Radar imaging with EISCAT 3D

• Published in: Annales Geophysicae
• Main Authors: Stamm, Johann, Vierinen, Juha, Urco, Juan M., Gustavsson, Björn, Chau, Jorge L.
• Format: Article in Journal/Newspaper
• Language: English
• Published: Copernicus Publications 2021
• Subjects: VDP::Matematikk og naturvitenskap: 400::Fysikk: 430::Rom- og plasmafysikk: 437; VDP::Mathematics and natural scienses: 400::Physics: 430::Space and plasma physics: 437; Fjernmåling med bakke og satelittbasert radar / Remote sensing using ground- and satellite-based radar; Polar Atmosfære/Geofysikk: Nordlys; Partikkelnedbør; Plasma / Polar Amosphere/Geophysic: Aurora; Particle Precipitation; Plasma; Radarinterferometri / Interferometric radar; EISCAT; Nord-Norge; nordlys
• Online Access: https://hdl.handle.net/10037/21830; https://doi.org/10.5194/angeo-39-119-2021

A new incoherent scatter radar called EISCAT 3D is being constructed in northern Scandinavia. It will have the capability to produce volumetric images of ionospheric plasma parameters using aperture synthesis radar imaging. This study uses the current design of EISCAT 3D to explore the theoretical radar imaging performance when imaging electron density in the E region and compares numerical techniques that could be used in practice. Of all imaging algorithms surveyed, the singular value decomposition with regularization gave the best results and was also found to be the most computationally efficient. The estimated imaging performance indicates that the radar will be capable of detecting features down to approximately 90×90 m at a height of 100 km, which corresponds to a ~0.05° angular resolution. The temporal resolution is dependent on the signal-to-noise ratio and range resolution. The signal-to-noise ratio calculations indicate that high-resolution imaging of auroral precipitation is feasible. For example, with a range resolution of 1500 m, a time resolution of 10 s, and an electron density of 2·10¹¹ m⁻³, the correlation function estimates for radar scatter from the E region can be measured with an uncertainty of 5 %. At a time resolution of 10 s and an image resolution of 90×90 m, the relative estimation error standard deviation of the image intensity is 10 %. Dividing the transmitting array into multiple independent transmitters to obtain a multiple-input–multiple-output (MIMO) interferometer system is also studied, and this technique is found to increase imaging performance through improved visibility coverage. Although this reduces the signal-to-noise ratio, MIMO has successfully been applied to image strong radar echoes as meteors and polar mesospheric summer echoes. Use of the MIMO technique for incoherent scatter radars (ISRs) should be investigated further. En ny inkoherent spredningsradar, kalt EISCAT 3D, med lokasjoner i Nord-Norge, -Sverige og -Finland er under bygging. Radaren vil kunne produsere volumetriske bilder av plasmaparametre gjennom apertursynteseradar-avbildning. Denne studien bruker den nåværende planen for EISCAT 3D til å utforske den teoretiske avbildningsytelsen for avbildningaer av elektrontetthet i E-laget og sammenligner numeriske teknikker som vil kunne brukes i praksis. Blant de undersøkte avbildningsalgoritmene ga singulærverdidekomponering med regularisering best resultater og den var også blant de mest effektive algoritmene. Radaren vil kunne oppdage variasjoner med størrelser ned mot 90x90 ved 100 km distanse. Dette tilsvarer ei vinkeloppløsning på 0,05°. Tidsoppløsninga er avhengig av signal-til-støyraten, og distanseoppløsninga gjennom pulskodinga. Signal- og støyeffektberegninger tyder på at avbildning av nordlysnedbør er mulig med denne oppløsninga. Et eksempel med 1500 m distanseoppløsning, 10 s tidsoppløsning og ei elektrontetthet på 2·10¹¹ m⁻³ viser at korrelasjonsfunksjonen for spredning fra E-laget kan måles med ei usikkerhet på 5 %. Når avbildningsoppløsninga er 90x90 m, er usikkerheta på 10 %. Ved å dele opp senderantennefeltet i flere uavhengige sendere får man et multiple-input–multiple-output (MIMO)-system som viser seg å gjennomføre avbildninga bedre. Sjøl om signalet da blir svakere, har MIMO blitt brukt for å avbilde sterke radarekko slik som meteorer og polare mesosfæriske sommerekko. Bruken av MIMO-teknikken for inkoherent spredningsradarer burde undersøkes nærmere.