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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur effizienten Bilderzeugung für
SAR-Sensoren.
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Stand der Technik
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Aus
Veröffentlichungen sind verschiedene Ansätze zur
Datenprozessierung von SAR-Sensoren bekannt. Mit steigenden Anforderungen
an die geometrische Auflösung und Phasentreue wurden diese kontinuierlich
erweitert und verbessert.
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Den
nächstliegenden Stand der Technik zur vorliegenden Anmeldung
stellt die
DE 197
57 309 C1 dar. Darin wird ein Verfahren zur Verarbeitung
von Spotlight SAR-Rohdaten beschrieben.
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Aufgabe
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur effizienten
Verarbeitung von Rohdaten von SAR-Sensoren zur Bilderzeugung mit
sehr hoher geometrischer Auflösung zu schaffen.
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Lösung der Aufgabe
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Zur
Lösung der Aufgabe führen die Merkmale des Haupanspruchs
1.
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Zur
Erzielung von Rohdaten mit hoher geometrischer Auflösung
in Bewegungsrichtung des Sensors (Azimut) mit dem SAR-Verfahren
wird sensorseitig das Slipping Spotlight-Verfahren (SlipSAR, auch
Sliding Spotlight oder Hybrid-Verfahren) eingesetzt, bei dem die
SAR-Antennenausrichtung entgegen der Bewegungsrichtung des Sensors
nachgeführt wird, um so eine verlängerte Beleuchtungsdauer
des abzubildenden Gebietes gegenüber der normalen, starren
Queraborientierung beim Streifen-SAR zu erreichen.
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Als
Folge dieser Aufnahmetechnik unterscheiden sich die Kurven der Entfernungsänderung über
der Zeit (Range-Walk) für Ziele an unterschiedlichen Azimutpositionen
voneinander. Durch diese Asymmetrie der Walkkurven muss bei der
Abtastung im Sensor ein größerer Entfernungsbereich
erfasst werden als für Streifen-SAR-Aufnahmen. Das Verhältnis
von nutzbarem Entfernungsbereich und durch die Asymmetrie bedingtem
Zusatzbereich wird umso ungünstiger, je größer
die Anforderung an die Azimutauflösung ist. Die aus dem
Stand der Technik bekannten Prozessierungsverfahren büßen
dadurch ihre Effizienz ein.
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Figurenbeschreibung
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in
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1a ein
rangekomprimiertes Signal von drei in Flugrichtung hintereinander
liegenden Punktzielen im Zeitbereich;
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1b Signal
gemäss 1a nach Durchführung
einer ersten Verschiebung;
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1c Signal
gemäss 1b nach Anwendung der Global
Walk Korrektur;
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1d Signal
gemäss 1c nach Durchführung
der zweiten Verschiebung;
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2 Übersicht
der einzelnen Prozessierungsschritte.
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1a zeigt
ein rangekomprimiertes Signal 1 in einem Zeitbereich 2 wobei
die x-Achse die Azimutzeit 3 und die y-Achse die Schrägentfernung 4 darstellt.
Die dünne Linie zeigt den Rangewalk 5, die dicke
Linie den durch eine nicht dargestellte Antenne beleuchteten Bereich 6.
Die gekennzeichneten Stellen 7.1, 7.2, 7.3 stellen
die Nulldurchgänge der Dopplerphase dar.
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Das
Verfahren beginnt mit den in Entfernungsrichtung 4 komprimierten
komplexen Rohdaten, also der Signale 1 des SAR-Sensors
entsprechend 1a. Wie bei dem bekannten SPECAN-Verfahren
wird zunächst eine Phasenfunktion φDech,
die so genannte Dechirp-Funktion in Azimutrichtung 3 auf
die Daten multipliziert. Zusätzlich wird jedoch eine Verschiebung 9 der
Signale 1 in Entfernungsrichtung 4 durchgeführt,
die gemäß einer geeigneten Polynomfunktion ΔRGW(taz) 8 von
der Azimutzeit 3 abhängt. Entsprechend 1b führt
diese Globale Korrektur der relativen Entfernungänderung (Global
Walk Korrektur) dazu, dass zum einen die relative Entfernungsänderung
aller Ziele minimiert wird und zum anderen für alle Ziele
näherungsweise die gleiche Form hat. Wie in 1b dargestellt,
haben die Walkkurven 6.4, 6.5, 6.6 der
beleuchteten Abschnitte jetzt die gleiche Form. Durch diesen Schritt wird
der nachfolgende Aufwand für die Korrektur des Rangewalks 5 minimiert.
