Detection, motion parameters estimation and refocusing of moving targets in spaceborne SAR images

The thesis focuses on developing an algorithm for the automatic detection, motion parameters estimation, and refocusing of moving targets in spaceborne single-channel SAR images. In this regard, various sectors, including defense, disaster response, environmental monitoring, and traffic management, have a strong need for tools that can effectively monitor moving targets. However, the accurate detection and imaging of moving targets in SAR data pose significant challenges, especially when constrained to single-channel systems, which are more commonly available in practical scenarios. The research begins with an in-depth review of SAR fundamentals. Then the analytical expressions of moving targets effects are reviewed and derived under the fundamental assumption of constant motion of point targets. The developed detection algorithm exploits, indeed, the phenomenon for which moving targets that have an azimuth velocity component appear blurred in the azimuth direction after focusing. Subsequently the azimuth velocity component is estimated by means of a refocusing algorithm that exploits standard autofocus methods already used in SAR applications to compensate the residual phase after processing. Additionally, in case of extended objects like ships, it is implemented a procedure that, making use of PCA, is able to identify the motion direction and so to estimate the total velocity vector through the projection of the azimuth velocity previously estimated. A validation procedure for the estimated azimuth velocity utilizing AIS data has also been proposed. Nevertheless, due to the limited availability of free AIS data, additional examples are needed to fully validate the estimation. Both the detection and refocusing algorithm have been presented with a remarkable number of case studies. The results, indeed, are found to be plausible and consistent with the specific contexts in which they were analyzed, highlighting the algorithm’s potential for practical applications. In conclusion, this thesis provides a significant contribution to the field of moving target in single-channel SAR imaging. Future work will focus on enhancing the algorithm’s robustness and exploring its application in more complex environments. The whole project has been developed at Sarmap SA, a Swiss remote sensing company expert in providing innovative Earth Observation solution and owner of the commercial software SARscape used for some implementation throughout the thesis.

La tesi si concentra sullo sviluppo di un algoritmo per la rilevazione, stima dei parametri di moto e rifocalizzazione in maniera automatica di bersagli in immagini SAR satellitari a singolo canale. A tal proposito, vari settori, tra cui la difesa, la risposta ai disastri, il monitoraggio ambientale e la gestione del traffico, hanno una forte necessità di strumenti che possano monitorare efficacemente bersagli in movimento. Tuttavia, la rilevazione e l’imaging accurato di bersagli in movimento nei dati SAR pongono sfide significative, soprattutto quando sono limitati a sistemi a singolo canale, più comunemente disponibili in scenari pratici. La ricerca inizia con una revisione approfondita dei fondamenti del SAR. Successivamente, vengono esaminate e derivate le espressioni analitiche degli effetti dei bersagli in movimento, sotto l’assunzione fondamentale di moto costante di bersagli puntiformi. L’algoritmo di rilevamento sviluppato sfrutta, infatti, il fenomeno per cui i bersagli in movimento che hanno una componente di velocità in azimuth appaiono sfocati nella di rezione azimutale dopo il processamento. Successivamente, la componente di velocità in azimuth viene stimata attraverso un algoritmo di rifocalizzazione che sfrutta metodi standard di autofocus già utilizzati nelle applicazioni SAR per compensare la fase residua dopo la focalizzazion. Inoltre, nel caso di oggetti estesi come le navi, viene implementata una procedura che, utilizzando la PCA, è in grado di identificare la direzione del moto e quindi di stimare il vettore di velocità totale attraverso la proiezione della velocità in azimuth precedentemente stimata. È stata inoltre proposta una procedura di validazione della velocità in azimuth stimata utilizzando i dati AIS. Tuttavia, a causa della disponibilità limitata di dati AIS gratuiti, sono necessari ulteriori esempi per validare completamente la stima. Sia l’algoritmo di rilevamento che quello di rifocalizzazione sono stati presentati con un notevole numero di casi di studio. I risultati, infatti, sono plausibili e coerenti con i contesti specifici in cui sono stati analizzati, evidenziando il potenziale dell’algoritmo per applicazioni pratiche. In conclusione, questa tesi fornisce un contributo significativo nel campo dell’imaging di bersagli in movimento nei sistemi SAR a singolo canale. Il lavoro futuro si concentrerà sul miglioramento della robustezza dell’algoritmo e sull’esplorazione della sua applicazione in ambienti più complessi. L’intero progetto è stato sviluppato presso Sarmap SA, una società svizzera di telerilevamento esperta nel fornire soluzioni innovative per l’osservazione della Terra e proprietaria del software commerciale SARscape usato per alcune implementazioni durante la tesi.