFI en múltiples plataformas de teledetección, con particular énfasis en sistemas cualificados para el espacio.

La primera parte de este trabajo avanza en la instrumentación GNSS-R mediante el desarrollo de un banco de pruebas experimental y un simulador. Las mediciones de laboratorio en entornos controlados proporcionaron información crítica sobre las características de las señales GNSS-R, permitiendo la validación sistemática de algoritmos de procesamiento de señales. La investigación demuestra la viabilidad de la observación continua de la Tierra mediante plataformas oportunistas, específicamente integrando instrumentos GNSS-R en aviación comercial para aplicaciones como la predicción meteorológica y la optimización de rutas marítimas. El análisis de datos polarimétricos subrayó limitaciones significativas en las arquitecturas actuales de los receptores, particularmente en el procesamiento de señales LHCP y la reconstrucción de los parámetros de Stokes. Esto continuó con el trabajo realizado en JPL en 2023, analizando datos de la misión SMAP-R que modificó su carga útil de radar para la recepción GNSS-R. La capacidad dual para mediciones de forward-scatter y backscatter desde la misma plataforma permitió el análisis comparativo de los mecanismos de dispersión. Aprovechando las mediciones de reflectometría completamente polarimétricas de SMAP-R, investigamos las características de dispersión radar bistática en diversas condiciones superficiales. El análisis se centró en dos aspectos: comparar los comportamientos del régimen de dispersión en diferentes terrenos y desarrollar un modelo de predicción que deriva las medidas backscatter a partir de mediciones forward-scatter.

La segunda parte aborda los desafíos RFI mediante tres enfoques complementarios: sistemas de monitoreo del espectro, algoritmos eficientes en hardware y métodos de detección polarimétricos. Una contribución clave es el desarrollo de un sistema automático de Detección, Localización y Clasificación RFI (RFIDLC) para bandas GNSS, utilizando un diseño de array de antenas de seis sectores para el procesamiento en tiempo real entre 1525 y 1625 MHz. Para aplicaciones de Radar de Apertura Sintética (SAR), nuevos algoritmos operando con señales cuantificadas de 1 bit permitieron la mitigación RFI a pesar de los severos efectos de cuantificación. La implementación en FPGA logró una reducción significativa de recursos mediante técnicas innovadoras de sobreclocking y serialización, manteniendo los requisitos de cualificación espacial.

Un avance importante es el desarrollo del detector de Kurtosis Polarimétrico para radiometría de microondas, extendiendo la detección basada en kurtosis convencional al dominio completamente polarimétrico mediante una medida cuatridimensional derivada de los parámetros de Stokes. Esta técnica demuestra una sensibilidad mejorada a las señales de interferencia polarizadas, particularmente en escenarios donde los métodos de detección convencionales muestran limitaciones. La investigación valida estos enfoques mediante pruebas experimentales tanto en plataformas terrestres como espaciales, estableciendo una base para futuros sistemas de mitigación RFI en misiones de observación terrestre basadas en el espacio.