DE102009015246A1

DE102009015246A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erkennung von Ölverschmutzung auf Wasserflächen

Info

Publication number: DE102009015246A1
Application number: DE102009015246A
Authority: DE
Inventors: Hans Martin Prof. Dr.-Ing. Braun
Original assignee: RST Raumfahrt Systemtechnik GmbH
Current assignee: RST Raumfahrt Systemtechnik GmbH
Priority date: 2009-04-01
Filing date: 2009-04-01
Publication date: 2010-10-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung von Ölverschmutzung auf Wasserflächen, welche folgende Elemente enthält: Zumindest eine Sende-/Empfangsvorrichtung, welche bewegbar ist und mittels welcher gepulste Radarstrahlung erzeugbar ist,
eine Aufteileinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, ein empfangenes Radarecho in eine Mehrzahl von Empfangswinkelbereiche zu unterteilen, welche jeweils einen Flächenbereich auf der Wasserfläche repräsentieren, eine erste Integrationseinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, die Intensität einer Mehrzahl aufeinanderfolgender Radarechos aus demselben Empfangswinkelbereich zu integrieren und eine zweite Integrationseinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, die Intensität einer Mehrzahl unterschiedlicher Empfangswinkelbereiche zu integrieren. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erkennung von Ölverschmutzung auf Wasserflächen mittels eines Radarsystems mit synthetischer Apertur.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erkennung von Ölverschmutzung auf Wasserflächen, bei welchem mittels zumindest einer Sende-/Empfangsvorrichtung, welche bewegbar ist und mittels welcher gepulste Radarstrahlung erzeugbar ist, die zu überwachende Wasserfläche mit gepulster Radarstrahlung beleuchtet wird, wobei durch digitale Signalverarbeitung der empfangenen Radarechos Flächenbereiche mit aufliegender Ölverschmutzung von Flächenbereichen ohne Ölverschmutzung unterschieden werden. Vorrichtungen der eingangs Art werden im Regelfall mittels Flugzeugen über die zu überwachende Wasserfläche bewegt, um insbesondere Ölverschmutzung aufzuspüren, welche durch illegale Altölentsorgung durch Schiffe erzeugt wurde.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, ein Seitensichtradar auf einem Flugzeug zur Überwachung von Wasserflächen in küstennahen Ozeanregionen einzusetzen. Diese Flugzeuge fliegen meist unterhalb der Wolkendecke in einer Höhe von etwa 300 m bis etwa 500 m und überwachen mittels des Seitensichtradars einen Streifen von etwa 40 km Breite. Dadurch beträgt der Einfallswinkel zwischen der Wasseroberfläche und dem einfallenden Radarstrahl nur etwa 0,4° bis 0,75°. Dies hat zur Folge, dass nur ein geringer Anteil der ausgesandten Strahlungsenergie als Radarecho zum aussendenden Flugzeug reflektiert wird. Um dennoch Radarbilder zu erzeugen, welche eine Ölverschmutzung möglichst eindeutig erkennen lassen, ist daher eine große Sendeleistung von mehr als 20 kW sowie eine möglichst große Empfangsantenne erforderlich, um einen großen Antennengewinn zu realisieren. Daher erreichen die eingesetzten Antennen nicht selten Längen von mehreren Meter. Aufgrund des hohen Energie einsatzes und der großen Antennen können daher die bekannten, nicht-kohärenten Seitensichtradaranlagen nur von größeren Flugzeugen aus betrieben werden. Dies führt zu einem weiteren Anstieg des Energieverbrauchs und der Schadstoffemissionen sowie einem weiteren Anstieg der Kosten für die Überwachung der Wasserflächen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Radarsystem mit kurzer Antenne und niedriger Ausgangsleistung bereitzustellen, welches an Bord von kleinen und kostengünstigen Flugzeugen einsetzbar ist und dennoch Ölverschmutzung auf Wasserflächen zuverlässig erkennen kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Erkennung von Ölverschmutzung auf Wasserflächen, welche folgende Elemente enthält: Zumindest eine Sende-/Empfangsvorrichtung, welche bewegbar ist und mittels welcher gepulste Radarstrahlung erzeugbar ist, eine Aufteileinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, ein empfangenes Radarecho in eine Mehrzahl von Empfangswinkelbereiche zu unterteilen, welche jeweils einen Flächenbereich auf der Wasserfläche repräsentieren, eine erste Integrationseinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, die Intensität einer Mehrzahl aufeinanderfolgender Radarechos aus demselben Empfangswinkelbereich zu integrieren und eine zweite Integrationseinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, die Intensität einer Mehrzahl unterschiedlicher Empfangswinkelbereiche zu integrieren.