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Durch
eine anschliessende Fourier-Transformation in Azimutrichtung 3 werden
die Daten 1 in den Entfernungszeit 4 – Azimutfrequenzbereich 3 transformiert,
der in diesem Fall aufgrund der vorherigen Anwendung der Dechirpfunktion
auch als SPECAN-Bereich bezeichnet wird.
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1c zeigt
den nächsten Schritt des Verfahrens. Dieser beginnt mit
der Multiplikation des Signals 1 in Azimutrichtung 3 mit
einer angepassten quadratischen Phasenfunktion φs1, die eine symmetrische Azimutverschiebung
der Signale 1 im Azimutzeitbereich 3 bewirkt.
Durch diese erste symmetrische Azimutverschiebung werden die Dopplerphasenverläufe 7.1,. 7.2, 7.3 aller
Ziele zur Deckung gebracht, so dass anschliessend im Azimutzeitbereich die
Dopplerphase 7.1–7.3 für alle
Ziele gleichzeitig korrigiert werden kann. Darüber hinaus
kann nach diesem Schritt eine Korrektur der nichtquadratischen Rangewalk-Anteile
und der entfernungsabhängigen Krümmungsänderung
des Rangewalks erfolgen (z. B. mit Hilfe der Chirp-z-Transformation
in Entfernungsrichtung), da sich ohne die Globale Walk Korrektur
in diesem Zustand die Walkkurven 6.7–6.9 übereinander
befinden würden.
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Die
Zweite symmetrische Azimutverschiebung, wiederum als Multiplikation
mit einer quadratischen Phasenfunktion φs2 im
SPECAN-Bereich durchgeführt, führt zu der in 1d gezeigten
Situation – die Restwalkkurven 6.10–6.12 aller
Ziele sind auf die gleiche Azimutzeitposition 10 verschoben
und können, da sie nun auch alle den gleichen Verlauf haben,
in einem einzigen Schritt korrigiert werden.
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Nach
der Korrektur des Restwalks liegen die Signale der einzelnen Ziele
ohne Entfernungsänderung vor und können mit Hilfe
einer Fourier-Transformation wie im Standard-SPECAN-Verfahren fokussiert
werden.
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Die
Funktionsweise der vorliegenden Erfindung ist folgende:
2 skizziert
einen schematischen Überblick eines besonders bevorzugten
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens.
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1) Rangekompression
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In
diesem Schritt werden die Rohdaten 6.1–6.3 in
Entfernungsrichtung durch Bearbeitung mit einem angepassten Filter
zu einem Puls komprimiert. Die Art der Pulsmodulation (linearer
Chirp oder andere Pulsform) ist für den nachfolgenden Algorithmus
nicht relevant.
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2) Globale Walk Korrektur
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Durch
eine azimutzeitabhängige Verschiebung in Entfernungsrichtung
wird ein Großteil der auftretenden Entfernungsänderung
kompensiert und die verbleibende Entfernungsänderung für
alle Ziele
7.1–
7.3, welche bei der gleichen
Schrägentfernung
4 liegen, in eine annähernd
gleiche Form gebracht. Die Verschiebungsfunktion
8 hat
die Form eines Polynoms, in einer speziellen Realisierung kann das
Polynom wie folgt angesetzt werden:
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Hierin
ist v die in den beleuchteten Streifen 6 projizierte Sensorgeschwindigkeit,
R0 die Schrägentfernung 4 zum
betrachteten Ziel 7.1–7.3 und F der Slipspot-Faktor,
der die Verlangsamung der Bewegung des durch die Antenne beleuchteten
Flecks auf der Oberfläche gegenüber der Sensorgeschwindigkeit
beschreibt, d. h. F = v/vspot.
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3) Dechirp-Funktion
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Die
Dechirp-Funktion bewirkt eine Umsetzung des näherungsweise
linearen Dopplerfrequenzverlaufs der Ziele
7.1–
7.3 in
näherungsweise monofrequente Zeitsignale. Die Dechirp-Funktion
ist eine Phasenfunktion mit polynomialer Abhängigkeit von
der Azimutzeit. Eine spezielle Realisierung dieses Polynoms ist
z. B.:
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Hierin
ist λ die Wellenlänge, die der Mittenfrequenz
des Sendesignals entspricht.
