SAR Tomography to image Asteroid interior: Preparation of the JuRa/HERA data inversion

Abstract

One of the objectives of the ESA/HERA mission is to perform 3D tomography of the two asteroids within the Didymos binary asteroid system. This presents unique challenges in synthetic aperture radar (SAR) imaging due to the specificities and limitations associated with small body ground penetrating SAR imaging and complex asteroid surfaces. Current methods for achieving 3D tomography of small celestial bodies using SAR imaging exhibit limitations, particularly in the presence of curved surfaces.This dissertation addresses these challenges by adapting the Kirchhoff Migration technique, a well-established method in seismic wave inversion, for asteroid SAR tomography. The optical path determination plays a significant role in inverting the signal backscattered from objects inside the asteroid, and is obtained by a minimization method based on Fermat’s Principle. Also, superellipsoidal shapes are employed to model the complex geometries of spinning-top shaped asteroids during the SAR data inversion process.The results of this research demonstrate significant advancements in the precision in retrieving the position of a scatterer embedded in bodies with curved surfaces while showing good elevation resolution in a multipass scenario. However, when applied to the imaging of irregularly shaped asteroids like Itokawa and Ryugu, the precision of target positioning is affected due to the challenging surface characteristics which can not be exactly modeled by any shape. Nevertheless, the approximation of spinning-top shaped asteroids to superellipsoids shows reasonable results, indicating the potential of this approach to invert SAR data from real spinning-top shaped asteroids as Didymain.

Um dos objetivos da missão ESA/HERA é realizar tomografia 3D dos dois asteróides no sistema binário Didymos. Tal apresenta desafios únicos na imagem de radar de abertura sintética (SAR) devido às especificidades e limitações associadas à imagem SAR em corpos pequenos, e também à penetração da superfície. Os métodos atuais para executar tomografia 3D de corpos pequenos através de SAR apresentam limitações, especialmente na presença de superfícies curvas.Esta tese de mestrado explora uma abordagem a esses desafios, adaptando a técnica de Migração de Kirchhoff, um método bem estabelecido na inversão de ondas sísmicas, para a tomografia SAR de asteroides. A determinação do caminho óptico desempenha um papel signi- ficativo na inversão do sinal refletido por objetos no interior de um asteroide e é obtida por um método de minimização baseado no Princípio de Fermat. Além disso, formas superelipsoidais são empregues para modelar as geometrias complexas de asteroides em forma de pião durante o processo de inversão de dados SAR.Os resultados desta pesquisa demonstram avanços significativos na precisão do posiciona- mento de um objeto embutido em corpos com superfícies curvas, mantendo ao mesmo tempo uma boa resolução na direção da elevação num cenário de multipass. No entanto, quando aplicados à imagem de asteroides de forma irregular, como Itokawa ou Ryugu, o método mostra uma precisão reduzida na posição do alvo devido à complexidade das superfícies que não podem ser exatamente modeladas por um sólido. No entanto, a aproximação de asteroides em forma de pião a superelipsoides mostra resultados razoáveis, indicando o potencial desta abordagem para inverter dados SAR de asteroides reais em forma de pião, como Didymain.