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The incorporation of Gallium Nitride (GaN) Power Amplifiers (PAs) into future high power aperture radar systems is certain; however, the introduction of this technology into multifunction radar systems will present new challenges to radar engineers. This dissertation describes a broad investigation into amplitude and phase transients produced by GaN PAs when they are excited with multifunction radar waveforms. These transients are the result of self-heating electrothermal memory effects and are manifested as interpulse instabilities that can negatively impact the coherent processing of multiple pulses. A behavioral model based on a Foster network topology has been developed to replicate the measured amplitude and phase transients accurately. This model has been used to develop a digital predistortion technique that successfully mitigates the impact of the transients. The Moving Target Indicator (MTI) Improvement Factor and the Root Mean Square (RMS) Pulse-to-Pulse Stability are used as metrics to assess the impact of the transients on radar system performance and to test the effectiveness of a novel digital predistortion concept. / Ph. D.

Detecting water under vegetation is critical to tracking the status of geological ecosystems like wetlands. Researchers use different methods to estimate water presence, avoiding costly on-site measurements. Optical satellite imagery allows the automatic delineation of water using the concept of the Normalised Difference Water Index (NDWI). Still, optical imagery is subject to visibility conditions and cannot detect water under the vegetation, a typical situation for wetlands. Synthetic Aperture Radar (SAR) imagery works under all visibility conditions. It can detect water under vegetation but requires deep network algorithms to segment water presence, and manual annotation work is required to train the deep models. This project uses DEEPAQUA, a cross-modal knowledge distillation method, to eliminate the manual annotation needed to extract water presence from SAR imagery with deep neural networks. In this method, a deep student model (e.g., UNET) is trained to segment water in SAR imagery. The student model uses the NDWI algorithm as the non-parametric, cross-modal teacher. The key prerequisite is that NDWI works on the optical imagery taken from the exact location and simultaneously as the SAR. Three different deep architectures are tested in this project: UNET, SegNet, and UNET++, and the Otsu method is used as the baseline. Experiments on imagery from Swedish wetlands in 2020-2022 show that cross-modal distillation consistently achieved better segmentation performances across architectures than the baseline. Additionally, the UNET family of algorithms performed better than SegNet with a confidence of 95%. The UNET++ model achieved the highest Intersection Over Union (IOU) performance. However, no statistical evidence emerged that UNET++ performs better than UNET, with a confidence of 95%. In conclusion, this project shows that cross-modal knowledge distillation works well across architectures and removes tedious and expensive manual work hours when detecting water from SAR imagery. Further research could evaluate performances on other datasets and student architectures. / Att upptäcka vatten under vegetation är avgörande för att hålla koll på statusen på geologiska ekosystem som våtmarker. Forskare använder olika metoder för att uppskatta vattennärvaro vilket undviker kostsamma mätningar på plats. Optiska satellitbilder tillåter automatisk avgränsning av vatten med hjälp av konceptet Normalised Difference Water Index (NDWI). Optiska bilder fortfarande beroende av siktförhållanden och kan inte upptäcka vatten under vegetationen, en typisk situation för våtmarker. Synthetic Aperture Radar (SAR)-bilder fungerar under alla siktförhållanden. Den kan detektera vatten under vegetation men kräver djupa nätverksalgoritmer för att segmentera vattennärvaro, och manuellt anteckningsarbete krävs för att träna de djupa modellerna. Detta projekt använder DEEPAQUA, en cross-modal kunskapsdestillationsmetod, för att eliminera det manuella annoteringsarbete som behövs för att extrahera vattennärvaro från SAR-bilder med djupa neurala nätverk. I denna metod tränas en djup studentmodell (t.ex. UNET) att segmentera vatten i SAR-bilder semantiskt. Elevmodellen använder NDWI, som fungerar på de optiska bilderna tagna från den exakta platsen och samtidigt som SAR, som den icke-parametriska, cross-modal lärarmodellen. Tre olika djupa arkitekturer testas i detta examensarbete: UNET, SegNet och UNET++, och Otsu-metoden används som baslinje. Experiment på bilder tagna på svenska våtmarker 2020-2022 visar att cross-modal destillation konsekvent uppnådde bättre segmenteringsprestanda över olika arkitekturer jämfört med baslinjen. Dessutom presterade UNET-familjen av algoritmer bättre än SegNet med en konfidens på 95%. UNET++-modellen uppnådde högsta prestanda för Intersection Over Union (IOU). Det framkom dock inga statistiska bevis för att UNET++ presterar bättre än UNET, med en konfidens på 95%. Sammanfattningsvis visar detta projekt att cross-modal kunskapsdestillation fungerar bra över olika arkitekturer och tar bort tidskrävande och kostsamma manuella arbetstimmar vid detektering av vatten från SAR-bilder. Ytterligare forskning skulle kunna utvärdera prestanda på andra datamängder och studentarkitekturer.

