DE102016015740B4 - Method for creating an earth observation image of a region using a synthetic aperture radar - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Erstellung eines Erdbeobachtungsbildes einer Region mittels eines Radars mit synthetischer Apertur (SAR) und einer phasengesteuerten, aus Einzelantennen zusammengesetzten Gruppenantenne mit einem durch einen Steuerwinkel erzielbaren azimutalen Schwenkwinkelbereich, wobei jede Einzelantenne einen die Einzelantennenverstärkung in Abhängigkeit vom Raumwinkel beschreibenden Elementfaktor und die Gruppenantenne einen Arrayfaktor aufweist, der die sich aus der Anordnung und Anzahl der Einzelantennen ergebende Gruppenantennenverstärkung in Abhängigkeit vom Raumwinkel beschreibt, wobei die Gruppenantennenverstärkung mehrere Hauptmaxima aufweist, die im Wesentlichen gleich groß sind und die jedoch im Hinblick auf die Gesamtverstärkung, die sich aus dem Elementfaktor und der Gruppenantennenverstärkung ergibt, zu größer werdenden Steuerwinkeln θ hin abgeschwächt sind, wobei bei dem Verfahren- das Erdbeobachtungsbild anhand einer Multi-Look-Verarbeitung, d.h. anhand der Verarbeitung einer Gesamtaufnahme einer Region erstellt wird, die zusammengesetzt ist aus mehreren durch Beleuchten über jeweils unterschiedliche Blickwinkelbereiche hinweg erstellte Teilaufnahmen der Region, d.h. Looks (k), wobei die Teilaufnahmen jeweils aus der Gesamtaufnahme herausgefiltert werden, wobei- Anteile der synthetischen Apertur, die bei bestimmten Blickwinkeln ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) aufweisen, das kleiner ist als ein vorgebbarer Grenzwert, nutzbar gemacht werden durch eine Signal-zu-Rausch-abhängige Aufsummierung der einzelnen Looks (k), wobei die Aufsummierung entweder- ortsunabhängig direkt aus dem Azimut-Antennendiagramm abgeleitet wird durch eine normalisierte Korrektur des Antennendiagramms (LNPC) in den einzelnen Looks (k), wobei zunächst das Antennendiagramm korrigiert und danach in jedem Look eine Normierung so durchgeführt wird, dass bei einem bestimmten Azimutwinkel oder, falls die Operation im Spektrum durchgeführt wird, bei einer bestimmten, für jeden Look (k) spezifischen Azimutfrequenz das Produkt aus inversem Antennendiagramm und Normierung in jedem Look einen Wert von eins ergibt, oder- ortabhängig durch eine an jeder Pixelposition (P) unterschiedliche Signal-zu-Rausch-abhängige Gewichtung Ωm[k] der Looks (k) durchgeführt wird, wobei die Gewichtungsfunktion (ALNPC,k(fa)) nach gewünschten Optimierungskriterien erstellt wird.Method for creating an earth observation image of a region using a synthetic aperture radar (SAR) and a phase-controlled group antenna composed of individual antennas with an azimuthal swivel angle range that can be achieved by a control angle, each individual antenna having an element factor describing the individual antenna gain as a function of the solid angle and the group antenna having an array factor which describes the group antenna gain resulting from the arrangement and number of individual antennas as a function of the solid angle, the group antenna gain having several main maxima which are essentially the same size and which, however, with regard to the overall gain, which results from the element factor and the group antenna gain results, are attenuated towards increasing control angles θ, with the method - the earth observation image is created using multi-look processing, i.e. based on the processing of an overall image of a region which is composed of several created by illuminating over different viewing angle ranges Partial recordings of the region, i.e. looks (k), whereby the partial recordings are each filtered out of the overall recording, whereby - portions of the synthetic aperture that have a signal-to-noise ratio (SNR) at certain viewing angles that is smaller than a predeterminable one Limit value, can be made usable by a signal-to-noise-dependent summation of the individual looks (k), whereby the summation is derived either- location-independent directly from the azimuth antenna diagram by a normalized correction of the antenna diagram (LNPC) in the individual looks ( k), whereby the antenna diagram is first corrected and then normalization is carried out in each look so that at a certain azimuth angle or, if the operation is carried out in the spectrum, at a certain azimuth frequency specific to each look (k), the product of inverse Antenna diagram and normalization results in a value of one in each look, or - depending on the location, a different signal-to-noise-dependent weighting Ωm[k] of the looks (k) is carried out at each pixel position (P), whereby the weighting function (ALNPC, k(fa)) is created according to the desired optimization criteria.