Weiterhin besteht die Lösung der Aufgabe in einem Verfahren zur Erkennung von Ölverschmutzung auf Wasserflächen, enthaltend die folgenden Schritte: Beleuchten der zu überwachenden Wasserfläche mit gepulster Radarstrahlung aus einer bewegten Sende-/Empfangsvorrichtung, Empfangen der von der Wasserfläche reflektierten Radarechos, Unterteilen der empfangenen Intensität in eine Mehrzahl von Empfangswinkelbereiche, welche jeweils einen Flächenbereich auf der Wasserfläche repräsentieren, Integrieren der Intensität einer Mehrzahl aufeinanderfolgender Radarechos aus demselben Empfangswinkelbereich und Integrieren der Intensität einer Mehrzahl unterschiedlicher Empfangswinkelbereiche, welche dasselbe Flächenbereich auf der Wasserfläche repräsentieren.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erkennung von Ölverschmutzung auf Wasseroberflächen vorgeschlagen, welche den Einsatz eines Radars mit synthetischer Apertur (SAR) vorsehen. Im Gegensatz zu einem nicht-kohärenten Seitensichtradar, welches nicht-kohärente Radarstrahlung aussendet, arbeitet ein SAR mit kohärenter Radarstrahlung. Bei der Reflexion einer solchen kohärenten Radarstrahlung an den Wellen einer Wasseroberfläche entsteht durch die räumlich gegeneinander verschobenen Reflexionsflächen ein Gangunterschied zwischen den Radarechos, welcher zu Intensitätsschwankungen aufgrund von Interferenzen im aufgenommen Radarsignal führt. Diese seitlich variablen Interferenzmuster werden auch Speckle-Interferenzen oder kurz Speckle genannt. Bei bisher verwendeten SAR waren Bildaufnahmen einer Wasseroberfläche stets von Speckle-Interferenzen dominiert, so dass eine möglichst eindeutige Unterscheidung einer Wasseroberfläche mit aufliegender Ölverschmutzung von einer Wasseroberfläche ohne eine solche Ölverschmutzung nicht möglich war.
Erfindungsgemäß wurde nun erkannt, dass die Erkennung von Ölverschmutzungen auf Wasseroberflächen möglich ist, wenn das SAR unfokussiert betrieben wird. Da die Fokussierung von SAR-Aufnahmen durch eine digitale Signalverarbeitung erfolgt, nämlich eine Fourier-Rücktransformation des von der Antenne gelieferten Datenstromes, können handelsübliche SAR-Systeme durch Anpassung der Signalverarbeitung zur Erkennung von Ölverschmutzungen adaptiert werden.
Der erfindungsgemäßen Signalverarbeitung liegt das Grundprinzip zugrunde, eine Vielzahl von Aufnahmen desselben Flächenbereiches so zu addieren, dass die zeitlich variierenden Speckle-Interferenzen gemittelt werden. Dadurch wird der Kontrast der Speckle-Interferenzen verringert und das unterschiedliche Reflexionsverhalten einer Wasseroberfläche mit auflie gender Ölverschmutzung gegenüber einer Wasseroberfläche ohne eine solche Ölverschmutzung wird in den erhaltenen Aufnahmen sichtbar.
Hierzu wird bevorzugt eine Integration in zwei Stufen der von der zu überwachenden Wasserfläche reflektierten Radarstrahlung vorgeschlagen. In einem ersten Schritt wird der reflektierte Anteil einer Mehrzahl von Radarpulsen kohärent, aber nicht phasenkorrigiert integriert, welche von demselben Flächenbereich auf der Wasseroberfläche und unter nahezu demselben Winkel empfangen wurden. Durch die kleine Verschiebung, welche durch die Vorwärtsbewegung des das SAR tragenden Flugzeuges zwischen zwei ausgesandten Radarpulsen entsteht, wird eine Dekorrelation der empfangenen Signale bewirkt. Durch diese Dekorrelation wird die Entstehung von Speckle-Interferenzen bereits abgeschwächt bzw. weitgehend vermieden.
Zusätzlich kann ein vorgebbarer Flächenbereich der Wasserfläche mit einer Vielzahl von Teilbildern aufgezeichnet werden, welche beim Überflug unter unterschiedlichen Winkeln aufgenommen werden. Durch die inkohärente, betragsmäßige Integration dieser Vielzahl von Teilbildern werden die statistischen Speckle-Interferenzen maximal reduziert, so dass in den erhaltenen Bildern Ölverschmutzungen leicht nachgewiesen werden können. Der Nachweis der Ölverschmutzungen erfolgt dabei entweder optisch durch das Bedienpersonal des SAR oder automatisiert mittels an sich bekannter Algorithmen zur Bildverbeitung.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Aufteilung des Empfangsbereiches der Antenne in eine Mehrzahl von Empfangswinkelbereiche durch eine Mehrzahl von Dopplerbandfiltern. Auf diese Weise kann jeder Winkelbereich durch seine Dopplerverschiebung in besonders einfacher Weise identifiziert werden. Bei der Befliegung der zu überwachenden Wasserfläche wird dann jedes Flächenbereich fortlaufend in einem unterschiedlichen Dopplerfrequenzbereich bzw. Empfangswinkelbereich abgebildet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Trennung der Empfangswinkelbereiche durch eine Einrichtung zur linearen Phasenkorrektur und eine Integrationseinrichtung, wobei die Dopplerfrequenz-Historie eines jeden Empfangswinkelbereichs derart modifiziert wird, dass sich jeweils nur der gewählte Empfangswinkelbereich positiv integrieren lässt und die Intensitäten der verbleibenden Empfangswinkelbereiche im Wesentlichen ausgelöscht werden.