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4) Azimut FT
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Durch
eine Vorwärts-Fourier-Transformation werden die Azimutsignale
in den SPECAN-(Entfernungszeit/Azimutfrequenz) Bereich transformiert.
Die FT kann dabei vorteilhaft als schnelle FT (FFT) oder durch andere
Algorithmen realisiert werden.
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5) Erste symmetrische Azimutverschiebung
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Die
erste symmetrische Azimutverschiebung wird durch Multiplikation
mit einer quadratischen Phasenfunktion
erreicht. Hierin ist f die
Dopplerfrequenz und FM die lineare Dopplerrate für die
betrachtete Schrägentfernung R
0.
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6) Azimut IFT
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Mittels
einer Inversen Fourier-Transformation werden die Azimutsignale in
den Zeitbereich zurücktransformiert.
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7) Korrektur des nicht-quadratischen Rangewalks und
der Änderung der Walkkrümmung
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In
diesem Schritt können durch eine azimutzeitabhängige
Verschiebung der Signale auf der Entfernungsachse die nicht-quadratischen
Anteile der Entfernungsänderung korrigiert werden. Die
Verschiebungsfunktion ist dabei allgemein von der Aufnahmegeometrie
abhängig. An dieser Stelle kann ebenfalls eine Vereinheitlichung
der Krümmung der Walkkurven erfolgen. Dies ist z. B. mit
Hilfe einer Chirp-z-Transformation möglich, die durch eine
azimutzeitabhängige Skalierung der Signale in Entfernungsrichtung
ein einheitliches Krümmungsverhalten für unterschiedliche
Schrägentfernungen herstellt.
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8) Korrektur des Rest-Dopplerphasenverlaufs
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Durch
Multiplikation mit einer Phasenfunktion ☐Dopp,
die den durch die Dechirpfunktion nicht korrigierten Anteil des
Dopplerphasenverlaufs für ein Ziel bei der betrachteten
Schrägentfernung beschreibt, wird der Dopplerphasenverlauf
für Ziele bei der betrachteten Schrägentfernung
vollständig korrigiert und für Ziele bei anderen
Schrägentfernungen auf einen quadratischen Rest reduziert,
der in der Nachverarbeitung kompensiert wird.
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9) Azimut FT
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10) Zweite symmetrische Azimutverschiebung
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Die
zweite symmetrische Azimutverschiebung wird wiederum durch Multiplikation
der Azimutsignale mit einer Phasenfunktion
erreicht. Hierdurch wird
zum einen die erste Azimutverschiebung rückgängig
gemacht, als auch der zweite Verschiebungsbetrag realisiert, der
zur Vorbereitung der Restwalk-Korrektur in Schritt 12 dient.
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11) Azimut IFT
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12) Korrektur des Restwalks
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In
diesem Schritt wird die restliche Entfernungsänderung,
die durch die vorangegangenen Maßnahmen nun für
alle Ziele gleich ist, korrigiert. Dies kann z. B. durch Faltung
mit der entsprechenden Referenzfunktion bzw. durch Multiplikation
mit dem zweidimensionalen Spektrum der Referenzfunktion im Entfernungsfrequenz-/Azimutfrequenz-Bereich
erfolgen.
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13) Azimut FT
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14) Nachverarbeitung
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Zur
endgültigen Fokussierung der Bilddaten muss in diesem Schritt
noch der verbleibende entfernungsabhängige quadratische
Phasenanteil korrigiert werden. Darüber hinaus können
in diesem Schritt die Effekte der Global Walk Korrektur und der zweiten
symmetrischen Azimutverschiebung rückgängig gemacht
werden, um ein geometrisch einwandfreies und phasentreues Bild zu
erhalten. Bezugszeichenliste
| 1 | Signal |
| 2 | Zeitbereich |
| 3 | Azimutzeit |
| 4 | Schrägentfernung |
| 5 | Rangewalk |
| 6 | beleuchteter
Bereich |
| 7 | Nulldurchgang |
| 8 | Pollynomfunktion |
| 9 | Verschiebeung |
| 10 | Azimutfunktion |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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