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erstellung eines Erdbeobachtungsbildes einer Region mittels eines Radars mit synthetischer Apertur (SAR) und einer phasengesteuerten, aus Einzelantennen zusammengesetzten Gruppenantenne mit einem durch einen Steuerwinkel erzielbaren azimutalen Schwenkwinkelbereich, wobei jede Einzelantenne einen die Einzelantennenverstärkung in Abhängigkeit vom Raumwinkel beschreibenden Elementfaktor und die Gruppenantenne einen Arrayfaktor aufweist, der die sich aus der Anordnung und Anzahl der Einzelantennen ergebende Gruppenantennenverstärkung in Abhängigkeit vom Raumwinkel beschreibt, wobei die Gruppenantennenverstärkung mehrere Hauptmaxima aufweist, die im Wesentlichen gleich groß sind und die jedoch im Hinblick auf die Gesamtverstärkung, die sich aus dem Elementfaktor und der Gruppenantennenverstärkung ergibt, zu größer werdenden Steuerwinkeln hin abgeschwächt sind. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Auflösungsverbesserung durch Ausdehnung des nutzbaren Schwenkwinkelbereichs einer phasengesteuerten Gruppenantenne für Radar mit synthetischer Apertur (SAR) (nachfolgend auch Wrapped Staring Spotlight genannt) und zur SAR-Bildqualitätsverbesserung bei Anteilen der sythetischen Apertur mit schlechtem SNR (nachfolgend auch mit LNPC bzw. Omega-Weighting bezeichnet).The invention relates to a method for creating an earth observation image of a region using a radar with synthetic aperture (SAR) and a phase-controlled group antenna composed of individual antennas with an azimuthal swivel angle range that can be achieved by a control angle, each individual antenna having an element factor describing the individual antenna gain as a function of the solid angle and the group antenna has an array factor which describes the group antenna gain resulting from the arrangement and number of individual antennas as a function of the solid angle, the group antenna gain having several main maxima which are essentially the same size and which, however, with regard to the overall gain resulting from the Element factor and the group antenna gain are attenuated towards increasing control angles. In particular, the invention relates to a method for improving resolution by expanding the usable swivel angle range of a phased array antenna for synthetic aperture radar (SAR) (hereinafter also referred to as wrapped staring spotlight) and for improving SAR image quality in parts of the synthetic aperture with poor SNR (hereinafter also with LNPC or omega weighting).
Staring Spotlight [1] ist der SAR-Abbildungsmodus (engl.: Synthetic Aperture Radar SAR) mit der längsten Beleuchtungsdauer eines Ziels und somit auch mit der besten Auflösung. Die Antenne wird dabei während des Vorbeiflugs des Radars stetig auf das Zentrum der abzubildenden Szene gerichtet (siehe
Sehr häufig ist die Antenne als phasengesteuerte Gruppenantenne realisiert, welche schnelle Änderungen der Antennenblickrichtung ohne Anforderungen an die Lage des Trägers oder eine Beeinflussung derselben erlaubt. Die Ausrichtung der Blickrichtung erfolgt dabei elektronisch durch Anregungskoeffizienten für die jeweiligen Einzelantennen. Für jeden Steuerwinkel ist in der Regel ein Satz von Anregungskoeffizienten an Bord des Trägers gespeichert. Dadurch sind die einstellbaren Steuerwinkel in ihrer Anzahl oder Quantisierung begrenzt. In der Regel ist der Abstand der durch Anregungskoeffizienten ansprechbaren Einzelantennen größer als die halbe Wellenlänge, was zum Auftreten von Gitterkeulen (engl.: Grating Lobes) führt.The antenna is very often implemented as a phase-controlled group antenna, which allows rapid changes in the direction of view of the antenna without requiring the position of the carrier or influencing it. The direction of view is aligned electronically using excitation coefficients for the respective individual antennas. For each control angle, a set of excitation coefficients is typically stored on board the carrier. This means that the number or quantization of the adjustable control angles is limited. As a rule, the distance between the individual antennas that can be addressed by excitation coefficients is greater than half the wavelength, which leads to the appearance of grating lobes.
Ein dem Stand der Technik entsprechendes SAR-System mit Staring-Spotlight-Abbildungsmodus und phasengesteuerter Gruppenantenne ist TerraSAR-X (TSX) [1]. Bei diesem beispielhaften System decken die on-board tabellierten Anregungskoeffizienten einen Bereich azimutaler Steuerwinkel zwischen -2,2° und +2,2° ab. Dieser Winkelbereich von 4,4° entspricht dem Winkelabstand ΔθGL zwischen den Hauptmaxima des Azimut-Antennendiagramms. Hauptmaxima sind die Gitterkeulen und die Hauptkeule. Es ist möglich, den Schwenkwinkelbereich durch eine andere Verteilung der Steuerwinkel auszudehnen, was aber zu einer Vergrößerung der Quantisierung und somit zu Qualitätsverlusten führt.A state-of-the-art SAR system with staring spotlight imaging mode and phased array antenna is TerraSAR-X (TSX) [1]. In this exemplary system, the on-board tabulated excitation coefficients cover a range of azimuthal control angles between -2.2° and +2.2°. This angular range of 4.4° corresponds to the angular distance Δθ GL between the main maxima of the azimuth antenna diagram. The main maxima are the lattice lobes and the main lobe. It is possible to expand the swivel angle range by distributing the control angles differently, but this leads to an increase in quantization and thus to loss of quality.
