Analisi di algoritmi per reti di sensori radar uwb basati su misure sperimentali

In un sistema radar è fondamentale rilevare, riconoscere e cercare di seguire il percorso di un eventuale intruso presente in un’area di osservazione al fine ultimo della sicurezza, sia che si consideri l’ambito militare, che anche quello civile. A questo proposito sono stati fatti passi avanti notevoli nella creazione e sviluppo di sistemi di localizzazione passiva che possano rilevare un target (il quale ha come unica proprietà quella di riflettere un segnale inviato dal trasmettitore), in modo che esso sia nettamente distinto rispetto al caso di assenza dell’intruso stesso dall’area di sorveglianza. In particolare l’ultilizzo di Radar Multistatico (ossia un trasmettitore e più ricevitori) permette una maggior precisione nel controllo dell’area d’osservazione. Tra le migliori tecnologie a supporto di questa analisi vi è l’UWB (Ultra Wide-Band), che permette di sfruttare una banda molto grande con il riscontro di una precisione che può arrivare anche al centimetro per scenari in-door. L’UWB utilizza segnali ad impulso molto brevi, a banda larga e che quindi permettono una risoluzione elevata, tanto da consentire, in alcune applicazioni, di superare i muri, rimuovendo facilmente gli elementi presenti nell’ambiente, ossia il clutter. Quindi è fondamentale conoscere algoritmi che permettano la detection ed il tracking del percorso compiuto dal target nell’area. In particolare in questa tesi vengono elaborati nuovi algoritmi di Clustering del segnale ricevuto dalla riflessione sull’intruso, utilizzati al fine di migliorare la visualizzazione dello stesso in post-processing. Infine questi algoritmi sono stati anche implementati su misure sperimentali attuate tramite nodi PulsOn 410 Time Domain, al fine ultimo della rilevazione della presenza di un target nell’area di osservazione dei nodi.

Rappresentazione della caratteristiche spaziali di eventi temporaleschi di elevata intensità attraverso l'uso combinato di misure da pluviometro e da radar

Il presente lavoro di Tesi si inserisce nell’ambito della previsione e caratterizzazione spaziale di fenomeni convettivi, tipicamente intensi e a carattere locale, come i sistemi temporaleschi organizzati che spesso sono i protagonisti di eventi calamitosi importanti. Lo studio è stato condotto in modo tale da poter apportare un contributo ai sistemi previsionali, i quali attualmente non consentono una valutazione accurata ed una caratterizzazione spaziale attendibile di detti fenomeni temporaleschi (Elisabetta Trovatore, Ecoscienza, numero 4, 2012). Lo scopo è stato quello di verificare l’esistenza caratteristiche spaziali comuni a questa tipologia di eventi di precipitazione mediante un confronto tra la curva di riduzione della precipitazione media all’area, ottenuta dalle mappe di precipitazione cumulata oraria desunte da radar meteorologici e da mappe corrispondenti ricavate a partire dai dati pluviometrici osservati al suolo servendosi di tre modelli di interpolazione spaziale: Kriging ordinario (con variogramma desunto da dati ai pluviometri e da dati al radar), Inverso delle Distanze Pesate (Inverse Distance Weighted, IDW) e Poligoni di Voronoi.Le conclusioni del lavoro di Tesi hanno evidenziato che: - la curva di riduzione della precipitazione valutata da dati radar viene in generale meglio approssimata da due metodi: il Kriging ordinario, che utilizza come modello di variogramma teorico quello dedotto da misure ai pluviometri, e le distanze inverse pesate (IDW, Inverse Distance Weighted); - paragonando le curve di riduzione della precipitazione media all’area dedotte da radar si è potuta notare l’esistenza di quattro curve, di cui tre relative ad eventi che hanno registrato valori elevati di intensità di precipitazione (superiori ai 140 mm/h), che presentano un comportamento analogo, mentre nella porzione superiore del grafico sono presenti due curve che non seguono tale andamento e che sono relative ad eventi convettivi meno intensi; - non esiste una distanza alla quale tutti i variogrammi, desunti da dati radar, raggiungono la stazionarietà ma si è visto come questa, per i sei casi di studio, vari tra 10000 e 25000 metri.

