DE102005022028B4

DE102005022028B4 - Hochauflösendes Synthetik-Apertur-Seitensicht-Radarsystem

Info

Publication number: DE102005022028B4
Application number: DE102005022028A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dipl.-Ing. Runge
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2005-05-09
Filing date: 2005-05-09
Publication date: 2008-11-06
Anticipated expiration: 2025-05-10
Also published as: DE102005022028A1

Abstract

Hochauflösendes Synthetik-Apertur-Seitensicht-Radarverfahren unter Verwendung mehrerer sich über der Erdoberfläche bewegender satelliten- oder fluggerätegetragener SAR-Sende- und Empfangseinheiten, die jeweils eine Antenne aufweisen, deren Antennenkeule zur Erfassung eines Bodenstreifens auf den Erdboden ausgerichtet ist, wobei die Blickwinkel der n in ihren Strahlungsrichtungen auseinander gespreizter Antennenkeulen so ausgelegt werden, dass n unterschiedliche Azimut-Spektren des vom Boden rückgestreuten Signals mit einer Überlappung aufgenommen werden, und die gewonnenen mehrfachen SAR-Datensätze mittels eines Signalprozessors phasenrichtig zu einem SAR-Bild mit erhöhter geometrischer Auflösung zusammengesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die n Antennen der n parallel arbeitenden Sende- und Empfangseinheiten, die sich in einer Gruppenformation auf n Satelliten (3, 4, 5) bzw. Fluggeräten über der Erdoberfläche (2) bewegen, so auf den Bodenstreifen (9) ausgerichtet sind, dass sich ihre Antennenkeulen durch die unterschiedlichen Blickwinkel unter Überlappung ihrer Antennen-Leuchtflecken (6, 7, 8) am Boden in der der Flugrichtung entsprechenden Streifenlängsrichtung aneinanderreihen, dass die Sende- und Empfangseinheiten mit spektral verschiedenen Radar-Sendefrequenzbändern...

Description

Die Erfindung betrifft ein hochauflösendes Synthetik-Apertur-Seitensicht-Radarverfahren unter Verwendung mehrerer sich über der Erdoberfläche bewegender satelliten- oder fluggerätegetragener SAR-Sende- und Empfangseinheiten, die jeweils eine Antenne aufweisen, deren Antennenkeule zur Erfassung eines Bodenstreifens auf den Erdboden ausgerichtet ist, wobei die Blickwinkel der n in ihren Strahlungsrichtungen auseinander gespreizter Antennenkeulen so ausgelegt werden, dass n unterschiedliche Azimut-Spektren des vom Boden rückgestreuten Signals mit einer Überlappung aufgenommen werden, und die gewonnenen mehrfachen SAR-Datensätze mittels eines Signalprozessors phasenrichtig zu einem SAR-Bild mit erhöhter geometrischer Auflösung zusammengesetzt werden.
Aus US 5 059 966 ist ein hochauflösendes Synthetik-Apertur-Seitensicht-Radarsystem mit mehreren sich über der Erdoberfläche bewegenden fluggerätegetragenen SAR Sende- und Empfangseinheiten bekannt, deren Antennenkeulen zur Erfassung eines Bodenstreifens auf den Erdboden ausgerichtet sind. Dabei sind die Blickwinkel der Antennenkeulen so ausgerichtet, dass mehrere Dopplerspektren des vom Boden rückgestreuten Signals aufgenommen werden. Hierbei kommt es zu einer Überlappung der Dopplerspektren, da sich die Antennenkeulen bei einer Realisierung überlappen. Die so gewonnenen SAR-Datensätze werden zu einem SAR-Bild mit erhöhter geometrischer Auflösung zusammengesetzt. Ferner ist aus US 5 059 966 bekannt, dass sich die durch die unterschiedlichen Blickwinkel der Antennenkeulen entstehenden Leuchtflecken am Boden in Streifenlängsrichtung aneinander reihen.
Aus US-A-4 602 257 ist bereits ein SAR-System mit beispielsweise drei Paaren von bistatischen SAR-Satellitensystemen be kannt, die sich in einer Formation in Gestalt eines gleichseitigen Dreiecks bewegen und damit in einem vorgegebenem Abstand voneinander angeordnet sind. Die Antennenkeulen der Satellitensysteme sind hierbei auf den gleichen beleuchteten Bereich auf dem Boden ausgerichtet. Die erhaltenen mehrfachen SAR-Datensätze werden dann in einem Signalprozessor phasenrichtig überlagert und zu einem SAR-Bild zusammengesetzt.
Eine Auflösungssteigerung in Azimutrichtung ist prinzipiell durch Verkürzen der Antenne und dadurch bedingt durch eine Aufweitung des Antennenleuchtflecks (Radar-Footprint) am Boden möglich, was zu einer höheren synthetischen Aperturzeit bzw. Azimutbandbreite führt. Bei diesem Vorgehen wird eine erhöhte Pulswiederholfrequenz benötigt, um das Azimutsignal in ausreichendem Maße abzutasten. Die Pulswiederholfrequenz lässt sich aber nicht beliebig erhöhen, da es sonst an der gemeinsamen Sende-/Empfangsantenne zu zeitlichen Überlagerungen von Sende- und Empfangsimpulsen kommen würde. Dies gilt um so mehr, wenn die Zeitdauer des gesendeten Signals ebenfalls erhöht wird. Als Ausweg bleibt dann nur noch das Einschränken der Echozeit und damit der Breite des aufgenommenen Bodenstreifens.
Soll mit einem herkömmlichen SAR-Verfahren die Auflösung in Flugrichtung gesteigert werden, so ist also die Antenne zu verkleinern, wobei dann zur Erzielung eines gleichbleibenden Signal/Rausch-Verhältnisses die Sendeenergie zu erhöhen ist. Auch die erforderliche höhere Pulswiederholfrequenz benötigt mehr Energie, so dass diese Maßnahmen zwangsläufig zu großen und teuren Satelliten führen.