Eine Technik, die im weiter unten beschriebenen Wrapped-Starring-Spotlight-Modus unterstützend zum Einsatz kommt, ist die des Diverging PRF-Setting [1],[2]. In SAR-Systemen erfolgt eine Abtastung des im Prinzip nicht bandbegrenzten Signals in Azimut mit der Pulswiederholfrequenz (PRF). Dabei werden Signale aus Richtungen, welche nicht Azimutfrequenzen innerhalb des PRF-Bandes entsprechen, durch Rückfaltung ebenfalls in das PRF-Band gespiegelt. Durch gezielte Auswahl der verwendeten PRF kann nun die Positionierung eines unerwünschten gesteuerten oder rückgefalteten Hauptmaximums relativ zu einem gewünschten gesteuerten oder rückgefalteten Hauptmaximums eingestellt werden. Diverging PRF-Setting bedeutet nun, die Position der gewünschten und ungewünschten Hauptmaxima so weit als möglich voneinander separiert einzustellen. Dann kann mit einer Bandpassfilterung möglichst viel des unerwünschten Hauptmaximums entfernt werden.
Die konventionelle SAR-Prozessierung in der azimutalen Dimension führt unter anderem eine Korrektur des Azimut-Antennen-Diagramms im Azimut-Spektrum durch und danach eine Gewichtung eines jeden Looks in Azimut zur Kontrolle bzw. Unterdrückung der Nebenzipfel der Impulsantwort. Die Nebenzipfelunterdrückung kann auch im Azimut-Spektrum verortet werden. Für die Verarbeitung von Daten des beispielhaften TSX-Systems wird im Folgenden ein „General Cosine Window“ [1] mit einem α-Parameter von 0,6 angenommen. Dies reduziert die geometrische Auflösung im Vergleich zur Prozessierung ohne Nebenzipfelunterdrückung um den Faktor 1,3. Die bisher für das beispielhafte TSX-System maximale geometrische Azimutauflösung im Staring Spotlight Abbildungsmodus, die sich aus dem Azimut-Schwenkwinkelbereich von 4,4° ergibt, beträgt 0,165 m ohne spektrale Gewichtung zur Nebenzipfelunterdrückung und 0,225 m mit Nebenzipfelunterdrückung [1]. Das größte Nebenzipfelverhältnis bezogen auf das Maximum der Impulsantwort (engl.: Peak Sidelobe Ratio - PSLR) ist -13,2 dB ohne Nebenzipfelunterdrückung und -31,6 dB mit Unterdrückung. Es gibt zwei prinzipielle Möglichkeiten die zur Verfügung stehende azimutale Bandbreite bildhaft darzustellen: in maximaler geometrischer Auflösung oder durch Aufteilen der Bandbreite in mehrere Sichten (engl. „Looks“) und inkohärente Addition dieser, was eine Darstellung mit reduziertem Speckle und verschlechterter geometrischer Auflösung ergibt. Speckle ist eine Fluktuation der Helligkeit, die allen SAR-Bildern inhärent ist und welche die Detektion von Zielen erschwert. Looks werden in SAR-Bildern häufig überlappend generiert und ein verbreitetes Maß zur Quantifizierung der Reduktion von Speckle ist die „Äquivalente Anzahl von Looks“ (engl.: „Equivalent Number of Looks - ENL“).Conventional SAR processing in the azimuthal dimension carries out, among other things, a correction of the azimuth antenna diagram in the azimuth spectrum and then a weighting of each look in azimuth to control or suppress the side lobes of the impulse response. The side lobe suppression can also be located in the azimuth spectrum. For the processing of data from the exemplary TSX system, a “General Cosine Window” [1] with an α parameter of 0.6 is assumed below. This reduces the geometric resolution by a factor of 1.3 compared to processing without side lobe suppression. The maximum geometric azimuth resolution so far for the exemplary TSX system in the Staring Spotlight imaging mode, which results from the azimuth swivel angle range of 4.4°, is 0.165 m without spectral weighting for side lobe suppression and 0.225 m with side lobe suppression [1]. The largest sidelobe ratio related to the maximum of the impulse response (Peak Sidelobe Ratio - PSLR) is -13.2 dB without sidelobe suppression and -31.6 dB with suppression. There are two basic ways of visually representing the available azimuthal bandwidth: in maximum geometric resolution or by dividing the bandwidth into several views (“looks”) and adding them incoherently, which results in a representation with reduced speckle and degraded geometric resolution. Speckle is a fluctuation in brightness inherent in all SAR images that makes target detection difficult. Looks are often generated overlapping in SAR images and a common measure to quantify speckle reduction is the Equivalent Number of Looks (ENL).
Ein weiterer wichtiger Qualitätsparameter von SAR-Bildern ist der Anteil von Rauschen im Signal, welcher durch das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (engl.: Signal to Noise Ratio - SNR) beschrieben werden kann. Der dominante Anteil des Rauschens ist in der Regel das thermische Rauschen am Radarempfänger. Ein hoher Rauschanteil im SAR-Signal erscheint im SAR-Bild wie ein Grauschleier, der sich über das Bild legt. Ein hoher Rauschanteil reduziert ebenfalls die Detektierbarkeit von Zielen.Another important quality parameter of SAR images is the proportion of noise in the signal, which can be described by the signal-to-noise ratio (SNR). The dominant part of the noise is usually the thermal noise at the radar receiver. A high proportion of noise in the SAR signal appears in the SAR image like a gray haze that covers the image. A high proportion of noise also reduces the detectability of targets.
