Ground-based GEOSAR system using DVB-S/S2 signals of opportunity and FPGA based correlators

Abstract

(English) The SAR satellite missions from Geostationary Orbits (GEOSAR) offer short revisit times of less than 24 hours, which are essential for monitoring fast-evolving phenomena. A first mission has recently been launched in China, and other missions are being studied or proposed in Europe and the USA, with applications ranging from water cycle monitoring to terrain stability assessment. All of these missions share the need for precise orbit determination at Geostationary Orbits (GEO) to enable the formation of well-focused SAR images. By employing Field-Programmable Gate Array (FPGA) technology, digital correlators have been designed to be used in an interferometric orbit determination system. The system has been validated for obtaining orbital estimates using phase observables from the correlator outputs, which can be used to determine the satellite's trajectory. The implemented system tracks TV broadcasting telecommunication satellites, using the transmissions as signals of opportunity (SoOp). Urban reflectors are utilised to form large interferometric baselines with respect to the developed receiver. Precise orbital determination is crucial for Synthetic Aperture Radar (SAR). Simulation studies were conducted for a monostatic configuration and a ground-based bistatic configuration to assess the impact of orbital parameter estimation errors on SAR image focusing. An autofocusing technique based on entropy minimization optimisation has been studied to improve the focusing of the GEOSAR images affected by residual orbital errors, allowing for the relaxation of orbit precision requirements to the order of hundreds of metres. Using the same transmitters of opportunity as in the interferometric system, a ground-based SAR (GB-GEOSAR) passive system has been designed and implemented. A multichannel coherent receiver is employed to capture echo data from a close by urban scene. A range compression module, based on the design of the interferometric correlators, is employed to process the echo data by correlating it with the main satellite signal, which acts as a reference for the matched filter process. Azimuth compression, based on the orbital data from the interferometric system, is then applied to obtain SAR-focused images. These images can be used to study GEOSAR concepts and serve as proof of concept for the capabilities of a passive system, which could be employed for monitoring local regions with low deployment costs. Interferometric and polarimetric techniques can be applied to GB-GEOSAR images, which could be used in topographic or earth deformation mapping and surface type classification. An experimental evaluation based on images of urban and mountainous areas near the university campus has enabled the identification of the challenges, potentials, and limitations of the developed system.

(Català) Les missions SAR de satèl·lits en òrbites geoestacionàries (GEOSAR) ofereixen temps de revisita curts, de menys de 24 hores, la qual cosa és essencial per monitoritzar fenòmens de ràpida evolució. Una primera missió s'ha llançat recentment a la Xina, i altres missions estan sent estudiades o proposades a Europa i als Estats Units, amb aplicacions que van des del monitoratge del cicle de l'aigua fins a l'avaluació de l'estabilitat del terreny. Totes aquestes missions comparteixen la necessitat d'una determinació precisa de l'òrbita en òrbites geoestacionàries (GEO) per permetre la formació d'imatges SAR ben enfocades. Mitjançant l'ús de la tecnologia FPGA (Field-Programmable Gate Array), s'han dissenyat correladors digitals per ser utilitzats en un sistema interferomètric de determinació d'òrbita. El sistema ha estat validat per obtenir estimacions orbitales utilitzant observacions de fase de les sortides del correlador, que es poden utilitzar per determinar la trajectòria del satèl·lit. El sistema implementat segueix satèl·lits de telecomunicacions de radiodifusió de televisió, utilitzant les transmissions com a senyals d'oportunitat (SoOp). Els reflectors urbans es fan servir per formar grans línies de base interferomètriques respecte al receptor desenvolupat. La determinació precisa de l'òrbita és crucial per als Radars d'Apertura Sintètica (SAR). Es van realitzar estudis de simulació per a una configuració monostàtica i una configuració bistàtica basada a terra per avaluar l'impacte dels errors d'estimació dels paràmetres orbitales en l'enfocament de les imatges SAR. S'ha estudiat una tècnica d'autoenfocament basada en l'optimització de la minimització de l'entropia per millorar l'enfocament de les imatges GEOSAR afectades per errors orbitales residuals, permetent relaxar els requisits de precisió orbital a l'ordre de centenars de metres. Utilitzant els mateixos transmissors d'oportunitat que al sistema interferomètric, s'ha dissenyat i implementat un sistema passiu SAR basat a terra (GB-GEOSAR). S'ha utilitzat un receptor coherent multicanal per capturar dades d'eco d'una escena urbana propera. S'ha utilitzat un mòdul de compressió de range, basat en el disseny dels correladors interferomètrics, per processar les dades d'eco correlant-les amb el senyal principal del satèl·lit, que actua com a referència per al procés de filtre adaptat. A continuació, s'aplica una compressió d'azimut, basada en les dades orbitales del sistema interferomètric, per obtenir imatges SAR enfocades. Aquestes imatges es poden utilitzar per estudiar els conceptes de GEOSAR i servir com a prova de concepte de les capacitats d'un sistema passiu, que podria ser emprat per monitoritzar regions locals amb baixos costos de desplegament. Es poden aplicar tècniques interferomètriques i polarimètriques a les imatges de GB-GEOSAR, les quals podrien ser utilitzades en la cartografia topogràfica o de deformació de la terra i en la classificació de tipus de superfície. Una avaluació experimental basada en imatges d'àrees urbanes i muntanyoses properes al campus universitari ha permès identificar els reptes, els potencials i les limitacions del sistema desenvolupat.

