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Real-time Processing of Ground Based Synthetic Aperture Radar (GB-SAR) Measurements

Rödelsperger, Sabine:
Real-time Processing of Ground Based Synthetic Aperture Radar (GB-SAR) Measurements.
Schriftenreihe der Fachrichtung Geodäsie (33). Technische Universität Darmstadt, Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie , Darmstadt . ISBN 978-3-935631-22-8
[Book], (2011)

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Real-time Processing of Ground Based Synthetic Aperture Radar (GB-SAR) Measurements - PDF
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Item Type: Book
Title: Real-time Processing of Ground Based Synthetic Aperture Radar (GB-SAR) Measurements
Language: English
Abstract:

In the last years, Ground based Synthetic Aperture Radar (GB-SAR) has proven to be a powerful tool for monitoring displacements and deformation that accompany mass movements like e.g. landslides, glaciers and volcanic hazards. The goal of this thesis is to develop a real-time capable technique that allows to analyse GB-SAR data and assess the state of a mass movement with the least delay possible after a GB-SAR measurement is acquired.

The GB-SAR instrument IBIS-L allows the remote monitoring of an object at a distance of up to 4 km by transmitting microwaves at a frequency of 17.2 GHz and receiving the reflected echoes. Every 5 to 10 minutes, it delivers a twodimensional amplitude and phase image with a range resolution of 0.75 m and a cross-range (azimuth) resolution of 4.4 mrad (4.4 m at a distance of 1 km). The amplitude depends on object geometry and reflectivity. By computing the difference of two phase images observed at two different points in time, displacements in line-of-sight can be derived for each resolution cell. Only relative phase differences can be formed (ranging between -pi and +pi), thus, the number of full phase cycles (i.e. phase ambiguity) is unknown.

Apart from displacements, the phase difference is also influenced by atmospheric disturbances and noise. To determine displacements, it is necessary to unwrap the phase differences (i.e. determine the phase ambiguities) and estimate the atmospheric effect for each resolution cell and for each time step. Many different methods exist for phase unwrapping, mainly developed for spaceborne SAR. The term Persistent Scatterer Interferometry (PSI) describes a set of techniques, which analyses only phase time series at persistent scatterers (PS), i.e. resolution cells with a good phase standard deviation (usually less then 0.3 to 0.4 rad) (Ferretti et al., 2001; Kampes, 2006). The common PSI methods are, however, not directly real-time capable as they analyse time series.

The real-time analysis tool described in this thesis is especially designed for GB-SAR requirements. It is a combination of PSI with Multi Model Adaptive Estimation (MMAE) (Marinkovic et al., 2005; Brown and Hwang, 1997). The PS are selected according to Ferretti et al. (2001) using the amplitude dispersion index, which describes the phase accuracy. Only a subset of this selection, the PS candidates (PSC), are used for phase unwrapping and estimation of the atmosphere. Due to temporal changes of PS quality, caused by e.g. rock falls, the PSC selection is changing with time.

To simplify the unwrapping, the ambiguities are not estimated from the time series itself but rather on the difference of the time series of two neighbouring PSC. By that the atmospheric effect is reduced. For each possible ambiguity solution of a time series difference, a Kalman Filter exists to sequentially estimate the state of a kinematic process. At each time step new observations are added to the filter. The best ambiguity solution is selected based on probabilities, which are computed from the difference between observed and predicted phase. After this temporal unwrapping, a spatial unwrapping is performed for each time step to make sure that the determined solution is spatially consistent. The atmospheric effect is estimated after the unwrapping using a combination of meteorological data and filtering. Finally, the remaining PS are integrated into the network.

With this technique, a first estimation of the displacements at the PS is available a few seconds to minutes after the data acquisition. With every time step, new observations are added, which will improve the determination of ambiguities until they can be fixed. Thus, the final estimation of displacements is available a few minutes to one hour after the data acquisition.