Sowohl Speckle als auch thermisches Rauschen fluktuieren den gemessenen Radar-Rückstreuquerschnitt. Für Flächenziele kann man ENL und SNR in einen Qualitätsparameter zusammenfassen und die Detektierbarkeit im SAR-Bild durch die „Radiometrische Auflösung (engl.: radiometric resolution RR)“ beschreiben als
Der Kontrast ist eine hilfreiche Messgröße zum Vergleich von unterschiedlich dargestellten SAR-Bildern. Er liefert Rückschlüsse auf eine Veränderung des Rauschanteils und beschreibt die Detektierbarkeit von Szenen mit heterogenem Rückstreuquerschnitt (engl.: „Backscatter“), wie er zum Beispiel in urbanen Gebieten auftritt. Es gibt für SAR keine einheitliche Definition des Kontrasts. Im Folgenden wird nachstehende Definition des „Root Mean Square Contrast“ Crms verwendet, die ähnlich für optische Bilder definiert ist:
Die Darstellung der Amplitude in
Tabelle 1: Bildqualitätsparameter für den Ausschnitt aus einem Staring Spotlight Bild des TerraSAR-X Systems.
- a) In Staring Spotlight SAR ist entweder der azimutale Steuerwinkelbereich oder die Quantisierung der Steuerwinkel durch den verfügbaren On-board-Speicher begrenzt. Durch den bei Beibehaltung der Quantisierung begrenzten Steuerwinkelbereich ist die maximal mögliche geometrische Auflösung begrenzt. Bei Beibehaltung einer geometrischen Auflösung ist die radiometrische Auflösung begrenzt.
- b) Wird bei SAR-Akquisitionen der Winkelbereich so weit ausgedehnt, dass auch Winkel in die synthetische Apertur eingehen, unter denen der Antennengewinn schlecht ist, dann erhöht sich das thermische Rauschen bei konventioneller SAR-Prozessierung stark und das SNR im SAR-Bild ist schlecht. Daher werden diese Winkelbereiche nicht verarbeitet und deren Informationspotential bleibt ungenutzt.
- a) In Staring Spotlight SAR, either the azimuthal control angle range or the quantization of the control angles is limited by the available on-board memory. The maximum possible geometric resolution is limited due to the limited control angle range while maintaining the quantization. While maintaining a geometric resolution, the radiometric resolution is limited.
- b) If the angular range in SAR acquisitions is expanded to such an extent that the synthetic aperture also includes angles at which the antenna gain is poor, then the thermal noise in conventional SAR processing increases greatly and the SNR in the SAR image is poor . Therefore, these angular ranges are not processed and their information potential remains unused.
Aufgabe der Erfindung ist die Verbesserung der Auflösung und der Bildqualität bei SAR-Systemen.The object of the invention is to improve the resolution and image quality in SAR systems.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren vorgeschlagen zur Erstellung eines Erdbeobachtungsbildes einer Region mittels eines Radars mit synthetischer Apertur (SAR) und einer phasengesteuerten, aus Einzelantennen zusammengesetzten Gruppenantenne mit einem durch einen Steuerwinkel erzielbaren azimutalen Schwenkwinkelbereich, wobei jede Einzelantenne einen die Einzelantennenverstärkung in Abhängigkeit vom Raumwinkel beschreibenden Elementfaktor und die Gruppenantenne einen Arrayfaktor aufweist, der die sich aus der Anordnung und Anzahl der Einzelantennen ergebende Gruppenantennenverstärkung in Abhängigkeit vom Raumwinkel beschreibt, wobei die Gruppenantennenverstärkung mehrere Hauptmaxima aufweist, die im Wesentlichen gleich groß sind und die jedoch im Hinblick auf die Gesamtverstärkung, die sich aus dem Elementfaktor und der Gruppenantennenverstärkung ergibt, zu größer werdenden Steuerwinkeln hin abgeschwächt sind, wobei bei dem Verfahren
- - das Erdbeobachtungsbild anhand einer Multi-Look-Verarbeitung, d.h. anhand der Verarbeitung einer Gesamtaufnahme einer Region erstellt wird, die zusammengesetzt ist aus mehreren Teilaufnahmen (sogenannte Looks) der Region durch Beleuchten über jeweils unterschiedliche Blickwinkelbereiche hinweg, wobei die Teilaufnahmen jeweils aus der Gesamtaufnahme herausgefiltert werden, wobei
- - Anteile der synthetischen Apertur, die bei bestimmten Blickwinkeln ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis aufweisen, das kleiner ist als ein vorgebbarer Grenzwert und damit „schlecht“ ist, weshalb diese Anteile der synthetischen Apertur bei bisherigen Verfahren nicht genutzt wurden, nutzbar gemacht werden durch eine Signal-zu-Rausch-abhängige Aufsummierung der einzelnen Looks, wobei die Aufsummierung entweder
- - ortsunabhängig direkt aus dem Azimut-Antennendiagramm abgeleitet wird durch eine normalisierte Korrektur des Antennendiagramms in den einzelnen Looks (LNPC), wobei zunächst das Antennendiagramm korrigiert und danach in jedem Look eine Normierung so durchgeführt wird, dass bei einem bestimmten Azimutwinkel oder, falls die Operation im Spektrum durchgeführt wird, bei einer bestimmten, für jeden Look spezifischen Azimutfrequenz das Produkt aus inversem Antennendiagramm und Normierung in jedem Look einen Wert von eins ergibt,
- - ortabhängig durch eine an jeder Pixelposition unterschiedliche Signal-zu-Rausch-abhängige Gewichtung der Looks (Ω-Weighting) durchgeführt wird, wobei die Gewichtungsfunktion nach gewünschten Optimierungskriterien erstellt wird.
