To date only very few bistatic measurements (airborne or in controlled laboratories) have been reported. Therefore most of the current remote sensing methods are still focused on monostatic (backscatter) measurements. These methods, based on theoretical, empirical or semi-empirical models, enable the estimation of soil roughness and the soil humidity (dielectric constant). For the bistatic case only theoretical methods have been developed and tested with monostatic data. Hence, there still remains a vital need to gain of experience and knowledge about bistatic methods and data. The main purpose of this thesis is to estimate the soil moisture and the soil roughness by using full polarimetric bistatic measurements. In the experimental part, bistatic X-band measurements, which have been recorded in the Bistatic Measurement Facility (BMF) at the DLR Oberpfaffenhofen, Microwaves and Radar Institute, will be presented. The bistatic measurement sets are composed of soils with different statistical roughness and different moistures controlled by a TDR (Time Domain Reflectivity) system. The BMF has been calibrated using the Isolated Antenna Calibration Technique (IACT). The validation of the calibration was achieved by measuring the reflectivity of fresh water. In the second part, bistatic surface scattering analyses of the calibrated data set were discussed. Then, the specular algorithm was used to estimate the soil moisture of two surface roughnesses (rough and smooth) has been reported. A new technique using the coherent term of the Integral Equation Method (IEM) to estimate the soil roughness was presented. Also, the sensitivity of phase and reflectivity with regard to moisture variation in the specular direction was evaluated. Finally, the first results and validations of bistatic radar polarimetry for the specular case of surface scattering have been introduced. / Aktuell sind nur sehr wenige Messungen mit bistatischem Radar durchgeführt worden, sei es von Flugzeuggetragenen Systemen oder durch spezielle Aufbauten im Labor. Deshalb basieren die meisten der bekannten Methoden zur Fernerkundung mit Radar auf monostatis-chen Messungen der Rückstreuung des Radarsignals. Diese Methoden, die auf theoretischen, empirischen oder halb-empirischen Modellen basieren, ermöglichen die Schätzung der Oberfächenrauhigkeit und die Bodenfeuchtigkeit (Dielektrizitätskonstante). Im bistatischen Fall wurden bisher nur theoretische Modelle entworfen, die mittels monostatischer Messungen getestet wurden. Aus diesem Grund ist es von großer Bedeutung, Erfahrung und Wissen über die physikalischen Effekte in bistatischen Konfigurationen zu sammeln. Das Hauptziel der vorliegenden Dissertation ist es, anhand vollpolarimetrischer, bistatischer Radarmessungen die Oberfächenrauhigkeit und Bodenfeuchtigkeit zu bestimmen. Im experimentellen Teil der Arbeit werden die Ergebnisse bistatischer Messungen präsentiert, die in der Bistatic Measurement Facility (BMF) des DLR Oberpfaffenhofen aufgenommen wurden. Die Datensätze umfassen Messungen von Böden unterschiedlicher statistischer Rauhigkeit und Feuchtigkeit, die mittels eines Time Domain Reflectivity (TDR) Systems bestimmt werden. Zur Kalibration des BMF wurde die Isolated Antenna Calibration Technique (IACT) verwendet und anhand der Messung der Reflektivität von Wasser überprüft. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wird anhand der kalibrierten Daten eine Analyse der Oberflächenstreuung in bistatischen Konfigurationen vorgenommen. Im Anschluss daran wird mittels des Specular Algorithm eine Schätzung der Bodenfeuchte zweier Proben unter- schiedlicher Rauhigkeit (rau und fein) durchgeführt. Ein neues Verfahren zur Schätzung der Oberfächenrauhigkeit, das auf dem kohärenten Term der Integral Equation Method (IEM) basiert, wurde eingeführt. Daneben wird die Empfindlichkeit der Phase sowie der Reflektivität des vorwärtsgestreuten Signals gegenüber Veränderungen der Bodenfeuchtigkeit analysiert. Schließlich werden erste Ergebnisse und Validierungen bistatischer Radarpolarimetrie für den Fall der Vorwärtsstreuung präsentiert.

