Diese (Doktor)arbeit beschäftigt sich mit Radar-Polarimetrie, insbesondere mit der Untersuchung der Eigenschaften von polarimetrischen Variablen, die potenziellen Nutzen für die Radar-Meteorologie haben. Für den Einsatz in Dual-Polarisations-Radargeräten wird der Polarisationsgrad analysiert. Diese Variable wird in künftigen operationellen Radargeräten verfügbar sein. Der Polarisationsgrad hängt vom transmittierten Polarisationszustand und in weiterer Folge auch vom Betriebsmodus des Radargeräts ab. Der Hauptbetriebsmodus von operationellen Radargeräten sendet und empfängt gleichzeitig sowohl die horizontale als auch die vertikale Komponente. Der sekundäre Betriebsmodus sendet und empfängt simultan die horizontal polarisierte Komponente. In dieser Arbeit werden beide Polarisationsgrade untersucht. Da operationelle Systeme derzeit auf den Dual-Polarisationsmodus aufgerüstet werden, sollte künftig die Anwendungsmöglichkeiten von vollpolarimetrischen Wetterradarsystemen untersucht werden. Aus allen Variablen, die in diesem Betriebsmodus zur Verfügung stehen, wurde die Entropie (des gemessen Objektes) ausgewählt und wegen seiner engen Beziehung zum Polarisationsgrad näher untersucht. / The present doctoral thesis deals with radar polarimetry, namely with the investigation of properties of polarimetric variables potentially useful in radar meteorology. For use with dual-polarization radars, the degree of polarization is analyzed. This variable is available to planned operational radars. The degree of polarization is dependent on transmit polarization state and, consequently, it is dependent on the radar system operating mode. The primary operating mode of operational radars consists in simultaneous transmission and simultaneous receive of both horizontal and vertical components. The secondary operating mode consists of horizontal transmission and simultaneous receive. Both degrees of polarization are investigated in this thesis. Also, as operational systems are being updated to dual-polarization, research should start investigating the capabilities of fully polarimetric weather radar systems. Among the numerous variables available from this operating mode, the target entropy was chosen for investigation, also because of its close relation to the degree of polarization

The ITG section 7.5 "Wellenausbreitung" within the VDE (German Association for Electrical, Electronic & Information Technologies) organised a conference on Wave Propagation in Communication, Microwave Systems and Navigation which was held during 25th - 27th of November 2009 in Chemnitz, Germany. The conference philosophy is to emphasize the commonalty between propagation aspects of microwave remote sensing sensors and microwave systems at large. The following topics of Remote Sensing, Communication and Navigation are eligible for presentation: Microwave Propagation in Communication and Microwave Sensors - Satellite Communications - Multi-Path Propagation - Indoor Propagation - Digital Broadcast Planning - MIMO Systems and Reuse - Ionospheric Propagation - Urban Communication - Microwave Measurements in Propagation Applications of Microwave Sensors - Radar Polarimetry - Bistatic and Multistatic Radar - Polarimetric and Multistatic Interferometry - Multi-Parameter Weather Radar Systems - Automotive and Airborne Radars - System Calibration - Biological Effects of EM-Radiation - Wave Modulation Remote Sensing Radars Antenna Design and Measurements / Im Rahmen der Aktivitäten des ITG-Fachausschusses 7.5 "Wellenausbreitung" im VDE wurde eine Fachtagung auf dem Gebiet Wellenausbreitung bei Funk-, Mikrowellensystemen und Navigation vom 25. - 27. November 2009 in Chemnitz abgehalten. Die Tagungsphilosophie betont den gemeinsamen Nenner der Wellenausbreitung in diversen Bereichen wie Mikrowellensensorik und Mikrowellensystemen. Dem Leitthema zugeordnet, werden die folgenden Themen aus Fernerkundung, Kommunikation und Navigation besonders berücksichtigt. Mikrowellenausbreitung in der Kommunikation und Mikrowellensensorik - Satellitenkommunikation - Mehrwegeausbreitung - Innen-Gebäude-Übertragung - Frequenzplanung für den digitalen Rundfunk - MIMO Systeme - Wellenausbreitung in der Ionosphäre - urbane Kommunikation - Mikrowellenmessungen der Wellenausbreitung Nutzung und Anwendung in der Mikrowellensensorik - Radar-Polarimetrie - Bistatische und Multistatische Radarverfahren - Polarimetrische und Multistatische Interferometrie - Multiparameter-Wetterradar-Verfahren - Automobil- und Flugzeugradar - Systemkalibrierung - Biologische Effekte der EM-Strahlung - Antennenentwicklung und -messungen für wellenmodulierte Fernerkundungsradare

Disertační práce pojednává o polarizačních nedokonalostech optických komponentů, které jsou využívány ke kontrole a k transformaci polarizačního stavu světla. Získané teoretické výsledky jsou pak využity ve vybraných aplikacích, jež ke své činnosti využívají právě polarizace světla. Konkrétně se jedná o zařízení měřící vibrace oscilujících objektů, dále o interferenční měření dvojlomu v transparentních materiálech a konečně, o vybraná témata z optické kvantové komunikace.