The performance of the technique is shown by unwrapping synthetic data and real data from observation campaigns at four different locations: a quarry in Dieburg, Germany, a mountain side in Bad Reichenhall, Germany, a caldera flank on Sao Miguel, Azores and a landslide near Innsbruck in the Austrian Alps.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In den letzten Jahren hat sich bodengestütztes Radar mit synthetischer Apertur (GB-SAR) zu einem leistungsstarken Instrument für die Überwachung von Bewegungen und Deformationen bei Massenbewegungen, z. Bsp. Hangrutschungen, Gletscher und Vulkane, entwickelt. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines echtzeitfähigen Verfahrens für die Analyse von GB-SAR Daten, um den Status einer Massenbewegung mit der geringstmöglichen Verzögerung nach der Datenerfassung zu bestimmen. Das GB-SAR Instrument IBIS-L ermöglicht die Fernerkundung eines Objektes bis zu einer Entfernung von 4 km, indem es Mikrowellen mit einer Frequenz von 17.2 GHz aussendet und die reflektierten Echos empfängt. Alle 5 bis 10 Minuten wird ein zweidimensionales Amplituden- und Phasen-Bild generiert mit einer Auflösung von 0.75 m in Entfernung und 4.4 mrad in Azimut (4.4 m in 1 km Entfernung). Die gemessene Amplitude hängt von Objektgeometrie und -reflektivität ab. Aus der Differenz zweier Phasenbilder, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten gemessen wurden, können für jede Auflösungszelle Bewegungen in Blickrichtung abgeleitet werden. Es können ausschließlich relative Phasendifferenzen gebildet werden (zwischen -pi und +pi), dass heißt, die Anzahl der Phasendurchgänge Mehrdeutigkeit) ist unbekannt. Außer von Bewegungen, wird die Phasendifferenz auch von atmosphärischen Störungen und Rauschen beeinflusst. Um die Bewegungen abzuleiten, müssen für alle Auflösungzellen im Bild sowie für alle Zeitschritte die Phasenmehrdeutigkeiten bestimmt und der atmosphärische Effekt geschätzt werden. Es existiert bereits eine Vielzahl von Techniken zum Bestimmen der Phasenmehrdeutigkeiten, die speziell für weltraumgestütztes SAR entwickelt wurden. Der Begriff Persistent Scatterer Interferometrie (PSI) steht für Techniken, die nur Zeitreihen von Punkten (PS) betrachten deren Phasenmessgenauigkeit gut ist (Standardabweichung unter 0.3 bis 0.4 rad) (Ferretti et al., 2001; Kampes, 2006). Die bekannten PSI Techniken sind allerdings nur bedingt echtzeitfähig, da sie Zeitreihen analysieren. Das in dieser Arbeit beschriebene, echtzeitfähige Verfahren wurde speziell für die Anforderungen von bodengestütztem SAR entwickelt. Es ist eine Kombination von PSI mit Multi Model Adaptive Estimation (MMAE) (Marinkovic et al., 2005; Brown and Hwang, 1997). Die PS werden gemäß Ferretti et al. (2001) aus der Amplitudendispersion bestimmt, die ein Maß für die Phasenmessgenauigkeit darstellt. Daraus wird eine Untermenge (PS Candidates (PSC)) ausgewählt, die zur Schätzung von Mehrdeutigkeiten und Atmosphäre herangezogen werden. Aufgrund zeitlicher Änderungen der Qualität der Punkte durch z. Bsp. Steinschläge, ist die PSC Auswahl abhängig von der Zeit. Zur Vereinfachung der Bestimmung der Mehrdeutigkeiten werden sie nicht aus den Zeitreihen selbst geschätzt, sondern aus der Differenz der Zeitreihen zweier benachbarter PSC, da dadurch atmosphärische Effekte reduziert werden. Für jede mögliche Mehrdeutigkeitslösung einer Zeitreihendifferenz existiert ein Kalman Filter um sequentiell den Status eines kinematischen Prozesses zu schätzen. In jedem Zeitschritt werden die neuen Beobachtungen den Filtern hinzugefügt. Die beste Mehrdeutigkeitslösung wird mit Hilfe von Wahrscheinlichkeiten bestimmt, die anhand der Differenz der beobachteten und prädizierten Phase berechnet werden. Nach der rein zeitlichen Mehrdeutigkeitsbestimmung wird für jeden Zeitschritt die räumliche Konsistenz geprüft und die Mehrdeutigkeiten der eigentlichen PSC Zeitreihen abgeleitet. Der atmosphärische Effekt wird aus einer Kombination von meteorologischen Daten und Filterung geschätzt. Anschließend werden die PS in das Netzwerk integriert. Mit diesem Verfahren erhält man eine erste Schätzung der Bewegungen an den PS innerhalb weniger Sekunden bis Minuten nach der Datenerfassung. Mit jedem Zeitschritt werden neue Beobachtungen hinzugefügt und die Bestimmung der Mehrdeutigkeiten verbessert bis sie schließlich festgesetzt werden. Die endgültige Schätzung der Bewegungen liegt daher einige Minuten bis eine Stunde nach der Datenerfassung vor. Die Leistungsfähigkeit der Technik wird anhand von synthetischen sowie beobachteten Daten gezeigt. Die Ergebnisse von Kampagnen an vier verschiedenen Orten werden dargestellt: ein Steinbruch in Dieburg, Deutschland, eine Felswand in Bad Reichenhall, Deutschland, eine Kraterflanke auf Sao Miguel, Azoren und eine Hangrutschung in der Nähe von Innsbruck in den Österreichischen Alpen.German
Series Name: Schriftenreihe der Fachrichtung Geodäsie
Number: 33
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: Technische Universität Darmstadt, Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
Divisions: Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie > Institut für Physikalische Geodäsie
Date Deposited: 04 Nov 2011 13:35
Last Modified: 07 Dec 2012 12:01
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-27553
Additional Information:

[Darmstadt, TU, Diss., 2011]

License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Additional Information:

[Darmstadt, TU, Diss., 2011]

Referees: Gerstenecker, Prof. Dr.- Carl and Becker, Prof. Dr.- Matthias
Refereed: 15 June 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2755
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