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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur rechnergestützten Verarbeitung von SAR-Rohdaten.
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SAR-Systeme (SAR = Synthetic Aperture Radar) ermöglichen die Erzeugung von Bildern der Erdoberfläche über das Echo von Radarpulsen, die von einem bewegten Flugobjekt, wie z.B. einem Satelliten, ausgesendet werden. Im Rahmen der SAR-Datenverarbeitung nutzt man dabei die Tatsache, dass durch die Bewegung des Flugobjekts entsprechende Punkte auf der Erdoberfläche mit unterschiedlichen Abständen zum Flugobjekt erfasst werden, was zu einer Frequenzverschiebung im Radarecho führt. Über eine geeignete Prozessierung kann hieraus ein digitales Bild der Erdoberfläche errechnet werden.
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Da durch die Erfassung des Radarechos für eine Vielzahl von unterschiedlichen Positionen in Bewegungsrichtung des Flugobjekts (auch als Azimuth-Positionen bezeichnet) eine große Menge an Rohdaten anfällt, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, die zunächst analogen SAR-Rohdaten zu digitalisieren und anschließend zu quantisieren. Dabei erfolgt die Quantisierung für die Daten aller Azimuth-Positionen mit einer konstanten ganzzahligen Bitrate. Dies hat den Nachteil, dass die Datenkompression nur sehr grob an die Gegebenheiten des SAR-Systems, insbesondere an die Speicherkapazität im Satelliten bzw. die Datenrate auf der Übertragungsstrecke zum Boden, eingestellt werden kann. Aus dem Stand der Technik sind zwar Quantisierer mit nicht-ganzzahligen Bitraten bekannt, jedoch erfordert die Implementierung dieser Quantisierer zusätzlichen Aufwand an Software und Hardware, wodurch die Kosten des SAR-Systems erhöht werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur rechnergestützten Verarbeitung von SAR-Rohdaten zu schaffen, welches eine einfache und fein einstellbare Kompression der Rohdaten ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bzw. die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 12 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur rechnergestützten Verarbeitung von SAR-Rohdaten, welche die Radarechos der von einem Sender zumindest eines Flugobjekts ausgesendeten Radarpulse umfassen. Beim Aussenden der Radarpulse bewegt sich das zumindest eine Flugobjekt in eine erste Richtung. Dabei wird bzw. wurde für jedes Radarecho eines Radarpulses eine Vielzahl von Datenabtastungen in einer zweiten Richtung, welche senkrecht zur ersten Richtung ist, in einem oder mehreren Empfängern des zumindest einen Flugobjekts erfasst, wodurch (analoge) SAR-Rohdaten für einen jeweiligen Empfänger vorliegen, welche für eine Vielzahl von ersten Positionen in der ersten Richtung jeweils ein Signal aus einer Vielzahl von Datenabtastungen für zweite Positionen in der zweiten Richtung enthalten. Die Erfassung der SAR-Rohdaten kann dabei Bestandteil des Verfahrens sein. Ebenso ist es möglich, dass die Erfassung nicht Teil des Verfahrens ist, sondern das Verfahren lediglich bereits erfasste SAR-Rohdaten verarbeitet. Die oben beschriebene erste Richtung wird üblicherweise auch als Azimuth und die oben genannte zweite Richtung als Range bezeichnet. Der Begriff des zumindest einen Flugobjekts ist weit zu verstehen und kann in einer Variante ein einzelnes Flugobjekt mit darauf befindlichem Sender und Empfänger umfassen, um hierdurch zweidimensionale Radarbilder zu erzeugen. Ebenso kann das zumindest eine Flugobjekt zwei oder mehrere, sich synchron bewegende Flugobjekte umfassen, wobei beispielsweise nur auf einem Flugobjekt ein Sender vorgesehen ist, jedoch in allen Flugobjekten Empfänger für das Radarecho aus unterschiedlichen Blickwinkeln integriert sind. Die zuletzt genannte Konstellation aus zwei oder mehreren Flugobjekten kann zur Erzeugung von dreidimensionalen Radarbildern in der Form von Höhenmodellen der Erdoberfläche durch die rechnergestützte Erzeugung eines Interferogramms verwendet werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform stellen das oder die Flugobjekte Satelliten dar.
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Die bei der Erfassung der SAR-Rohdaten ermittelten analogen Datenabtastungen werden in der Regel als komplexe Signale in der Form von I/Q-Daten dargestellt, wobei der I-Wert der Realteil und der Q-Wert der Imaginärteil des Signals ist. In diesem Fall existieren für jede erste Position zwei Datenabtastungen für eine jeweilige zweite Position in der zweiten Richtung.
