Dissertation/ Thesis
High-resolution drone-based repeat-pass SAR interferometry for 3D displacement estimation
| Τίτλος: | High-resolution drone-based repeat-pass SAR interferometry for 3D displacement estimation |
|---|---|
| Συγγραφείς: | Ruiz Carregal, Gerard |
| Συνεισφορές: | University/Department: Universitat Politècnica de Catalunya. Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions |
| Thesis Advisors: | López Martínez, Carlos, Iglesias González, Rubén, Lort Cuenca, Marc |
| Πηγή: | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Στοιχεία εκδότη: | Universitat Politècnica de Catalunya, 2026. |
| Έτος έκδοσης: | 2026 |
| Φυσική περιγραφή: | 121 p. |
| Θεματικοί όροι: | Synthetic Aperture Radar (SAR), SAR Interferometry (InSAR), Multi-Temporal Differential SAR Interferometry (MT-DInSAR), Drone-borne SAR, Airborne SAR systems, Ku-band radar, FMCW radar, Residual motion error (RME) estimation, SAR coregistration, Multisquint algorithm, Repeat-pass interferometry, Ground displacement monitoring, Deformation time-series, Three-dimensional displacement estimation, Geotechnical monitoring, Slope stability monitoring Radar de Apertura Sintética (SAR), Interferometría SAR (InSAR), Interferometría SAR Diferencial Multi-temporal (MT-DInSAR), SAR embarcado en dron, Sistemas SAR aerotransportados, Radar de banda Ku, Radar FMCW, Estimación de errores de movimiento residual (RME), Coregistrado SAR, Algoritmo multisquint, Interferometría de pasada múltiple, Monitorización de desplazamientos del terreno, Series temporales de deformación, Estimación de desplazamientos tridimensionales, Monitorización geotécnica, Monitorización de estabilidad de taludes Radar d’Obertura Sintètica (SAR), Interferometria SAR (InSAR), Interferometria SAR Diferencial Multitemporal (MT-DInSAR), SAR embarcat en dron, Sistemes SAR aerotransportats, Estimació d’errors de moviment residual (RME), Coregistrat SAR, Algorisme multisquint, Interferometria de passada repetida, Monitorització de desplaçaments del terreny, Sèries temporals de deformació, Estimació de desplaçaments tridimensionals, Monitorització geotècnica, Monitorització de l’estabilitat de talussos, Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria de la telecomunicació, 621.3 - Enginyeria elèctrica. Electrotècnia. Telecomunicacions |
| Περιγραφή: | Tesi en modalitat de compendi de publicacions |
| Description (Translated): | Tesi amb menció de Doctorat Industrial (English) The precise characterization of ground deformation processes is essential for risk assessment and early-warning applications, since displacement is often a precursor to catastrophic failures. Over the past two decades, Synthetic Aperture Radar (SAR) and Multi-Temporal Differential SAR Interferometry (MT-DInSAR) have enabled millimetric displacement estimation over wide areas with dense spatial sampling. Within this context, satellite-based SAR offers regular, long-term global coverage, while Ground-Based SAR (GBSAR) provides near real-time monitoring, enabling the observation of localized rapid deformation processes. Despite these strengths, both systems present inherent limitations. Satellite SAR cannot capture rapid displacements due to multi-day revisit intervals and provides no sensitivity to displacement along the North-South (NS) direction due to its near-polar orbits. GBSAR provides excellent temporal resolution, but its deployment is limited in inaccessible areas, and its fixed geometry often leads to displacement underestimation. Airborne SAR systems mitigate several of these limitations by offering controlled revisit times and multi-view imaging, allowing the retrieval of the three-dimensional (3D) displacement vector. In this context, multirotor drones have emerged as a cost-effective and adaptable platform for airborne SAR. Drone-borne SAR inherits airborne challenges related to platform motion and navigation uncertainties, together with additional constraints such as payload limitations, and requires the adaptation of MT-DInSAR algorithms to low-altitude platforms and non-regular revisit times. The objective of this dissertation is to demonstrate the capability of drone-based SAR systems to estimate ground displacement time-series using multi-temporal interferometric stacks in real operational scenarios. To this end, the thesis develops an end-to-end framework encompassing sensor development, interferometric processing, and MT-DInSAR methodologies. A Ku-band dual-channel Frequency-Modulated Continuous-Wave (FMCW) radar is developed and integrated into a multirotor platform. An interferometric processing chain is further proposed to generate phase-calibrated repeat-pass interferograms, combining Digital Elevation Model (DEM) refinement from single-pass interferometry with a dedicated coregistration strategy, where the MTCD-MSQ algorithm is introduced