Eine andere bekannte Möglichkeit zur Erzielung einer höheren geometrischen Auflösung ist das so bezeichnete Spotlight-SAR.
Hierbei wird ein Bereich am Boden mit Hilfe einer steuerbaren Antenne länger beleuchtet, wodurch die Beobachtungszeit bzw. die gewonnene Azimut-Bandbreite vergrößert werden. Die Nachteile dieses bekannten Verfahrens bestehen darin, dass kein kontinuierlicher Streifen am Boden aufgenommen werden kann und eine aufwändige Strahlsteuerung erforderlich ist. Diese Strahlsteuerung kann elektronisch durch eine phasengesteuerte Antenne oder mechanisch durch Nachführen einer einfachen Antenne bzw. des gesamten Satelliten erreicht werden. Beide Möglichkeiten sind aber in der Realisierung sehr teuer.
Ein hochauflösendes SAR-System zur Fernerkundung der Erdoberfläche, bei dem einige der vorstehend genannten Nachteile vermieden sind, ist aus EP-1 065 518 B1 bekannt. Hierbei bewegen sich notwendigerweise in jedem Fall mehrere jeweils auf einer satelliten- oder fluggerätegestützten Trägerplattform angebrachte SAR-Einzelsysteme in einer vorgesehenen Formation in vorgesehenem Abstand voneinander, wobei ihre Antennenblickrichtungen auf den gleichen beleuchteten Bodenstreifenbereich ausgerichtet sind und die gewonnenen mehrfachen SAR-Datensätze in einem Signalprozessor phasenrichtig zu einem SAR-Bild mit erhöhter geometrischer Auflösung zusammengesetzt werden. Hierbei sind die Abstände unter den Trägerplattformen in Flugrichtung und die Blickwinkel der Antennen so ausgelegt, dass unterschiedliche räumliche Spektralbereiche des vom Boden rückgestreuten Signals mit einer gewissen Überlappung der Azimut- bzw. Dopplerspektren aufgenommen werden. Mit diesem bekannten SAR-System kann ein kontinuierlicher und relativ breiter Bodenstreifen bereits mit hoher Auflösung aufgenommen werden.
Bei diesem bekannten Verfahren müssen die Satelliten aber einen relativ großen Abstand voneinander aufweisen, der in der Größenordnung der synthetischen Apertur liegt. Dieser Abstand wäre für Anwendungen in der Interferometrie zu groß.
Durch die Erfindung soll es aufgabengemäß möglich gemacht werden, eine erhöhte Auflösung auch mit eng benachbart fliegenden Sensor-Plattformen zu erreichen. Der Erfindung liegt darüber hinaus auch die Aufgabe zu Grunde, zur Fernerkundung der Erdoberfläche ein neuartiges Multi-Mode-Synthetik-Apertur-Radarsystem zu schaffen, das bei Erfassung einer großen Bodenstreifenbreite eine deutlich erhöhte geometrische Auflösung entlang des gesamten Flugstreifens realisiert. Dabei soll eine Realisierung mit mehreren satelliten- oder fluggerätegetragenen Sensorplattformen, aber im Gegensatz zu EP-1 065 518 B1 auch eine Realisierungsform mit nur einer einzigen satelliten- oder fluggerätegetragenen Sensorplattform ermöglicht werden. Darüber hinaus sollen damit Anwendungen in der SAR-Interferometrie möglich sein.
Gemäß der Erfindung, die sich auf ein Radarsystem der eingangs genannten Art bezieht, werden für eine Realisierung mit mehreren Sensorplattformen diese Aufgaben in vorteilhafter Weise dadurch gelöst, dass die n Antennen der n parallel arbeitenden Sende-/Empfangseinheiten, die sich in einer Gruppenformation auf n Trägerplattformen, d. h. auf n Satelliten bzw. auf n Fluggeräten, über der Erdoberfläche bewegen, so auf den Bodenstreifen ausgerichtet sind, dass sich ihre Antennenkeulen durch die unterschiedlichen Blickwinkel unter Überlappung ihrer Antennen-Leuchtflecken, d. h. ihrer Radar-Footprints, am Boden in Streifenlängsrichtung, d. h. in der Flugrichtung, aneinanderreihen, dass die Sende-/Empfangseinheiten mit spektral verschiedenen Radar-Sendefrequenzbändern arbeiten und dass beim Überflug über einen Bodenbereich die verwendeten spektral verschiedenen Radar-Sendefrequenzbänder der ver schiedenen Sende-/Empfangseinheiten so durchgeschaltet werden, dass ein Zielbereich des Bodenstreifens durch Anwendung einer Permutation der spektral verschiedenen Radar-Sendefrequenzbänder der Sende-/Empfangseinheiten mit dem Intervall der Antennenaperturzeit immer mit dem gleichen Sendespektrum belegt wird, wobei die Sender der n Sende-/Empfangseinheiten mit ihren spektral verschiedenen Radar-Sendefrequenzbändern gleichzeitig senden und im Signalprozessor durch Filterung die einzelnen Spektralbereiche wieder zugeordnet werden.
