Polarimetric differential SAR Interferometry with ground-based sensors

Abstract

Las técnicas de Interferometría Diferencial se basan en la combinación de varias imágenes SAR con distinta separación temporal y permiten la recuperación de las componentes lineales y no-lineales del proceso de deformación ocurrida en el entorno de interés durante el entero periodo de observación. Condición imprescindible para una correcta estimación de los fenómenos geodéticos es la elevada estabilidad de la plataforma que embarca el sensor SAR. Por esta razón, a nivel operativo se utilizan datos SAR satelitales.<br/>El objetivo de la Polarimetría SAR es describir el entorno de interés analizando las propiedades de la señal que éste dispersa cuando se utilizan diferentes combinaciones de polarización de las antenas transmisora y receptora, definidas canales polarimétricos. La polarimetría interferométrica SAR junta la capacidad de la polarimetría de separar mecanismos de dispersión independientes con la sensibilidad de la Interferometría a la altura de los correspondientes centros de fase, y permite describir la distribución volumétrica de los dispersores dentro de la escena observada. Debido a la falta de conjuntos de datos polarimétricos SAR satelitales que cubran tramos temporales suficientemente largos, hay aún un gran interés en las mejoras que la polarimetría podría aportar a técnicas ya consolidadas como las de Interferometría Diferencial.<br/>La actividad de investigación que se presentará en esta tesis doctoral abarca, por primera vez conjuntamente, las dos áreas de la Polarimetría SAR y de la Interferometría Diferencial utilizando el sensor radar terrestre de corto alcance (gbSAR) desarrollado por la Universitat Politècnica de Catalunyua (UPC). El trabajo constará de dos bloques principales.<br/>El primer bloque describirá las técnicas que se han desarrollado para convertir el sistema UPC gbSAR en un instrumento operativo y simplificar la utilización de sus adquisiciones, incluyendo la formulación matemática de los principios de funcionamiento del sistema, la cadena de procesado de los raw data y su calibración polarimétrica, los procedimientos de georeferenciación, y las técnicas de compensación de los artefactos atmosféricos presentes en sus medidas diferenciales.<br/>La segunda parte se ocupará de demostrar los beneficios que los datos SAR polarimétricos ofrecen respecto a la medición de un único canal polarimétrico para aplicaciones diferenciales. A fin de llevar a cabo esta tarea, se analizarán los datos gbSAR adquiridos durante una campaña de medidas de un año realizada en el pueblo de Sallent, en Cataluña, afectado por un fenómeno de subsidencia. En esta parte se analizarán tres temas principales. El primero es el comportamiento no estacionario en tiempo del entorno urbano bajo la geometría de observación del sensor terrestre. Se estudiarán en detalle los efectos de su inestabilidad y se propondrá una técnica de filtrado novedosa entallada a las propiedades de los blancos deterministas con el fin de preservar la información de la fase diferencial. El segundo tema abarca el problema de los efectos de troposfera en datos diferenciales con separación temporal superior al mes y de su separación de las variaciones de fase inducidas por el proceso de deformación. El tercer tema es la utilización de toda la información polarimétrica diferencial. Con fin de superar las limitaciones propias de las técnicas DInSAR clásicas, se propondrá un nuevo modelo polarimétrico de dispersión y se demostrarán las ventajas de la nueva formulación enseñando la mejor estimación del proceso de subsidencia en Sallent. En la parte final de este apartado se explorará también el potencial de las técnicas polarimétricas de optimización de la coherencia para aplicaciones diferenciales.

Differential SAR interferometry (DInSAR) deals with the combination of multi-temporal SAR images for the estimation of the linear and non-linear components of the deformation process within an area of interest during the whole observation period. A high stability of the platform is required for a reliable estimation of the geodetic phenomena. Accordingly, space-borne SAR images are operatively employed for DInSAR estimation, air-borne DInSAR still constituting a challenging research issue. SAR<br/>Polarimetry aims at charactering the illuminated area through the analysis of its response under different combinations of transmitting and receiving antennas polarization, called polarimetric channels. The Polarimetric SAR Interferometry joins the capability of Polarimetry to separate independent scattering mechanisms and the sensitivity of Interferometry to the corresponding phase centers' elevation, making it possible to describe the volumetric distribution of the scatterers within the observed area. Owing to the lack of long-time collections of polarimetric space-borne SAR data, the studies carried out in this research field have been mainly based on air-borne acquisitions. Yet, there is a great expectation for the improvements that polarimetry may bring to assessed single-polarization techniques such as the DinSAR.<br/>The research described in this PhD dissertation fills for the first time the gap between SAR Polarimetry and SAR Differential Interferometry through the employment of an X-band ground-based SAR (gbSAR) sensor developed by the Remote Sensing Lab of the Universitat Politècnica de Catalunya (UPC).<br/>The work is divided into two main blocks. The first part deals with the algorithms that have been developed to make the UPC system operative and its acquisitions easy to use. Summarily, they include the mathematical formulation of the sensor's working principles, the raw data processing chain and the polarimetric calibration method, the geocoding procedures, and the techniques compensating for the atmospheric artefacts affecting gbSAR zero-baseline acquisitions.<br/>The second part is concerned with demonstrating the benefits that polarimetric SAR measurements provide with respect to single-polarization data for differential applications. In order to cope with this task, the data sets acquired during a one-year measurement campaign carried out in the village of Sallent, northeastern Spain, are analyzed. The experiment was focused on monitoring the subsidence phenomenon affecting a district of the village with the UPC gbSAR sensor. Three main issues are here argued. The first one is the time non-stationary behaviors characterizing the urban environment at X-band in the gbSAR observation geometry. Their effects are analyzed in detail and a novel non-stationary filtering technique tailored to deterministic scatterers' properties is introduced to preserve the differential phase information. The second one is the compensation of the troposphere changes in long-time span gbSAR differential interferograms. A new technique is worked out to effectively separate the differential phase variations due to the atmospheric artefacts from the deformation components. The third one is the use of the whole polarimetric differential information. A novel polarimetric differential scattering model is put forward to relax the constraints of an advanced DInSAR technique, the Coherent Pixel Technique, and to propose an innovative polarimetric approach. The advantages offered by Polarimetric DInSAR are demonstrated in terms of quality of the deformation-rate map describing the subsidence phenomenon in Sallent. In the end, the potentials of coherence-optimization techniques for the further improvement of the deformation process estimation are stressed.