(Español) Las misiones SAR de satélites en órbitas geoestacionarias (GEOSAR) ofrecen tiempos de revisita cortos, de menos de 24 horas, lo cual es esencial para monitorizar fenómenos de rápida evolución. Una primera misión se ha lanzado recientemente en China, y otras misiones están siendo estudiadas o propuestas en Europa y Estados Unidos, con aplicaciones que van desde el monitoreo del ciclo del agua hasta la evaluación de la estabilidad del terreno. Todas estas misiones comparten la necesidad de una determinación precisa de la órbita en órbitas geoestacionarias (GEO) para permitir la formación de imágenes SAR bien enfocadas. Mediante el uso de tecnología FPGA (Field-Programmable Gate Array), se han diseñado correladores digitales para ser utilizados en un sistema interferométrico de determinación de órbita. El sistema ha sido validado para obtener estimaciones orbitales utilizando observaciones de fase de las salidas del correlador, que se pueden utilizar para determinar la trayectoria del satélite. El sistema implementado sigue satélites de telecomunicaciones de radiodifusión de televisión, utilizando las transmisiones como señales de oportunidad (SoOp). Los reflectores urbanos se utilizan para formar grandes líneas de base interferométricas con respecto al receptor desarrollado. La determinación precisa de la órbita es crucial para Radares de Apertura Sintética (SAR). Se realizaron estudios de simulación para una configuración monostática y una configuración bistática basada en tierra para evaluar el impacto de los errores de estimación de parámetros orbitales en el enfoque de las imágenes SAR. Se ha estudiado una técnica de autoenfoque basada en la optimización de minimización de entropía para mejorar el enfoque de las imágenes GEOSAR afectadas por errores orbitales residuales, lo que permite relajar los requisitos de precisión orbital a cientos de metros. Usando los mismos transmisores de oportunidad que en el sistema interferométrico, se ha diseñado e implementado un sistema pasivo SAR basado en tierra (GB-GEOSAR). Se ha usado un receptor coherente multicanal para capturar datos de eco de una escena urbana cercana. Se ha usado un módulo de compresión de rango, basado en el diseño de los correladores interferométricos, para procesar los datos de eco correlandolos con la señal principal del satélite, que actúa como referencia para el proceso de filtro adaptado. A continuación, se aplica una compresión de azimut, basada en los datos orbitales del sistema interferométrico, para obtener imágenes SAR enfocadas. Estas imágenes se pueden utilizar para estudiar los conceptos de GEOSAR y servir como prueba de concepto de las capacidades de un sistema pasivo, que podría emplearse para monitorear regiones locales con bajos costos de despliegue. Se pueden aplicar técnicas interferométricas y polarimétricas a las imágenes de GB-GEOSAR, las cuales podrían usarse en la cartografía topográfica o de deformación de la tierra y en la clasificación de tipos de superficie. Una evaluación experimental basada en imágenes de áreas urbanas y montañosas cercanas al campus universitario ha permitido identificar los desafíos, potenciales y limitaciones del sistema desarrollado.