- - the earth observation image is created using multi-look processing, ie based on the processing of an overall image of a region, which is composed of several partial images (so-called looks) of the region by illuminating them over different viewing angles, with the partial images being filtered out of the overall image be, whereby
- - Portions of the synthetic aperture that, at certain viewing angles, have a signal-to-noise ratio that is smaller than a predeterminable limit value and are therefore “bad,” which is why these portions of the synthetic aperture were not used in previous methods can be made usable by a signal-to-noise-dependent summation of the individual looks, whereby the summation is either
- - is derived independently of location directly from the azimuth antenna diagram by a normalized correction of the antenna diagram in the individual looks (LNPC), whereby the antenna diagram is first corrected and then normalization is carried out in each look in such a way that at a certain azimuth angle or, if the operation is carried out in the spectrum, at a certain azimuth frequency specific to each look, the product of the inverse antenna diagram and normalization results in a value of one in each look,
- - Is carried out depending on the location by a signal-to-noise-dependent weighting of the looks (Ω-weighting) that is different at each pixel position, with the weighting function being created according to the desired optimization criteria.
Weitere mögliche Varianten der Erfindung für die ortsabhängige Gewichtung der Looks sind darin zu sehen, dass es sich bei den Optimierungskriterium für die Erstellung der Gewichtungsfunktion um
- - eine möglichst gute radiometrische Auflösung und/oder
- - eine möglichst gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis im Multi-Look-Bild und/oder
- - eine möglichst hohe Anzahl Equivalent Number of Looks handelt/handeln kann.
- - the best possible radiometric resolution and/or
- - the best possible signal-to-noise ratio in the multi-look image and/or
- - the highest possible number of Equivalent Number of Looks trades/can trade.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Aufnahme im Spotlight-Modus und damit durch Verlängerung der Beleuchtung der aufzunehmenden Region infolge der Erweiterung des azimutalen Schwenkwinkelbereichs, oder im TOPSAR-Modus durch Ausdehnung des azimutalen Schwenkwinkelbereichs, oder im Bi-Directional-SAR-Modus oder im Forward/Backward-Looking-SAR-Modus durchgeführt wird.A further aspect of the invention can be seen in the fact that recording in spotlight mode and thus by extending the illumination of the region to be recorded as a result of the expansion of the azimuthal swivel angle range, or in TOPSAR mode by extending the azimuthal swivel angle range, or in bi-directional SAR mode or in forward/backward looking SAR mode.
Die verschiedenen Aspekte der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:
-
1 eine grafische Darstellung des bekannten Staring Spotlight Modus mit den maximalen azimutalen Steuerwinkeln des TerraSAR-X Systems (TSX), -
2 eine grafische Darstellung des Converging PRF-Setting (links) und Diverging PRF-Setting (rechts), -
3 ein beispielhafter Ausschnitt aus einem Staring-Spotlight-Bild des TerraSAR-X Systems (TSX), wobei drei Flächenziele (A, B und C) und eine urbane Fläche (D) mit Bebauung markiert sind, -
4 eine schematische Darstellung des Staring Spotlight Modus mit erweitertem azimutalen Steuerwinkelbereich durch Ausnutzen der Hauptmaxima am Beispiel des TerraSAR-X Systems (TSX), -
5 eine Auswahl der gewünschten Signalanteile bzw. die Unterdrückung der unerwünschten Signalanteile, durch zeitabhängige Bandpass-Filterung und Diverging PRF-Setting, wobei die angegebenen Winkel beispielhaft für das TerraSAR-X System (TSX) sind, -
6 das prinzipielle Blockschaltbild der erfindungsgemäßen LNPC Multi-look-Verarbeitung anhand des range komprimierten und Azimut phasenkorrigierten vollständigen Azimut-Spektrums, -
7 das prinzipielle Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Ω-Weighting-Multilook-Verarbeitung anhand des range komprimierten und Azimut phasenkorrigierten vollständigen Azimut-Spektrums, -
8 eine grafische Darstellung des Steuerwinkels der linken TerraSAR-X Wrapped-Staring-Spotlight-Aufnahme gemäß9 , wobei in dünner Linie der kommandierte, sich wiederholende, also „gewrappte“ Steuerwinkel, und in dicker Linie der „unwrappte“ Steuerwinkel, also der durch Filterung und Diverging-PRF-Setting nutzbar gemachte und letztendlich prozessierte Steuerwinkel dargestellt ist, -
9 beispielhafte Wrapped-Staring-Spotlight-Bilder des TerraSAR-X Systems, wobei links eine Szene mit urbanen Gebieten und Flächenzielen gezeigt und ein Ausschnitt für eine in der Figurenbeschreibung beschriebene Auswertung markiert ist und wobei rechts eine Szene mit einem markierten Punktziel gezeigt ist, das in der Figurenbeschreibung genauer analysiert wird, -
10 links die Azimutauflösung, gemessen für das in9 ausgewählte Punktziel, wobei in gestrichelt die Messwerte für Element Pattern Weighting (EPW), als durchgezogene Linie die theoretischen/ simulierten Werte und gepunktet dazu im Vergleich die theoretischen/ simulierten Auflösungswerte für eine vollständige Korrektur des Antennendiagramms gezeigt sind und wobei rechts die gemessenen und simulierten Werte für das höchste Nebenzipfelverhältnis der Impulsantwort gezeigt sind, -
11 Azimut-Antennendiagramme und Spektren, und zwar links für LNPC und rechts für Ω-Weighting, wobei die unterschiedliche Skalierung der dargestellten Amplituden zu beachten ist, und in den Diagrammen (a) das Profil des Azimutspektrums in durchgezogener und das gerechnete Antennendiagramm in gestrichelter Linie gezeigt ist, in den Diagrammen (b) die Azimut-Antennendiagramm-Korrektur spezifisch für jeden der neun Looks gezeigt ist, die abwechselnd in durchgezogener und in gestrichelter Linie gezeigt sind, in den Diagrammen (c) das Profil des Azimutspektrums nach der Antennendiagramm-Korrektur gezeigt ist und in den Diagrammen (d) das Profil des Azimutspektrums nach Korrektur des Antennendiagramms und Gewichtung zur Nebenzipfelunterdrückung gezeigt sind, -