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Im erfindungsgemäßen Verfahren werden die Datenabtastungen der SAR-Rohdaten für einen jeweiligen Empfänger digitalisiert, wodurch für jede erste Position ein digitales Signal aus einer Vielzahl von digitalen Datenabtastungen erhalten wird. Diese digitalen Datenabtastungen werden für jede erste Position einer Quantisierung mit einer ganzzahligen Bitrate unterzogen, wodurch komprimierte Signale erhalten werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die ganzzahligen Bitraten der Quantisierungen für unterschiedliche erste Positionen zumindest teilweise verschieden sind.
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Im Rahmen einer nachfolgenden SAR-Prozessierung der erfindungsgemäß erhaltenen SAR-Rohdaten werden die Informationen von verschiedenen Azimuth-Positionen vermischt. Somit kann auf einfache Weise durch Variation der Quantisierungs-Bitrate zwischen den Signalen von unterschiedlichen Azimuth-Positionen eine Komprimierung mit einer mittleren nicht-ganzzahligen Bitrate erreicht werden. Nichtsdestotrotz erfolgt die Quantisierung für die jeweiligen Azimuth-Positionen weiterhin mit einem Verfahren, welches auf ganzzahligen Bitraten beruht. Es müssen somit keine speziellen Verfahren zur Quantisierung mit nicht-ganzzahligen Bitraten eingesetzt werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Quantisierung für jede erste Position eine BAQ-Quantisierung (BAQ = Block Adaptive Quantization). BAQ-Quantisierungsverfahren sind dabei hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt und existieren in verschiedenen Ausprägungen. Allgemein zeichnet sich eine BAQ-Quantisierung dadurch aus, dass die digitalen Datenabtastungen der entsprechenden ersten Positionen in eine Anzahl und insbesondere mehrere Blöcke aufgeteilt werden und in jedem Block Quantisierungsstufen gemäß der Bitrate der Quantisierung für die entsprechende erste Position basierend auf einer oder mehreren Größen bestimmt werden, welche in Abhängigkeit von den Werten der digitalen Datenabtastungen des jeweiligen Blocks ermittelt werden. In diesem Sinne stellen diese Größen statistische Größen für die Datenabtastungen innerhalb eines Blocks dar. Solche Größen können z.B. die Gesamtleistung bzw. die mittlere Leistung der Datenabtastungen umfassen, um basierend darauf die Quantisierungsstufen in einen Bereich zu legen, in dem die meisten Werte der Datenabtastungen liegen. In Abwandlungen des BAQ-Quantisierungsverfahrens können als Größen auch die Standardabweichung gemäß der Häufigkeitsverteilung der Datenabtastungen in einem Block berücksichtigt werden. Auch andere Varianten des BAQ-Verfahrens können im Rahmen der im erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführten Quantisierung verwendet werden. Beispiele von BAQ-Verfahren, welche in der Erfindung zum Einsatz kommen können, sind in den Druckschriften [1] und [2] beschrieben.
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Die Variation der ganzzahligen Bitraten kann im erfindungsgemäßen Verfahren unterschiedlich ausgestaltet sein. Beispielsweise können die ganzzahligen Bitraten der Quantisierungen von einer ersten Position zur nächsten ersten Position variieren. Das heißt, es wird zwischen den Bitraten von einer ersten Position zur nächsten ersten Position hin und her geschaltet. Ebenso besteht die Möglichkeit, dass die Bitraten immer nach einer größeren Anzahl von aufeinander folgenden ersten Positionen gewechselt werden. In einer Ausführungsform des Verfahrens werden digitalisierte Datenabtastungen mit einer Länge von 8 Bits erzeugt. In diesem Fall weisen die variierenden Bitraten Werte kleiner als 8 auf. Ferner besteht die Möglichkeit, dass ein Großteil der jeweiligen Azimuth-Positionen mit einer dominanten Bitrate quantisiert wird und nur spärlich eine zweite Bitrate für bestimmte Azimuth-Positionen eingefügt wird.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden die ganzzahligen Bitraten der Quantisierungen derart festgelegt, dass ein vorbestimmter arithmetischer Mittelwert der Bitraten der Quantisierungen erreicht wird. Das heißt, es wird vorab eine Bitrate und insbesondere eine nicht-ganzzahlige Bitrate vorgegeben, welche durch entsprechende Variation der Bitraten der Quantisierungen im Mittel erreicht wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die SAR-Rohdaten von mehreren Empfängern verarbeitet, wobei sich die Bitraten der Quantisierungen für die gleichen ersten Positionen zwischen den Empfängern zumindest teilweise unterscheiden. Mit dieser Variante können die Bitraten in einem SAR-System mit mehreren Empfängern separat für die entsprechenden Empfänger geeignet eingestellt werden. Nichtsdestotrotz können die Bitraten in einer alternativen Ausführungsform für die gleichen ersten Positionen in den jeweiligen Empfängern auch identisch gewählt werden.