L’étude traite de la détection de cibles mobiles dans un contexte de radar passif bistatique utilisant les émetteursde télévision numérique TNT (DVB-T) comme émetteurs d’opportunité. Outre leur présence généralisée sur leterritoire, l’intérêt de ces émissions réside dans leur relative largeur de bande permettant une bonne précisiond’estimation. Le principal inconvénient de ce type d’approche réside dans l’éblouissement par le signal en trajetdirect, des échos de très faible intensité des cibles d’intérêt. Après un rappel du principe du radar bistatique etde la norme OFDM utilisée par les signaux TNT, une première étude donne une construction originale du signalde référence dans le cas multi-capteurs : le signal de référence est construit par un traitement d’antenne de typeCAPON où le balayage des paramètres optimaux est remplacé par la connaissance de signaux pilotes inséré dansles symboles OFDM. Ensuite le rapport se focalise sur l’estimation d’un filtre de canal multitrajet à partir dela connaissance de la modulation OFDM utilisée. Ce filtre, d’abord étudié comme réjecteur de fouillis originalavant détection par la fonction d’ambiguïté, donne des résultats semblables aux méthodes classiques de réjectionde fouillis standard. Étendu à toutes les fréquences Doppler, son module au carré est utilisé comme un nouveaudétecteur présentant un très faible niveau de clutter, surpassant ainsi la fonction d’ambiguïté. Une interprétationen terme de traitement d’antennes du nouveau détecteur ouvre la voie à des variantes haute-résolution de celui-ci.La validité du nouveau détecteur est illustrée par des résultats sur données réelles. / The study focuses on moving target detection from passive bistatic radar with DVB-T transmitters used asopportunity transmitters. In addition to their widespread geographical coverage, they allow a good estimationaccuracy due to their quite large bandpass. Nevertheless the continuous powerful direct path masks the verylow intensity echoes of targets of interest. The passive bistatic radar principle and the CP-OFDM standardused by DVB-T are briefly reminded, then, a new first study of reference signal retrieving in multiple sensorsconfiguration is given : the reference signal is built using a Capon receptor where the parameters scan is replacedby the knowledge of pilot signals inserted in the OFDM symbols. Next, the report addresses the multipath channelestimate by using the OFDM signal structure. This channel is firstly studied for clutter rejection before detectionfrom the cross ambiguity function (CAF). We obtain similar results than those of the classical rejection methods.This channel is extended to the whole Doppler shift, and its squared modulus acts as a new low clutter detectorthat outperforms classical CAF. A virtual beamforming interpretation of the channel estimation opens a new pathtowards high resolution array processing. Results given on real data illustrate the validity of this new channeldetector (CHAD).

Achieving acceptable plane wave uniformity throughout an expanded volume is necessary to conduct scattering measurements on a large target in a controlled environment. An expanded volume is large relative to the size of the nearfield array configuration used to produce plane wave uniformity. The optimum set of shading coefficients for a nearfield array may not produce acceptable plane wave uniformity as the volume and frequency domain are expanded for a given array configuration. Choosing the frequency domain as a single frequency for an optimum set of coefficients will produce plane wave uniformity throughout the largest possible volume for a given array configuration. This study determines the acceptability of uniformity results produced by an optimum set of frequency dependent coefficients throughout an expanded volume for two array configurations that comprise a system for measuring bistatic target strength in the nearfield. Minimizing the frequency domain chosen for an optimum set of coefficients will produce plane wave uniformity for the largest possible volume for a given array configuration. This study determines the acceptability of uniformity results produced by an optimum set of frequency dependent coefficients throughout an optimistic volume for two array configurations that comprise a bi-static array.