Das Radar mit synthetischer Apertur (Synthetic Aperture Radar - SAR) liefert eine quasi-fotographische Abbildung der beleuchteten Bodenoberfläche mit zusätzlichen Informationen, die von der gesendeten und empfangenen Polarisation der Wellen abhängig sind. Eine nützliche Anwendung der polarimetrischen SAR-Daten liegt bei der Klassifizierung der Bodenstruktur anhand der polarimetrischen Streuungseigenschaften. In diesem Zusammenhang beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Entwicklung und Untersuchung neuer polarimetrischen Fokussierungsfunktion für die SAR-Datenverarbeitung mit Hilfe der polarimetrischen Rückstreuungseigenschaft, die zu einer alternativen quantitativen Auswertung der polarimerischen SAR-Daten führen kann. Die physikalische Optik Approximation wird für die numerische Berechnung der rückgestreuten elektrischen Felder der kanonischen Ziele unter SAR-Geometrie unter Berücksichtigung der Polarisationslage verwendet. Aus den rückgestreuten elektrischen Felder werden die polarimetrischen Radarrückstreuquerschnitte berechnet. Ein SAR-Simulator wird zur Datenverarbeitung der E-SAR des DLR entwickelt. Der Ansatz des polarimetrischen Radarrückstreuquerschnittes ermöglicht die approximierte numerische Berechnung der Rückstreuungseigenschaften der kanonischen Ziele sowohl im kopolaren als auch im kreuzpolaren Polarisationsbetrieb. Bei der SAR-Datenverarbeitung werden die Rohdatensätze durch die Referenzfunktion eines Punktzieles in der Entfernungsrichtung verarbeitet. Bei der Azimutkompression werden die vier Referenzfunktionen, das heißt die Referenzfunktion eines Punktzieles, die polarimetrische Fokussierungsfunktion einer flachen Platte, die polarimetrische Fokussierungsfunktion eines Zweifach-Reflektors und die polarimetrische Fokussierungsfunktion eines Dreifach-Reflektors, eingesetzt. Die qunatitativen Auswertung der SAR-Daten werden anhand des Pauli-Zerlegungstheorems, der differentiellen Reflektivität und des linearen Depolarisationsverhältnises durchgeführt.