Zur Erhöhung der Genauigkeit kann in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, eine Einrichtung zur Lage- und/oder Positionserkennung vorzusehen, welche dazu eingerichtet ist, die Lage- und/oder Positionsdaten an eine Korrektureinrichtung zu liefern, welche die Ausrichtung und/oder Position der Flächenbereiche korrigiert, bevor diese der zweiten Integrationseinrichtung zugeführt werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass nur Bilddaten integriert werden, welche vom selben Flächenbereich der zu überwachenden Wasserfläche reflektiert wurden. Auf diese Weise wird die Bildschärfe und die räumliche Auflösung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wunschgemäß erhöht. Zur Lage- und/oder Positionserkennung eignet sich insbesondere ein Satelliten-Navigationssystem, wie beispielsweise GPS oder Galileo, ein terrestrisches Funknavigationssystem, wie beispielsweise Loran C, ein mikromechanischer Beschleunigungssensor und/oder ein Kreiselsystem. Die Vorrichtung zur Lage und/oder Positionserkennung kann dabei Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung sein. In einer Weiterbildung der Erfindung können diese Daten auch von Lage- und/oder Positionserkennungssystemen des Flugzeuges an die erfindungsgemäße Vorrichtung geliefert werden. Hierzu kann eine parallele oder serielle Schnittstelle zu Verfügung stehen, beispielsweise eine NMEA-Schnittstelle.
Zur Erhöhung der Genauigkeit kann weiterhin vorgesehen sein, eine Einrichtung zur Erkennung der Ausrichtung der Antenne der Empfangsvorrichtung relativ zur Bewegungsrichtung vorzusehen. Auf diese Weise kann die Aufteilung des empfangenen Radarechos in unterschiedliche Empfangswinkelbereiche mit größerer Genauigkeit vorgenommen werden. Zur Erkennung der Ausrichtung der Antenne eignet sich insbesondere eine Spektralanalyse des Empfangssignals.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Signalverarbeitung kann die Sendeleistung der Radarstrahlung im Mittel auf weniger als 500 W, bevorzugt auf weniger als 100 W reduziert werden. Durch die Bildung einer synthetischen Apertur kann auch die reale Antennenlänge erheblich reduziert werden, bevorzugt auf weniger als 1 m, insbesondere auf weniger als 50 cm.
In einer Weiterbildung der Erfindung enthält die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung weiterhin eine schaltbare Einrichtung zur Phasenkorrektur des empfangenen Radarechos, so dass der ersten Integrationseinrichtung entweder eine Mehrzahl von phasenkorrigierten oder eine Mehrzahl von nicht-phasenkorrigierten Eingangssignalen zugeführt werden kann. Auf diese Weise kann entweder am Ausgang der Integrationseinrichtung ein Bild mit geringen Speckle-Interferenzen und geringer Auflösung erzeugt werden, welches die Anwesenheit einer Ölverschmutzung auf der Wasserfläche sehr deutlich zeigt oder aber ein konventionelles SAR-Bild mit hoher Auflösung, auf welchem aufgrund von Speckle-Interferenzen die Ölverschmutzung in geringerem Maße erkennbar ist, jedoch aufgrund der gesteigerten Auflösung kleinere Strukturen erkennbar werden, wie beispielsweise Schiffe. Auf diese Weise kann eine erkannte Ölverschmutzung unmittelbar einem verursachenden Schiff zugeordnet werden.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt:
1 einen horizontalen Schnitt durch ein Flugzeug mit einem Seitensichtradar.
2 zeigt die Aufsicht auf ein Flugzeug mit einem Seitensichtradar mit einer Mehrzahl von Empfangswinkelbereichen.
3 illustriert die Aufnahme einer Mehrzahl von Einzelbildern desselben Flächenbereichs der Wasserfläche.
4 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung.
5 zeigt eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäß verwendeten Aufteileinrichtung.
6 zeigt ein Blockschaltbild des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens.
