Marine applications of SAR polarimetry

Abstract

Els oceans mantenen una fràgil i complexa cadena que enllaça un alt nombre de factors biològics, sociològics i econòmics. Actualment, aquest ecosistema està amenaçat per l'activitat humana i uns dels punts més crítics és la sobreexplotació pesquera. Això ha despertat la consciencia de les autoritats d'arreu per a protegir l'entorn marí i assegurar, així, la seguretat i supervivència dels éssers humans. Tal objectiu demana el desenvolupament de polítiques de control que monitorin l'activitat dels vaixells. <br/><br/>Fins l'actualitat, diferents propostes s'han estudiat per monitorar vaixells, com per exemple transpondedors, teledetecció òptica i sensors acústics passius. L'experiència en entorns reals ha demostrat que cap d'aquestes solucions és eficient. Una alternativa poden ser els Radars d'Obertura Sintètica (SAR). Aquests sistemes utilitzen les propietats de reflectivitat i dispersió dels vaixells per identificar-los amb independència de qualsevol fenomen atmosfèric i del cicle dia/nit. El sensors SAR sintetitzen una obertura més gran que la real permetent l'obtenció d'imatges de reflectivitat d'uns quants kilòmetres d'amplada amb una resolució de pocs metres.<br/><br/>En la monitorització de vaixells, la tecnologia SAR ha demostrat unes bones prestacions per la detecció. Treu profit del fet que els vaixells dispersen més energia que el mar i, així, apareixen en les imatges com punts molt brillants. Però, la seva utilitat en la identificació de vaixells encara no està clara. Hi ha dues limitacions importants: 1) les resolucions dels sistemes actuals no semblen suficients per aïllar característiques geomètriques a partir de la informació de reflectivitat i 2) les distorsions que les signatures dels vaixells experimenten en entorns marins. Aquests problemes es poden resoldre parcialment si s'utilitzen dades SAR multidimensional. Aquest concepte es refereix al fet d'adquirir imatges SAR modificant un o més paràmetres del sistema. En la classificació de vaixells, hi ha dues opcions clares: 1) Polarimetria SAR (PolSAR) que utilitza les dues components polarimètriques de l'ona EM i 2) la Interferometria SAR que s'obté per la combinació de dues imatges SAR adquirides des de posicions molt properes. Per a una banda, la polarització de l'ona EM és una propietat intrínseca de l'ona que ajuda a aïllar estructures geomètriques particulars per mitjà de la teoria de descomposició de blancs (TD). Per l'altra, la interferometria treu profit de la diferencia de fase entre les dues imatges SAR per obtenir la tercera dimensió de l'escena.<br/><br/>PolSAR and InSAR presenten grans possibilitats per la monitorització de vaixells ja que poden solucionar algunes de les limitacions dels mètodes clàssics. Desafortunadament, encara no han estat profundament estudiades a causa de les dificultats en obtenir dades reals validades. Això ha limitat el nombre d'estudis en aquesta temàtica. En aquest entorn, la tesi està orientada a avaluar fins a quin punt les tècniques PolSAR i InSAR poden ser útils per la monitorització de vaixells. Per a tal propòsit, s'han fixat quatre objectius importants:<br/>1. El desenvolupament d'un simulador SAR eficient que doni imatges realistes de vaixells i que solucioni el dèficit de dades reals en entorns marins.<br/>2. L'estudi de la dispersió dels vaixells que fixi els principals mecanismes de dispersió observats en imatges SAR i com es relacionen amb la geometria dels vaixells. <br/>3. Un estudi de les prestacions de les tècniques actuals d'anàlisis de dades PolSAR en la classificació de vaixells.<br/>4. El desenvolupament d'un mètode nou i eficient per la identificació de vaixells.<br/><br/>Al llarg de la tesis, els diferents punts seran estudiats i resolts. El desenvolupament de GRECOSAR, un simulador SAR de blancs complexes que dóna imatges de vaixells similars a les adquirides en entorns reals, ha estat essencial per estudiar les propietats de dispersió dels vaixells. Ha permès demostrar que els vaixells es poden distingir a partir del seu patró dispersiu, el qual és senzill i dominat per alguns dispersors guia que presenten una marcada estabilitat i potència de dispersió. Amb aquests resultats ha estat possible desenvolupar un nou mètode que pot identificar vaixells sota condicions d'observació adverses. Combina característiques polarimètriques i interferomètriques SAR (PolInSAR) per inferir estimacions 3D de la geometria dels vaixells. Diferents tests han demostrat que aquest mètode dóna una millor fiabilitat en la identificació que altres mètodes actualment disponibles. Malgrat tot, fixa uns requeriments tecnològics més elevats, sobretot en la resolució de les imatges i en les característiques PolInSAR. La nova generació de sensors SAR els poden cobrir.