as a new coregistration approach designed for high-frequency airborne acquisitions. Furthermore, two complementary MT-DInSAR workflows are proposed to address distinct deformation regimes. SD-MT-DInSAR retrieves cumulative displacement time-series when interferometric coherence is preserved between consecutive acquisitions, while SDVEL-MT-DInSAR exploits the flexibility of drones to perform repeated intra-day flights to estimate displacement velocity time-series in rapidly deforming areas, where decorrelation occurs in a few hours. Finally, the thesis employs multi-geometry acquisitions to retrieve the full 3D displacement vector. The framework is validated in controlled experiments with Corner Reflectors (CR) and in real operational conditions over an active open-pit mine, demonstrating submillimetric sensitivity, meter-scale displacement monitoring over several days, and 3D displacement retrieval in complex scenarios. The dissertation confirms that drone-based SAR is a reliable deformation monitoring tool that complements satellite and GBSAR systems, opening new opportunities in geotechnics, mining, and natural hazard assessment. (Català) La caracterització precisa dels processos de deformació del terreny és essencial per a l’avaluació del risc i les aplicacions d’alerta precoç, ja que el desplaçament sovint és un precursor de col·lapses catastròfics. Durant les darreres dues dècades, el Radar d’Obertura Sintètica (SAR) i la Interferometria SAR Diferencial Multi-Temporal (MT-DInSAR) han permès l’estimació de desplaçaments mil·limètrics sobre àrees grans i amb una densitat espacial alta. En aquest context, el SAR satel·lital ofereix una cobertura global regular i a llarg termini, mentre que el SAR Terrestre (GBSAR) proporciona monitoratge gairebé en temps real, adequat per a processos de deformació ràpida i localitzada. Malgrat aquests avantatges, ambdós sistemes presenten limitacions inherents. El SAR satel·lital no pot mesurar desplaçaments ràpids a causa dels intervals de revisita de diversos dies i no és sensible als desplaçaments orientats en la direcció Nord-Sud (NS) a causa de les seves òrbites quasi polars. El GBSAR ofereix una resolució temporal excel·lent, però el seu desplegament és limitat en zones d’accés difícil i la seva geometria fixa sovint condueix a una subestimació del desplaçaments. Els sistemes SAR aerotransportats mitiguen diverses d’aquestes limitacions oferint temps de revisita controlats i mesures des de punts de vista múltiples, permetent recuperar el vector de desplaçament tridimensional (3D). En aquest context, els drons multirotor han sorgit com una plataforma aerotransportada econòmica i adaptable. El SAR embarcat en dron hereta reptes relacionats amb el moviment de la plataforma i les incerteses de navegació, es veu afectat per restriccions addicionals com limitacions de càrrega útil, i requereix l’adaptació dels algorismes MT-DInSAR a plataformes de baixa altitud i temps de revisita irregulars. L’objectiu d’aquesta tesi doctoral és demostrar la capacitat dels sistemes SAR embarcats en dron per estimar sèries temporals de desplaçament del terreny mitjançant conjunts de dades interferomètriques multi-temporals en escenaris operacionals reals. Amb aquesta finalitat, la tesi desenvolupa un marc integral que inclou el desenvolupament del sensor, el processament interferomètric i metodologies MT-DInSAR. Es desenvolupa un radar de banda Ku de doble canal amb modulació de freqüència contínua (FMCW) i s’integra en una plataforma multirotor. A més, es proposa una cadena de processament interferomètric per generar interferogrames de passada múltiple calibrats en fase, combinant el refinament del Model Digital d’Elevacions (DEM) mitjançant interferometria de passada única amb una estratègia específica de coregistrat, on s’introdueix l’algorisme MTCD-MSQ com un nou mètode de coregistrat dissenyat per a SAR aerotransportat d’alta freqüència. Així mateix, es proposen dos fluxos de treball MT-DInSAR complementaris per abordar diferents règims de deformació. El mètode SD-MT-DInSAR recupera sèries temporals de desplaçament acumulat quan la coherència interferomètrica es preserva entre adquisicions consecutives, mentre que el mètode SDVEL-MT-DInSAR explota la flexibilitat dels drons per realitzar vols intra-diaris repetits i estimar sèries temporals de velocitat de desplaçament en zones amb deformació ràpida, on la decorrelació es produeix en poques hores. Finalment, la tesi empra adquisicions multi-geometria per recuperar el vector complet de desplaçament 3D. El marc es valida mitjançant experiments controlats amb Reflectors de Cantonada (CR) i en condicions operacionals reals sobre una mina a cel obert activa, demostrant sensibilitat submil·limètrica, el monitoratge de desplaçaments de l’ordre d’un metre durant diversos dies i la recuperació de