Non-linear GNSS signal processing applied to land observation with high-rate airborne reflectometry
Traitement non linéaire du signal GNSS appliqué à l'observation de la terre par réflectométrie GNSS aéroportée
Résumé
Soil moisture remote sensing has been an active area of research over the past few decades due to its essential role in agriculture and in the prediction of some natural disasters. GNSS-Reflectometry (GNSS-R) is an emerging bistatic remote sensing technique that uses the L-band GNSS signals as sources of opportunity to characterize Earth surface. In this passive radar system, the amplitudes of the GNSS signal reflected by soil and the GNSS signal received directly from the GNSS satellites can be used to derive measurements of reflectivity from which the soil moisture content of the surface is determined.The study of soil moisture content using reflectivity measurements can also be applied for the detection of in-land water body surfaces. In this dissertation, we propose in the first step a non-linear estimate of the GNSS signal amplitude. This estimate is based on a statistical model that we develop for the coherent detection of a GNSS signal quantized on 1 bit. We show with experimentations on synthetic and real data that the proposed estimator is more accurate than reference approaches and provide measurements of the Signal-to-Noise Ratio (SNR) at a higher rate. When the reflected GNSS signal is obtained in an airborne experiment, its evolution as a function of time is piecewise stationary. The different stationary parts are associatedto different kinds of reflecting surfaces. We propose in a second step a change point detector that takes into account the radar signal characteristics in order to segment the signal. We show on synthetic data that the proposed change point detector can detect and localize changes more accurately than reference approaches present in the literature. This work is applied to airborne GNSSR observation of Earth. We propose in the third step, a new GNSS-R sensor with its implementation on a lightweight airborne carrier. We also propose a new front-end receiver architecture, a software radio implementation of thereceiver, and the complete instrumentation of the airborne carrier. A real flight experimentation has taken place in the North of France obtaining reflections from different landforms. We show using the airborne GNSS measurements obtained, that the proposed radar technique detects different surfaces along the flight trajectory, and in particular in-land water bodies, with high temporal and spatial resolution. We also show that we can localize the edges of the detected water body surfaces at meter accuracy.
L’estimation du taux d’humidité des sols par télédétection est un domaine de recherche très actif car ses applications concernent l’agriculture et les catastrophes naturelles. La réflectométrie GNSS (GNSS-R) est une nouvelle technique d’observation de la terre basée sur un système radar bi-statique qui utilise le signal GNSS en bande L comme source d’opportunité. Dans ce système radar passif, le signal GNSS réfléchi par le sol est utilisé pour estimer le taux d’humidité de la surface de réflexion. Il peut aussi être utilisé pour détecter et localiser les zones humides. Dans ce travail de thèse nous proposons dans un premier temps un estimateur non linéaire de l’amplitude du signal GNSS. Cet estimateur est basé sur un modèle statistique que nous proposons pour la détection cohérente du signal GNSS quantifié sur 1 bit. On montre, grâce à une expérimentation sur données synthétiques et sur données réelles, que l’estimateur proposé permet d’estimer le rapport signal à bruit d’un signal GNSS, avec une fréquence et une précision plus importante que les techniques de références. Quand le signal GNSS réfléchi est obtenu dans un vol aéroporté celui-ci est composé de zones stationnaires qui représentent les différents types de surfaces de réflexion. Nous proposons dans un deuxième temps un détecteur de rupture qui prend en compte la nature du signal radar pour découper celui-ci en zones stationnaires. On montre grâce à une expérimentation sur données synthétiques que le détecteur proposé offre une meilleure détection et localisation des ruptures que les méthodes de références. Ce travail est appliqué à l’observation GNSS-R aéroportée. Nous proposons dans une troisième partie l’étude et la mise en œuvre originale du capteur GNSS-R que nous avons développé. Cette étude porte à la fois sur la conception du capteur, la réalisation du récepteur génie logiciel qui traite les données et l’implantation du capteur sur un porteur de type autogyre. Une expérimentation aéroportée, qui a été réalisée dans le nord de la France, nous a permis d’obtenir des réflexions du signal GNSS pour différents types de sol. On montre que les traitements du signal et la technique radar proposés permettent de détecter différents types de surfaces de réflexion avec une résolution spatiale et temporelle importante. On montre aussi que l’on peut localiser avec une précision métrique les zones en eau.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|