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In einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Pulswiederholrate für die Radarpulse und eine maximale Datenrate zur Speicherung und/oder Übertragung der komprimierten Signale vorgegeben. Dabei werden die ganzzahligen Bitraten der Quantisierungen derart festgelegt, dass die SAR-Rohdaten mit der vorgegebenen Pulswiederholrate erfasst werden und die komprimierten Signale mit der vorgegebenen maximalen Datenrate gespeichert und/oder übertragen werden. Mit dieser Variante wird die variierende Bitrate feingranular auf die Anforderungen des SAR-Systems eingestellt. Insbesondere wird die maximale Datenrate, welche für die Abspeicherung der Rohdaten bzw. deren Übertragung erreichbar ist, optimal ausgenutzt, was bei einer fest vorgegebenen Bitrate für alle Quantisierungen nicht möglich ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden die komprimierten Signale auf dem zumindest einen Flugobjekt ermittelt und anschließend an eine Bodenstation übertragen. Die Übertragung der Daten zur Bodenstation stellt in dieser Variante einen Bestandteil des Verfahrens dar.
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In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die komprimierten Signale derart weiterverarbeitet, dass zweidimensionale und/oder dreidimensionale digitale Bilder der Erdoberfläche berechnet werden. Diese Berechnung solcher Bilder ist für SAR-Systeme an sich bekannt und wird deshalb nicht im Detail erläutert. Vorzugsweise wird die Berechnung dabei nicht im Flugobjekt, sondern in der bereits oben erwähnten Bodenstation durchgeführt, an welche die komprimierten SAR-Signale übertragen wurden.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Rahmen der Weiterverarbeitung der komprimierten Signale dreidimensionale Bilder durch (rechnergestützte) interferometrische Überlagerung von zweidimensionalen Bildern bestimmt, welche aus SAR-Rohdaten von unterschiedlichen Empfängern oder aus zeitversetzten SAR-Rohdaten erhalten werden. Es wird somit mit rechnergestützten Methoden die Phasendifferenz zwischen Bildern bestimmt, welche die gleiche Szene wiedergeben. Hieraus kann in an sich bekannter Weise eine Höheninformation abgeleitet werden, die dann in dem entsprechenden dreidimensionalen Bild enthalten ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist zumindest ein Qualitätswert für die berechneten digitalen Bilder der Erdoberfläche sowie eine maximale Datenrate zur Speicherung und/oder Übertragung der komprimierten Signale vorgegeben, wobei die ganzzahligen Bitraten der Quantisierungen derart festgelegt werden, dass die berechneten Bilder den zumindest einen vorgegebenen Qualitätswert erreichen und die komprimierten Signale ferner mit der vorgegebenen maximalen Datenrate gespeichert und/oder übertragen werden. Auf diese Weise kann die Kompression sehr genau an eine erwünschte Bildqualität unter Ausnutzung der maximalen Datenrate angepasst werden.
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Als vorgegebene Qualitätswerte können beliebige, aus dem Stand der Technik bekannte Maße verwendet werden, welche die Qualität eines Bilds beschreiben. Der vorgegebene Qualitätswert kann z.B. einen Wert für die Kohärenz von berechneten Bildern und/oder einen Wert für das AASR-Verhältnis (AASR = Azimuth Ambiguity to Signal Ratio) der berechneten Bilder und/oder einen Wert für das SNR-Verhältnis (SNR = Signal-to-Noise Ratio) der berechneten Bilder umfassen. Die Kohärenz der Bilder stellt dabei den normalisierten Korrelationskoeffizienten zwischen verschieden erfassten Bildern der gleichen Szene dar, z.B. den Korrelationskoeffizienten zwischen den zweidimensionalen Bildern, welche im Rahmen der Erzeugung eines dreidimensionalen Bilds mit Höheninformationen interferometrisch überlagert wurden. Das AASR-Verhältnis berücksichtigt die Erzeugung von Mehrdeutigkeiten in einem Bild, wonach bei zu geringer Pulswiederholrate ein Bildpunkt nicht nur an seiner tatsächlichen Position, sondern auch an mehreren weiteren Positionen wiedergegeben wird. Das AASR-Verhältnis bezeichnet das Verhältnis der Signalstärke des mehrdeutigen Bildpunkts mit der größten Signalstärke zu der Signalstärke des Bildpunkts an der tatsächlichen Position. Je größer die Kohärenz ist, desto besser ist die Bildqualität. Demgegenüber wird die Bildqualität bei zunehmendem AASR-Verhältnis immer schlechter.
