SAR polarimetric monitoring by natural calibrators

The thesis debates the problem of the external polarimetric calibration and system monitoring of Synthetic Aperture Radar (SAR) devices. More specifically, the efforts has been aimed at assessing the capabilities of natural in-scene scatterers and at proposing novel methodologies for the exploitation of such potential. The first part surveys the calibration feasibility and the distortion estimation performance of the approaches based on distributed targets (DTs). It will be shown that, by introducing convenient assumptions on the distortion model and on the target properties, effective information on the system cross-talks and on the channel imbalance ratio can be extracted from the scene. However, clear evidence that a point calibrator is needed to accomplish a full polarimetric monitoring is also provided. The partial polarimetric calibration achieved by DTs is then investigated with concern to the achievable performance on the well-determinable parameters. A numerical optimization algorithm is proposed to improve the accuracy in case of low channel isolation. The second part is dedicated to an innovative calibration approach based on the stable point targets, namely Permanent Scatterers (PS). The method, hereby called PolPSCal, allows for relative calibration of the full polarimetric distortion matrices (PDMs) affecting the stack images. The algorithm is neither constrained to a particular PDM model nor to any external information, though this latter is needed afterwards to remove residual ambiguity from the estimated PDMs. The exploitation of the DT information for the relative calibration of the PolPSCal information is then investigated. The mathematical framework of such over-arching natural target-based approach is reported, and a performance analysis is carried out on a 26 images RADARSAT-2 dataset reporting promising results.

La tesi discute problematiche e propone soluzioni originali circa il tema della calibrazione polarimetrica e del monitoraggio di sistemi Radar ad apertura sintetica (SAR). Più specificamente, lo studio si concentra sulle tecniche di calibrazione esterna, investigando le potenzialità offerte dai calibratori naturali, ovvero degli scatteratori facenti parte della scena, e proponendo nuove metodologie per un loro uso efficace. La prima parte del lavoro è dedicata all’approccio basato su target distribuiti (DT). La praticabilità di un approccio di calibrazione tramite DT e le prestazioni di alcune tecniche di riferimento sono discussi. Sarà dimostrato che una stima parziale di cross-talks e sbilanciamenti tra i componenti di un sistema polarimetrico può essere di fatto ricavata, ma anche che per ottenere una calibrazione completa il sito deve disporre di un target con firma polarimetrica nota, come ad esempio corner o transponder. Una tecnica di ottimizzazione numericà è inoltre proposta al fine di migliorare le prestazioni fornite dalle tecniche note in caso di elevato cross-talk. La seconda parte della tesi contiene il contributo più significativo ed originale dell’attività svolta. E’ infatti discussa una soluzione innovativa che si basa sul concetto di Scatteratori Permanenti (PS) e quindi sull’uso di stack di immagini e dell’informazione temporale. Il metodo, denominato PolPSCal, consente di raggiungere una calibrazione relativa delle matrici di distorsione polarimetrica (PDM) sull’intero stack. L’algoritmo proposto non è vincolato alla presenza di un particolare modello di distorsione (purchè sia lineare) e tantomeno alla presenza di informazioni di supporto esterne. Queste sono usate solo in un secondo momento per calibrare in senso assoluto le stime ottenute. Verrà inoltre dimostrato come tale compito possa essere parzialmente assolto anche tramite l’informazione estratta da DT. Un contesto matematico in grado di assimilare entrambe le informazioni in un approccio interamente scene-based è pertanto posto all’attenzione del lettore. L’analisi delle prestazioni è stata infine effettuata sfruttando un dataset RADARSAT-2 di 26 immagini su Barcellona con esiti promettenti.