Design and implementation of a multi-static UAV-borne SAR demonstrator

The aim of this dissertation is to illustrate the development and validation process of a multi-static SAR system operated on-board commercial drones, able to act as a scientific tool for of testing and validating new microwave imaging modes for Earth observation, not feasible with current spaceborne and airborne SAR systems, as well as a demonstrator for future innovative space missions. The interest of the major space agencies (e.g. ESA) in the potential of this new technology and the need for rapid development of its scientific maturity, in order to be implemented aboard the satellite constellations, are indicators of the importance of development of a scientific demonstrator of great flexibility and ability to reproduce this complex technology, without requiring extremely high budgets and long bureaucratic times, which would reduce the field of experimentation. These requests are impossible to satisfy with the current aircraft-borne demonstrators. The development of the system, operating in S band, went through various study phases and validations. We started from a first theoretical study, through which the system requirements were obtained, followed by a numerical validation, in which the whole was simulated together with the implementation of post-processing algorithms. Subsequently various indoor and outdoor experimental phases were carried out, in which the stability of the system was tested and algorithms have been developed to solve the most important problems of the multi-static SAR systems, including the synchronization error between transmitter and receiver. Two SDRs were used, which guarantee lightness and speed of reconfiguration to the system final. Finally, the system was integrated on-board two commercial drones "DJI Matrice 600" obtaining an experimental validation of the entire system, through the acquisition and the post-processing of a SAR image of an area equal to 60 × 100 m. The results achieved demonstrated the feasibility and correct functioning of a multi-static UAV-borne SAR system, allowing the launch of a research field on the future potential of Remote Sensing. It should also be noted that, although highly sophisticated systems have not been used, through the development of specific algorithms, problems most important affecting multi-static SAR systems have been solved in phase post-processing, thus allowing a further reduction in the cost of the system.

L’obiettivo di questa tesi è di illustrare il processo di sviluppo e validazione di un sistema SAR multi-statico a bordo di droni commerciali, in grado di fungere da strumento scientifico per testare e validare le nuove modalità di imaging a microonde per l’osservazione della Terra, non realizzabili con gli attuali sistemi SAR spaziali ed aerei, nonché da dimostratore per le future innovative missioni spaziali. L’interesse delle grandi agenzie spaziali (es. ESA) per le potenzialità di questa nuova tecnologia e la necessità di uno sviluppo rapido della sua maturità scientifica, per poter essere implementata a bordo delle costellazioni satellitari, sono indicatori dell’importanza dello sviluppo di un dimostratore scientifico di grande flessibilità e capacità nel riprodurre questa complessa tecnologia, senza dover necessitare di budget estremamente elevati e lunghi tempi burocratici, che ridurrebbero il campo di sperimentazione. Queste richieste risultano impossibili da soddisfare con gli attuali dimostratori a bordo di aerei. Lo sviluppo del sistema, operante in banda S, è passato attraverso varie fasi di studio e validazione. Si è partiti da uno studio teorico, tramite il quale sono stati ottenuti i requisiti del sistema, seguito da una validazione numerica, nella quale è stato simulato l’intero sistema con l’implementazione degli algoritmi di post-processing. Sono poi seguite varie fasi sperimentali indoor e outdoor, nelle quali è stata testata la stabilità del sistema utilizzante due SDRs, che garantiscono leggerezza e velocità di riconfigurazione al sistema finale e si sono sviluppati algoritmi per risolvere i problemi più importanti che interessano i sistemi SAR multi-statici, tra i quali l’errore di sincronizzazione tra trasmettitore e ricevitore. Infine il sistema è stato integrato a bordo di due droni commerciali "DJI Matrice 600" ottenendo una validazione sperimentale dell’intero sistema, tramite l’acquisizione e il post-processing di un’immagine SAR di un’area pari a 60 × 100 m. I risultati raggiunti hanno dimostrato la fattibilità e il corretto funzionamento del sistema SAR multi-statico operante su drone, consentendo l’avvio di un campo di ricerca sulle future potenzialità del Remote Sensing. Si segnala inoltre che, nonostante non siano stati utilizzati sistemi altamente sofisticati, attraverso lo sviluppo di algoritmi specifici, i problemi più importanti che interessano i sistemi SAR multi-statici sono stati risolti in fase di post-processing, consentendo così un’ulteriore riduzione del costo del sistema.