Für eine Realisierung mit nur einer einzigen Sensorplattform werden die gestellten Aufgaben in vorteilhafter Weise dadurch gelöst, dass die n parallel arbeitenden Sende-/Empfangseinheiten auf einer gemeinsamen, sich über der Erdoberfläche bewegenden Trägerplattform, d. h. auf einem Satelliten bzw. Fluggerät mit Hilfe eines gemeinsamen Antennensystems betrieben werden, dessen n Antennenkeulen so auf den Bodenstreifen ausgerichtet werden, dass sie sich durch die unterschiedlichen Blickwinkel unter Überlappung ihrer Antennen-Leuchtflecken, d. h. ihrer Radar-Footprints, am Boden in Streifenlängsrichtung, d. h. in der Flugrichtung, aneinanderreihen, dass die Sende-/Empfangseinheiten mit spektral verschiedenen Radar-Sendefrequenzbändern arbeiten und dass beim Überflug über einen Bodenbereich die verwendeten spektral verschiedenen Radar-Sendefrequenzbänder der verschiedenen Sende-/Empfangseinheiten so durchgeschaltet werden, dass ein Zielbereich des Bodenstreifens durch Anwendung einer Permutation der spektral verschiedenen Radar-Sendefrequenzbänder der Sende-/Empfangseinheiten mit dem Intervall der Antennenaperturzeit immer mit dem gleichen Sendespektrum belegt wird, wobei die Sender der n Sende-/Empfangseinheiten mit ihren spektral verschiedenen Radar-Sendefrequenzbänder gleichzeitig senden und im Signalprozessor durch Filterung die einzelnen Spektralbereiche wieder zugeordnet werden.
Außerdem wird die Aufgabe mit einem Radar- verfahren gemäß Patentanspruch 9 gelöst.
Die Vergrößerung der Beleuchtungszeit eines Punktziels auf dem Bodenstreifen durch die erfindungsgemäße Verwendung von n SAR-Sende-/Empfangseinheiten ergibt eine n-fache Azimutauflösung im Vergleich zum üblichen SAR-System, da die gewonnene Azimut(Doppler)-Bandbreite durch die n Antennenkeulen annähernd n-fach vergrößert wird. Die Verwendung von n verschiedenen Radar-Sendefrequenz-Bändern ermöglicht es, dass n SAR-Sende-/Empfangseinheiten gleichzeitig senden können und später im Signalprozessor durch Filterung die einzelnen Spektral-Komponenten wieder richtig zugeordnet werden können.
In der Summe sind die nebeneinander gelegten Antennen-Leuchtflecken ("Radar Footprints") insgesamt so breit wie derjenige eines herkömmlichen SARs mit vergleichbarer Auflösung. Der Vorteil ist jedoch, dass die Pulswiederholrate um den Faktor n reduziert ist und dadurch eine viel höhere Streifenbreite möglich wird. Außerdem können die Sendeantennen n-mal so lang ausgelegt werden, was zu einer entsprechend verbesserten Leistungsbilanz führt.
Die n SAR-Sender und -Empfänger können entweder auf einer einzigen Trägerplattform oder aber auch auf n Trägerplattformen untergebracht werden, wobei die einzige Trägerplattform bzw. die n Trägerplattformen durch Satelliten oder Flugzeuge gebildet werden können.
Um die n Azimut-Spektralbereiche im Signalprozessor phasenrichtig zusammenfügen zu können, muss die Phasendifferenz zwischen den n Kanälen bestimmt werden. Um die Phasendifferenz zwischen den n Empfangskanälen zu messen, wird die Über lappung zwischen den Antennen-Leuchtflecken am Boden eingestellt. Hierfür sendet nur eine sich zentral befindende Sende-/Empfangseinheit, bei drei Sende-/Empfangseinheiten also die mittlere. Alle Sende-/Empfangseinheiten empfangen das Signal und aus dem Überlappungsbereich der Antennenflecken (Radar-Footprints) am Boden kann durch Interferogramm-Bildung die Phasendifferenz bestimmt werden.
Bei mehr als drei Sende-/Empfangseinheiten muss zur Bestimmung der Phasendifferenzen zwischen den Kanälen das Verfahren sukzessive weitergeführt werden. Dabei wird jede Sende-/Empfangseinheit einmal als Sender eingesetzt.
Die Einstellung einer Überlappung zwischen den Antennen-Leuchtflecken (Radar-Footprints) ist auch wichtig, um am Ende der Verarbeitungskette einen lückenlosen SAR-Bildstreifen zusammensetzen zu können.
Weiterhin ist es für Anwendungen in der SAR-Interferometrie notwendig, dass die Datenaufnahmen über einem bestimmten Gebiet am Boden mit dem gleichen Radar-Band erfolgen. Um auch hier einen gewissen Spielraum beim nahtlosen Zusammensetzen der Datensätze zu haben, ist es zweckmäßig, mit einer Überlappung zwischen den Antennen-Leuchtflecken zu arbeiten.
Es ist vorteilhaft, wenn die Satelliten möglichst in einer Bahn umlaufen oder Fluggeräte mit möglichst kleinem Versatz hintereinander herfliegen. Durch einen versetzten Flugweg ergibt sich nämlich ein Versatz der Spektren, d. h. der sogenannte "Wavenumber Shift", der das homogene Aneinanderfügen der n Teilspektren im Signalprozessor erschweren würde. Ist ein seitlicher Versatz der Flugbahnen nicht zu vermeiden, so kann der daraus resultierende spektrale Versatz durch Anpas sung der Sendespektren kompensiert werden, was als "Tunable INSAR" bezeichnet wird.
Für verschiedene Anwendungen in der SAR-Interferometrie werden wie bei der vorliegenden Erfindung Trägerplattformen-Formationen aus gleichartigen SAR-Satelliten vorgeschlagen. Diese Formationen können auch dazu verwendet werden, um mit dem vorhergehenden Verfahren eine höhere Azimut-Auflösung zu erreichen. Insbesondere bietet sich eine Kombination mit der Along Track-Interferometrie an.
Wird neben der hohen Auflösung keine SAR-Interferometrie angestrebt, so liegt die einfachste Realisierungsform der Erfindung in der Nutzung nur einer Trägerplattform, wie z. B. einem Satelliten oder Fluggerät. Um die Antennenstrahlen, die sogenannten "Beams", unter den benötigten unterschiedlichen Winkeln zu erzeugen, werden nachfolgend hier vier Möglichkeiten angegeben.

