Effect of radar rainfall time resolution on the predictive capability of a distributed hydrologic model

The performance of a hydrologic model depends on the rainfall input data, both spatially and temporally. As the spatial distribution of rainfall exerts a great influence on both runoff volumes and peak flows, the use of a distributed hydrologic model can improve the results in the case of convective rainfall in a basin where the storm area is smaller than the basin area. The aim of this study was to perform a sensitivity analysis of the rainfall time resolution on the results of a distributed hydrologic model in a flash-flood prone basin. Within such a catchment, floods are produced by heavy rainfall events with a large convective component. A second objective of the current paper is the proposal of a methodology that improves the radar rainfall estimation at a higher spatial and temporal resolution. Composite radar data from a network of three C-band radars with 6-min temporal and 2 × 2 km2 spatial resolution were used to feed the RIBS distributed hydrological model. A modification of the Window Probability Matching Method (gauge-adjustment method) was applied to four cases of heavy rainfall to improve the observed rainfall sub-estimation by computing new Z/R relationships for both convective and stratiform reflectivities. An advection correction technique based on the cross-correlation between two consecutive images was introduced to obtain several time resolutions from 1 min to 30 min. The RIBS hydrologic model was calibrated using a probabilistic approach based on a multiobjective methodology for each time resolution. A sensitivity analysis of rainfall time resolution was conducted to find the resolution that best represents the hydrological basin behaviour.

RADAR Roadmap: The application of EPrints for the continued development of RADAR at The Glasgow School of Art

Presentation at Open Repositories 2014, Helsinki, Finland, June 9-13, 2014

Modeling of fractal antennas

In this Master Thesis the characteristics of the chosen fractal microstrip antennas are investigated. For modeling has been used the structure of the square Serpinsky fractal curves. During the elaboration of this Master thesis the following steps were undertaken: 1) calculation and simulation of square microstrip antennа, 2) optimizing for obtaining the required characteristics on the frequency 2.5 GHz, 3) simulation and calculation of the second and third iteration of the Serpinsky fractal curves, 4) radiation patterns and intensity distribution of these antennas. In this Master’s Thesis the search for the optimal position of the port and fractal elements was conducted. These structures can be used in perspective for creation of antennas working at the same time in different frequency range.

Aircraft tracking and classification with vhf passive bistatic radar

Since the times preceding the Second World War the subject of aircraft tracking has been a core interest to both military and non-military aviation. During subsequent years both technology and configuration of the radars allowed the users to deploy it in numerous fields, such as over-the-horizon radar, ballistic missile early warning systems or forward scatter fences. The latter one was arranged in a bistatic configuration. The bistatic radar has continuously re-emerged over the last eighty years for its intriguing capabilities and challenging configuration and formulation. The bistatic radar arrangement is used as the basis of all the analyzes presented in this work. The aircraft tracking method of VHF Doppler-only information, developed in the first part of this study, is solely based on Doppler frequency readings in relation to time instances of their appearance. The corresponding inverse problem is solved by utilising a multistatic radar scenario with two receivers and one transmitter and using their frequency readings as a base for aircraft trajectory estimation. The quality of the resulting trajectory is then compared with ground-truth information based on ADS-B data. The second part of the study deals with the developement of a method for instantaneous Doppler curve extraction from within a VHF time-frequency representation of the transmitted signal, with a three receivers and one transmitter configuration, based on a priori knowledge of the probability density function of the first order derivative of the Doppler shift, and on a system of blocks for identifying, classifying and predicting the Doppler signal. The extraction capabilities of this set-up are tested with a recorded TV signal and simulated synthetic spectrograms. Further analyzes are devoted to more comprehensive testing of the capabilities of the extraction method. Besides testing the method, the classification of aircraft is performed on the extracted Bistatic Radar Cross Section profiles and the correlation between them for different types of aircraft. In order to properly estimate the profiles, the ADS-B aircraft location information is adjusted based on extracted Doppler frequency and then used for Bistatic Radar Cross Section estimation. The classification is based on seven types of aircraft grouped by their size into three classes.

Tecnologías digitales y computacionales en sistemas de radar y radioayudas para control de tránsito aéreo

Tesis (Maestro en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con Especialidad en Electrónica) UANL, 2000.

Tecnologías digitales y computacionales en sistemas de radar y radioayudas para control de tránsito aéreo

Tesis (Maestro en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con Especialidad en Electrónica) UANL, 2000.