12 links ein optisches Google Earth Bild des Ausschnitts gemäß9 links und rechts das Amplitudenbild der SAR-Aufnahme beiklassischer Prozessierung von 9LFPC, wobei die neun Looks hinsichtlich des Azimut-Antennendiagramms vollständig korrigiert sind und wobei links und rechts verschiedene Flächenziele und Zielgebiete mit gemischtem Kontext durch weiße Rahmen markiert sind, -
13 . eine grafische Darstellung der optimierten Ω-Gewichte für M=32 Klassen und ein SNRML,min von 0 dB, wobei die X-Achse die Look-Nummer und die Y-Achse das SNR des zentralen Looks der Klassen zeigen, -
14 ENL, SNR und radiometrische Auflösung für die optimierten Klassen des Ausführungsbeispiels, in dicker gestrichelter Linie für ein SNRML,min von 0 dB und in dünner durchgezogener Line für 3 dB und -
15 markierte Ausschnitte der in9 links gezeigten SAR-Akquisition, wobei 3LFPC für drei Looks mit voller Antennendiagramm-Korrektur - dies entspricht in guter Näherung dem operationell implementierten Staring-Spotlight-Modus des TerraSAR-X Systems - steht, 9LLNPC für neun Looks mit LNPC-Multilooking steht und 9LΩ,0dB, 9LΩ,3dB für Ω-Weighting-Multilooking inden Varianten 0 dB und 3 dB minimal gewünschtem SNR im Multilook-Bild stehen.
-
1 a graphical representation of the well-known Staring Spotlight mode with the maximum azimuthal control angles of the TerraSAR-X system (TSX), -
2 a graphical representation of the converging PRF setting (left) and diverging PRF setting (right), -
3 an exemplary section of a staring spotlight image from the TerraSAR-X system (TSX), with three area targets (A, B and C) and an urban area (D) marked with buildings, -
4 a schematic representation of the staring spotlight mode with extended azimuthal control angle range by exploiting the main maxima using the example of the TerraSAR-X system (TSX), -
5 a selection of the desired signal components or the suppression of the unwanted signal components, through time-dependent bandpass filtering and diverging PRF setting, whereby the specified angles are examples for the TerraSAR-X system (TSX), -
6 the basic block diagram of the LNPC multi-look processing according to the invention based on the range compressed and azimuth phase-corrected complete azimuth spectrum, -
7 the basic block diagram of the Ω-weighting multilook processing according to the invention based on the range compressed and azimuth phase-corrected complete azimuth spectrum, -
8th a graphical representation of the control angle of the left TerraSAR-X wrapped staring spotlight image9 , whereby the commanded, repeating, i.e. “wrapped” control angle is shown in a thin line, and the “unwrapped” control angle is shown in a thick line, i.e. the control angle made usable and ultimately processed through filtering and diverging PRF setting, -
9 exemplary wrapped staring spotlight images of the TerraSAR-X system, with a scene with urban areas and area targets shown on the left and an excerpt for one in the figure description the evaluation described is marked and a scene with a marked point target is shown on the right, which is analyzed in more detail in the figure description, -
10 on the left the azimuth resolution, measured for the in9 selected point target, where the measured values for Element Pattern Weighting (EPW) are shown in dashed lines, the theoretical/simulated values are shown as a solid line, and the theoretical/simulated resolution values for a complete correction of the antenna diagram are shown in dotted lines in comparison, and the measured and simulated values are shown on the right are shown for the highest sidelobe ratio of the impulse response, -
11 Azimuth antenna diagrams and spectra, namely on the left for LNPC and on the right for Ω-weighting, whereby the different scaling of the amplitudes shown must be taken into account, and in diagrams (a) the profile of the azimuth spectrum is shown in a solid line and the calculated antenna diagram in a dashed line in diagrams (b) the azimuth antenna pattern correction is shown specifically for each of the nine looks shown alternately in solid and dashed lines, in diagrams (c) the profile of the azimuth spectrum after antenna pattern correction is shown and in diagrams (d) the profile of the azimuth spectrum is shown after correction of the antenna diagram and weighting for sidelobe suppression, -
12 On the left is an optical Google Earth image of the section9 left and right the amplitude image of the SAR recording with classic processing of 9L FPC , where the nine looks are fully corrected with regard to the azimuth antenna diagram and where different area targets and target areas with mixed context are marked by white frames on the left and right, -
13 . a graphical representation of the optimized Ω weights for M=32 classes and an SNR ML,min of 0 dB, where the x-axis shows the look number and the y-axis shows the SNR of the central look of the classes, -
14 ENL, SNR and radiometric resolution for the optimized classes of the exemplary embodiment, in thick dashed line for an SNR ML,min of 0 dB and in thin solid line for 3 dB and -
15 marked sections of the in9 SAR acquisition shown on the left, where 3L FPC stands for three looks with full antenna pattern correction - this corresponds to a good approximation of the operationally implemented staring spotlight mode of the TerraSAR-X system -, 9L LNPC stands for nine looks with LNPC multilooking and 9L Ω,0dB , 9L Ω,3dB for Ω-weighting multilooking in thevariants 0 dB and 3 dB minimum desired SNR in the multilook image.