Simulation of bistatic radar experiments with deep space missions

L’obiettivo del lavoro esposto nella seguente relazione di tesi ha riguardato lo studio e la simulazione di esperimenti di radar bistatico per missioni di esplorazione planeteria. In particolare, il lavoro si è concentrato sull’uso ed il miglioramento di un simulatore software già realizzato da un consorzio di aziende ed enti di ricerca nell’ambito di uno studio dell’Agenzia Spaziale Europea (European Space Agency – ESA) finanziato nel 2008, e svolto fra il 2009 e 2010. L’azienda spagnola GMV ha coordinato lo studio, al quale presero parte anche gruppi di ricerca dell’Università di Roma “Sapienza” e dell’Università di Bologna. Il lavoro svolto si è incentrato sulla determinazione della causa di alcune inconsistenze negli output relativi alla parte del simulatore, progettato in ambiente MATLAB, finalizzato alla stima delle caratteristiche della superficie di Titano, in particolare la costante dielettrica e la rugosità media della superficie, mediante un esperimento con radar bistatico in modalità downlink eseguito dalla sonda Cassini-Huygens in orbita intorno al Titano stesso. Esperimenti con radar bistatico per lo studio di corpi celesti sono presenti nella storia dell’esplorazione spaziale fin dagli anni ’60, anche se ogni volta le apparecchiature utilizzate e le fasi di missione, durante le quali questi esperimenti erano effettuati, non sono state mai appositamente progettate per lo scopo. Da qui la necessità di progettare un simulatore per studiare varie possibili modalità di esperimenti con radar bistatico in diversi tipi di missione. In una prima fase di approccio al simulatore, il lavoro si è incentrato sullo studio della documentazione in allegato al codice così da avere un’idea generale della sua struttura e funzionamento. È seguita poi una fase di studio dettagliato, determinando lo scopo di ogni linea di codice utilizzata, nonché la verifica in letteratura delle formule e dei modelli utilizzati per la determinazione di diversi parametri. In una seconda fase il lavoro ha previsto l’intervento diretto sul codice con una serie di indagini volte a determinarne la coerenza e l’attendibilità dei risultati. Ogni indagine ha previsto una diminuzione delle ipotesi semplificative imposte al modello utilizzato in modo tale da identificare con maggiore sicurezza la parte del codice responsabile dell’inesattezza degli output del simulatore. I risultati ottenuti hanno permesso la correzione di alcune parti del codice e la determinazione della principale fonte di errore sugli output, circoscrivendo l’oggetto di studio per future indagini mirate.

Analisi dei fenomeni franosi lenti nell'abitato di Gaggio Montano mediante interferometria radar

I movimenti lenti delle colate in terra sono una caratteristica geomorfologica comune nell’Appennino settentrionale e sono uno dei principali agenti di modellazione del paesaggio. Spesso case e piccoli centri abitati sorgono in zone affette da questo tipo di movimento franoso e di conseguenza subiscono danni causati da piccoli spostamenti. In questo lavoro di Tesi vengono presentati i risultati ottenuti dall’interferometria radar ad apertura sintetica (InSAR) mediante elaborazione tramite StaMPS (Stanford Method of Persistent Scatterers), utilizzando la tecnica avanzata Small Baseline Subset (Berardino et al., 2002). Questo metodo informatico è applicato alle acquisizioni rilevate dai satelliti Envisat e COSMO-SkyMed in orbita ascendente e discendente, ottenendo una copertura di dati che va dal 2004 al 2015, oltre ad un rilevamento geologico-geomorfologico in dettaglio eseguito nell’area di studio. Questa tecnica di telerilevamento è estremamente efficace per il monitoraggio dei fenomeni di deformazione millimetrica che persistono sulla superficie terrestre, basata sull'impiego di serie temporali d’immagini radar satellitari (Ferretti et al., 2000). Lo studio è stato realizzato nel paese di Gaggio Montano nell’Appennino bolognese. In questa zona sono stati identificati diversi corpi di frana che si muovono con deformazioni costanti durante il tempo di investigazione e grazie ai risultati ottenuti dai satelliti è possibile confrontare tale risultato. Gli spostamenti misurati con il metodo InSAR sono dello stesso ordine di grandezza dei movimenti registrati dai sondaggi inclinometrici. Le probabili cause dell’instabilità di versante a Gaggio Montano sono di natura antropica, in quanto alti tassi di deformazione sono presenti nelle zone dove sorgono case di recente costruzione e complessi industriali. Un’altra plausibile spiegazione potrebbe essere data dalla ricarica costante d’acqua, proveniente dagli strati dei Flysch verso l’interno del complesso caotico sottostante, tale dinamica causa un aumento della pressione dell’acqua nelle argille e di conseguenza genera condizioni d’instabilità sul versante. Inoltre, i depositi franosi rilevati nell’area di studio non mostrano nessun tipo di variazione dovuta ad influenze idrologiche. Per questo motivo le serie temporali analizzare tendo ad essere abbastanza lineari e costanti nel tempo, non essendo influenzate da cicli stagionali.

