Analysis of multi-static spaceborne SAR formations for high-resolution imaging at P-band

The aim of this thesis is to present the developed theoretical and computer tools needed to perform the preliminary design of a feasible space mission for a multi-static Synthetic Aperture RADAR (SAR) campaign working at P-Band. The ultimate goal of the design is to use the data coming from different satellites to overcome the fundamental resolution limit of P-Band spaceborne RADARs, which results from the 6 MHz bandwidth restriction imposed by the International Telecommunication Union. To face this small frequency range availability, which is the major drawback of the P-Band scenario, this dissertation leverages the principle of Multi-static Wavenumber Tessellation (MWT) in the peculiar case of multiple satellites equipped with a transmitting SAR and only one receiving spacecraft. Indeed, by exploiting this technique, derived from the Fundamental Equation of Diffraction Tomography, it is possible to significantly enhance the system spatial resolution by properly setting the relative positions of transmitters and receiver along the orbit. To allow the correct implementation of this concept much effort has been spent on the preliminary design of antennas and transmission scheme. The antennas have been discussed by considering solutions present in literature like the parabolic reflector of the ESA Biomass mission and the planar array proposed by NASA JPL in the SESAR project. The transmitters are assumed to operate under the principle of Time Division Multiple Access (TDMA), so that the signals associated with the individual transmissions can safely reach the receiver with no temporal overlap. For this reason, the transmission scheme has been implemented by enforcing a proper synchronization plan among the transmitters. The design of antennas, orbital positioning and TDMA scheme has been carried out by developing proper computer tools to assess the performance of preliminary multi-static SAR fleet designs. These tools, specifically drawn up for this thesis, are aimed to extend the existing analytical tools for the monostatic SAR system performance analysis to the multi-static SAR case. As result, two promising and feasible multi-static SAR fleet solutions are proposed, featuring a range resolution three times finer with respect to a conventional monostatic P-Band SAR and a Noise Equivalent Sigma Zero of around -30 dB within a ground swath of more than 50 km.

Lo scopo di questa tesi è presentare gli strumenti teorici ed informatici che sono stati sviluppati al fine di poter creare il design preliminare di una missione basata sull’utilizzo di una costellazione di RADAR ad apertura sintetica (SAR) multi-statici operanti in P-Band. Il fine ultimo di questo progetto è usare i dati provenienti da diversi satelliti per risolvere il problema della scarsa risoluzione spaziale, causato dalla limitatezza della banda disponibile che è di appena 6 MHz a causa delle restrizioni imposte dall’Unione Internazionale delle Comunicazioni. Per supplire a tale vincolo, che è la maggiore criticità riscontrabile nel lavorare in P-Band, questo studio sfrutta il concetto di Multi-static Wavenumber Tessellation (MWT) applicato al caso peculiare di molteplici SAR trasmittenti ed un solo ricevitore. Infatti, avvalendosi del suddetto principio, derivante dall’ Equazione Fondamentale della Tomografia Diffrattiva, è possibile migliorare significativamente la risoluzione spaziale mediante un’opportuna scelta delle posizioni relative dei trasmettitori e del ricevitore lungo l’orbita. Per assicurare una corretta implementazione del concetto di MWT, una notevole attenzione è stata posta sul design preliminare delle antenne e dello schema di trasmissione. Le antenne sono state trattate considerando alcune soluzioni presenti in letteratura, quali: il riflettore parabolico della missione Biomass dell’ESA e l’array planare proposto dal NASA JPL nel progetto SESAR. I trasmettitori operano sotto il principio di Time Division Multiple Access (TDMA), in modo che i segnali associati alle diverse trasmissioni possano raggiugere il ricevitore senza rischiare una sovrapposizione temporale. Per questa ragione, lo schema di trasmissione è stato implementato imponendo un’opportuna sincronizzazione tra i satelliti trasmettitori. Il design delle antenne, del posizionamento orbitale e del suddetto schema di trasmissione è stato condotto sviluppando strumenti informatici specifici per valutare le prestazioni dei design preliminari di costellazioni di SAR multi-statici. Questi strumenti, appositamente creati per questa tesi, sono finalizzati ad estendere gli strumenti analitici esistenti per la valutazione delle performance dei SAR monostatici al caso multi-statico. Come risultato finale, sono proposti due fattibili e promettenti design di costellazioni di SAR multi-statici, caratterizzati da una risoluzione in range tre volte più fine rispetto a quella di un tradizionale SAR monostatico e da un valore di Noise Equivalent Sigma Zero di circa -30 dB all’interno di un ground swath di più di 50 km.