1 zeigt einen horizontalen Schnitt durch eine Wasserfläche 11. In einer Höhe h oberhalb der Wasserfläche 11 fliegt ein Flugzeug 10, welches mit einem erfindungsgemäßen Seitensichtradar ausgestattet ist Das Seitensichtradar emittiert eine Radarstrahlung 20, welche beispielsweise eine Mittenfrequenz von 9,65 GHz aufweist. Die mittlere Ausgangsleistung beträgt dabei bevorzugt weniger als 100 W, beispielsweise etwa 20 W bis etwa 40 W. Die Emittanz der Sendeantenne und/oder die Akzeptanz der Empfangsantenne werden dabei so gewählt, dass die Radarstrahlung 20 eine Reichweite R auf der Wasseroberfläche 11 erreicht. Beispielsweise kann die Reichweite R etwa 5 km bis etwa 40 km betragen. Die zugehörige Flughöhe h beträgt dabei etwa 300 m bis etwa 1.000 m.
Die vom Seitensichtradar des Flugzeuges 10 emittierte Radarstrahlung 20 wird an der Wasserfläche 11 reflektiert. Soweit die Wasserfläche 11 Wellen aufweist, welche beispielsweise durch Windeinfluss erzeugt werden, ergeben sich dabei Reflexionsflächen, welche in Richtung des Flugzeuges 10 weisen. Auf diese Weise wird ein Teil der ausgesandten Leistung zum Flugzeug 10 zurück reflektiert und kann dort mittels einer Empfangsantenne empfangen werden.
2 zeigt den Akzeptanzbereich einer Empfangsantenne, welche als Bestandteil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung im Flugzeug 10 integriert ist, in der Aufsicht. Beispielsweise kann die Akzeptanz gleich der Emittanz de Sendeantenne der Radarstrahlung 20 entsprechen. Fallweise kann die Akzeptanz der Sendeantenne auch nur einen Teilbereich des von der Radarstrahlung 20 abgedeckten Flächenbereichs umfassen.
Beim Eintritt in den Strahlkegel 20 erfahren die von einem punktförmigen Ziel zurückgeworfenen Radarechos aufgrund der abnehmenden Entfernung eine Dopplerverschiebung in Richtung höhere Frequenzen. Bei Erreichen des Minimalabstandes, d. h. in der Querabposition, ist die Dopplerverschiebung Null. Beim Austritt des Punktzieles aus dem Strahlkegel ändert die Dopplerverschiebung ihr Vorzeichen und ihr Betrag nimmt wieder zu. Daher kann einer bestimmten Dopplerverschiebung ein bestimmter Winkel bzw. ein Winkelbereich 21 innerhalb des Strahlkegels 20 der Antenne zugeordnet werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in 2 fünf Empfangswinkelbereiche 21a, 21b, 21c, 21d und 21e dargestellt. In Ausführungsformen der Erfindung wird die Anzahl der Empfangswinkelbereiche meist größer sein, beispielsweise mehr als 50, besonders bevorzugt mehr als 100.
Bei rascher Impulsfolge der ausgesendeten Radarstrahlung bewegt sich die Sende-/Empfangsantenne nur um einen kleinen Betrag, welcher sehr viel kleiner ist als die Breite eines Empfangswinkelbereichs 21a, 21b, 21c, 21d und 21e. Dadurch kann eine Mehrzahl von Radarechos aufgenommen werden, welche näherungsweise aus demselben Flächenbereich 22a, 22b, 22c, 22d oder 22e unter näherungsweise demselben Empfangswinkelbereich 21a, 21b, 21c, 21d oder 21e zurückgestreut werden. Allerdings verändert sich durch die geringe Seitwärtsverschiebung die Phase der Signalkomponenten des Radarechos. Dadurch entsteht eine Dekorrelation des Radarsignals.
Gemäß dem Stand der Technik ist bekannt, die Dekorrelation des Radarsignals durch eine Phasenkorrektur zu korrigieren. Dadurch wird die Ortsauflösung des SAR-Radars erhöht.
Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, auf eine Phasenkorrektur zu verzichten. Auf diese Weise wird der Speckle-Kontrast durch zeitliche Mittelwertbildung wunschgemäß verringert. Gleichzeitig verringert sich die Ortsauflösung des SAR-Radars, was jedoch aufgrund der meist großen Ausdehnung von Ölverschmutzungen deren Erkennbarkeit kaum beeinträchtigt.
3 zeigt die relative Position eines einzelnen Flächenbereiches 22 bei einer Verschiebung der Sende-/Empfangsvorrichtung um einen größeren Betrag, d. h. nach Zurücklegen einer größeren Flugstrecke des Flugzeuges 10. Wie 3 veranschaulicht, wird jeder einzelne Flächenbereich 22 der Wasserfläche 11 bei der Befliegung der Wasserfläche 11 mehrfach in verschiedenen Empfangswinkelbereichen 21a, 21b, ... dargestellt. Aus Gründen der Anschaulichkeit sind in 3 lediglich fünf unterschiedliche Empfangswinkelbereiche 21a, 21b, 21c, 21d und 21e dargestellt. Dem Fachmann ist dabei selbstverständlich geläufig, dass bei der Umsetzung der Erfindung auch eine größere oder eine geringere Anzahl von Empfangs-Winkelbereichen 21 bzw. Teilbildern eines einzelnen Flächenbereiches 22 vorgesehen sein kann.
