Aspects of small airborne passive millimetre-wave imaging systems
Date
2010-03
Authors
Smith, David Michael Patrick
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : University of Stellenbosch
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Passive millimetre-wave (PMMW) imaging is a technique that uses radiometers to detect thermal radiation
emitted and reflected by metallic and non-metallic objects. While visual and infra-red emissions are attenuated
by atmospheric constituents, PMMW emissions are transmitted, resulting in consistent contrast between different
objects from day to night in clear weather and in low-visibility conditions to form images for a range of
security and inclement weather applications.
The use of a PMMW imaging system on a small unmanned aerial vehicle (UAV) offers extremely attractive
possibilities for applications such as airborne surveillance for search and rescue operations, which are often
hindered by inclement weather making visibility poor and endangering the rescuers as the search vehicle flies
through the bad weather zone. The UAV would fly above the bad weather zone, with the PMMW imaging
system detecting the thermal radiation emitted and reflected by objects in the MMW spectrum through the
inclement weather. The 35GHz propagation window is chosen for the greater transmission through atmospheric
constituents.
The design of the PMMW imaging system is severely limited by the size of the UAV, particularly in the
inability to incorporate any form of optical or mechanical scanning antenna. A possible solution is a long, thin
antenna array fitted under the wings of the UAV. Such an antenna has a narrow, high gain, frequency-scanned
beam along the plane perpendicular to the flight path, but a very broad beam along the plane of the flight path
blurs the image, making it difficult to accurately determine the position of an object or to differentiate between
objects situated along the plane of the flight path.
This dissertation proposes a technique of image reconstruction based on the Kalman filter, a recursive filter
that uses feedback control to estimate the state of a partially observed non-stationary stochastic process, to
reconstruct an accurate image of the target area from such a detected signal. It is shown that given a simulated
target area, populated with an arbitrary number of objects, the Kalman filter is able to successfully reconstruct
the image using the measured antenna pattern to model the scanning process and reverse the blurring effect
AFRIKAANSE OPSOMMING: Passiewe millimetergolf (PMMG) beeldvorming is ’n tegniek wat van radiometers gebruik maak om termiese straling waar te neem vanaf beide metaal en nie-metaal voorwerpe. Waar optiese en infra-rooi straling attenueer word deur atmosferiese bestanddele, plant PMMG strale ongehinderd voort. Dit lei tot konstante kontras tussen verskillende voorwerpe in daglig of snags, mooi of bewolkte weer, en in ander lae-sigbaarheid toestande om beelde te vorm vir ’n wye reeks sekuriteits- of weertoepassings. Die gebruik van PMMG beeldvorming op ’n klein onbemande lugtuig (OLT) bied aantreklike moontlikhede vir toepassings in observasie en reddingsoperasies, wat dikwels verhinder word deur bewolke weer wat reddingswerkers in gevaar stel as hul moet vlieg in toestande van lae sigbaarheid. Die OLT kan bokant die onweer vlieg, met die PMMG beeldvormer wat termiese straling in die millimetergolf spektrum vanaf voorwerpe kan waarneem in swaks weerstoestande. Vir verbeterde golfvoortplanting deur atmosferiese bestanddele, word die 35GHz band gekies. Die ontwerp van die PMMG stelsel word geweldig beperk deur die grootte van die OLT, spesifiek deur die tuig se onvermoë om ’n antenne te huisves wat opties of meganies kan skandeer. ’n Moontlike