A multi-static spaceborne SAR formation for high-resolution imaging at longer wavelenghts

The ultimate intent of this master thesis is to propose a feasible space mission design for a multi-static Synthetic Aperture RADAR (SAR) campaign. The scenario, envisioned in light of the future Biomass ESA mission, consists of a fleet of active satellites trailing a RADAR transceiver satellite, transmitting in the P-Band using a very limited bandwidth, which results in a poor range resolution, that is then enhanced via processing, exploiting the extended spectral coverage obtained by properly combining the bistatic acquisitions of all the receiver-transmitter couples. This results in a range resolution improvement proportional to the number of satellites deployed. The main principle supporting this processing technique is derived from the Fundamental Equation of Diffraction Tomography, its main result being that the response of a target scatterer can be univocally identified by its 3D spatial Fourier Transform. In order to simplify the synchronization of all the satellites, simultaneous signal reception is implemented, thus avoiding the configuration of any contention-based transmission plan. This calls for a beam separation technique in Doppler frequency domain that enables the differentiation of each illuminator beam by modeling the transmission-reception process of the constellation as a Multiple-Input Multiple- Output system, owing to an uniform linear receiver array mounted on the transceiver satellite. The simulations of the proposed satellite formation yield favorable results both in terms of final image resolution and in terms of phase error for the beam separation algorithm. In addition, the narrow-band SAR constellation results comparable with a monostatic wide-band SAR satellite with equivalent parameters.

Il fine ultimo di questa tesi magistrale è proporre un progetto di missione spaziale praticabile per una campagna di acquisizione con un sistema RADAR multistatico ad apertura sintetica (SAR). Lo scenario, pensato alla luce della futura missione di ESA, Biomass, consiste in una flotta di satelliti attivi che seguono un satellite RADAR ricetrasmittente in banda P, con una larghezza di banda molto limitata, la quale produce una scarsa risoluzione in range, che è quindi migliorata attraverso un'elaborazione dei dati basata sullo sfruttamento della copertura spettrale allargata dall'appropriata combinazione di acquisizioni bistatiche di tutte le coppie ricevitore-trasmittore. Ciò produce un miglioramento della risoluzione in range proporzionale al numero di satelliti schierati. Il principio cardine a supporto questa tecnica di elaborazione dati deriva dall'Equazione Fondamentale della Tomografia Diffrattiva, che ha come principale risultato il fatto che la risposta di un bersaglio può essere univocamente identificata dalla sua trasformata di Fourier in 3 dimensioni. Al fine di semplificare la sincronizzazione di tutti i satelliti, viene implementata la ricezione simultanea, così evitando la configurazione di qualsiasi schema di trasmissione che preveda la collisione. Ciò richiede una tecnica di separazione dei raggi nel dominio delle frequenze Doppler , che abilita la distinzione del raggio emesso da ciascun satellite attivo attraverso la modellazione del processo di trasmissione e ricezione della costellazione come un sistema Multiple-Input Multiple-Output, grazie a una schiera lineare di ricevitori montata sul satellite ricetrasmittente. Le simulazioni della costellazione satellitare proposta producono risultati positivi sia in termini di risoluzione dell'immagine finale che in termini di errore di fase per l'algoritmo di separazione dei raggi. Inoltre, la costellazione SAR a banda limitata risulta comparabile con un satellite SAR monostatico con caratteristiche equivalenti, ma a banda larga.