a) An der Trägerplattform werden n Antennen einfacher Bauart unter verschiedenen Winkeln angebracht, so dass sie die n Bodenbereiche unter den notwendigen Blickwinkeln beleuchten. Dabei kann es sich um Planar-Antennen, wie z. B. Hohlleiter-Schlitzantennen oder Streifenleiter-Antennen, oder um Reflektorantennen handeln.
b) Statt mehrerer Reflektorantennen wie unter a) kann auch nur ein einziger Reflektor verwendet werden, wenn die Speisehörner, die sogenannten "Feeds", etwas versetzt bzw. leicht gedreht montiert werden. Dadurch ergeben sich leicht "schielende" Antennenkeulen, welche die gewünschten Bereiche am Boden beleuchten.
c) Ähnlich wie bei der unter b) angegebenen Möglichkeit kann mit einem einzigen Antennensystem ausgekommen werden, wenn eine elektronisch phasengesteuerte Antenne zur Verfügung steht. Die erforderlichen Antennenkeulen können in einer Sequenz nacheinander erzeugt und mit den korrespondierenden Sende-Spektralbereichen belegt werden.
d) Hochentwickelte phasengesteuerte Antennen, sogenannte "Multibeam Antennas", sind in der Lage, mehrere Anten nenkeulen gleichzeitig zu erzeugen. Damit können die benötigten versetzten Antennen-Leuchtflecken gleichzeitig mit dem korrespondierenden Sendeband belegt werden.

Es ist auch eine bistatische Arbeitsweise möglich, bei der die Sende- und Empfangseinheit jeweils auf einem anderen Träger untergebracht sind. Die Sendeeinheiten arbeiten, wie dies bereits beschrieben worden ist, und es bestehen die gleichen Ausgestaltungsmöglichkeiten. Für den Empfänger wird aber nur noch eine relativ kleine und einfache Antenne benötigt, da er dann über diese einzige Empfangsantenne das vom Boden rückgestreute Signal von allen n Leuchtflecken, den sogenannten Radar-Footprints, des n-kanaligen Sendesystems auf einmal empfangen kann. Der Empfänger wird dafür entsprechend breitbandig ausgelegt, so dass er die Bandbreite aller n Kanäle verarbeiten kann. Die Separierung der einzelnen Kanäle erfolgt durch Bandpassfilter im Analogteil des Empfängers oder durch Digitalfilter im Signalprozessor.
SAR-Interferometrie ist nur mit Datensätzen möglich, die im gleichen Spektralbereich aufgenommen worden sind. Um das vorliegende hochauflösende SAR-System auch interferometriefähig zu machen, ist es notwendig, bestimmte Bereiche am Boden immer mit dem gleichen Sendeband zu belegen. Zu Beginn einer Satellitenmission muss also festgelegt werden, mit welchem Sendeband die "Szenen" innerhalb eines Orbits beaufschlagt werden.
Innerhalb eines Orbits können die Umschaltzeitpunkte für die Sendespektrum-Permutation durch ein Navigationssystem oder einen GPS-Empfänger bestimmt werden. Eine "Szene" hat dabei die Länge einer synthetischen Apertur. In diesem Zusammenhang wird auf 7 hingewiesen, in der beispielhaft ein SAR-Bildstreifen und die an bestimmte geographische Koordinaten gekoppelten Umschaltzeitpunkte für die Sendefrequenz Permutation abgebildet sind.
Ganz grundsätzlich ist es auch möglich, die SAR-Sende-/Empfangseinheiten statt in einem engen Formationsflug in einer Konstellation zu betreiben, in welcher die zeitlichen Abstände zwischen den Aufnahmen der einzelnen Kanäle viel größer werden. Die Satelliten oder Fluggeräte würden also in großen Abständen hintereinander herfliegen. Wegen der zeitlichen Dekorrelation bestimmter Boden-Oberflächentypen wird durch das Radarsystem nach der Erfindung genau dieser Effekt vermieden. Für bestimmte Anwendungen lässt sich zwar von dem Vorteil Gebrauch machen, dass in diesem Fall, der bereits in der eingangs erwähnten EP-1 065 518 B1 abgehandelt ist, mit nur einem einzigen Sensor ausgekommen werden kann, was aber gravierende Nachteile bringt. Ein Satellit würde hier in jedem Orbitzyklus und ein Fluggerät durch wiederholten Anflug die n Datensätze, wie in den vorstehenden Ausführungen beschrieben, zwar mit n unterschiedlichen Aufnahmewinkeln und entsprechend vielen Dopplerspektren aufnehmen.
Bei einer solchen Vorgehensweise ist keine Permutation der Sendebandbreiten f₀, f₁, ..., f_n mehr erforderlich, da die Datenaufnahmen völlig separat voneinander stattfinden, und es können konventionelle SAR-Satelliten- oder -Flugzeugsysteme zum Einsatz kommen, aber es ergeben sich die durch die großen Zeitabstände der Überflüge entstehenden Nachteile im Hinblick auf die zeitliche Dekorrelation bestimmter Boden-Oberflächentypen.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Radarsystems nach der Erfindung sind in den unmittelbar oder mittelbar auf die Patentansprüche 1, 2 und 9 rückbezogenen Unteransprächen angegeben.