Wie 3 verdeutlicht, erscheinen die verschiedenen Teilbilder des Flächenbereiches 22 in verschiedenen Dopplerfrequenz-Bereichen 21 und damit sequentiell an unterschiedlichen Ausgängen der Aufteileinrichtung zur Trennung der Empfangwinkelbereiche. Auf diese Weise kann eine weitere Mittelwertbildung durch inkohärente Addition der Teilbilder erfolgen, was den Speckle-Kontrast weiter reduziert.
4 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zur Erkennung von Ölverschmutzung auf Wasserflächen. Die dargestellte Vorrichtung enthält eine Sendeeinrichtung 41, mit welcher die zur Beleuchtung der zu überwachenden Wasserfläche erforderliche Radarstrahlung erzeugt werden kann. Beispielsweise kann die Sendevorrichtung 41 Radarstrahlung der Frequenz 9,65 GHz mit einer Bandbreite von etwa 5 MHz erzeugen. Die Ausgangsleistung der Sendevorrichtung 41 beträgt dabei bevorzugt weniger als 500 W, besonders bevorzugt weniger als 100 W. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann bereits eine Sendeleistung von 20 bis 40 W zur Erkennung von Ölverschmutzung auf Wasserflächen ausreichend sein.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel arbeitet die Vorrichtung mit einer kombinierten Sende-/Empfangsantenne 43. Zum Umschalten der Antenne 43 zwischen Sende- und Empfangsbetrieb ist ein Combiner 42 vorgesehen, welcher den Ausgang der Sendevorrichtung 41 und den Eingang des Eingangsverstärkers 44 zyklisch mit der Antenne 43 verbindet. Die Antenne 43 ist so ausgelegt, dass die Keulenbreite in Flugrichtung hinreichend groß ist, um das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem zu erfüllen. Dies bedeutet, dass im Spektralbereich des Radars die Eindeutigkeit der empfangenen Daten gewährleistet ist. Beispielsweise kann die Antenne hierzu eine Länge von 40 cm aufweisen.
Die mit der Sendeleistung 41 erzeugte und in einem ersten Verfahrensschritt über die Antenne 43 ausgesandte Radarstrahlung wird von der zu überwachenden Wasserfläche 11 reflektiert. Hierbei wird ein Teil der ausgesandten Leistung als Echo zur Antenne 43 zurückgeworfen. Durch Umschalten des Combiners 42 wird das von der Antenne 43 empfangene Echo einem Vorverstärker 44 zugeführt. Der Vorverstärker 44 kann beispielsweise eine Verstärkung des empfangenen Signals, eine Tiefpassfilterung oder eine Impedanzanpassung des Signals bewirken. Es ist darauf hinzuweisen, dass der Vorverstärker 44 optional ist und in anderen Ausführungsformen der Erfindung entfallen kann.
Der Ausgang des Vorverstärkers 44 ist mit dem Eingang eines Analog-/Digital-Converters (ADC) 45 verbunden. Nach der Digitalisierung des empfangenen Radarechos wird dieses einer digitalen Auswerteschaltung zugeführt, um Flächenbereiche mit aufliegender Ölverschmutzung von solchen Flächenbereichen ohne Ölverschmutzung zu unterscheiden.
Hierzu wird das digitalisierte Signal zunächst einer Aufteileinrichtung 46 zugeführt. Die Aufteileinrichtung 46 ist dazu eingerichtet, ein empfangenes Radarecho in eine Mehrzahl von Empfangswinkelbereiche 21 zu unterteilen. Bevorzugt wird das Radarecho in mehr als 50 Empfangswinkelbereiche unterteilt, besonders bevorzugt in mehr als 100 Empfangswinkelbereiche. Auf diese Weise wird das empfangene Radarecho in eine Mehrzahl von Teilbildern aufgeteilt, welche jeweils ein unterschiedliches Flächenbereich 22 auf der Wasserfläche 11 repräsentieren.
In der Ausführungsform gemäß 4 erfolgt die Aufteilung in eine Mehrzahl von Empfangswinkelbereiche 21 durch eine Mehrzahl von Dopplerbandfiltern 51. Auf diese Weise wird jeder Empfangswinkelbereich durch seine ihm zugeordnete, eindeutige Dopplerverschiebung identifiziert.