Caractérisation des occupations du sol en milieu urbain par imagerie radar

Cette étude vise à tester la pertinence des images RSO - de moyenne et de haute résolution - à la caractérisation des types d’occupation du sol en milieu urbain. Elle s’est basée sur des approches texturales à partir des statistiques de deuxième ordre. Plus spécifiquement, on recherche les paramètres de texture les plus pertinents pour discriminer les objets urbains. Il a été utilisé à cet égard des images Radarsat-1 en mode fin en polarisation HH et Radarsat-2 en mode fin en double et quadruple polarisation et en mode ultrafin en polarisation HH. Les occupations du sol recherchées étaient le bâti dense, le bâti de densité moyenne, le bâti de densité faible, le bâti industriel et institutionnel, la végétation de faible densité, la végétation dense et l’eau. Les neuf paramètres de textures analysés ont été regroupés, en familles selon leur définition mathématique. Les paramètres de ressemblance/dissemblance regroupent l’Homogénéité, le Contraste, la Similarité et la Dissimilarité. Les paramètres de désordre sont l’Entropie et le Deuxième Moment Angulaire. L’Écart-Type et la Corrélation sont des paramètres de dispersion et la Moyenne est une famille à part. Il ressort des expériences que certaines combinaisons de paramètres de texture provenant de familles différentes utilisés dans les classifications donnent de très bons résultants alors que d’autres associations de paramètres de texture de définition mathématiques proches génèrent de moins bons résultats. Par ailleurs on constate que si l’utilisation de plusieurs paramètres de texture améliore les classifications, la performance de celle-ci plafonne à partir de trois paramètres. Malgré la bonne performance de cette approche basée sur la complémentarité des paramètres de texture, des erreurs systématiques dues aux effets cardinaux subsistent sur les classifications. Pour pallier à ce problème, il a été développé un modèle de compensation radiométrique basé sur la section efficace radar (SER). Une simulation radar à partir du modèle numérique de surface du milieu a permis d'extraire les zones de rétrodiffusion des bâtis et d'analyser les rétrodiffusions correspondantes. Une règle de compensation des effets cardinaux fondée uniquement sur les réponses des objets en fonction de leur orientation par rapport au plan d'illumination par le faisceau du radar a été mise au point. Des applications de cet algorithme sur des images RADARSAT-1 et RADARSAT-2 en polarisations HH, HV, VH, et VV ont permis de réaliser de considérables gains et d’éliminer l’essentiel des erreurs de classification dues aux effets cardinaux.

L’utilisation de la polarimétrie radar et de la décomposition de Touzi pour la caractérisation et la classification des physionomies végétales des milieux humides : le cas du Lac Saint-Pierre.