Das Radarsystem nach der Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 schematisch den Aufbau und die Wirkungsweise der Ausführungsform mit mehreren Trägerplattformen eines hochauflösenden Dreisatelliten-SAR-Systems nach der Erfindung,
2 schematisch die Permutation der Radar-Sendefrequenzbandbreiten mit dem Intervall der synthetischen Aperturzeit bei einem entsprechend 1 ausgebildeten Dreisatelliten-SAR-System,
3 schematisch die interferometrische Differenzphasenmessung in den Überlappungsbereichen der Radar-Antennenkeulen-Leuchtflecken bei einem entsprechend 1 ausgebildeten Dreisatelliten-SAR-System,
4 schematisch den Aufbau und die Wirkungsweise der Ausführungsform mit nur einer einzigen Trägerplattform eines hochauflösenden Einsatelliten-SAR-Systems nach der Erfindung,
5 schematisch die Permutation der Radar-Sendefrequenz bandbreiten mit dem Intervall der synthetischen Aperturzeit bei einem entsprechend 4 ausgebildeten Einsatelliten-SAR-System,
6 schematisch die interferometrische Differenzphasenmessung in den Überlappungsbereichen der Radar-Antennenkeulen-Leuchtflecken bei einem entsprechend 4 ausgebildeten Einsatelliten-SAR-System, und
7 einen SAR-Bildstreifen und die an bestimmte geographische Koordinaten gekoppelten Umschaltzeitpunkte für die Sendefrequenzbanbreite-Permutation.
In 1 ist schematisch in einer Momentaufnahme eine Gruppenformation von drei sich im Umlauf auf einer Bahn 1 um die Erde befindenden Satelliten 3, 4 und 5 dargestellt, die Trägerplattformen von drei getrennten SAR-Sende-/Empfangseinheiten oberhalb der Erdoberfläche 2 enthalten. Die Sendeantennen der drei SAR-Sende-/Empfangseinheiten sind zur Erdoberfläche 2 hin ausgerichtet, so dass durch die gegeneinander gespreizten Antennenkeulen in Seitensicht drei Leuchtflecken (Radar-Footprints) 6, 7 und 8 ausgeleuchtet werden. Im wesentlichen muss also der Antennenkeulen-Schielwinkel (englisch: "Squint Angle") der verschiedenen Sende- und Empfangsantennen unterschiedlich eingestellt werden.
In dem Beispiel schaut die Antenne von Satellit 3 nach vorn, nimmt also ein mehr zu positiven Dopplerfrequenzen verschobenes Dopplerspektrum auf. Die Antenne von Satellit 5 schaut im rechten Winkel zur Seite und würde im Idealfall ein um Null zentriertes Dopplerspektrum aufnehmen. Die Antenne von Satellit 4 schaut nach hinten und nimmt ein negatives Dopplerspektrum auf. Dabei sind die Antennen der drei parallel arbeitenden Sende-/Empfangseinheiten so auf einen Bodenstreifen 9 ausgerichtet, dass sich ihre Sendekeulen unter einer gewissen Überlappung ihrer Antennen-Leuchtflecken (Radar- Footprints) 6, 7 und 8 in Streifenlängsrichtung aneinanderreihen.
Die Abstände der drei Satelliten 3, 4 und 5, d. h. der drei Sende-/Empfangseinheiten, in Flugrichtung und die Blickwinkel der Antennen sind so ausgelegt, dass drei unterschiedliche räumliche Spektralbereiche des vom Boden rückgestreuten Signals mit einer gewissen Überlappung der Azimut- bzw. Doppler-Spektren aufgenommen werden. Die Sende-/Empfangseinheiten der drei Satelliten 3, 4 und 5 arbeiten mit verschiedenen Radar-Sendefrequenzbändern f₀, f₁ bzw. f₂. Die gewonnenen mehrfachen SAR-Datensätze werden mittels eines Signalprozessors phasenrichtig zu einem SAR-Bild mit erhöhter geometrischer Auflösung zusammengesetzt.
2 zeigt anhand einer aus drei von links nach rechts aufeinanderfolgenden Situationen bestehenden Folge, dass beim Überflug der Satelliten 3, 4 und 5 über einen Bodenbereich die verwendeten Radar-Sendefrequenzbänder f₀, f₁ und f₂ der verschiedenen Sende-/Empfangseinheiten so durchgeschaltet werden, dass ein einen Bodenpunkt 10 enthaltender Zielbereich des Bodenstreifens 9 durch Anwendung einer regelmäßigen Permutation der Radar-Sendefrequenzbänder f₀, f₁ bzw. f₂ der Sende-/Empfangseinheiten immer mit dem gleichen Sendespektrum belegt wird, im dargestellten Beispiel zuerst mit dem Antennen-Leuchtfleck 6 des Radar-Sendefrequenzbands f₀ des Satelliten 3, danach mit dem Antennen-Leuchtfleck 8 des permutierten Radar-Sendefrequenzbands f₀ des Satelliten 5, dann mit dem Antennen-Leuchtfleck 7 des erneut permutierten Radar-Sendefrequenzbands f₀ des Satelliten 4, und dann wieder von vorne in der gleichen Reihenfolge. Dies bedeutet, dass eine Permutation der Radar-Sendefrequenzbänder f₀, f₁ und f₂ mit dem Intervall der Antennenaperturzeit vorgenommen wird.
In 3 ist für das aus den drei Satelliten 3, 4 und 5 zusammengesetzte SAR-System nach 1 und 2 schematisch eine vorteilhafte Möglichkeit einer interferometrischen Differenzphasenmessung dargestellt. Die Phasendifferenz zwischen den drei Kanälen muss bestimmt werden, um die drei Azimut-Spektralbereiche phasenrichtig zusammenfügen zu können. Hierfür sendet nur die Sende-/Empfangseinheit des zentralen Satelliten 5 zur Erdoberfläche 2 hin Mikrowellenimpulssignale mit dem Radar-Sendefrequenzband f₂ aus und erfasst damit das Gebiet des Antennenkeulen-Leuchtflecks 8 am Bodenstreifen 9.