Bevorzugt, aber nicht zwingend, wird das Signal eines jeden Empfangswinkelbereiches einem schaltbaren Phasenkorrekturelement 47a, 47b, ... zugeordnet. Auf diese Weise kann die nachfolgende kohärente Integration in der ersten Integrationseinrichtung 48 wahlweise phasenkorrigiert oder nicht phasenkorrigiert erfolgen. Dabei erhöht die Phasenkorrektur der Signale in den Phasenkorrekturelementen 47 die räumliche Auflösung der Vorrichtung, so dass auch kleinere Strukturen aufgelöst werden können, wie beispielsweise auf der Wasserfläche verkehrende Schiffe. Im Gegensatz dazu wird durch das Ausschalten der Phasenkorrekturelemente 47 der Speckle-Kontrast verringert. Durch die so erfolgte Unterdrückung von Speckle-Interferenzen wird die Unterscheidbarkeit einer Wasserfläche mit aufliegender Ölverschmutzung gegenüber einer Wasserfläche ohne Ölverschmutzung wunschgemäß verbessert oder überhaupt erst ermöglicht.
In der ersten Integrationseinrichtung 48 wird eine Mehrzahl von Radarimpulsen aufaddiert, welche von nahezu denselben Flächenbereichen 22 unter demselben Empfangswinkel 21 aufgenommen wurden. Aufgrund der Fluggeschwindigkeit des Flugzeuges 10 erfolgt dennoch eine geringe Seitwärtsverschiebung der Antenne 43 zwischen dem Empfang von zwei Radarimpulsen, welche sehr viel kleiner ist als die Breite des Flächenbereiches 22. Diese geringe Verschiebung bewirkt eine Veränderung der Phasen der Radarimpulse und dadurch eine Dekorrelation der Radarechos.
Wie in 3 dargestellt, wird bei der Überfliegung einer Wasserfläche ein vorgebbarer Flächenbereich 22 mehrfach unter einer Vielzahl von Empfangswinkeln 21a, 21b, 21c, 21d und 21e dargestellt. Diese Vielzahl von Einzelbildern desselben Flächenbereichs 22 wird nachfolgend in der zweiten Integrationseinrichtung 49 inkohärent, d. h. betragsmäßig, addiert.
Zur Erhöhung der Genauigkeit können die am Ausgang der ersten Integrationseinrichtung 48 zur Verfügung gestellten Einzelbilder einer Einrichtung 55 zur Positions- und/oder Lagekorrektur zugeführt werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass nur Einzelbilder vom selben Flächenbereich 22 aufaddiert werden. Zur Durchführung der Positions- und/oder Lagekorrektur können der Einrichtung 55 Daten aus einer Lageerkennungseinrichtung 54 zugeführt werden. Die Einrichtung 54 umfasst dabei beispielsweise einen mikromechanischen Beschleunigungssensor, einen Magnetkompass, einen Kreisel oder eine ähnliche Einrichtung, welche eine Veränderung der Fluglage des Flugzeuges 10 nachweisen kann. Weiterhin können der Einrichtung 55 Positionsdaten aus einem Funknavigationssystem 40 zugeführt werden. Das Funknavigationssystem 40 umfasst dabei beispielsweise einen GPS-Empfänger, einen Galileo-Empfänger oder einen Loran-C-Empfänger. Fallweise kann das Funknavigationssystem 40 auch Informationen über die Zeit der jeweiligen Radaraufnahme liefern.
Das Ausgangssignal der zweiten Integrationseinrichtung 49 kann nun einer Analyseeinrichtung 50 zugeführt werden, mittels welcher eine Entscheidung getroffen wird, ob ein vorgebbarer Flächenbereich 22 der Wasserfläche 11 eine Ölverschmutzung aufweist oder nicht. Die Analyseeinrichtung 50 kann dabei im einfachsten Fall einen Bildschirm enthalten, welcher entsprechend qualifiziertem Bedienpersonal optische Auswertung der empfangenen Daten ermöglicht. Weiterhin kann vorgesehen sein, in der Auswerteeinrichtung 50 mittels einer automatisierten Bildverarbeitung den eintreffenden Datenstrom auf das Vorliegen charakteristischer Signaturen zu überprüfen. Dies kann beispielsweise die Schärfe, der Grauwert, der Kontrast oder eine Änderung dieser Daten sein. In diesem Fall kann die Analyseeinrichtung 50 dazu eingerichtet sein, automatisiert eine Alarmierung auszulösen, wenn eine Ölverschmutzung erkannt wurde. Um eine örtliche und/oder eine zeitliche Zuordnung einer erkannten Ölverschmutzung zu ermöglichen, kann auch der Analyseeinrichtung 50 ein Positionsdatum und/oder ein Zeitstempel aus dem Funknavigationssystem 40 zugeführt werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die dargestellte Signalverarbeitung mittels Hardware erfolgen. Beispielsweise kann eine Mehrzahl von digitalen Signalprozessoren oder zumindest ein ASIC zur Durchführung der Datenauswertung vorgesehen sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Auswertung des vom ADC 45 gelieferten Datenstroms auch durch eine Software erfolgen, welche auf einem Mikroprozessor ausgeführt wird. Fallweise können auch Kombinationen aus Hard- und Software zur Datenauswertung eingesetzt werden.