vectors de desplaçament 3D en escenaris complexos. La tesi confirma que la interferometria SAR embarcada en dron és una eina fiable per al monitoratge de deformacions que complementa els sistemes satel·litals i GBSAR, obrint noves oportunitats en geotècnia, mineria i avaluació de riscos naturals. (Español) La caracterización precisa de los procesos de deformación del terreno es esencial para la evaluación del riesgo y las aplicaciones de alerta temprana, ya que el desplazamiento suele ser un precursor de fallos catastróficos. Durante las últimas dos décadas, el Radar de Apertura Sintética (SAR) y la Interferometría SAR Diferencial Multi-Temporal (MT-DInSAR) han permitido la estimación de desplazamientos milimétricos sobre áreas amplias y con una alta densidad espacial. En este contexto, el SAR satelital ofrece una cobertura global regular y a largo plazo, mientras que el SAR Terrestre (GBSAR) proporciona monitorización casi en tiempo real, adecuada para deformaciones rápidas y localizadas. A pesar de estas ventajas, ambos sistemas presentan limitaciones inherentes. El SAR satelital no puede medir desplazamientos rápidos debido a intervalos de revisita de varios días y no es sensible a desplazamientos Norte-Sur (NS) debido a sus órbitas casi polares. El SAR terrestre ofrece una resolución temporal excelente, pero su despliegue es limitado en zonas de difícil acceso y su geometría fija suele conducir a una subestimación del desplazamiento. Los sistemas SAR aerotransportados mitigan varias de estas limitaciones al ofrecer tiempos de revisita controlados y medidas desde puntos de vista múltiples, permitiendo recuperar el vector de desplazamiento tridimensional (3D). En este contexto, los drones multirrotor han surgido como una plataforma aerotransportada económica y adaptable. El SAR embarcado en dron hereda desafíos relacionados con el movimiento de la plataforma y las incertidumbres de navegación, se ve afectado por restricciones adicionales como limitaciones de carga útil, y requiere la adaptación de los algoritmos MT-DInSAR a plataformas de baja altitud y tiempos de revisita irregulares. El objetivo de esta tesis doctoral es demostrar la capacidad de los sistemas SAR embarcados en dron para estimar series temporales de desplazamiento del terreno mediante conjuntos de datos interferométricos multi-temporales en escenarios operacionales reales. Con este fin, la tesis desarrolla un marco integral que incluye el desarrollo del sensor, el procesamiento interferométrico y metodologías MT-DInSAR. Se desarrolla un radar de banda Ku de doble canal con modulación de frecuencia continua (FMCW) y se integra en una plataforma multirrotor. Además, se propone una cadena de procesamiento interferométrico para generar interferogramas de múltiple pasada calibrados en fase, combinando el refinamiento del Modelo Digital de Elevaciones (DEM) mediante interferometría de pasada única con una estrategia específica de coregistrado, donde se introduce el algoritmo MTCD-MSQ como un nuevo método de coregistrado diseñado para SAR aerotransportado de alta frecuencia. Se proponen dos flujos de trabajo MT-DInSAR complementarios para distintos regímenes de deformación. El método SD-MT-DInSAR recupera series temporales de desplazamiento acumulado cuando se preserva la coherencia interferométrica entre adquisiciones, mientras que el método SDVEL-MT-DInSAR explota vuelos intra-diarios repetidos para estimar series temporales de velocidad de desplazamiento en zonas con deformación rápida, donde la decorrelación ocurre en pocas horas. Asimismo, se emplean adquisiciones multi-geometría para recuperar el vector completo de desplazamiento 3D. El marco se valida mediante experimentos controlados con Reflectores de Esquina (CR) y en condiciones operacionales reales sobre una mina a cielo abierto activa, demostrando sensibilidad submilimétrica, la monitorización de desplazamientos del orden del metro durante varios días y la recuperación de vectores de desplazamiento 3D en escenarios complejos. La tesis confirma que la interferometría SAR embarcada en dron es una herramienta fiable para la monitorización de deformaciones que complementa a los sistemas satelitales y GBSAR, abriendo nuevas oportunidades en geotecnia, minería y evaluación de riesgos naturales. DOCTORAT EN TEORIA DEL SENYAL I COMUNICACIONS (Pla 2013) |
| Τύπος εγγράφου: | Dissertation/Thesis |
| Περιγραφή αρχείου: | application/pdf |
| Γλώσσα: | English |
| DOI: | 10.5821/dissertation-2117-463567 |
| Σύνδεσμος πρόσβασης: | https://hdl.handle.net/10803/697668 https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-463567 |
| Rights: | ADVERTIMENT. Tots els drets reservats. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs. |
| Αριθμός Καταχώρησης: | edstdx.10803.697668 |
| Βάση Δεδομένων: | TDX |
| DOI: | 10.5821/dissertation-2117-463567 |
|---|