Alle drei getrennten Sende-/Empfangseinheiten der drei Satelliten 3, 4 und 5 empfangen das rückgestreute Signal aus dem Antennen-Leuchtfleck 8, da sich die für Empfang wirksamen Antennen-Leuchtflecken 6 und 7 der nicht sendenden Satelliten 3 und 4 mit dem durch den Satelliten 5 mit Sendeenergie versorgten Antennen-Leuchtfleck 8 überlappen. Aus den beiden Überlappungsbereichen der Antennen-Leuchtflecken (Radar-Footprints) 6, 7 und 8 kann somit die Phasendifferenz der drei Kanäle bestimmt werden. Mit den so gewonnenen Korrekturwerten werden im Signalprozessor die Spektren der einzelnen Kanäle beaufschlagt, um sie phasenrichtig zusammenfügen zu können.
In 4 ist analog zu 1 ebenfalls schematisch in einer Momentaufnahme ein einziger, sich im Umlauf auf einer Bahn 1 um die Erde befindender Satellit 11 dargestellt, der eine Trägerplattform von drei (n = 3) getrennten SAR-Sende-/Empfangseinheiten oder eine drei (n = 3) Antennenkeulen erzeugende phasengesteuerte Antenne aufweisen kann. In diesem Ausfüh rungsbeispiel ist zur Erzeugung der drei zur Erdoberfläche 2 hin zueinander gespreizten Antennenkeulen der drei SAR-Sende-/Empfangseinheiten eine für alle drei SAR-Sende-/Empfangseinheiten gemeinsame phasengesteuerte Antenne 12 vorgesehen, die so betrieben wird, dass durch die gespreizten Antennenkeulen in Seitensicht drei Leuchtflecken (Radar-Footprints) 6, 7 und 8 ausgeleuchtet werden.
Auch in diesem Beispiel ist eine erste Antennenkeule vom Satelliten 11 aus nach vorn gerichtet, nimmt also ein mehr zu positiven Dopplerfrequenzen verschobenes Dopplerspektrum auf. Die zweite, mittlere Antennenkeule verläuft vom Satelliten 11 senkrecht zum Erdboden 2 hin und nimmt im Idealfall ein um Null zentriertes Dopplerspektrum auf. Die dritte Antennenkeule schaut vom Satelliten 11 nach hinten und nimmt ein negatives Dopplerspektrum auf.
Dabei sind die drei gespreizten Antennenkeulen der drei parallel arbeitenden Sende-/Empfangseinheiten so auf einen Bodenstreifen 9 ausgerichtet, dass sich ihre Sendekeulen unter einer gewissen Überlappung ihrer Leuchtflecken (Radar-Footprints) 6, 7 und 8 in Streifenlängsrichtung aneinanderreihen. Die Blickwinkel der drei Antennenkeulen der gemeinsamen phasengesteuerten Antenne 12 sind so ausgelegt, dass drei unterschiedliche räumliche Spektralbereiche des vom Boden rückgestreuten Signals mit einer gewissen Überlappung der Azimut- bzw. Doppler-Spektren aufgenommen werden.
Die phasengesteuerte Antenne strahlt die Sendefrequenzbänder f₀, f₁ bzw. f₂ in schneller Folge nacheinander ab. Synchron dazu wird der Strahl auf den korrespondierenden Leuchtfleck eingestellt. Die gewonnenen mehrfachen SAR-Datensätze werden mittels eines Signalprozessors phasenrichtig zu einem SAR-Bild mit erhöhter geometrischer Auflösung zusammengesetzt. Auf diese Weise kann das System mit einzelnen SAR-Satelliten wie TerraSAR-X und Cosmo Sky-Med realisiert werden.
5 zeigt analog zu 2 anhand einer aus drei von links nach rechts aufeinanderfolgenden Situationen bestehenden Folge, dass beim Überflug des Satelliten 11 über einen Bodenbereich die verwendeten Radar-Sendefrequenzbänder f₀, f₁ und f₂ der verschiedenen Sende-/Empfangseinheiten so durchgeschaltet werden, dass ein einen Bodenpunkt 10 enthaltender Zielbereich des Bodenstreifens 9 durch Anwendung einer regelmäßigen Permutation der Radar-Sendefrequenzbänder f₀, f₁ bzw. f₂ der Sende-/Empfangseinheiten immer mit dem gleichen Sendespektrum belegt wird, im dargestellten Beispiel zuerst mit dem Antennen-Leuchtfleck 6 des Radar-Sendefrequenzbands f₀ der Antenne 12 des Satelliten 11, danach mit dem Antennen-Leuchtfleck 8 des permutierten Radar-Sendefrequenzbands f₀ der Antenne 12 des Satelliten 11, dann mit dem Antennen-Leuchtfleck 7 des erneut permutierten Radar-Sendefrequenzbands f₀ der Antenne 12 des Satelliten 11, und dann wieder von vorne in der gleichen Reihenfolge. Dies bedeutet, dass eine Permutation der Radar-Sendefrequenzbänder f₀, f₁ und f₂ mit dem Intervall der Antennenaperturzeit vorgenommen wird.
In 6 ist analog zu 3 für das aus dem einzigen Satelliten 11 bestehende SAR-System nach 4 und 5 schematisch eine vorteilhafte Möglichkeit einer interferometrischen Differenzphasenmessung dargestellt. Die Phasendifferenz zwischen den drei Kanälen muss bestimmt werden, um die drei Azimut-Spektralbereiche phasenrichtig zusammenfügen zu können. Hierfür werden nur über die mittlere Antennenkeule der gemeinsa men Antenne 12 der Sende-/Empfangseinheiten des Satelliten 11 zur Erdoberfläche 2 hin Mikrowellenimpulssignale mit der Radar-Sendefrequenzbandbreite f₂ ausgesendet.
Damit wird das Gebiet des Antennen-Leuchtflecks 8 am Bodenstreifen 9 erfasst. Alle drei getrennten Sende-/Empfangseinheiten des einzigen Satelliten 11 empfangen das rückgestreute Signal aus dem Antennen-Leuchtfleck 8, da sich die für Empfang wirksamen Antennen-Leuchtflecken 6 und 7 der gemeinsamen Antenne 12 des Satelliten 11 mit dem durch den Satelliten 11 mit Sendeenergie versorgten Antennen-Leuchtfleck 8 überlappen. Aus den beiden Überlappungsbereichen der Antennen-Leuchtflecken (Radar-Footprints) 6, 7 und 8 kann somit die Phasendifferenz der drei Kanäle bestimmt werden.