I takt med att ubåtarna blir allt tystare och svårare att detektera ställs allt högre krav på de sensorer som utvecklas för hålla jämna steg med denna utveckling. Redan under 80-talet kunde man konstatera att ubåtarna hade blivit så tysta att passiv detektering inte räckte till varför intresset istället riktades mot primärt aktiva system. Aktiv sändning medför sina egna nackdelar och tillsammans med de tekniker som utvecklats för att dämpa ekona från en ubåt gör att inte ens en aktiv, monostatisk sonar alltid ger tillfredsställande resultat. Till Försvarsmaktens nya medeltunga helikopter HKP14 har ett nytt sonarsystem införskaffats med möjlighet till fusionerad signalbehandling (s.k. multistatisk sonar) av signaler mottagna från flera olika mottagare såsom t.ex. sonarbojar.   Undersökningen syftar till att belysa vilka fördelar som kan erhållas vid helikopterbaserad, multistatisk ubåtsjakt och visar med ett antal räkneexempel bland annat att en större räckvidd och därmed även ett större detekteringsområde kan förväntas i en multistatisk konfiguration. Beräkningarna är gjorda med utgångspunkt i Uricks sonarekvationer men då faktorer såsom reverberation och kanalutbredning har avgränsats bort är det osäkert hur väl dessa resultat skulle stämma överens med en fältstudie. Utifrån de typfall som har undersökts visar emellertid studien på att de teoretiska fördelarna med ett multistatiskt system är tydliga och att dessa rent logiskt i viss utsträckning även borde gälla i praktiken. / The fact that submarines are becoming more silent and therefore harder to detect has led to an ever-increasing demand for more sensitive and sophisticated sensors to keep up with this development. As early as the 1980s it became obvious that submarines had become so silent that passive detection was not enough and the focus shifted toward active systems instead. Active transmission has its own disadvantages, and new techniques to silence submarines and reduce their acoustic signature even further have led to a situation where not even active, monostatic sonar always produces a satisfactory result. Along with the new medium sized helicopter (NH90), the Swedish Armed Forces have purchased a new sonar system that allows fused signal processing, using signals received by different receivers, such as sonobuoys. The aim of the study is to show what advantages can be gained from helicopter-based multistatic anti-submarine warfare and to show, by a number of arithmetic examples, that greater detection ranges and thus greater detection areas can be expected from a multistatic configuration. The examples are based on Urick’s sonar equations, but since factors such as reverberation and channel propagation of sound have been excluded from the study, it is uncertain how these results would compare to a field study. However, the study clearly shows the theoretical advantages of a multistatic system and that, on the basis of simple logic, these results should be feasible, to some extent, in practice.

No description available.

No description available.

L’étude de la diffusion des ondes électromagnétiques par une surface rugueuse aléatoire est de première importance dans de nombreuses disciplines et conduit à diverses applications notamment pour le traitement des surfaces par télédétection. En connaissant les modes de rétrodiffusion, on peut détecter la présence de la rugosité aléatoire indésirable de la surface de réflection telle que le réflecteur d'antenne et par conséquent trouver un moyen de corriger ou compenser les erreurs de phase. Cette thèse porte sur l’obtention de l'humidité du sol de surface à partir de mesures radar. La description de la surface rugueuse de façon aléatoire est présentée, suivie par les interactions d'ondes électromagnétiques avec les média. En particulier, un modèle d'équation intégrale avancé (AIEM) est introduit. La validité du modèle AIEM, qui est adopté comme modèle de travail, se fait par une large comparaison avec des simulations numériques et des données expérimentales. On analyse également les caractéristiques des configurations radar bistatique et on étudie la sensibilité de la diffusion bistatique à l'humidité du sol et à la rugosité de surface et, dans le même temps, le cadre de la détermination de l'humidité du sol à partir de mesures radar utilisant un réseau de neurones à base de filtres de Kalman récurrents est présenté. La formation du réseau et l'inversion des données sont décrits. / Electromagnetic waves scattering from a randomly rough surface is of palpable importance in many fields of disciplines and bears itself in various applications spanned from surface treatment to remote sensing of terrain and sea. By knowing the backscattering patterns, one may detect the presence of the undesired random roughness of the reflection surface such as antenna reflector and accordingly devise a means to correct or compensate the phase errors. Therefore, it has been both theoretically and practically necessary to study the electromagnetic wave scattering from the random surfaces. This dissertation focuses on the retrieval of surface soil moisture from radar measurements. The description of the randomly rough surface is presented, followed by the electromagnetic wave interactions with the media. In particular, an advanced integral equation model (AIEM) is introduced. The validity of the AIEM model, which is adopted as a working model, is made by extensive comparison with numerical simulations and experimental data. Also analyzes the characteristics of the bistatic radar configurations and dissects the sensitivity of bistatic scattering to soil moisture and surface roughness of soil surfaces. Meanwhile presents a framework of soil moisture retrieval from radar measurements using a recurrent Kalman filter-based neural network. The network training and data inversion are described in detail.

The development of low-frequency SONAR systems, using a network of autonomous systems in unmanned vehicles, provides a practical means for bistatic measurements (i.e. when the source and receiver are widely separated, thus allowing multiple viewpoints of a target). Furthermore, time-frequency analysis, in particular Wigner-Ville analysis, takes advantage of the evolution of the time dependent echo spectrum to differentiate a man-made target (e.g. an elastic spherical shell, or cylinder) from a natural one of the similar shape (e.g. a rock). Indeed, key energetic features of man-made objects can aid in identification and classification in the presence of clutter and noise. For example, in a fluid-loaded thin spherical shell, an energetic feature is the mid-frequency enhancement echoes (MFE) that result from antisymmetric Lamb waves propagating around the circumference of the shell, which have been shown to be an acoustic feature useful in this pursuit. This research investigates the enhancement and benefits of bistatic measurements using the Wigner-Ville analysis along with acoustic imaging methods. Additionally, the advantage of joint space-time-frequency coherent processing is investigated for optimal array processing to enhance the detection of non-stationary signals across an array. The proposed methodology is tested using both numerical simulations and experimental data for spherical shells and solid cylinders. This research was conducted as part of the Shallow Water Autonomous Mine Sensing Initiative (SWAMSI) sponsored by ONR.

Le sujet porte sur l'étude de systèmes SAS (Synthetic Aperture Sonar) multistatiques. Ces systèmes permettent d'obtenir des images de cibles mieux résolues qu'avec un sonar classique à partir d'ondes acoustiques. Le SAS est largement exploité en configuration monostatique mais il existe très peu d'études à ce jour en SAS multistatique. Le travail consiste donc à évaluer les performances en configuration bistatique et multistatique et à les comparer à celles connues en configuration monostatique. Une méthode de calcul utilisée en radar a donc été mise en oeuvre en sonar de façon à expliciter la résolution en configuration bistatique, ce qui est un résultat original de ce travail. L'algorithme classiquement utilisé pour reconstruire des images repose sur l'hypothèse que la cible est une somme de points brillants. Cette hypothèse n'est pas bien adaptée en acoustique sous-marine. Un nouvel algorithme a donc été développé dans le but de se rapprocher des phénomènes de diffraction présents à l'interface entre l'eau et la cible. Le modèle de champ diffracté est obtenu par la combinaison d'équations intégrales de frontière avec l'approximation de Kirchhoff. Une méthode de reconstruction d'images par transformée de Fourier 2D de ce modèle a été implémentée et testée sur des données simulées, puis sur des données obtenues lors d'essais en cuve. Le nouvel algorithme montre une meilleure précision de la reconstruction et la capacité de pouvoir extraire de l'information quantitative de la cible. L'intérêt des configurations multistatiques pour la reconnaissance de cibles a également été démontré dans ces travaux de thèse. / This study deals with multistatic SAS (Synthetic Aperture Sonar) systems. SAS are high resolution imaging systems compared to classical sonar ones. The SAS technique is largly exploited in the monostatic configuration but few studies already exist in multistatic SAS. Thus, the work consists in evaluating resolution and detection performances in bistatic and multistatic configurations. Then, the objective is to compare these performances to monostatic ones. A radar method has been adapted to sonar to compute bistatic performances and this is an original result of this work.The classical algorithm to reconstruct images from acoustical waves lies on the hypothesis that the target is a sum of point scatterers. This hypothesis is not really well adapted to underwater acoustics that is why a new algogorithm has been developped in this study. The new algorithm would be better adapted to scattering diffraction phenomena at the interface between water and target than the classical one. The scattered field model of the target is obtained by combinating boundary integral equations and the Kirchhoff Approximation. An imaging reconstruction method by 2D Fourier Transform of this model has been implemented and tested on numerical and experimental datas. The new algorithm allow a better reconstruction accurency and is able to give quantitative information on targets. The interest of multistatic configurations for target identification has also been demonstrated in this PhD work.

No description available.