Nicht erfindungsgemäßes AusführungsbeispielEmbodiment not according to the invention
Bei einem bestehenden SAR-System mit phasengesteuerter Gruppenantenne dehnt der nachfolgend beschriebene, nicht zur Erfindung gehörende Aufnahmemodus (nachfolgend mit Wrapped-Staring-Spotlight-Modus bezeichnet) den Schwenkwinkelbereich gegenüber dem herkömmlichen Staring-Spotlight Aufnahmemodus wesentlich aus, und zwar ohne zusätzlichen On-board-Speicherplatz-Bedarf und ohne eine Verschlechterung der Quantisierung der Steuerwinkel. Vorbedingung ist, dass der Winkelabstand ΔθGL zwischen den Hauptmaxima in ausreichender Quantisierung der Steuerwinkel abgedeckt ist. Die Ausdehnung erfolgt dann durch wiederholtes Einstellen der Steuerwinkel innerhalb ΔθGL, wobei aber nicht die Signalanteile der eigentlich durch die Anregungskoeffizienten eingestellten Steuerrichtung der synthetischen Apertur sondern diejenigen Signalanteile hinzugefügt werden, die aus der gewünschten Richtung eines anderen Hauptmaximums des Antennendiagramms kommen.In an existing SAR system with a phase-controlled array antenna, the recording mode described below, which is not part of the invention (hereinafter referred to as wrapped staring spotlight mode), significantly expands the swivel angle range compared to the conventional staring spotlight recording mode, without any additional on-board -Storage space requirement and without a deterioration in the quantization of the control angles. The prerequisite is that the angular distance Δθ GL between the main maxima is covered in sufficient quantization of the control angles. The expansion is then carried out by repeatedly adjusting the control angle within Δθ GL , but not the signal components of the control direction of the synthetic aperture actually set by the excitation coefficients, but those signal components that come from the desired direction of another main maximum of the antenna diagram are added.
Die Auswahl der gewünschten Signalanteile bzw. die Unterdrückung der unerwünschten erfolgt durch eine zeitabhängige Bandpass-Filterung. Dieser Vorgang ist in
Der Wrapped-Staring-Spotlight-Aufnahmemodus dehnt bei einem bestehenden SAR-System mit phasengesteuerter Gruppenantenne sowie einem Abstand der durch Anregungskoeffizienten ansprechbaren Einzelantennen größer als die halbe Wellenlänge und On-board gespeicherten Anregungskoeffizienten zur Antennensteuerung in Azimut den Schwenkwinkelbereich gegenüber dem herkömmlichen Staring-Spotlight Aufnahmemodus wesentlich aus. Dies geschieht durch eine zusätzliche Ausnutzung von Hauptmaxima, welche sich neben dem Hauptmaximum in der eigentlich eingestellten Hauptmaximum-Richtung ausbilden, und zwar ohne zusätzlichen On-board-Speicherplatz-Bedarf und ohne eine Verschlechterung der Quantisierung der Steuerwinkel. Diverging PRF-Setting während der Daten-Akquisition unterstützt die Auswahl der gewünschten Signalanteile bzw. die Unterdrückung der unerwünschten Signal-Anteile, was durch eine zeitabhängige Bandpass-Filterung erfolgt. Der Mehrwert für Punktziele ist die mit der Ausdehnung des Schwenkwinkelbereichs einhergehende Verbesserung der geometrischen Auflösung. Der Mehrwert für Flächenziele und gemischte Bildinhalte ist eine verbesserte radiometrische Auflösung und ein verbesserter Kontrast in Multi-Look-Bildern.In an existing SAR system with a phase-controlled group antenna and a distance between the individual antennas that can be addressed by excitation coefficients greater than half the wavelength and on-board stored excitation coefficients for antenna control in azimuth, the wrapped staring spotlight recording mode extends the swivel angle range compared to the conventional staring spotlight recording mode significantly. This is done through additional utilization of main maxima, which form next to the main maximum in the actually set main maximum direction, without additional on-board storage space requirements and without a deterioration in the quantization of the control angles. Diverging PRF setting during data acquisition supports the selection of the desired signal components or the suppression of the unwanted signal components, which is done through time-dependent bandpass filtering. The added value for point targets is the improvement in geometric resolution associated with the expansion of the swivel angle range. The added value for area targets and mixed image content is improved radiometric resolution and contrast in multi-look images.