oplossing is om gebruik te maak van ’n lang, dun antenne samestelling wat onder die OLT se vlerke geplaas word. So ’n antenne het ’n nou, hoë-aanwins bundel wat met frekwensie skandeer langs ’n vlak loodreg tot die vlugtrajek. So ’n antenne het egter ’n baie wye bundel langs die vlugtrajek, wat beeldkwaliteit verlaag en dit moeilik maak om die posisie van ’n voorwerp langs die vlugtrajek te bepaal, of om tussen veelvuldige voorwerpe te onderskei. Hierdie proefskrif bied ’n tegniek van beeldherwinning gebaseer op die Kalman filter, ’n rekursiewe filter wat terugvoerbeheer gebruik om die toestand van ’n nie-stasionêre stochastiese proses af te skat wat slegs gedeeltelik waargeneem is, om soedoende ’n akkurate beeld van die teikenarea te herkonstrueer vanuit ’n verwronge beeld. Dit word getoon dat, gegewe ’n gesimuleerde teikenomgewing met ’n arbitrêre hoeveelheid voorwerpe, die Kalman filter suksesvol ’n beeld kan herkonstrueer deur gebruik te maak van die antenne se gemete stralingspatroon om die skanderingsproses na te boots, om sodoende die beeldkwaliteit te verhoog
AFRIKAANSE OPSOMMING: Passiewe millimetergolf (PMMG) beeldvorming is ’n tegniek wat van radiometers gebruik maak om termiese straling waar te neem vanaf beide metaal en nie-metaal voorwerpe. Waar optiese en infra-rooi straling attenueer word deur atmosferiese bestanddele, plant PMMG strale ongehinderd voort. Dit lei tot konstante kontras tussen verskillende voorwerpe in daglig of snags, mooi of bewolkte weer, en in ander lae-sigbaarheid toestande om beelde te vorm vir ’n wye reeks sekuriteits- of weertoepassings. Die gebruik van PMMG beeldvorming op ’n klein onbemande lugtuig (OLT) bied aantreklike moontlikhede vir toepassings in observasie en reddingsoperasies, wat dikwels verhinder word deur bewolke weer wat reddingswerkers in gevaar stel as hul moet vlieg in toestande van lae sigbaarheid. Die OLT kan bokant die onweer vlieg, met die PMMG beeldvormer wat termiese straling in die millimetergolf spektrum vanaf voorwerpe kan waarneem in swaks weerstoestande. Vir verbeterde golfvoortplanting deur atmosferiese bestanddele, word die 35GHz band gekies. Die ontwerp van die PMMG stelsel word geweldig beperk deur die grootte van die OLT, spesifiek deur die tuig se onvermoë om ’n antenne te huisves wat opties of meganies kan skandeer. ’n Moontlike oplossing is om gebruik te maak van ’n lang, dun antenne samestelling wat onder die OLT se vlerke geplaas word. So ’n antenne het ’n nou, hoë-aanwins bundel wat met frekwensie skandeer langs ’n vlak loodreg tot die vlugtrajek. So ’n antenne het egter ’n baie wye bundel langs die vlugtrajek, wat beeldkwaliteit verlaag en dit moeilik maak om die posisie van ’n voorwerp langs die vlugtrajek te bepaal, of om tussen veelvuldige voorwerpe te onderskei. Hierdie proefskrif bied ’n tegniek van beeldherwinning gebaseer op die Kalman filter, ’n rekursiewe filter wat terugvoerbeheer gebruik om die toestand van ’n nie-stasionêre stochastiese proses af te skat wat slegs gedeeltelik waargeneem is, om soedoende ’n akkurate beeld van die teikenarea te herkonstrueer vanuit ’n verwronge beeld. Dit word getoon dat, gegewe ’n gesimuleerde teikenomgewing met ’n arbitrêre hoeveelheid voorwerpe, die Kalman filter suksesvol ’n beeld kan herkonstrueer deur gebruik te maak van die antenne se gemete stralingspatroon om die skanderingsproses na te boots, om sodoende die beeldkwaliteit te verhoog
Description
Thesis (PhD (Electrical and Electronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2010.
Keywords
Passive millimetre-wave imaging, Image reconstruction, Kalman filter, Multi-octave stripline multiplexer, Dissertations -- Electronic engineering, Theses -- Electronic engineering, Infrared imaging, Airborne surveillance, Images -- Reconstruction