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Neben dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung ferner eine Vorrichtung zur rechnergestützten Verarbeitung von SAR-Rohdaten, welche die Radarechos der von einem Sender zumindest einen Flugobjekts ausgesendeten Radarpulse umfassen, wobei sich das zumindest eine Flugobjekt beim Aussenden der Radarpulse in eine erste Richtung bewegt und für jedes Radarecho eines Radarpulses eine Vielzahl von Datenabtastungen in einer zweiten Richtung, welche senkrecht zur ersten Richtung ist, in einem oder mehreren Empfängern des zumindest einen Flugobjekts erfasst werden oder wurden. Der Sender und die entsprechenden Empfänger können in diesem Sinne ein Teil der Vorrichtung bilden. Ebenso kann die Vorrichtung nur aus Einheiten bestehen, welche die bereits erfassten SAR-Rohdaten weiterverarbeiten.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden analog zum oben beschriebenen Verfahren SAR-Rohdaten für einen jeweiligen Empfänger verarbeitet, welche für eine Vielzahl von ersten Positionen in der ersten Richtung jeweils ein Signal aus einer Vielzahl von Datenabtastungen für zweite Positionen in der zweiten Richtung enthalten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst für einen jeweiligen Empfänger einen Analog-Digital-Wandler und einen Quantisierer, wobei gegebenenfalls derselbe Wandler bzw. Quantisierer für mehrere der Empfänger vorgesehen sein kann. Der Analog-Digital-Wandler dient zur Digitalisierung der Datenabtastungen der SAR-Rohdaten, wodurch für jede erste Position ein digitales Signal aus einer Vielzahl von digitalen Datenabtastungen erhalten wird. Der Quantisierer dient zur Quantisierung der digitalen Datenabtastungen für jede erste Position mit einer ganzzahligen Bitrate, wodurch komprimierte Signale erhalten werden. Die ganzzahligen Bitraten der Quantisierungen sind dabei für unterschiedliche erste Positionen zumindest teilweise verschieden.
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Die oben beschriebene Vorrichtung ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass mit der Vorrichtung eine oder mehrere bevorzugte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens durchführbar sind.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Computerprogrammprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. einer oder mehrerer bevorzugter Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn der Programmcode auf einem Rechner ausgeführt wird.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. einer oder mehrerer bevorzugter Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn der Programmcode auf einem Computer ausgeführt wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung, anhand der das im Rahmen der Erfindung verwendete SAR-Prinzip erläutert wird;
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2 eine schematische Darstellung der Verarbeitung von SAR-Rohdaten, welche von zwei Satelliten erfasst wurden;
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3 eine schematische Darstellung, welche die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Quantisierung der SAR-Daten verdeutlicht;
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4 ein Diagramm, welches basierend auf SAR-Bildern der Erdoberfläche die Abhängigkeit der Kohärenz der Bilder von der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eingestellten Bitrate wiedergibt; und
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5 ein Diagramm, welches für unterschiedliche Datenübertragungsraten vom Satelliten zum Boden das AASR-Verhältnis entsprechender Bilder in Abhängigkeit von der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eingestellten Bitrate wiedergibt.
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Zum besseren Verständnis wird zunächst anhand von 1 das Prinzip der SAR-Messung anhand der von einem Satelliten ausgesendeten Radarstrahlung erläutert. Der in 1 dargestellte Satellit ist mit dem Bezugszeichen SA angedeutet und bewegt sich in Richtung des dargestellten Pfeils M, welcher der x-Richtung des in 1 wiedergegebenen kartesischen Koordinatensystems entspricht. Diese x-Richtung wird üblicherweise auch als Azimuth bezeichnet. Der Satellit SA, dessen Höhe über der Erdoberfläche durch die z-Koordinate des Koordinatensystems repräsentiert wird, sendet während seiner Bewegung kontinuierlich mit einer vorbestimmten Pulswiederholfrequenz Radarpulse in Richtung zur Erdoberfläche aus, wobei die Kontur eines gerade ausgesendeten Radarpulses auf der Erdoberfläche mit RP bezeichnet ist. Von jedem ausgesendeten Radarpuls wird das Radarecho erfasst, indem die an der Erdoberfläche reflektierte Radarstrahlung in die Richtung y des kartesischen Koordinatensystems abgetastet wird. Die Richtung y wird üblicherweise auch als Range bezeichnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden bei der Auswertung nur Informationen der Radarstrahlung zwischen den beiden Linien L und L’ erfasst, die einen Abstand von mehreren Kilometern (z.B. 30 km) aufweisen. Dies wird auch durch den schraffierten Bereich innerhalb des Radarpulses RP angedeutet. Als Rohdaten der SAR-Messung erhält man für eine Vielzahl von Radarpulsen und somit für eine Vielzahl von Azimuth-Positionen jeweils eine Vielzahl von analogen Datenabtastungen (auch als Datensamples bezeichnet), welche jeweils einer Range-Position entsprechen. Eine entsprechende Abtastung wird dabei durch ein komplexes Signal mit einem I-Wert (I = In-Phase) und einem Q-Wert (Q = Quadratur) repräsentiert. Der I-Wert stellt den Realteil und der Q-Wert den Imaginärteil des Signals dar. Der I-Wert und Q-Wert können in diesem Sinne auch als zwei Datenabtastungen für die gleiche Range-Position aufgefasst werden.