A sustainable society is a society that satisfies its resource requirements without endangering the sustainability of these resources. The mineral endowment on the African continent is estimated to be the first or second largest of world reserves. Therefore, it is recognised that the African continent still heavily depends on mineral exports as a key contributor to the gross domestic product (GDP) of various countries. These mining activities, however, do introduce primary and secondary environmental degradation factors. They attract communities to these mining areas, light and heavy industrial establishments occur, giving rise to artisanal activities. This study focussed on satellite RS products as an aid to a mine’s operations and the monitoring of its environment. Effective operational mine management and control ensures a more sustainable and profitable lifecycle for mines. Satellite based RS holds the potential to observe the mine and its surrounding areas at high temporal intervals, different spectral wavelengths and spatial resolutions. The combination of SAR and optical information creates a spatial platform to observe and measure the mine’s operations and the behaviour of specific land cover and land use classes over time and contributes to a better understanding of the mining activities and their influence on the environment within a specific geographical area. This study will introduce an integrated methodology to collect, process and analyse spatial information over a specific targeted mine. This methodology utilises a medium resolution land cover base map, derived from Landsat 8, to understand the predominant land cover types of the surrounding area. Using very high resolution mono- and stereoscopic satellite imagery provides a finer scale analysis and identifies changes in features at a smaller scale. Combining these technologies with the synthetic aperture radar (SAR) applications for precise measurement of surface subsidence or upliftment becomes a spatial toolbox for mine management. This study examines a combination of satellite remote sensing products guided by a systematic workflow methodology to integrate spatial results as an aid for mining operations and environmental monitoring. Some of the results that can be highlighted is the successful land cover classification using the Landsat 8 satellite. The land cover that dominated the Kolomela mine area was the “SHRUBLAND/GRASS” class with a 94% coverage and “MINE” class of 2.6%. Sishen mine had a similar dominated land cover characteristic with a “SHRUBLAND/GRASS” class of 90% and “MINE” class of 4.8%. The Pléiades time-series classification analysis was done using three scenes each acquired at a different time interval. The Sishen and Kolomela mine showed especially changes from the bare soil class to the asphalt or mine class. The Pléiades stereoscopic analysis provided volumetric change detection over small, medium, large and recessed areas. Both the Sishen and Kolomela mines demonstrated height profile changes in each selected category. The last category of results focused on the SAR technology to measure within millimetre accuracy the subsidence and upliftment behaviour of surface areas over time. The Royal Bafokeng Platinum tailings pond area was measured using 74 TerraSAR-X scenes. The tailings wall area was confirmed as stable with natural subsidence that occurred in its surrounding area due to seasonal changes of the soil during rainy and dry periods. The Chuquicamata mine as a large open pit copper mine area was analysed using 52 TerraSAR-X scenes. The analysis demonstrated significant vertical surface movement over some of the dumping sites. It is the wish of the researcher that this dissertation and future research scholars will continue to contribute in this scientific field. These contributions can only assist the mining sector to continuously improve its mining operations as well as its monitoring of the primary as well as the secondary environmental impacts to ensure improved sustainability for the next generation. / Environmental Sciences / M. Sc. (Environmental Science)

Le bruit rayonné par le trafic maritime étant la principale source de nuisance acoustique sous-marine dans les zones littorales, la Directive-Cadre Stratégie pour le Milieu Marin de la Commission Européenne promeut le développement de méthodes de surveillance et de réduction de l'impact du bruit du trafic maritime. Le besoin de disposer d'un système industriel d'imagerie du bruit rayonné par les navires de surface a motivé la présente étude, il permettra aux industriels du naval d'identifier quels éléments d'un navire rayonnent le plus de bruit.Dans ce contexte, ce travail de recherche porte sur la mise en place de méthodes d'imagerie acoustique sous-marine passive d'un navire de surface au passage au-dessus d'une antenne linéaire et fixe au nombre réduit d'hydrophones. Deux aspects de l'imagerie acoustique sont abordés : la localisation de sources acoustiques et l'identification de la contribution relative de chacune de ces sources dans la signature acoustique du navire.Tout d'abord, une étude bibliographique sur le rayonnement acoustique d'un navire de surface au passage est menée afin d'identifier les principales sources acoustiques et de pouvoir ensuite simuler des sources représentatives d'un navire. La propagation acoustique est simulée par la théorie des rayons et intègre le mouvement des sources. Ce simulateur de rayonnement acoustique de navire au passage est construit afin de valider les algorithmes d'imagerie acoustique proposés et de dimensionner