UWB radar sensor networks: Detection algorithms design and experimental analysis

In the last years radar sensor networks for localization and tracking in indoor environment have generated more and more interest, especially for anti-intrusion security systems. These networks often use Ultra Wide Band (UWB) technology, which consists in sending very short (few nanoseconds) impulse signals. This approach guarantees high resolution and accuracy and also other advantages such as low price, low power consumption and narrow-band interference (jamming) robustness. In this thesis the overall data processing (done in MATLAB environment) is discussed, starting from experimental measures from sensor devices, ending with the 2D visualization of targets movements over time and focusing mainly on detection and localization algorithms. Moreover, two different scenarios and both single and multiple target tracking are analyzed.

Detecting Improvised Explosive Devices Via Forward Looking Ground Penetrating Radar

Forward-looking ground penetrating radar shows promise for detection of improvised explosive devices in active war zones. Because of certain insurmountable physical limitations, post-processing algorithm development is the most popular research topic in this field. One such investigative avenue explores the worthiness of frequency analysis during data post-processing. Using the finite difference time domain numerical method, simulations are run to test both mine and clutter frequency response. Mines are found to respond strongest at low frequencies and cause periodic changes in ground penetrating radar frequency results. These results are called into question, however, when clutter, a phenomenon generally known to be random, is also found to cause periodic frequency effects. Possible causes, including simulation inaccuracy, are considered. Although the clutter models used are found to be inadequately random, specular reflections of differing periodicity are found to return from both the mine and the ground. The presence of these specular reflections offers a potential alternative method of determining a mine’s presence.

Using micropower impulse radar technology to screen for pneumothorax: an international bi-institutional study

Pneumothoraces (PTXs) are a common entity in thoracic trauma. Micropower impulse radar (MIR) has been able to detect PTXs in surgical patients. However, this technology has not been tested previously on trauma patients. The purpose of this study was to determine the sensitivity and specificity of MIR to detect clinically significant PTXs. We hypothesized that MIR technology can effectively screen trauma patients for clinically significant PTXs.

Can handheld micropower impulse radar technology be used to detect pneumothorax? Initial experience in a European trauma centre

BACKGROUND: Pneumothoraces are a common injury pattern in emergency medicine. Rapid and safe identification can reduce morbidity and mortality. A new handheld, battery powered device, the Pneumoscan (CE 561036, PneumoSonics Inc., Cleveland, OH, USA), using micropower impulse radar (MIR) technology, has recently been introduced in Europe for the rapid and reliable detection of PTX. However, this technology has not yet been tested in trauma patients. This is the first quality control evaluation to report on emergency room performance of a new device used in the trauma setting. MATERIAL AND METHODS: This study was performed at a Level I trauma centre in Switzerland. All patients with thoracic trauma and undergoing chest X-ray and CT-scan were eligible for the study. Readings were performed before the chest X-ray and CT scan. The patients had eight lung fields tested (four on each side). All readings with the Pneumoscan were performed by two junior residents in our department who had previously received an instructional tutorial of 15min. The qualitative MIR results were blinded, and stored on the device. We then compared the results of the MIR to those of the clinical examination, chest X-ray and CT-scan. RESULTS: 50 patients were included, with a mean age of 46 (SD 17) years. Seven patients presented with PTX diagnosed by CT; six of these were detected by Pneumoscan, leading to an overall sensitivity of 85.7 (95% confidence interval 42.1-99.6)%. Only two of seven PTX were found during clinical examination and on chest X-ray (sensitivity 28.6 (95% CI 3.7-71.0)%). Of the remaining 43 of 50 patients without PTX, one false-positive PTX was found by the Pneumoscan, resulting in a specificity of 97.7 (95% CI 87.7-99.9)%. DISCUSSION: The Pneumoscan is an easy to use handheld technology with reliable results. In this series, the sensitivity to detect a PTX by the Pneumoscan was higher than by clinical examination and chest X-ray. Further studies with higher case numbers and a prospective study design are needed to confirm our findings.

Geophysical Investigation of Subsurface Three-Dimensional Architecture of Icy Debris Fans With Ground Penetrating Radar in the Wrangell Mountains, Alaska

