Ground moving target indication with synthetic aperture radars for maritime surveillance

The explosive growth of shipping traffic all over the World, with around three quarters of the total trade goods and crude oil transported by sea, has raised newly emerging concerns (economical, ecological, social and geopolitical). Geo-information (location and speed) of ocean-going vessels is crucial in the maritime framework, playing a key role in the related environmental monitoring, fisheries management and maritime/coastal security. In this scenario space-based synthetic aperture radar (SAR) remote sensing is a potential tool for globally monitoring the oceans and seas, providing two-dimensional high-resolution imaging capabilities in all-day and all-weather conditions. The combination of ground moving target indication (GMTI) modes with multichannel spaceborne SAR systems represents a powerful apparatus for surveillance of maritime activities. The level of readiness of such a technology for road traffic monitoring is still low, and for the marine scenario is even less mature. Some of the current space-based SAR missions include an experimental GMTI mode with reduced detection capabilities, especially for small and slow moving targets. In this framework, this doctoral dissertation focuses on the study and analysis of the GMTI limitations of current state-of-the-art SAR missions when operating over maritime scenarios and the proposal of novel and optimal multichannel SAR-GMTI architectures, providing subclutter visibility of small (reduced reflectivity) slow moving vessels. This doctoral activity carries out a transversal analysis embracing system-architecture proposal and optimization, processing strategies assessment, performance evaluation, sea/ocean clutter characterization and adequate calibration methodologies suggestion. Firstly, the scarce availability of multichannel SAR-GMTI raw data and the related restrictions to access it have raised the need to implement flexible simulation tools for SAR-GMTI performance evaluation and mission. These simulation tools allow the comparative study and evaluation of the SAR-GMTI mode operated with current SAR missions, showing the reduced ability of these missions to detect small and slow boats in subclutter visibility. Improved performance is achieved with the new multichannel architecture based on non-uniformly distributed receivers (with external deployable antennas), setting the ground for future SAR-GMTI mission development. Some experimental multichannel SAR-GMTI data sets over the sea and acquired with two instruments, airborne F-SAR and spaceborne TerraSAR-X (TSX) platforms, have been processed to evaluate their detection capabilities as well as the adequate processing strategies (including channel balancing). This doctoral activity presents also a preliminary characterization of the sea clutter returns imaged by the spaceborne TSX instrument in a three-level basis, i.e., radiometric, statistical and polarimetric descriptions using experimental polarimetric data. This study has shown that the system-dependent limitations, such as thermal noise and temporal decorrelation, play a key role in the appropriate interpretation of the data and so should be properly included in the physical backscattering models of the sea. Current and most of the upcoming SAR missions are based on active phase array antennas (APAA) technology for the operation of multiple modes of acquisitions. The related calibration is a complex procedure due to the high number of different beams to be operated. Alternative internal calibration methodologies have been proposed and analyzed in the frame of this doctoral thesis. These approaches improved the radiometric calibration performance compared to the conventional ones. The presented formulation of the system errors as well as the proposed alternative strategies set the path to extrapolate the analysis for multichannel SAR systems. L'increment continu del tràfic marítim arreu del món, amb gairebé tres quartes parts del total de mercaderies i cru transportats per mar, porta associats uns impactes canviants a nivell econòmic, ambiental, social i geopolític. La geo-informació (localització i velocitat) dels vaixells té un paper fonamental en el monitoratge ambiental, la gestió de la pesca i la seguretat marítima/costanera. Els radars d'obertura sintètica (SAR, sigles en anglès) embarcats en satèl·lits són una eina molt potent per al monitoratge global dels oceans i dels mars, gràcies a la seva capacitat de generar imatges d'alta resolució amb independència de les condicions meteorològiques i de la llum solar. La detecció de blancs mòbils terrestres (GMTI, sigles en anglès) combinada amb sistemes multicanal SAR és fonamental per a la vigilància de les activitats marítimes. El nivell de maduresa d'aquesta tecnologia per monitorar tràfic rodat és baix, però per al cas marítim encara ho és més. Algunes missions SAR orbitals inclouen el mode GMTI, però amb unes capacitats de detecció reduïdes, especialment per a blancs petits i lents. En aquest marc, la tesi doctoral es centra en l'estudi i anàlisi de les limitacions GMTI dels actuals sistemes SAR operant en entorns marítims, proposant noves configuracions SAR-GMTI multicanal optimitzades per a la detecció de vaixells petits (emmascarats pels retrons radar del mar) i que es mouen lentament. La present dissertació doctoral du a terme un estudi transversal que abasta des de la proposta i optimització de sistemes/configuracions, passant per l'avaluació de les tècniques de processat, fins a l'estudi del rendiment de la missió, caracterització del mar i la valoració de noves metodologies de calibratge. En primer terme, diverses eines de simulació flexibles s'han implementat per poder avaluar les capacitats GMTI de diferents missions tenint en compte la poca disponibilitat de dades multicanal SAR-GMTI. Aquests simuladors permeten l'estudi comparatiu de les capacitats GMTI de les missions SAR orbitals actuals, demostrant les seves reduïdes opcions per identificar vaixells emmascarats pels retorns del mar. En el marc de l'activitat de recerca s'han processat dades experimentals SAR-GMTI multicanal de sistemes aeris (F-SAR) i orbitals (TerraSAR-X), per tal d'avaluar les seves capacitats de detecció de blancs mòbils sobre entorns marítims, proposant les estratègies de processat i calibratge més adients. Com a part de l'activitat de recerca doctoral, s'ha portat a terme una caracterització preliminar dels retorns radar del mar adquirits amb el sensor orbital TerraSAR-X, amb tres nivells d'anàlisi (radiomètric, estadístic i polarimètric). Aquest estudi demostra que aspectes com el soroll tèrmic i la decorrelació temporal, dependents del propi sensor i de l'entorn dinàmic del mar, poden limitar la correcta interpretació de les dades, i per tant, s'han d'incloure en els models físics dels mecanismes de dispersió del mar. Les missions SAR tant actuals com futures es basen en l'explotació de la tecnologia de les agrupacions d'antenes de fase activa (APAA) per operar diferents modes d'adquisició. El procés de calibratge associat és molt complex atès el gran nombre de feixos que es poden utilitzar. En el marc de la tesi doctoral s'han proposat i avaluat metodologies alternatives de calibratge intern per aquests sistemes, amb un millor rendiment en comparació amb les tècniques convencionals. Aquestes estratègies de calibratge, juntament amb la corresponent formulació dels errors de sistema, estableixen les bases per a l'estudi i avaluació en sistemes multicanal SAR