Oceans support a complex and fragile chain that links a high number of biological, sociological and economical factors. In these days, this ecosystem is endangered by human activity and one of the main hot spots is overfishing. As a result, authorities worldwide have become aware about the necessity to law-protect the marine environment in order to assure the safety and sustenance of human beings. This demands the development of fisheries policy to monitor the activities of ships.<br/><br/>Up to now, different vessel monitoring proposals have been considered, for instance transponders, optical remote sensing or passive acoustic sensors. The lessons learnt in real scenarios have shown that none of these solutions is efficient. A feasible option may be the so-called active Synthetic Aperture Radar (SAR) technology. It uses the reflectivity/scattering properties of vessels for basing the identification process with independence of any atmospheric phenomena and day/night cycle. SAR sensors synthesize an antenna aperture larger than the real one and this allows to acquire reflectivity images of some tens of kilometers wide with a resolution of few meters.<br/><br/>In vessel monitoring, SAR imagery has proven good performance for vessel detection. They take profit of the fact that vessels normally backscatter more power than the sea and, hence, they appear in the images as bright spots. But their usefulness in vessel identification has not been established yet. There are two main limitations, namely: 1) the resolution of current systems that appears to be not enough for isolating geometrical features from the reflectivity information of SAR images and 2) the distortions that vessel' signatures experiment within sea scenarios. Such problems can be solved up to certain extend if multidimensional SAR data is used. This concept refers to the possibility to acquire different SAR images by modifying one or more imaging parameters. In the scope of vessel classification, there are two main options, namely: 1) SAR polarimetry (PolSAR) that refers to the usage of the two polarimetric components of the EM wave and 2) SAR interferometry (InSAR) derived by combining two SAR images acquired from slightly different positions. On the one hand, the polarization of an EM wave is an intrinsic wave property that helps on identifying specific geometrical structures via Target Decomposition (TD) theory. On the other hand, Interferometry takes profit of the phase difference between the two SAR images to retrieve the third dimension of the scene.<br/><br/>PolSAR and InSAR have great potentialities for supporting vessel monitoring as they can overcome some of the limitations of classical methods. Unfortunately, they have not been exploited yet due to the difficulties on having at one's disposal real data with reliable ground-truth. This has limited the number of works tackling such issue. In this framework, the current thesis is focused to evaluate up to which extend PolSAR and InSAR imagery are reliable for vessel monitoring. For such purpose, four main goals are proposed, namely:<br/>1. The development of an efficient SAR simulation environment that provides realistic vessel SAR images and overcomes the current data deficiency related to marine scenarios.<br/>2. The study of vessel scattering to fix the main polarimetric scattering mechanisms observed in vessel SAR images and how they are related with the geometries of vessels.<br/>3. A performance study of current analysis tools of PolSAR data in vessel classification.<br/>4. The development of a novel and efficient methodology for vessel identification.<br/><br/>Along the thesis, the different points are studied and solved. The development of GRECOSAR, a SAR simulator of complex targets able to provide vessel images similar to those obtained in real scenarios, has been essential for studying the scattering properties of vessels. It has allowed to show that vessels can be distinguished by means of their scattering pattern, which appear to be not so complex and dominated by some guide scatters that present a marked reflectivity stability and scattered power. With these results, a new approach able to identify vessels even under adverse observation conditions has been developed. It combines polarimetric and interferometric SAR (PolInSAR) capabilities to retrieve 3D estimates of the geometry of ships. Different tests have shown that the proposed method provides better identification confidence than other available methods. However, it demands higher technological requirements in terms of image resolution and PolInSAR features. The new generation of SAR sensors may fulfill them.