Icy debris fans have are newly-described landforms (Kochel and Trop, 2008 and 2012) as landforms developed immediately after deglaciation on Earth and similar features have been observed on Mars. Subsurface characteristics of Icy debris fans have not been previously investigated. Ground penetrating radar (GPR) was used to non-invasively investigate the subsurface characteristics of icy debris fans near McCarthy, Alaska, USA. The three fans investigated in Alaska are the East, West, and Middle fans (Kochel and Trop, 2008 and 2012) which below the Nabesna ice cap and on top of the McCarthy Creek Glacier. Icy debris fans in general are a largely unexplored suite of paraglacial landforms and processes in alpine regions. Recent field studies focused on direct observations and depositional processes. Their results showed that the fan's composition is primarily influenced by the type and frequency of depositional processes that supply the fan. Photographic studies show that the East Fan receives far more ice and snow avalanches whereas the Middle and West Fans receive fewer mass wasting events but more clastic debris is deposited on the Middle and West fan from rock falls and icy debris flows. GPR profiles and Wide-angle reflection and refraction (WARR) surveys consisting of both, common mid-point (CMP), and common shot-point (CSP) surveys investigated the subsurface geometry of the fans and the McCarthy Creek Glacier. All GPR surveys were collected in July of 2013 with 100MHz bi-static antennas. Four axial profiles and three cross-fan profiles were done on the West and Middle fans as well as the McCarthy Creek Glacier in order to investigate the relationship between the three features. GPR profiles yielded reflectors that were continuous for 10+ m and hyperbolic reflections in the subsurface. The depth to these reflections in the subsurface requires knowledge of the velocity of the subsurface. To find the velocity of the subsurface eight WARR surveys collected on the fans and on the McCarthy Creek glacier to provide information on variability of subsurface velocities. The profiles of the Middle and West fan have more reflections in their profiles compared to profiles done on the McCarthy Creek Glacier. Based on the WARR surveys, we interpret the lower energy return in the glacier to be caused by two reasons. 1) The increased attenuation due to wet ice versus drier ice and on the fan with GPR velocities >0.15m/ns. 2) Lack of interfaces in the glacier compared to those in the fans which are inferred to be produced by the alternating layers of stratified ice and lithic-rich layers. The GPR profiles on the West and Middle Fans show the shallow subsurface being dominated by lenticular reflections interpreted to be consistent with the shape of surficial deposits. The West Fan is distinguished from the Middle Fan by the nature of its reflections patterns and thicknesses of reflection packages that clearly shows the Middle fan with a greater thickness. The changes in subsurface reflections between the Middle and West Fans as well as the McCarthy Creek Glacier are thought to reflect the type and frequency of depositional processes and surrounding bedrock and talus slopes.

Detection of complex point targets with distributed assets in a MIMO radar system

The report explores the problem of detecting complex point target models in a MIMO radar system. A complex point target is a mathematical and statistical model for a radar target that is not resolved in space, but exhibits varying complex reflectivity across the different bistatic view angles. The complex reflectivity can be modeled as a complex stochastic process whose index set is the set of all the bistatic view angles, and the parameters of the stochastic process follow from an analysis of a target model comprising a number of ideal point scatterers randomly located within some radius of the targets center of mass. The proposed complex point targets may be applicable to statistical inference in multistatic or MIMO radar system. Six different target models are summarized here – three 2-dimensional (Gaussian, Uniform Square, and Uniform Circle) and three 3-dimensional (Gaussian, Uniform Cube, and Uniform Sphere). They are assumed to have different distributions on the location of the point scatterers within the target. We develop data models for the received signals from such targets in the MIMO radar system with distributed assets and partially correlated signals, and consider the resulting detection problem which reduces to the familiar Gauss-Gauss detection problem. We illustrate that the target parameter and transmit signal have an influence on the detector performance through target extent and the SNR respectively. A series of the receiver operator characteristic (ROC) curves are generated to notice the impact on the detector for varying SNR. Kullback–Leibler (KL) divergence is applied to obtain the approximate mean difference between density functions the scatterers assume inside the target models to show the change in the performance of the detector with target extent of the point scatterers.

Estimation of scots pine defoliation by the common pine sawfly (Diprion pini L.) using multi-temporal radar data

In 1998-2001 Finland suffered the most severe insect outbreak ever recorded, over 500,000 hectares. The outbreak was caused by the common pine sawfly (Diprion pini L.). The outbreak has continued in the study area, Palokangas, ever since. To find a good method to monitor this type of outbreaks, the purpose of this study was to examine the efficacy of multi-temporal ERS-2 and ENVISAT SAR imagery for estimating Scots pine (Pinus sylvestris L.) defoliation. Three methods were tested: unsupervised k-means clustering, supervised linear discriminant analysis (LDA) and logistic regression. In addition, I assessed if harvested areas could be differentiated from the defoliated forest using the same methods. Two different speckle filters were used to determine the effect of filtering on the SAR imagery and subsequent results. The logistic regression performed best, producing a classification accuracy of 81.6% (kappa 0.62) with two classes (no defoliation, >20% defoliation). LDA accuracy was with two classes at best 77.7% (kappa 0.54) and k-means 72.8 (0.46). In general, the largest speckle filter, 5 x 5 image window, performed best. When additional classes were added the accuracy was usually degraded on a step-by-step basis. The results were good, but because of the restrictions in the study they should be confirmed with independent data, before full conclusions can be made that results are reliable. The restrictions include the small size field data and, thus, the problems with accuracy assessment (no separate testing data) as well as the lack of meteorological data from the imaging dates.