une configuration expérimentale. Une étude sur l'influence du mouvement des sources sur les algorithmes d'imagerie acoustique a conduit à l'utilisation d'un algorithme de formation de voies pour sources mobiles pour la localisation des sources et une méthode de déconvolution pour accéder à l'identification de la contribution des sources. Les performances de ces deux méthodes sont évaluées en présence de bruit de mesure et d'incertitudes sur le modèle de propagation afin d'en connaître les limites. Une première amélioration de la méthode de formation de voies consiste en un traitement d'antenne à ouverture synthétique qui exploite le mouvement relatif entre le navire et l'antenne pour notamment améliorer la résolution en basses fréquences. Un traitement de correction acoustique de la trajectoire permet de corriger la trajectographie du navire au passage qui est souvent incertaine. Enfin, la dernière partie de cette thèse concerne une campagne de mesures de bruit de passage d'une maquette de navire de surface tractée en lac, ces mesures ont permis de valider les méthodes d'imagerie acoustique proposées ainsi que les améliorations proposées, dans un environnement réel maîtrisé. / Since the surface ship radiated noise is the main contribution to the underwater acoustic noise in coastal waters, The Marine Framework Strategy Directive of the European Commission recommends the development of the monitoring and the reduction of the impact of the traffic noise. The need for developing an industrial system for the noise mapping of the surface ship have motivated this study, it will allow the naval industries to identify which part of the ship radiates the stronger noise level.In this context, this research work deals with the development of passive noise mapping methods of a surface ship passing-by above a static linear array with a reduced number of hydrophones. Two aspects of the noise mapping are considered: the localization of acoustic sources and the identification of the relative contribution of each source to the ship acoustic signature.First, a bibliographical study concerning the acoustic radiation of a passing-by surface ship is conducted in order to list the main acoustic sources and then to simulate representative ship sources. The acoustic propagation is simulated according to the ray theory and takes the source motion into account. The simulator of the acoustic radiation of a passing-by ship is built in order to validate the proposed noise mapping methods and to design an experimental set-up. A study about the influence of the source motion on the noise mapping methods led to the use of the beamforming method for moving sources for the source localization and a deconvolution method for the identification of the source contribution. The performances of both methods are assessed considering measurement noise and uncertainties about the propagation model in order to know their limitations. A first improvement of the beamforming method consists of a passive synthetic aperture array algorithm which benefits from the relative motion between the ship and the antenna in order to improve the spatial resolution at low frequencies. Then, an algorithm is proposed to acoustically correct the trajectography mismatches of a passing-by surface ship. Finally, the last part of this thesis concerns a pass-by experiment of a towed-ship model in a lake. These measurements allowed us to validate the proposed noise mapping methods and their proposed improvements, in a real and controlled environment.

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Das Radar mit synthetischer Apertur (Synthetic Aperture Radar - SAR) liefert eine quasi-fotographische Abbildung der beleuchteten Bodenoberfläche mit zusätzlichen Informationen, die von der gesendeten und empfangenen Polarisation der Wellen abhängig sind. Eine nützliche Anwendung der polarimetrischen SAR-Daten liegt bei der Klassifizierung der Bodenstruktur anhand der polarimetrischen Streuungseigenschaften. In diesem Zusammenhang beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Entwicklung und Untersuchung neuer polarimetrischen Fokussierungsfunktion für die SAR-Datenverarbeitung mit Hilfe der polarimetrischen Rückstreuungseigenschaft, die zu einer alternativen quantitativen Auswertung der polarimerischen SAR-Daten führen kann. Die physikalische Optik Approximation wird für die numerische Berechnung der rückgestreuten elektrischen Felder der kanonischen Ziele unter SAR-Geometrie unter Berücksichtigung der Polarisationslage verwendet. Aus den rückgestreuten elektrischen Felder werden die polarimetrischen Radarrückstreuquerschnitte berechnet. Ein SAR-Simulator wird zur Datenverarbeitung der E-SAR des DLR entwickelt. Der Ansatz des polarimetrischen Radarrückstreuquerschnittes ermöglicht die approximierte numerische Berechnung der Rückstreuungseigenschaften der kanonischen Ziele sowohl im kopolaren als auch im kreuzpolaren Polarisationsbetrieb. Bei der SAR-Datenverarbeitung werden die Rohdatensätze durch die Referenzfunktion eines Punktzieles in der Entfernungsrichtung verarbeitet. Bei der Azimutkompression werden die vier Referenzfunktionen, das heißt die Referenzfunktion eines Punktzieles, die polarimetrische Fokussierungsfunktion einer flachen Platte, die polarimetrische Fokussierungsfunktion eines Zweifach-Reflektors und die polarimetrische Fokussierungsfunktion eines Dreifach-Reflektors, eingesetzt. Die qunatitativen Auswertung der SAR-Daten werden anhand des Pauli-Zerlegungstheorems, der differentiellen Reflektivität und des linearen Depolarisationsverhältnises durchgeführt.