Les milieux humides remplissent plusieurs fonctions écologiques d’importance et contribuent à la biodiversité de la faune et de la flore. Même s’il existe une reconnaissance croissante sur l’importante de protéger ces milieux, il n’en demeure pas moins que leur intégrité est encore menacée par la pression des activités humaines. L’inventaire et le suivi systématique des milieux humides constituent une nécessité et la télédétection est le seul moyen réaliste d’atteindre ce but. L’objectif de cette thèse consiste à contribuer et à améliorer la caractérisation des milieux humides en utilisant des données satellites acquises par des radars polarimétriques en bande L (ALOS-PALSAR) et C (RADARSAT-2). Cette thèse se fonde sur deux hypothèses (chap. 1). La première hypothèse stipule que les classes de physionomies végétales, basées sur la structure des végétaux, sont plus appropriées que les classes d’espèces végétales car mieux adaptées au contenu informationnel des images radar polarimétriques. La seconde hypothèse stipule que les algorithmes de décompositions polarimétriques permettent une extraction optimale de l’information polarimétrique comparativement à une approche multipolarisée basée sur les canaux de polarisation HH, HV et VV (chap. 3). En particulier, l’apport de la décomposition incohérente de Touzi pour l’inventaire et le suivi de milieux humides est examiné en détail. Cette décomposition permet de caractériser le type de diffusion, la phase, l’orientation, la symétrie, le degré de polarisation et la puissance rétrodiffusée d’une cible à l’aide d’une série de paramètres extraits d’une analyse des vecteurs et des valeurs propres de la matrice de cohérence. La région du lac Saint-Pierre a été sélectionnée comme site d’étude étant donné la grande diversité de ses milieux humides qui y couvrent plus de 20 000 ha. L’un des défis posés par cette thèse consiste au fait qu’il n’existe pas de système standard énumérant l’ensemble possible des classes physionomiques ni d’indications précises quant à leurs caractéristiques et dimensions. Une grande attention a donc été portée à la création de ces classes par recoupement de sources de données diverses et plus de 50 espèces végétales ont été regroupées en 9 classes physionomiques (chap. 7, 8 et 9). Plusieurs analyses sont proposées pour valider les hypothèses de cette thèse (chap. 9). Des analyses de sensibilité par diffusiogramme sont utilisées pour étudier les caractéristiques et la dispersion des physionomies végétales dans différents espaces constitués de paramètres polarimétriques ou canaux de polarisation (chap. 10 et 12). Des séries temporelles d’images RADARSAT-2 sont utilisées pour approfondir la compréhension de l’évolution saisonnière des physionomies végétales (chap. 12). L’algorithme de la divergence transformée est utilisé pour quantifier la séparabilité entre les classes physionomiques et pour identifier le ou les paramètres ayant le plus contribué(s) à leur séparabilité (chap. 11 et 13). Des classifications sont aussi proposées et les résultats comparés à une carte existante des milieux humide du lac Saint-Pierre (14). Finalement, une analyse du potentiel des paramètres polarimétrique en bande C et L est proposé pour le suivi de l’hydrologie des tourbières (chap. 15 et 16). Les analyses de sensibilité montrent que les paramètres de la 1re composante, relatifs à la portion dominante (polarisée) du signal, sont suffisants pour une caractérisation générale des physionomies végétales. Les paramètres des 2e et 3e composantes sont cependant nécessaires pour obtenir de meilleures séparabilités entre les classes (chap. 11 et 13) et une meilleure discrimination entre milieux humides et milieux secs (chap. 14). Cette thèse montre qu’il est préférable de considérer individuellement les paramètres des 1re, 2e et 3e composantes plutôt que leur somme pondérée par leurs valeurs propres respectives (chap. 10 et 12). Cette thèse examine également la complémentarité entre les paramètres de structure et ceux relatifs à la puissance rétrodiffusée, souvent ignorée et normalisée par la plupart des décompositions polarimétriques. La dimension temporelle (saisonnière) est essentielle pour la caractérisation et la classification des physionomies végétales (chap. 12, 13 et 14). Des images acquises au printemps (avril et mai) sont nécessaires pour discriminer les milieux secs des milieux humides alors que des images acquises en été (juillet et août) sont nécessaires pour raffiner la classification des physionomies végétales. Un arbre hiérarchique de classification développé dans cette thèse constitue une synthèse des connaissances acquises (chap. 14). À l’aide d’un nombre relativement réduit de paramètres polarimétriques et de règles de décisions simples, il est possible d’identifier, entre autres, trois classes de bas marais et de discriminer avec succès les hauts marais herbacés des autres classes physionomiques sans avoir recours à des sources de données auxiliaires. Les résultats obtenus sont comparables à ceux provenant d’une classification supervisée utilisant deux images Landsat-5 avec une exactitude globale de 77.3% et 79.0% respectivement. Diverses classifications utilisant la machine à vecteurs de support (SVM) permettent de reproduire les résultats obtenus avec l’arbre hiérarchique de classification. L’exploitation d’une plus forte dimensionalitée par le SVM, avec une précision globale maximale de 79.1%, ne permet cependant pas d’obtenir des résultats significativement meilleurs. Finalement, la phase de la décomposition de Touzi apparaît être le seul paramètre (en bande L) sensible aux variations du niveau d’eau sous la surface des tourbières ouvertes (chap. 16). Ce paramètre offre donc un grand potentiel pour le suivi de l’hydrologie des tourbières comparativement à la différence de phase entre les canaux HH et VV. Cette thèse démontre que les paramètres de la décomposition de Touzi permettent une meilleure caractérisation, de meilleures séparabilités et de meilleures classifications des physionomies végétales des milieux humides que les canaux de polarisation HH, HV et VV. Le regroupement des espèces végétales en classes physionomiques est un concept valable. Mais certaines espèces végétales partageant une physionomie similaire, mais occupant un milieu différent (haut vs bas marais), ont cependant présenté des différences significatives quant aux propriétés de leur rétrodiffusion.