Orthogonal waveforms for extended swath for forward looking SAR

Synthetic Aperture Radar (SAR) systems enable the acquisition of high-resolution images under various illumination and weather conditions. This makes them indispensable for Earth observation and military applications. However, SAR systems encounter challenges known as range and azimuth ambiguities, deriving from the pulsed nature of their operation and the physical principles governing radar imaging. Ambiguities make the image ambiguous, in the sense that objects are interpreted in a wrong position or objects not belonging to the actual scenario are displayed. Ambiguities pose constraints on the sampling frequency of the system, referred to as Pulse Repetition Frequency (PRF). The limits imposed on the PRF are contradictory, thus resolving both ambiguities simultaneously solely through PRF adjustment is unfeasible for the majority of SAR systems. This work investigates the applicability of orthogonal waveforms in SAR systems to mitigate the first azimuth ambiguity and enhance the system's swath coverage. Specifically, the referenced system is an airborne forward-looking SAR characterized by significant speed during operation. This dissertation aims to identify a set of two orthogonal waveforms, with constant envelope, adequate tolerance to the Doppler effect and low cross-correlation peak level. Two sets of waveforms, each comprising two orthogonal waveforms, are examined in this thesis using four measures: Peak Sidelobe Ratio (PSRL), Integrated Peak Sidelobe Ratio (IPSLR), Peak-to-Peak Ratio (PPR), and Integrated Peak-to-Peak Ratio (IPPR). These measures are required to evaluate the auto- and cross-correlation properties of each waveform set. Furthermore, to demonstrate the effective ease of the first azimuth ambiguity through the transmission of an orthogonal waveform set, a SAR simulation has been proposed as part of this study.

I sistemi radar ad apertura sintetica consentono di acquisire immagini ad alta risoluzione in condizioni metereologiche e di illuminazione eterogenee. Pertanto, tali sistemi radar risultano essere indispensabili per applicazioni legate all'osservazione della terra o per applicazioni legate ad ambiti militari. Tuttavia, poiché i sistemi radar ad apertura sintetica sono operati in maniera pulsata e visti i principi fisici che governano le immagini radar, all’interno di esse possono verificarsi ambiguità in direzione radiale o in direzione azimutale. Per ambiguità si intende sia la presenza all’interno dell’immagine di oggetti estranei non appartenenti allo scenario reale, sia l’allocazione di oggetti in posizioni errate a seguito di una non corretta interpretazione dello scenario da parte del sistema. Le ambiguità impongono dei limiti contradittori sulla frequenza di campionamento del sistema. Pertanto, per la grande maggioranza dei sistemi radar apertura sintetica non è possibile risolvere entrambe le ambiguità agendo sulla sola frequenza di campionamento. In questo lavoro si è approfondita la tematica relativa alla risoluzione della prima ambiguità che si riscontra in direzione azimutale, con conseguente aumento della copertura in direzione radiale, attraverso la trasmissione di forme d’onda ortogonali. Il sistema a cui si è fatto riferimento è un radar ad apertura sintetica aeronautico che vola ad elevata velocità, ed è caratterizzato dal fatto di avere il fascio dell’antenna rivolto verso la direzione di moto. Questa tesi ha lo scopo di individuare un gruppo di due forme d’onda ortogonali, ad ampiezza costante, con un'adeguata tolleranza all’effetto Doppler e con un basso livello di correlazione incrociata. Due insiemi di forme d’onda, ognuno composto da due forme d’onda ortogonali, sono stati esaminati attraverso quattro misure, rappresentative delle proprietà di autocorrelazione e di correlazione incrociata dei due insieme di forme d’onda. Infine, è stata condotta una simulazione che emulativa di un’acquisizione radar, con il fine ultimo di dimostrare la risoluzione della prima ambiguità in direzione azimutale in maniera efficace, attraverso l’invio di un insieme composto da due forme d’onda ortogonali.