5 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der Aufteileinrichtung 46. Die in 5 dargestellte Aufteileinrichtung kann alternativ zur in 4 dargestellten Aufteileinrichtung in einer Vorrichtung gemäß 4 eingesetzt werden. Auch die Aufteileinrichtung gemäß 5 erhält auf ihrer rechten Seite ein Eingangssignal eines ADC 45. Zur Aufteilung des Datenstroms in eine Mehrzahl von Empfangswinkelbereichen 21 ist vorgesehen, das, Signal einer Mehrzahl von Einrichtungen 52 zur linearen Phasenkorrektur zuzuführen. Die Einrichtung 52 zur Phasenkorrektur modifiziert die Dopplerfrequenz-Historie des Eingangssignals derart, dass sich jeweils nur der Bereich des ausgewählten Empfangswinkelbereichs bzw. der zugeordneten Dopplerverschiebung positiv integrieren lässt. Die Energien nicht selektierter Dopplerbänder löschen sich bei der Integration im Wesentlichen aus. Zur Integration steht dann eine dritte Integrationseinrichtung 53 zur Verfügung, welche die aus den jewei ligen Phasenkorrektureinrichtungen 52 gelieferten Signale addiert und auf diese Weise an ihrem Ausgang das dem jeweiligen Empfangswinkelbereich 21 zugeordnete Signal bereitstellen. Das von den dritten Integrationseinrichtungen 53 gelieferte Signal wird dann der zweiten Integrationseinrichtung 48 zugeführt, wie im Zusammenhang mit 4 beschrieben.
6 zeigt nochmals ein Flussdiagramm des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens. Im ersten Verfahrensschritt wird mittels der Sendeeinrichtung 41 ein Radarpuls erzeugt und über die Antenne 43 ausgesendet. Nach dem Empfang des Radarechos von der Wasserfläche 11 erfolgt das Aufteilen des Echos in unterschiedliche Empfangswinkelbereiche und ggf. eine Zwischenspeicherung. Diese drei Verfahrensschritte werden mehrfach wiederholt, um auf diese Weise eine Mehrzahl von Radarechos unterschiedlicher Phasenbeziehung bereitzustellen, welche in der ersten Integrationseinrichtung 48 integriert werden. Beispielsweise kann die Integrationszeit der Integrationseinrichtung 48 0.1 s–0.5 s betragen, bevorzugt 0.3 s. Auf diese Weise wird für einen Flächenbereich 22 ein einzelnes Bild unter einem im Wesentlichen unveränderten Empfangswinkelbereich 21 aufgenommen.
Das auf diese Wiese von der ersten Integrationseinrichtung 48 zur Verfügung gestellte Bild wird wiederum einem optionalen Zwischenspeicher oder unmittelbar der zweiten Integrationseinrichtung 49 zugeführt.
Durch Wiederholen der ersten fünf beschriebenen Verfahrensschritte werden weitere Bilder desselben Flächenbereiches 22 unter unterschiedlichen Empfangswinkelbereichen 21 aufgenommen. Beispielsweise können mehr als 50, bevorzugt mehr als 100 Bilder mit jeweils unterschiedlichem Empfangswinkelbereich 21 eines einzelnen Flächenbereiches 22 aufgenommen werden. Schließlich erfolgt die Integration dieser Bilder in der zweiten Integrationseinrichtung 49.
Schließlich können die gemäß dem erfindungsgemäßen vorgeschlagenen Verfahren erhaltenen Aufnahmen der Wasserfläche 11 der Auswertung zugeführt werden.
Dem Fachmann ist selbstverständlich geläufig, dass die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Vielmehr können bei der Umsetzung der Erfindung Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden, ohne die Erfindung an sich wesentlich zu verändern. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen.