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Das Prinzip der SAR-Messung beruht nunmehr darauf, dass jeweilige Punkte auf die Erdoberfläche mehrfach aus unterschiedlichen Blickwinkeln aufgrund der Bewegung des Satelliten SA erfasst werden. Dies wird in 1 für den Punkt P verdeutlicht. Dieser Punkt P weist in dem dargestellten Szenario den geringstmöglichen Abstand zum Satelliten SA auf. Durch Bewegung des Satelliten in Richtung M wird dieser Abstand immer größer. Vor Erreichen der in 1 dargestellten Position wurde dieser Abstand immer kleiner. Aufgrund des Doppler-Effekts kommt es bei der Erfassung des Radarechos zu einer Frequenzverschiebung, die geeignet ausgewertet werden kann, wodurch schließlich für die Punkte der Erdoberfläche, an denen die Radarpulse reflektiert werden, eine Amplituden- und Phaseninformation und somit ein Bildpunkt der Erdoberfläche erhalten wird. Die entsprechende Berechnung von Bildpunkten der Erdoberfläche aus SAR-Rohdaten ist dem Fachmann hinlänglich bekannt und wird deshalb nicht weiter im Detail erläutert. Mit dem SAR-Messverfahren wird durch eine Vielzahl von Radarpulsen eines Radarsenders kleiner Apertur eine größere synthetische Apertur entsprechend der Ausdehnung des Radarpulses auf der Erdoberfläche simuliert.
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In dem Szenario der 1 befinden sich sowohl der Sender der Radarstrahlung als auch der Empfänger des Radarechos innerhalb des Satelliten SA. Mit dieser Konstellation können zweidimensionale Bilder der Erdoberfläche ermittelt werden. In einer weiteren, weiter unten beschriebenen Ausführungsform wird die SAR-Messung durch zwei, sich synchron bewegende Satelliten durchgeführt. Dabei werden die Radarpulse von einem Sender auf einem der Satelliten ausgesendet und das entsprechende Radarecho sowohl von einem Empfänger auf dem einen Satelliten als auch von einem Empfänger auf dem anderen Satelliten empfangen. Auf diese Weise wird die gleiche Szene aus unterschiedlichen Blickwinkeln aufgenommen. Die hierdurch erhaltenen zweidimensionalen Bilder werden dann rechnergestützt interferometrisch überlagert, um hierdurch ein dreidimensionales Bild der Erdoberfläche mit entsprechenden Höheninformationen zu errechnen.
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Im Rahmen einer SAR-Messung werden die in den entsprechenden Satelliten empfangenen SAR-Rohdaten zunächst mit einem A/D-Wandler digitalisiert und anschließend an eine Bodenstation zur weiteren Verarbeitung übermittelt. Oftmals wird dabei ein A/D-Wandler verwendet, der aus den Rohdaten 8-Bit-Werte erzeugt. Es können aber auch andere Arten von Wandlern eingesetzt werden, welche digitale Werte mit längerer oder kürzerer Bitlänge generieren. Im Rahmen der weiteren Verarbeitung in der Bodenstation werden dann die oben beschriebenen zweidimensionalen bzw. dreidimensionalen Bilder der Erdoberfläche errechnet. Da die Speicherressourcen im Satelliten und die Datenrate zur Übermittlung der Rohdaten an den Boden begrenzt sind, werden die digitalisierten SAR-Rohdaten jedoch noch quantisiert.
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Im Rahmen der Quantisierung werden Quantisierungsstufen basierend auf kürzeren Bitwerten den digitalen Signalen zugeordnet. Beispielsweise kann bei der Quantisierung die ursprüngliche Bitrate von 8 Bits pro Datensample auf eine Rate von 2 oder 3 Bits herabgesetzt werden. Die Quantisierung verarbeitet in dieser Ausführungsform die Datensamples für jede Azimuth-Position gemeinsam. Dabei wird zur Quantisierung der Datensamples einer Azimuth-Position eine sog. BAQ-Quantisierung eingesetzt, welche bereits weiter oben erläutert wurde. Dabei werden die Datensamples in mehrere Blocks aufgeteilt und jeder der Blocks separat quantisiert, indem statistische Eigenschaften die Datensamples innerhalb eines Blocks, wie z.B. die Leistung der Datensamples oder die Standardabweichung, berücksichtigt werden. Durch die adaptive Quantisierung der entsprechenden Blocks kann eine sehr gute Kompressionseffizienz erreicht werden. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Arten von BAQ-Quantisierungs-Verfahren bekannt. Je nach Anforderungen kann im Rahmen der Erfindung eine geeignete Art von BAQ-Quantisierung zur Kompression der Datensamples verwendet werden.
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Üblicherweise wird die Bitrate der Quantisierung bei der Kompression der digitalisierten SAR-Rohdaten für alle Azimuth-Positionen gleich eingestellt, z.B. auf 3 Bits pro Datensample. Dies hat den Nachteil, dass die Datenkompression nur relativ grob an die Anforderungen im Hinblick auf Speicherbereich bzw. Übertragungsrate angepasst werden kann. Im Unterschied hierzu wird im Rahmen der erfindungsgemäßen Datenkomprimierung nunmehr eine Quantisierung mit veränderlicher Bitrate für die Datensamples der jeweiligen Azimuth-Positionen verwendet, wie im Folgenden noch näher beschrieben wird.
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2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen SAR-Signalverarbeitung für die bereits oben erwähnte Konfiguration, bei der ein Satellit SA das Radarecho aussendet und dieses Echo von ihm selbst sowie einem weiteren Satelliten SA’ empfangen wird, der sich synchron zum Satellit SA bewegt. Wie aus 2 ersichtlich ist, werden zunächst separat für die entsprechenden Satelliten die SAR-Rohdaten erfasst, wie durch den Pfeil SE für den Satelliten SA und SE’ den für den Satelliten SA’ angedeutet ist. Die Rohdaten R bzw. R’ des Satelliten SA bzw. SA’ stellen dabei die oben beschriebenen Datensamples in der Form von I/Q-Daten für eine Vielzahl von Azimuth- und Range-Positionen dar. Anschließend erfolgt in beiden Satelliten eine entsprechende Digitalisierung DI bzw. DI’ mit Hilfe eines A/D-Wandlers. Hierdurch werden digitalisierte Rohdaten DR für den Satelliten SA bzw. DR’ für den Satelliten SA’ erhalten.
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In einem nächsten Schritt erfolgt in jedem der Satelliten SA und SA’ die entsprechende Quantisierung Q bzw. Q’ der Rohdaten DR bzw. DR’. Es wird dabei eine BAQ-Quantisierung mit ganzzahliger Bitrate für die Datensamples der jeweiligen Azimuth-Position verwendet. Erfindungswesentlich ist nunmehr, dass die Bitrate – im Unterschied zum Stand der Technik – nicht mehr für alle Azimuth-Positionen konstant ist, sondern variieren kann. Auf diese Weise wird es ermöglicht, eine Kompression mit einer nicht-ganzzahliger Bitrate zu generieren, die durch den arithmetischen Mittelwert der Bitraten der einzelnen Azimuth-Positionen repräsentiert wird. Je nach Ausführungsform kann dabei die Bitrate basierend auf verschiedenen Kriterien eingestellt werden. Ein Kriterium kann beispielsweise durch eine maximale Datenrate gegeben sein, mit der Daten in einem entsprechenden Speicher der jeweiligen Satelliten geschrieben werden können bzw. an eine Bodenstation übertragen werden können. Die Bitraten der Quantisierungen werden dabei feingranular derart eingestellt, dass eine nicht-ganzzahlige Bitrate erreicht wird, welche die maximale Datenrate ausnutzt. Dies ist im Stand der Technik nur mit erhöhtem Aufwand an Hardware und Software möglich.
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Die durch die entsprechenden Quantisierungen Q bzw. Q’ erzeugten komprimierten Signale CS bzw. CS’ werden schließlich über eine Satellitenübertragungsstrecke T bzw. T’ an eine Bodenstation GS übermittelt. In dieser Bodenstation erfolgt dann die Prozessierung der Rohdaten derart, dass aus den Signalen der einzelnen Satelliten SA und SA’ zunächst zweidimensionale Bilder erzeugt werden. Aus den Bildern der gleichen Szene wird dann ein Interferogramm erzeugt, indem die Phasenverschiebungen zwischen einander entsprechenden Datensamples der Bilder ermittelt werden. Hieraus wird ein dreidimensionales Bild in der Form eines digitalen Höhenmodells EM (EM = Elevation Map) bestimmt. Wie weiter unten noch näher beschrieben, kann die Bitrate der Quantisierungen ggf. auch in Abhängigkeit eines entsprechenden Qualitätsmaßes des erzeugten dreidimensionalen Bildes bzw. der für die jeweiligen Satelliten erzeugten zweidimensionalen Bilder eingestellt werden.
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3 verdeutlicht nochmals die erfindungsgemäße Quantisierung mit variabler Bitrate am Beispiel eines einzelnen Satelliten SA. Im Rahmen der Quantisierung wird dabei das komprimierte Signal CS erhalten. Dieses Signal ist in 3 in der Form eines Arrays aus Datensamples dargestellt, wobei die entsprechende Azimuth-Position durch die x-Achse und die entsprechende Range-Position durch die y-Achse angedeutet sind. Die einzelnen Datensamples werden durch die entsprechenden Bitraten der BAQ-Quantisierung repräsentiert. Die Bitraten beziehen sich dabei auf den I-Wert bzw. Q-Wert und sind für beide Werte gleich groß. Wie man anhand des Beispiels von 3 erkennt, variiert die Bitrate der BAQ-Quantisierung von einer Azimuth-Position zur nächsten zwischen den Werten 3 Bits pro Sample und 2 Bits pro Sample. Das mit dieser variablen Quantisierung komprimierte Signal CS wird schließlich an die Bodenstation GS übermittelt, wie durch den Pfeil P angedeutet ist. Dort erfolgt dann die an sich bekannte SAR-Prozessierung, welche durch den Block SP wiedergegeben ist.
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Im Rahmen der SAR-Prozessierung SP wird ein zweidimensionales Bild I ermittelt, welches für jede Azimuth-Position und jede Range-Position durch einen Amplituden- und Phasenwert repräsentiert wird. Wie durch den Pfeil P’ angedeutet, führt somit die SAR-Prozessierung SP zu dem Bild I. Da im Rahmen der Prozessierung die Informationen von vielen unterschiedlichen Azimuth-Positionen vermischt werden, wird auf diese Weise ein Bild ermittelt, welches einem Bild entspricht, bei dem die einzelnen Datensamples mit der konstante Bitrate von 2,5 quantisiert wurden. Diese Bitrate ist für entsprechende Punkte des Bilds I in 3 wiedergegeben. Durch die Variation der Bitrate kann somit in geeigneter Weise eine nichtganzzahlige Bitrate entsprechend den Anforderungen basierend auf dem arithmetischen Mittel der Bitraten der Quantisierungen der jeweiligen Azimuth-Positionen eingestellt werden.
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Die in
3 dargestellte Variation der Bitrate ist lediglich beispielhaft und die Bitrate der einzelnen Azimuth-Positionen kann auch auf andere Weise variiert werden. Insbesondere muss die Bitrate nicht nach jeder Azimuth-Position gewechselt werden. Vielmehr kann die Bitrate auch für mehrere Azimuth-Positionen (z.B. zwei Positionen) konstant bleiben und erst anschließend auf einen anderen Wert gewechselt werden. Die nachfolgende Tabelle 1 verdeutlicht nochmals beispielhaft, wie für entsprechende nicht-ganzzahlige Bitraten 2,1, 2,2, ..., 2,9 (linke Spalte der Tabelle) die entsprechenden Bitraten der Quantisierungen von aufeinander folgenden Azimuth-Positionen einer vorgegebenen Sequenz (rechte Spalte der Tabelle) eingestellt werden können. Die Sequenz der Bitraten wird dabei im Rahmen der Komprimierung wiederholt. Die einzelnen Bitraten der verschiedenen Sequenzen weisen die Werte 2 oder 3 auf, wobei jeder Wert für die Bitrate der Quantisierung der Datensamples einer Azimuth-Position steht. Tabelle 1:
| BAQ-Rate [bits/sample] | ES-BAQ-Sequenz |
| 2.1 | 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 |
| 2.2 | 2 2 2 2 3 2 2 2 2 3 |
| 2.3 | 2 2 3 2 2 3 2 2 3 2 |
| 2.4 | 2 3 2 2 3 2 3 2 2 3 |
| 2.5 | 2 3 2 3 2 3 2 3 2 3 |
| 2.6 | 2 3 2 3 2 3 2 3 3 3 |
| 2.7 | 2 3 2 3 3 3 2 3 3 3 |
| 2.8 | 2 3 3 3 3 3 2 3 3 3 |
| 2.9 | 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 |
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Wie man aus der obigen Tabelle erkennt, können durch entsprechende Einstellung des Verhältnisses zwischen den Quantisierungen mit 2 Bits pro Sample und 3 Bits pro Sample verschiedene nicht-ganzzahlige Bitraten realisiert werden.
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Wie bereits oben erwähnt, können die Bitraten der Quantisierungen ggf. auch in Abhängigkeit von erwünschten Qualitätswerten für die ermittelten Radarbilder eingestellt werden. Für die oben beschriebenen digitalen Höhenmodelle, die im Rahmen der SAR-Prozessierung ermittelt werden, ist dabei die an sich bekannte interferometrische Kohärenz, welche Werte zwischen 0 (keine Kohärenz) und 1 (100% Kohärenz) aufweist, ein geeigneter Qualitätswert. Die Kohärenz stellt dabei den normalisierten Korrelationskoeffizienten zwischen den entsprechenden Bildern der jeweiligen Satelliten dar und liefert eine Information über das Rauschen in dem Interferogramm.
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4 verdeutlicht für entsprechend ermittelte Interferogramme deren Kohärenzwerte in Abhängigkeit von der bei der Komprimierung der SAR-Rohdaten verwendeten Bitrate, d.h. dem arithmetischen Mittel der variierenden Bitraten der Quantisierungen. Die entsprechenden Bilder wurden dabei über ein bistatisches Satellitensystem umfassend die Satelliten TanDEM-X und TerraSAR-X ermittelt. In diesem System bewegen sich die beiden soeben genannten Satelliten mit geringem Abstand zueinander synchron in die gleiche Azimuth-Richtung. Die Erstellung der Höhenmodelle wird über die interferometrische Überlagerung der Bilder der entsprechenden Satelliten ermöglicht. Gemäß 4 wurde dabei für unterschiedliche Gebiete der Erdoberfläche, die durch entsprechende Linien L1, L2, L3 und L4 repräsentiert sind, die Kohärenz CO für verschiedene nicht-ganzzahlige Bitraten BR zwischen 2 und 3 bestimmt. Diese Bitraten wurden dabei gemäß der obigen Tabelle 1 festgelegt.
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Wie man aus dem Diagramm der 4 erkennt, nimmt die Kohärenz mit zunehmender Bitrate zu. Durch die Einstellung nicht-ganzzahliger Bitraten kann dabei die Kohärenz des digitalen Höhenmodells sehr fein justiert werden. Für den Datensatz der Linie L4 können dabei Kohärenzwerte zwischen in etwa 0,71 und 0,77 eingestellt werden, wohingegen bei der Verwendung einer konstanten ganzzahligen Bitrate über die Azimuth-Positionen hinweg nur zwischen den Kohärenzwerten 0,71 und 0,77 gewählt werden kann.
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Ein weiterer wichtiger Parameter von SAR-Radarbildern ist die sog. Azimuth-Mehrdeutigkeit (englisch: Azimuth Ambiguity). Dieser Effekt tritt bei geringen Pulswiederholfrequenzen der ausgesendeten Radarpulse auf und führt dazu, dass ein Objekt in einem Bild nicht nur an der tatsächlichen Azimuth-Position, sondern auch an mehreren weiteren Azimuth-Positionen wiedergegeben wird. Ein Maß für die Qualität eines Bilds ist dabei das sog. AASR-Verhältnis (AASR = Azimuth Ambiguity to Signal Ratio), welches auch als Peak-AASR bezeichnet wird und das Verhältnis des größten Signalwerts für ein Objekt an einer mehrdeutigen Position zu dem Signalwert des Objekts an der tatsächlichen Position darstellt. Je kleiner das AASR-Verhältnis ist, desto weniger Mehrdeutigkeiten treten auf und desto höher ist die Bildqualität.
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5 verdeutlicht wiederum für unterschiedliche nicht-ganzzahlige Bitraten der Quantisierung das hieraus resultierende AASR-Verhältnis von Radarbildern für unterschiedliche Datenraten DR1, DR2 und DR3. Die Datenrate DR1 liegt dabei bei 8000 Bits pro Sekunde, die Datenrate DR2 bei 9000 Bits pro Sekunde und die Datenrate DR3 bei 10000 Bits pro Sekunde. Dabei wurde für die entsprechenden Bitraten BR, die in 5 zwischen 2,0 und 5,0 liegen, die Pulswiederholfrequenz derart eingestellt, dass die jeweiligen Datenraten erreicht werden. In 5 ist das Peak-AASR-Verhältnis logarithmisch durch einen dB-Wert angegeben. Je näher die dB-Werte bei Null liegen, desto größer ist das AASR-Verhältnis.
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Wie man aus 5 erkennt, nimmt das AASR-Verhältnis für kleine Bitraten ab, denn in diesem Fall kann zur Erreichung der Datenrate die Pulswiederholfrequenz erhöht werden, was wiederum zu weniger Mehrdeutigkeiten führt. Ebenso nimmt das AASR-Verhältnis für einen feste Bitrate bei zunehmender Datenrate ab, da in diesem Fall die Pulswiederholfrequenz verringert werden muss. 5 verdeutlicht, dass im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens als Qualitätsparameter des Radarbilds ein erwünschtes AASR-Verhältnis für eine entsprechende Datenrate der Datenspeicherung bzw. Datenübermittlung vorgegeben und entsprechend dieser Vorgabe durch geeignete Variation der Bitraten erfüllt werden kann. Dies ist in herkömmlichen Verfahren nicht möglich, da in diesem Fall die Bitrate nur auf ganzzahlige Werte eingestellt werden kann.
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Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere können auf einfache Weise durch die Variation der ganzzahligen Bitraten entsprechender Quantisierungen beliebige nicht-ganzzahlige Kompressionsraten erreicht werden. Dabei kann für die Komprimierung der Datensamples der jeweiligen Azimuth-Position ein an sich bekanntes Quantisierungsverfahren und insbesondere ein BAQ-Verfahren eingesetzt werden. Lediglich durch die Variation der Bitraten des Quantisierungsverfahrens wird hierdurch die geeignete Bitrate erreicht. Durch die Einstellung der Bitrate auf nicht-ganzzahlige Werte kann je nach Anforderungen eine feingranulare Einstellung der Datenkomprimierung erreicht werden, z.B. im Hinblick auf eine maximale Datenrate bei der Übertragung der komprimierten Daten.
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Literaturverzeichnis:
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- [1] El Boustani, A., Brunham, K. ; Kinsner, W., "A Review of Current Raw SAR Data Compression Techniques", Electrical and Computer Engineering, Canadian Conference on, 2001, Vol. 2, Seiten 925–930
- [2] US 6,255,987 B1
