Compact and free-floating MIMO SAR satellites formations on parallel orbits : the new IBP approach

The possibility to focalise a radar image using not a single satellite but a formation of smaller satellites is the starting point of this project. The final goal is to show that the same results, in terms of focalisation of a single or a distributed targets, could be achieved using different approaches. After a brief introduction on the basics of radar and on the main concepts by which it has been possible to move from a simple monopulse radar first to SLAR then to SAR, the first two chapters are dedicated to the analysis of the state of art. In particular the first one is based on the explanation of the working principle of the Phase Matched Filter (PMF) technique, here adopted to focalise a simple point target by using a simple bistatic formation. In the second chapter is deeply analyzed the Wiener Inversion (WI) method with both ambiguous or not ambiguous formations, meaning that it is demonstrated that it is still possible to recover the same image acquired by a not ambiguous formation, by reducing the PRF and by using a MIMO configuration instead of a simple SIMO. Everything is done by assuming a rectilinear trajectory of the satellites in addition to precise positioning of the sensors. The point of the rectilinear orbit is the real limitation of this approach and represents the starting point of this dissertation. The last two chapters are in fact based on the extension of the previous results to a more generic and real case. First of all in the third chapter is introduced the Back Projection (BP) method, demon strating that it is possible to work in the same context accepting the limitations of an higher computational complexity and the presence of highest spurious lobes, whose nature is deeply described. To overcome this final limitation it is developed a new approach called Inverse Back Pro jection (IBP), in order to merge together the potentiality of the Wiener Inversion with the robustness and versatility of the Back Projection. In the fourth chapter it is contained the final extension to the parallel orbits and targets characterized by different altitudes: it is demonstrated that the computational complexity of the BP translates also in the possibility to focalise the image in any case, then the IBP offers the bridge to adapt the final results in dependence on the particular application.

La possibilità di focalizzare un’immagine radar utilizzando non un singolo satellite ma una formazione di satelliti più piccoli, è il punto di partenza di questo progetto. L’obiettivo finale è mostrare che gli stessi risultati, in termini di focalizzazione di un sin golo o di un target distribuito, possono essere realizzati utilizzando diversi approcci. Dopo una breve introduzione sulle basi teoriche e sui concetti principali attraverso i quali è stato possibile passare da un semplice monopulse radar allo SLAR ed in seguito al SAR, i primi due capitoli sono dedicati all’analisi dello stato dell’arte. In particolare il primo si basa sulla spiegazione del principio di funzionamento della tec nica Phase Matched Filter (PMF), qui adottato per focalizzare un semplice bersaglio puntiforme utilizzando una semplice formazione bistatica. Nel secondo capitolo viene approfondito il metodo Wiener Inversion (WI) con formazioni sia ambigue che non ambigue, nel senso che si dimostra che è ancora possibile ottenere la stessa immagine acquisita da una formazione non ambigua, riducendo la PRF e uti lizzando una configurazione MIMO invece di un semplice SIMO. Il tutto assumendo una traiettoria rettilinea dei satelliti oltre ad un preciso posizionamento dei sensori. Il concetto di orbita rettilinea è il vero limite di questo approccio e rappresenta il punto di partenza di questa tesi. Gli ultimi due capitoli si basano infatti sull’estensione dei risultati precedenti al caso di orbite parallele. Prima di tutto nel terzo capitolo viene introdotto il metodo della Back Projection (BP), dimostrando che è possibile lavorare nello stesso contesto accettando i limiti di una mag giore complessità computazionale e la presenza di lobi spuri, la cui natura è ampiamente descritta. Per superare questo limite finale è stato sviluppato un nuovo approccio chiamato Inverse Back Projection (IBP), al fine di fondere insieme le potenzialità della Wiener Inversion con la robustezza e la versatilità della Back Projection. Nel quarto capitolo è contenuta l’estensione finale a orbite parallele e a bersagli caratter izzati da quote differenti: sarà dimostrato che la complessità computazionale della BP si traduce anche nella possibilità di focalizzare l’immagine in ogni caso, quindi l’ IBP offre il ponte per adattare i risultati finali in funzione della particolare applicazione.