Claims

Vorrichtung zur Erkennung von Ölverschmutzung auf Wasserflächen, welche folgende Elemente enthält: • zumindest eine Sende-/Empfangsvorrichtung (41, 42, 43, 44, 45), welche bewegbar ist und mittels welcher gepulste Radarstrahlung erzeugbar ist, • eine Aufteileinrichtung (46), welche dazu eingerichtet ist, ein empfangenes Radarecho in eine Mehrzahl von Empfangswinkelbereiche (21) zu unterteilen, welche jeweils einen Flächenbereich auf der Wasserfläche repräsentieren, • eine erste Integrationseinrichtung (48), welche dazu eingerichtet ist, die Intensität einer Mehrzahl aufeinanderfolgender Radarechos aus demselben Empfangswinkelbereich (21) zu integrieren und • eine zweite Integrationseinrichtung (49), welche dazu eingerichtet ist, die Intensität einer Mehrzahl unterschiedlicher Empfangswinkelbereiche (21) zu integrieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteileinrichtung (46) eine Mehrzahl von eine Dopplerbandfiltern (51) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteileinrichtung eine Einrichtung (52) zur linearen Phasenkorrektur und eine dritte Integrationseinrichtung (53) umfasst, mit welcher eine Dopplerfrequenz-Historie pro Empfangswinkelbereich (21) derart modifiziert wird, dass sich jeweils nur der gewählte Empfangswinkelbereich (21) positiv integrieren lässt und die Intensitäten der verbleibenden Empfangswinkelbereiche (21) im Wesentlichen ausgelöscht werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin enthaltend eine Einrichtung zur Lage- und/oder Positionserkennung (54), welche dazu eingerichtet ist, Lage- und/oder Positionsdaten an eine Korrektureinrichtung (55) zu liefern, welche dazu eingerichtet ist, die Ausrichtung und/oder Position der Flächenbereiche zu korrigieren, bevor diese der zweiten Integrationseinrichtung (49) zugeführt werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin enthaltend eine Einrichtung (56) zur Spektralanalyse des Empfangssignals, mit welcher die Ausrichtung der Antenne (43) der Empfangsvorrichtung relativ zur Bewegungsrichtung bestimmbar ist und die Ausrichtung der Antenne der Aufteileinrichtung (46) zuführbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeleistung weniger als 500 Watt, insbesondere weniger als 100 Watt beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiterhin enthaltend eine schaltbare Einrichtung (47) zur Phasenkorrektur der empfangenen Radarechos, mittels welcher der ersten Integrationseinrichtung (48) eine Mehrzahl von phasenkorrigierten oder nicht phasenkorrigierten Eingangssignalen zuführbar ist.
Verfahren zur Erkennung von Ölverschmutzung auf Wasserflächen, enthaltend die folgenden Schritte: Beleuchten der zu überwachenden Wasserfläche mit gepulster Radarstrahlung (20) aus einer bewegten Sende-/Empfangsvorrichtung (41, 42, 43), Empfangen der von der Wasserfläche reflektierten Radarechos, Unterteilen der empfangenen Intensität in eine Mehrzahl von Empfangswinkelbereiche (21), welche jeweils einen Flächenbereich auf der Wasserfläche repräsentieren, Integrieren der Intensität einer Mehrzahl aufeinanderfolgender Radarechos aus demselben Empfangswinkelbereich (21) und Integrieren der Intensität einer Mehrzahl unterschiedlicher Empfangswinkelbereiche (21), welche dasselbe Flächenbereich auf der Wasserfläche repräsentieren.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterteilen der empfangenen Intensität in eine Mehrzahl von Empfangswinkelbereiche (21) eine Dopplerbandfilterung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8, dadurch gekennzeichnet, das Unterteilen der empfangenen Intensität in eine Mehrzahl von Empfangswinkelbereiche (21) eine lineare Phasenkorrektur umfasst, bei welcher eine Dopplerfrequenz-Historie pro Empfangswinkelbereich derart modifiziert wird, dass sich jeweils nur der gewählte Empfangswinkelbereich positiv integrieren lässt und die Intensitäten der verbleibenden Empfangswinkelbereiche im Wesentlichen ausgelöscht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Integrieren der Intensität einer Mehrzahl unterschiedlicher Empfangswinkelbereiche (21), welche dasselbe Flächenbereich auf der Wasserfläche repräsentieren, die Ausrichtung und/oder Position der Flächenbereiche unter Verwendung von Daten aus Lage- und/oder Positionssensoren (54) des die Sende-/Empfangsvorrichtung bewegenden Fahr- oder Flugzeuges (10) korrigiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Unterteilen der empfangenen Intensität in eine Mehrzahl von Empfangswinkelbereiche (21) die Ausrichtung der Antenne (43) der Empfangsvorrichtung relativ zur Bewegungsrichtung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung der Antenne durch eine Spektralanalyse des Empfangssignals bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Wasserfläche reflektierten Radarechos als digitaler Datenstrom gespeichert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Integrieren der Intensität einer Mehrzahl aufeinanderfolgender Radarechos aus demselben Empfangswinkelbereich (21) eine Phasenkorrektur erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dass die Mehrzahl von Empfangswinkelbereichen (21) mehr als 50 Empfangswinkelbereiche (21), insbesondere mehr als 100 Empfangswinkelbereiche (21) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dass die gepulste Radarstrahlung eine mittlere Leistung von weniger als 500 Watt, insbesondere weniger als 100 Watt aufweist.
Computerprogramm zu Durchführung eines Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 17, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird.
Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 17, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird.