Χαρακτηρισμός Κατάστασης Θαλάσσης από Δεδομένα Οπισθοσκέδασης Αερομεταφερόμενου Ραντάρ SAR

Πουραΐμης, Γεώργιος Κ.; Pouraimis, Georgios K.

dc.contributor.author	Πουραΐμης, Γεώργιος Κ.	el
dc.contributor.author	Pouraimis, Georgios K.	en
dc.date.accessioned	2020-12-15T08:17:03Z
dc.date.available	2020-12-15T08:17:03Z
dc.date.issued	2020-12-15
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/52529
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.20227
dc.description.abstract	Η υφιστάμενη διδακτορική διατριβή είναι μία επισκόπηση και κριτική ανάλυση της υφιστάμενης γνώσης που υπάρχει αναφορικά με τον χαρακτηρισμό της κατάστασης θαλάσσης από δεδομένα οπισθοσκέδασης ραντάρ. Συγκεκριμένα, για την διερεύνηση του χαρακτηρισμού της κατάστασης θαλάσσης δημιουργήθηκαν τρισδιάστατες fractal θαλάσσιες επιφάνειες με την χρήση των μαθηματικών μοντέλων ενώ στη συνέχεια εξετάστηκαν η σκέδαση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων από τραχιές fractal επιφάνειες, χρησιμοποιώντας την προσέγγιση του Kirchhoff. Οι επιφάνειες που εξετάστηκαν είναι τραχιές fractal θαλάσσιες επιφάνειες τριών διαστάσεων. Οι τρισδιάστατες επιφάνειες μοντελοποιήθηκαν με μαθηματικές δισδιάστατες συναρτήσεις. Η έρευνα στην συνέχεια επεκτάθηκε στον προσδιορισμό της κατάστασης θαλάσσης με πραγματικά δεδομένα οπισθοσκέδασης από ένα ραντάρ PicoSAR X ενός ελικοπτέρου από την ομάδα εργασίας SET-185. Αρχικά η μελέτη εστίασε στην σκέδαση ήρεμης και ταραχώδης θαλάσσιας επιφάνειας στο πεδίο του χρόνου. Στην συνέχεια βελτιστοποιήθηκε με απαλοιφή του θορύβου και μελετήθηκε στο πεδίο της συχνότητας. Στο πλαίσιο εκπόνησης της διατριβής έγινε μία ανασκόπηση της βιβλιογραφίας χρονολογικά έτσι ώστε να μπορεί να αντιληφθεί ο αναγνώστης την πορεία της εξέλιξης της έρευνας της σκέδασης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε τραχιά επιφάνεια. Για την κατασκευή του μοντέλου μίας τραχιάς επιφάνειας χρησιμοποιούνται ντετερμινιστικές συναρτήσεις. Η θεωρία των fractals αποτελεί μια εναλλακτική επιλογή για την μοντελοποίηση των επιφανειών με διαφορετική τραχύτητα. Οι fractal συναρτήσεις δίνουν επιφάνειες όμοιες με τις πραγματικές επιφάνειες που συναντώνται στην φύση. Επίσης, μέσω μίας τέτοιας συνάρτησης και των παραμέτρων της, φερειπείν της διάστασης fractal (fractal dimension) ή και του μήκους fractal (fractal length), μπορεί να καθοριστεί με σχετική ακρίβεια η τραχύτητα της επιφάνειας. Η έρευνα συνεχίστηκε με την μοντελοποίηση των τρισδιάστατων τραχιών fractal επιφανειών που δίνεται από την δισδιάστατη ευρυζωνική συνάρτηση Weierstrass Η εν λόγω συνάρτηση είναι ένας συνδυασμός διακριτών περιοδικών και τυχαίων παραμέτρων. Στην συνέχεια, η μοντελοποίηση της σκεδάζουσας θαλάσσιας επιφάνειας έγινε με την χρήση πραγματικών δεδομένών που προήλθαν από ανάλυση της οπισθοσκέδασης ενός ραντάρ συνθετικού παραθύρου. Τα δεδομένα συλλέχθηκαν από την ομάδα εργασίας SET-185 στην δοκιμή NEMO 2014 που πραγματοποιήθηκε στο Taranto της Ιταλίας το Σεπτέμβριο του 2014. Το ραντάρ που χρησιμοποιήθηκε ήταν ένα PicoSAR X το οποίο ήταν τοποθετημένο σε ένα ελικόπτερο. Στην συνέχεια για τον υπολογισμό του σκεδαζόμενου πεδίου από μία τραχιά επιφάνεια χρησιμοποιήθηκε η προσέγγιση του Kirchhoff στην οποία λαμβάνεται υπόψη η ακριβής τραχύτητα της επιφάνειας που παράχθηκε με την προσομοίωση και παρατέθηκαν αντιπροσωπευτικές παραχθείσες προσομοιώσεις του συντελεστή σκέδασης από τρισδιάστατες fractal επιφάνειες για διάφορες τιμές της fractal διάστασης D. Εξετάστηκε η σχέση μεταξύ της διάστασης fractal D και της υπολογιζόμενης μέσης κλίσης μεταξύ του κύριου λοβού και των πρώτων πλευρικών λοβών εκατέρωθεν αυτού του οπισθοσκεδαζόμενου ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Στην συνέχεια, για να γίνει φανερή η σχέση μεταξύ της διάστασης fractal D της τραχιάς επιφάνειας και του συντελεστή οπισθοσκέδασης \|γ(k)\|, πραγματοποιείται ένας υπολογισμός του συντελεστή \|γ(k)\| για διαφορετικές τιμές διάστασης fractal D. Υπολογίστηκαν τα “διαστήματα προβλέψεων” για την υπολογιζόμενη απόκλιση Dcalc από τις “φασματικές κλίσεις” του συντελεστή σκέδασης. Οι τιμές των “διαστημάτων προβλέψεων” αντιστοιχούν σε 90% “πιθανότητα εμφάνισης”. Επομένως, τα ανωτέρω αποτελέσματα δείχνουν ότι η προτεινόμενη μέθοδος είναι αρκετά αξιόπιστη σε ότι αφορά το χαρακτηρισμό μιας τρισδιάστατης τραχιάς fractal επιφάνειας από τα σκεδαζόμενα ηλεκτρομαγνητικά κύματα του ραντάρ. Στο τελευταίο μέρος της διατριβής η έρευνα επικεντρώθηκε στον χαρακτηρισμό της κατάστασης θαλάσσης. Χρησιμοποιήθηκαν συνολικά τέσσερα κριτήρια, τα δύο κριτήρια βασίζονται στις fractal ιδιότητες που παρουσιάζει η θαλάσσια επιφάνεια και τα άλλα δύο κριτήρια επαληθεύουν τα δύο καινοτόμα κριτήρια fractal. Τα τέσσερα κριτήρια εφαρμόστηκαν σε πειραματικές μονοδιάστατες υπογραφές ραντάρ συνθετικού παραθύρου (SAR) στο φάσμα της συχνότητας (πραγματικά δεδομένα ραντάρ θαλάσσιου κυματισμού), σε δύο διαφορετικές θαλάσσιες καταστάσεις (ταραγμένη και ήρεμη θάλασσα). Τα τέσσερα κριτήρια εφαρμόστηκαν σε κανονικοποιημένα δεδομένα του μέσου σήματος οπισθοσκέδασης από την επιφάνεια της θάλασσας, από τα οποία τα κριτήρια που αφορούν την θεωρία των fractals είναι το κριτήριο της διάστασης fractal και το κριτήριο του μήκους fractal, ενώ για την επαλήθευση των προαναφερθέντων κριτηρίων χρησιμοποιήθηκαν το κριτήριο της διακύμανσης σ2 και το κριτήριο ελαχίστων τετραγώνων ισχύος. Στα κριτήρια διάστασης fractal και μήκους fractal χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος κουβέρτας (blanket method) έτσι όπως αναπτύχθηκε από τον Peleg.	el
dc.rights	Default License
dc.subject	Χαρακτηρισμός κατάστασης θαλάσσης	el
dc.subject	Τραχιά επιφανεια	el
dc.subject	Θαλάσσια επιφάνεια	el
dc.subject	Fractal	en
dc.subject	Σκέδαση	el
dc.subject	Οπισθοσκέδαση	el
dc.subject	Ραντάρ συνθετικού παραθύρου	el
dc.subject	Διάσταση fractal	el
dc.subject	Μήκος fractal	el
dc.subject	Sea state characterization	en
dc.subject	3D rough surface	en
dc.subject	Backscattering electromagnetic waves	en
dc.subject	Raw data	en
dc.subject	Synthetic aperture radar	en
dc.subject	Fractal dimension	en
dc.subject	Fractal length	en
dc.title	Χαρακτηρισμός Κατάστασης Θαλάσσης από Δεδομένα Οπισθοσκέδασης Αερομεταφερόμενου Ραντάρ SAR	el
dc.contributor.department	ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ	el
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Επεξερασία Σήματος	el
heal.classification	Signal Processing	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-10-23
heal.abstract	This dissertation is an overview and critical analysis of the existing knowledge regarding the characterization of the sea state from backscattering radar data. Specifically, it is a further research of the characterization of the sea state using virtual data simulations, mathematical models and application of techniques to real backscattered data from airborne synthetic aperture radar. In particular, in order to investigate the characterization of the sea state, threedimensional fractal sea surfaces were created using mathematical models, while scattering of electromagnetic waves from rough fractal surfaces was examined, using the Kirchhoff approach. The surfaces examined are rough fractal sea surfaces of three dimensions. Three-dimensional surfaces were modeled with mathematical twodimensional functions. The research was then extended to determine the state of the sea with real backscattering data from a PicoSAR X radar of a helicopter from the SET-185 working group. The study originally focused on the calm and turbulent sea surface scattering in the field of time. It was then optimized by noise cancelling and studied in the frequency domain. Within elaborating this dissertation an annotated bibliography was made chronologically so that the reader can understand the evolution of the backscattering research of electromagnetic scattering on a rough surface. Deterministic functions are used to construct the model of a fractal surface. The fractals theory is an alternative option for modeling surfaces with different roughness. Fractal functions give surfaces similar to real surfaces found in nature. Also, through such a function and its parameters, such as the fractal dimension or the fractal length, the roughness of the surface can be determined with relative accuracy. Then, the scattering sea surface modeling was developed using real data derived from a backscatter analysis of a synthetic window radar. The data were collected by the SET-185 working group in the NEMO 2014 test conducted in Taranto, Italy in September 2014. The radar used was a PicoSAR X mounted on a helicopter. Modeling the surfaces, the dissertation continued with the modeling of scattering of a two-dimensional rough surface with the Kirchhoff approach. Nonlinear differential equations were used to calculate the scattering of fractal surfaces. Completing the modeling of both rough surfaces and scattering, the dissertation continued with the study of the characterization of the roughness of a threedimensional surface. Initially, the geometry of the 3D problem was briefly described. Then, to calculate the scattering field from a rough surface, Kirchhoff's approach was used, which takes into account the exact roughness of the surface produced by the simulation and presented representative generated scattering simulations from threedimensional fractal surfaces for different values of D. The "prediction intervals" for the calculated Dcalc deviation from the "spectral slopes" of the scattering coefficient were calculated. The values of the "prediction intervals" correspond to 90% "probability of occurrence". Therefore, the above results show that the proposed method is quite reliable in terms of characterizing a three-dimensional rough fractal surface by scattered radar electromagnetic waves. In the last part of the dissertation the research focused on the characterization of the sea situation. A sum of four criteria were used, the two criteria are based on the fractal properties of the sea surface and the other two criteria verify the two innovative fractal criteria. The four criteria were applied to experimental one-dimensional synthetic aperture radar (SAR) signatures in the frequency domain (actual sea wave radar data), in two different sea states (turbulent and calm sea). The four criteria were applied to normalized data of the mean backscattering entertainment signal from the sea surface, of which the criteria for the theory of fractals are the criterion of the fractal dimension and the criterion of fractal length, while for the verification of the above criteria the criterion of variance σ2 and the criterion of power least squares approximation were used. The blanket method was used in the fractal dimension and fractal length criteria as developed by Peleg	en
heal.advisorName	Φράγκος, Παναγιώτης	el
heal.committeeMemberName	Φράγκος, Παναγιώτης	el
heal.committeeMemberName	Φικιώρης, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Παναγόπουλος, Αθανάσιος	el
heal.committeeMemberName	Νικήτα, Κωνσταντίνα	el
heal.committeeMemberName	Παπαβασιλείου, Συμεών	el
heal.committeeMemberName	Κούκος, Ιωάννης	el
heal.committeeMemberName	Φρατζεσκάκης, Δημήτριος	el
heal.academicPublisher	Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	167 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false