SAR-Interferometrie ist nur mit Datensätzen möglich, die im gleichen Spektralbereich aufgenommen worden sind. Damit das hochauflösende SAR-System nach der vorliegenden Erfindung interferometriefähig wird, werden bestimmte Bereiche am Boden immer mit der gleichen Sendebandbreite belegt. Zu Beginn einer Satellitenmission wird festgelegt, mit welcher Sendebandbreite die "Szenen" innerhalb eines Orbits beaufschlagt werden. Innerhalb eines Orbits lassen sich die Umschaltzeitpunkte für die Sendespektrum-Permutation durch ein Navigationssystem oder einen GPS-Empfänger bestimmen.
Eine "Szene" weist die Länge einer synthetischen Apertur auf. In diesem Zusammenhang wird auf 7 verwiesen, in der als Beispiel ein SAR-Bildstreifen 13 und die an bestimmte geographische Koordinaten gekoppelten Umschaltzeitpunkte für die Sendefrequenzband-Permutation dargestellt sind. 7 zeigt die Besonderheit des Radarsystems nach der vorliegenden Erfindung, wonach bestimmte Bereiche im Verlauf des SAR-Bild streifens 13 mit einem unterschiedlichen Frequenzband aufgenommen werden. Die Umschaltzeitpunkte zwischen den drei Sendefrequenzbändern f₀, f₁ und f₂ werden bestimmten geographischen Koordinaten, die sich in Angaben von Längengraden 14 und Breitengraden 15 und Teilen davon ausdrücken lassen, zugeordnet, um SAR-Interferometrie zu ermöglichen.

1: Umlaufbahn
2: Erdoberfläche
3, 4, 5: Satelliten mit Sende-/Empfangseinheit
6, 7, 8: Antennenkeulen-Leuchtflecken (Radar-Footprints)
9: Bodenstreifen
10: Punktziel; Zielbereich
11: Satellit mit Sende-/Empfangseinheiten
12: Gemeinsame Antenne
13: SAR-Bildstreifen
14: Längengrade
15: Breitengrade
f₀, f₁, f₂: Radar-Sendefrequenzbänder

Claims

Hochauflösendes Synthetik-Apertur-Seitensicht-Radarverfahren unter Verwendung mehrerer sich über der Erdoberfläche bewegender satelliten- oder fluggerätegetragener SAR-Sende- und Empfangseinheiten, die jeweils eine Antenne aufweisen, deren Antennenkeule zur Erfassung eines Bodenstreifens auf den Erdboden ausgerichtet ist, wobei die Blickwinkel der n in ihren Strahlungsrichtungen auseinander gespreizter Antennenkeulen so ausgelegt werden, dass n unterschiedliche Azimut-Spektren des vom Boden rückgestreuten Signals mit einer Überlappung aufgenommen werden, und die gewonnenen mehrfachen SAR-Datensätze mittels eines Signalprozessors phasenrichtig zu einem SAR-Bild mit erhöhter geometrischer Auflösung zusammengesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die n Antennen der n parallel arbeitenden Sende- und Empfangseinheiten, die sich in einer Gruppenformation auf n Satelliten (3, 4, 5) bzw. Fluggeräten über der Erdoberfläche (2) bewegen, so auf den Bodenstreifen (9) ausgerichtet sind, dass sich ihre Antennenkeulen durch die unterschiedlichen Blickwinkel unter Überlappung ihrer Antennen-Leuchtflecken (6, 7, 8) am Boden in der der Flugrichtung entsprechenden Streifenlängsrichtung aneinanderreihen, dass die Sende- und Empfangseinheiten mit spektral verschiedenen Radar-Sendefrequenzbändern (f₀, f₁, f₂) arbeiten und dass beim Überflug über einen Bodenbereich die verwendeten spektral verschiedenen Radar-Sendefrequenzbänder der verschiedenen Sende- und Empfangseinheiten so durchgeschaltet werden, dass ein Zielbereich (10) des Bodenstreifens durch Anwendung einer Permutation der spektral verschiedenen Radar-Sendefrequenzbänder der Sende- und Empfangseinheiten mit dem Intervall der Antennenaperturzeit immer mit dem gleichen Sendespektrum belegt wird, wobei die Sender der n Sende- und Empfangseinheiten mit ihren spektral verschiedenen Radar-Sendefrequenzbändern gleichzeitig senden und im Signalprozessor durch Filterung die einzelnen Spektralbereiche wieder zugeordnet werden.