Im Rahmen der Aktivitäten des ITG Fachausschusses 7.5 „Wellenausbreitung“ im VDE wird eine Fachtagung auf dem Gebiet Wellenausbreitung bei Funk-, Mikrowellensystemen und Navigation vom 4. – 5. Juli 2007 in Chemnitz abgehalten. Die Tagungsphilosophie betont den gemeinsamen Nenner der Wellenausbreitung in diversen Bereichen wie Mikrowellensensorik und Mikrowellensystemen. Bei der Fachtagung sind zusätzlich zu den Beiträgen der Fachausschussmitglieder, die zur Information über die Fachausschussaktivitäten dienen, auch Übersichtsvorträge und Diskussions-Sitzungen vorgesehen. Dem Leitthema zugeordnet, werden die folgenden Themen aus Fernerkundung, Kommunikation und Navigation besonders berücksichtigt: Mikrowellenausbreitung in der Kommunikation und Mikrowellensensorik - Gleichwellennetz - Digitale Übertragung - Mehrwegeausbreitung - Mehrfachnutzung - Innen-Gebäude-Übertragung - Mittelwellenausbreitung - Mobilfunk Nutzung und Anwendung in der Mikrowellensensorik - Radar-Polarimetrie - Bistatische und Multistatische Radarverfahren - Polarimetrische und Multistatische Interferometrie - Multiparameter-Wetterradar-Verfahren - Automobil- und Flugzeugradar - Kalibrierung - Biologische Effekte der EM-Strahlung / The ITG section 7.5 „Wellenausbreitung“ within the VDE (German Association for Electrical, Electronic & Information Technologies) is organising a conference on Wave Propagation in Communication, Microwave Systems and Navigation to be held during 4th and 5th of July 2007 in Chemnitz, Germany. The conference philosophy is to emphasize the commonalty between propagation aspects of microwave remote sensing sensors and microwave systems at large. In addition to the contributions from the members of ITG section 7.5, planned are review presentations and discussion sessions. The following topics of Remote Sensing, Communication and Navigation are eligible for presentation: Microwave Propagation in Communication and Microwave Sensors - Band Shared Broadcasting - Multi-Path Propagation - Digital Broadcasting - MIMO Systems and Reuse - Indoor Propagation - Medium Wave Propagation - Mobile Communication Applications of Microwave Sensors - Radar Polarimetry - Bistatic and Multistatic Radar - Polarimetric and Multistatic Interferometry - Multi-Parameter Weather Radar Systems - Automotive and Airborne Radars - System Calibration - Biological Effects of EM-Radiation

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.

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Les radars à synthèse d'ouverture (Synthetic Aperture Radar ou SAR) permettent de fournir des images à très haute résolution de la surface de la Terre. Les algorithmes de classification traditionnels se basent sur une hypothèse de bruit gaussien comme modèle de signal, qui est rapidement mise en défaut lorsque l'environnement devient inhomogène ou impulsionnel, comme c'est particulièrement le cas dans les images SAR polarimétriques haute résolution, notamment au niveau des zones urbaines. L'utilisation d'un modèle de bruit composé, appelé modèle SIRV, permet de mieux prendre en compte ces phénomènes et de représenter la réalité de manière plus adéquate. Cette thèse s'emploie alors à étudier l'application et l'impact de ce modèle pour la classification des images SAR polarimétriques afin d'améliorer l'interprétation des classifications au sens de la polarimétrie et à proposer des outils adaptés à ce nouveau modèle. En effet, il apparaît rapidement que les techniques classiques utilisent en réalité beaucoup plus l'information relative à la puissance de chaque pixel plutôt qu'à la polarimétrie pour la classification. Par ailleurs, les techniques de classification traditionnelles font régulièrement appel à la moyenne de matrices de covariance, calculée comme une moyenne arithmétique. Cependant, étant donnée la nature riemannienne de l'espace des matrices de covariance, cette définition n'est pas applicable et il est nécessaire d'employer une définition plus adaptée à cette structure riemannienne. Nous mettons en évidence l'intérêt d'utiliser un modèle de bruit non gaussien sur des données réelles et nous proposons plusieurs approches pour tirer parti de l'information polarimétrique qu'il apporte. L'apport de la géométrie de l'information pour le calcul de la moyenne est de même étudié, sur des données simulées mais également sur des données réelles acquises par l'ONERA. Enfin, une étude préliminaire d'une extension de ces travaux au cas de l'imagerie hyperspectrale est proposée, de par la proximité de ce type de données avec les données SAR polarimétriques.

In this thesis, an analysis of the various parameters derivable from polarimetric SAR measurements is reported. The theory related to polarimetry and the state of the art of its application to remote sensing of the Earth by means of SAR systems are thoroughly discussed. The experimental part of this work pursues the task of analyzing all the relevant polarimetric parameters. In the first part of the thesis, a systematic study of the different ways of examining polarimetric data has been performed. The main aim was to evaluate possible differences among the various polarimetric observables and the amount and usefulness of the information they contain. In this context, these observables have been compared by means of the accuracy estimates resulting from classification tests of real polarimetric SAR data. In the analysis proposed here, such accuracy estimates act as an objective measure of the “utility” of the observables. In the second part, some of the aforementioned polarimetric observables have been used for interferometric applications. The main objective was to determine if a characterization of volume scattering, one of the terms affecting the interferometric coherence, is possible. Once again a comparison of the selected parameters has been done in terms of their capability to reduce the effects of volume scattering in interferometric coherence images. Since this work is intended as a general survey of polarimetric observables, completeness has been an important goal, which the author hopes to have achieved. The twofold view of the investigations reported here, oriented both to classification and interferometry, contributes to a comprehensive understanding of the parameters under study. Keywords: Radar imaging, synthetic aperture radar (SAR), SAR polarimetry, SAR interferometry, polarimetric SAR interferometry, image classification. / In dieser Arbeit wird über die Analyse von unterschiedlichen Parametern, ermittelt vom polarimetrischen SAR, berichtet. Die Theorie der Polarimetrie und der Stand der Technik in der Radarfernerkundung der Erdoberfläche, die auf SAR-Systemen beruhe, ist gründlich dargestellt. Der experimentelle Anteil dieser Arbeit beinhaltet die Analyse von allen relevanten polarimetrischen Parametern. Der erste Teil ist eine systematische Untersuchung von polarimetrischen Daten, wobei unterschiedliche Wege analysiert werden. Die Hauptaufgabe besteht darin, sowohl die möglichen Unterschiede zwischen den verschiedenen Eingangsparametern als auch die Anzahl von Parametern und deren Nutzen zur Informationsgewinnung zu untersuchen. Demzufolge wurden die Eingangsparameter hinsichtlich ihrer Klassifikationsgenauigkeit auf vorhandene SAR Daten verglichen. In der vorgeschlagenen Untersuchung stellen die Genauigkeitsanalysen ein objektives Kriterium für den sogenannten “Nutzen” der Eingangsparameter dar. Im zweiten Teil wurden die zuvor genannten polarimetrischen Eingangsparameter für die interferometrische Anwendung eingesetzt. Im Vordergrund stand die Bestimmung der Volumenstreuung und deren Einfluss auf eines der Elemente der interferometrischen Kohärenz. Auch hier fand ein Vergleich der ausgesuchten Parameter in Bezug auf ihre Fähigkeit, den Effekt der Volumenstreuung in der interferonmetrischen Kohärenz zu reduzieren, statt. Diese Arbeit möchte eine allgemeine Erfassung von polarimetrischen Eingangsparametern geben, wobei ein wichtiger Punkt, vom Autor hoffentlich erreicht, die Vollständigkeit ist. Die doppelte Sicht der vorgestellten Untersuchungen, angelehnt an die Polarimetrie und Interferometrie, trägt zu einem umfassenden Verständnis der Parameter in dieser Arbeit bei. Stichworte: Abbildendes Radar, Synthetisches Apertur Radar (SAR), SAR-Polarimetrie, SAR-Interferometrie, Polarimetrische SAR-Interferometrie, Klassifikation.

Diese (Doktor)arbeit beschäftigt sich mit Radar-Polarimetrie, insbesondere mit der Untersuchung der Eigenschaften von polarimetrischen Variablen, die potenziellen Nutzen für die Radar-Meteorologie haben. Für den Einsatz in Dual-Polarisations-Radargeräten wird der Polarisationsgrad analysiert. Diese Variable wird in künftigen operationellen Radargeräten verfügbar sein. Der Polarisationsgrad hängt vom transmittierten Polarisationszustand und in weiterer Folge auch vom Betriebsmodus des Radargeräts ab. Der Hauptbetriebsmodus von operationellen Radargeräten sendet und empfängt gleichzeitig sowohl die horizontale als auch die vertikale Komponente. Der sekundäre Betriebsmodus sendet und empfängt simultan die horizontal polarisierte Komponente. In dieser Arbeit werden beide Polarisationsgrade untersucht. Da operationelle Systeme derzeit auf den Dual-Polarisationsmodus aufgerüstet werden, sollte künftig die Anwendungsmöglichkeiten von vollpolarimetrischen Wetterradarsystemen untersucht werden. Aus allen Variablen, die in diesem Betriebsmodus zur Verfügung stehen, wurde die Entropie (des gemessen Objektes) ausgewählt und wegen seiner engen Beziehung zum Polarisationsgrad näher untersucht. / The present doctoral thesis deals with radar polarimetry, namely with the investigation of properties of polarimetric variables potentially useful in radar meteorology. For use with dual-polarization radars, the degree of polarization is analyzed. This variable is available to planned operational radars. The degree of polarization is dependent on transmit polarization state and, consequently, it is dependent on the radar system operating mode. The primary operating mode of operational radars consists in simultaneous transmission and simultaneous receive of both horizontal and vertical components. The secondary operating mode consists of horizontal transmission and simultaneous receive. Both degrees of polarization are investigated in this thesis. Also, as operational systems are being updated to dual-polarization, research should start investigating the capabilities of fully polarimetric weather radar systems. Among the numerous variables available from this operating mode, the target entropy was chosen for investigation, also because of its close relation to the degree of polarization

The ITG section 7.5 "Wellenausbreitung" within the VDE (German Association for Electrical, Electronic & Information Technologies) organised a conference on Wave Propagation in Communication, Microwave Systems and Navigation which was held during 25th - 27th of November 2009 in Chemnitz, Germany. The conference philosophy is to emphasize the commonalty between propagation aspects of microwave remote sensing sensors and microwave systems at large. The following topics of Remote Sensing, Communication and Navigation are eligible for presentation: Microwave Propagation in Communication and Microwave Sensors - Satellite Communications - Multi-Path Propagation - Indoor Propagation - Digital Broadcast Planning - MIMO Systems and Reuse - Ionospheric Propagation - Urban Communication - Microwave Measurements in Propagation Applications of Microwave Sensors - Radar Polarimetry - Bistatic and Multistatic Radar - Polarimetric and Multistatic Interferometry - Multi-Parameter Weather Radar Systems - Automotive and Airborne Radars - System Calibration - Biological Effects of EM-Radiation - Wave Modulation Remote Sensing Radars Antenna Design and Measurements / Im Rahmen der Aktivitäten des ITG-Fachausschusses 7.5 "Wellenausbreitung" im VDE wurde eine Fachtagung auf dem Gebiet Wellenausbreitung bei Funk-, Mikrowellensystemen und Navigation vom 25. - 27. November 2009 in Chemnitz abgehalten. Die Tagungsphilosophie betont den gemeinsamen Nenner der Wellenausbreitung in diversen Bereichen wie Mikrowellensensorik und Mikrowellensystemen. Dem Leitthema zugeordnet, werden die folgenden Themen aus Fernerkundung, Kommunikation und Navigation besonders berücksichtigt. Mikrowellenausbreitung in der Kommunikation und Mikrowellensensorik - Satellitenkommunikation - Mehrwegeausbreitung - Innen-Gebäude-Übertragung - Frequenzplanung für den digitalen Rundfunk - MIMO Systeme - Wellenausbreitung in der Ionosphäre - urbane Kommunikation - Mikrowellenmessungen der Wellenausbreitung Nutzung und Anwendung in der Mikrowellensensorik - Radar-Polarimetrie - Bistatische und Multistatische Radarverfahren - Polarimetrische und Multistatische Interferometrie - Multiparameter-Wetterradar-Verfahren - Automobil- und Flugzeugradar - Systemkalibrierung - Biologische Effekte der EM-Strahlung - Antennenentwicklung und -messungen für wellenmodulierte Fernerkundungsradare