Hochauflösendes Synthetik-Apertur-Seitensicht-Radarverfahren unter Verwendung mehrerer sich über der Erdoberfläche bewegender satelliten- oder fluggerätegetragener SAR-Sende- und Empfangseinheiten, die jeweils eine Antenne aufweisen, deren Antennenkeule zur Erfassung eines Bodenstreifens auf den Erdboden ausgerichtet ist, wobei die Blickwinkel der n in ihren Strahlungsrichtungen auseinander gespreizten Antennenkeulen so ausgelegt werden, dass n unterschiedliche Azimut-Spektren des vom Boden rückgestreuten Signals mit einer Überlappung aufgenommen werden, und die gewonnenen mehrfachen SAR-Datensatze mittels eines Signalprozessors phasenrichtig zu einem SAR-Bild mit erhöhter geometrischer Auflösung zusammengesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die n parallel arbeitenden Sende- und Empfangseinheiten auf einem gemeinsamen, sich über der Erdoberflache (2) bewegenden Satelliten (11) bzw. Fluggerät mit Hilfe eines gemeinsamen Antennensystems (12) betrieben werden, dessen n Antennenkeulen so auf den Bodenstreifen (9) ausgerichtet werden, dass sie sich durch die unterschiedlichen Blickwinkel unter Überlappung ihrer Antennen-Leuchtflecken (6, 7, 8) am Boden in der der Flugrichtung entsprechenden Streifenlängsrichtung aneinanderreihen, dass die Sende- und Empfangseinheiten mit spektral verschiedenen Radar-Sendefrequenzbändern (f₀, f₁, f₂) arbeiten und dass beim Überflug über einen Bodenbereich die verwendeten spektral verschiedenen Radar-Sendefrequenzbänder der verschiedenen Sende- und Empfangseinheiten so durchgeschaltet werden, dass ein Zielbereich (10) des Bodenstreifens durch Anwendung einer Permutation der spektral verschiedenen Radar-Sendefrequenzbänder der Sende- und Empfangseinheiten mit dem Intervall der Antennenaperturzeit immer mit dem gleichen Sendespektrum belegt wird, wobei die Sender der n Sende- und Empfangseinheiten mit ihren spektral verschiedenen Radar-Sendefrequenzbändern gleichzeitig senden und im Signalprozessor durch Filterung die einzelnen Spektralbereiche wieder zugeordnet werden.
Radarverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlappungen so eingestellt werden, dass die Phasendifferenzen zwischen den n Empfangskanälen messbar sind und ein Spielraum für das nahtlose Zusammensetzen des endgültigen SAR-Bildstreifens gewonnen wird.
Radarverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur phasenrichtigen Zusammenfügung der n Azimut-Spektralbereiche im Signalprozessor die Phasendifferenzen zwischen den n Empfangskanälen bestimmt werden, dass hierfür ausschließlich eine zentral fliegende Sende- und Empfangseinheit sendet und alle Sende- und Empfangseinheiten das am Bodenstreifen (9) rückgestreute Signal empfangen, dass aus den im Überlappungsbereich der Antennen-Leuchtflecken (6, 7, 8) am Boden rückgestreuten Signalen durch Interferogramm-Bildung die jeweiligen Phasendifferenzen bestimmt werden und dass bei mehr als drei Sende- und Empfangseinheiten zur Bestimmung der Phasendifferenzen zwischen den Kanälen das Verfahren sukzessive weitergeführt wird, wobei jede Sende- und Empfangseinheit einmal als Sender eingesetzt wird.
Radarverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die n in Flugrichtung versetzten Antennen-Leuchtflecken (6, 7, 8) auf der Erdoberflache (2) mittels n, den n Sende- und Empfangseinheiten des gemeinsamen Satelliten bzw. Fluggeräts zugeteilten Reflektorantennen erzeugt werden.
Radarverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die n in Flugrichtung versetzten Antennen-Leuchtflecken (6, 7, 8) auf der Erdoberflache (2) mittels einer auf dem gemeinsamen Satelliten (11) bzw. Fluggerät untergebrachten Reflektorantenne mit n, den n Sende- und Empfangseinheiten zugeteilten und in Flugrichtung des Satelliten bzw. Fluggeräts leicht versetzt oder gedreht angeordneten Speisehörnern er zeugt werden, so dass n leicht schielende Antennenkeulen entstehen.
Radarverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine phasengesteuerte Antenne die n in Flugrichtung versetzten Antennen-Leuchtflecken (6, 7, 8) auf der Erdoberfläche (2) kurz nacheinander erzeugt und mit den erforderlichen spektral verschiedenen Sendebändern (f₀, f₁, f₂) belegt.
Radarverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die n in Flugrichtung versetzten und mit den erforderlichen spektral verschiedenen Sendebändern (f₀, f₁, f₂) belegten Antennen-Leuchtflecken (6, 7, 8) auf der Erdoberfläche (2) mittels eines auf dem gemeinsamen Satelliten (11) bzw. Fluggerät untergebrachten, den n Sende- und Empfangseinheiten gemeinsam zugeteilten "Multibeam"-Antennensystems (12) gleichzeitig erzeugt werden.
Radarverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Merkmal, dass die Antenne als Sende- und Empfangsantenne arbeitet, durch das Merkmal, dass die Sende- und Empfangsantenne bistatisch getrennt sind, so dass von einer einfachen Empfangsantenne mit großem Öffnungswinkel alle n Kanäle gleichzeitig empfangen werden können, ersetzt wird.
Radarverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erreichen von Interferometriefähigkeit bestimmte Bereiche am Boden im Verlauf eines SAR-Bildstreifens (13) immer mit dem gleichen spektralen Sendefrequenzband belegt werden, wobei zu Beginn einer Satelliten- oder Fluggerätemission festgelegt wird, mit welchem der spektralen Sendefrequenzbänder die "Szenen" innerhalb eines Satellitenorbits bzw. Fluggerätüberflugs beaufschlagt werden, und dass dazu innerhalb eines Satellitenorbits bzw. Fluggerätüberflugs die Umschaltzeitpunkte für die spektrale Sende frequenzband-Permutation durch ein Navigationssystem oder einen GPS-Empfänger bestimmt werden, wobei eine "Szene" die Lange einer synthetischen Apertur hat.
Radarverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltzeitpunkte für die Permutation der spektralen Sendefrequenzbänder bestimmten geographischen Koordinaten zugeordnet sind, die sich als Längengrad (14) und Breitengrad (15) und Teilen davon angeben lassen.
Radarverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Satelliten in ein und derselben Bahn umlaufen bzw. die Fluggeräte mit möglichst kleinem seitlichen Versatz hintereinander herfliegen.
Radarverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus einem vorhandenen seitlichen Versatz der Flugbahnen der Satelliten bzw. Fluggeräte resultierender spektraler Versatz durch Anpassung der Sendespektren kompensiert wird.