Der Kern der Wrapped-Staring-Spotlight-Methode kann auch für andere SAR-Moden, wie zum Beispiel Bi-directional SAR oder Forward/Backward-Looking SAR eingesetzt werden, d.h. es können bei bestehenden SAR-Systemen Azimut-Blickrichtungen ausgewertet werden, die nicht im ursprünglich ausgelegten Bereich der Steuerwinkel liegen.The core of the wrapped staring spotlight method can also be used for other SAR modes, such as bi-directional SAR or forward/backward-looking SAR, i.e. azimuth viewing directions can be evaluated in existing SAR systems are not within the originally designed control angle range.
Erfindungsgemäße AusführungsbeispieleEmbodiments according to the invention
Die bei der Bildung der synthetischen Apertur unter Einbeziehung von Steuerwinkelbereichen mit schlechtem SNR entstehenden SAR-Bilder können bezüglich der beiden Qualitätsparameter „Kontrast“ und „radiometrische Auflösung“ gegenüber einer konventionellen SAR-Verarbeitung durch die erfindungsgemäße, vom SNR der einzelnen Looks abhängige, gewichtete Multi-Look-Prozessierung wesentlich verbessert werden. Zwei Hauptvarianten der neuartigen Multi-Look-Prozessierung werden nachfolgend als Ausführungsbeispiel angeführt, nämlich Look Normalisierte Antennendiagramm Korrektur (engl.: Look Normalized Pattern Correction - LNPC) mit einer über die Pixel konstanten und damit ortsunabhängigen Gewichtung der einzelnen Look-Bilder, und Q-Gewichtung (engl.: Ω-Weighting) mit einer pixelabhängigen und damit ortsvarianten Gewichtung der Look-Bilder. LNPC ist einfacher zu implementieren. Ω-Weighting ist flexibler und kann besser auf die Detektion von bestimmten Zielen abgestimmt werden.The SAR images resulting from the formation of the synthetic aperture taking into account control angle ranges with poor SNR can be compared with conventional SAR processing in terms of the two quality parameters “contrast” and “radiometric resolution” by the weighted multi according to the invention, which is dependent on the SNR of the individual looks -Look processing can be significantly improved. Two main variants of the novel multi-look processing are given below as an exemplary embodiment, namely Look Normalized Antenna Pattern Correction (LNPC) with a weighting of the individual look images that is constant across the pixels and therefore location-independent, and Q- Weighting (English: Ω-Weighting) with a pixel-dependent and therefore location-variant weighting of the look images. LNPC is easier to implement. Ω-Weighting is more flexible and can be better tailored to the detection of specific targets.
LNPC-VarianteLNPC variant
LNPC gewichtet die einzelnen Azimut-Look-Bilder unterschiedlich stark in der Addition zum Multi-Look-Bild (engl.: Multilook Image). Die unterschiedliche Gewichtung ergibt sich durch eine normalisierte Korrektur des Azimut-Antennendiagramms. Die Normalisierung kann zum Beispiel in jedem Look auf die mittlere Azimutfrequenz des Looks bezogen werden, d.h. bei den mittleren Azimutfrequenzen der Looks wäre dann die Korrektur jeweils 1. Jedes Pixel im resultierenden Multi-Look-Bild besitzt genau gleich gewichtete Anteile der einzelnen Looks. LNPC ist damit ortsinvariant.LNPC weights the individual azimuth look images differently when added to the multilook image. The different weighting results from a normalized correction of the azimuth antenna diagram. For example, the normalization can be related to the mean azimuth frequency of the look in each look, i.e. for the mean azimuth frequencies of the looks the correction would then be 1. Each pixel in the resulting multi-look image has exactly the same weighted shares of the individual looks. LNPC is therefore location invariant.
Wichtig für das LNPC-Multi-Looking ist die spektrale Korrektur des Antennendiagramms durch die von der Azimutfrequenz fa und der Nummer des Looks abhängige Amplitudengewichtungsfunktion ALNPC,k(fa) in Gleichung (3). Die Amplitude des Zweiweg-Azimut-Antennendiagramms des Gesamtspektrums ist mit AAP2W(fa) bezeichnet. Die zentrale Dopplerfrequenz (engl.: Doppler centroid) des Looks k ist mit fc,k bezeichnet. Die Rechteckfunktion rect wählt für jeden Look k aus dem Gesamtsprektrum die Look-Bandbreite BL zentriert um fc,k aus. Das Antennendiagramm wird für alle Frequenzen fa korrigiert aber durch die Multiplikation mit AAP2W(fc,k) auf den Wert 1 bei der zentralen Dopplerfrequenz normiert.
An der gleichen Stelle im Ablauf von
Ccal ist eine beliebige Kalibrierkonstante, zu der alle notwendigen, aber für die Beschreibung des Verfahrens nicht erforderlichen Konstanten zusammengefasst sind. Wegen der unterschiedlichen Gewichtung der Look-Pixel in der Summation zum Multi-Look-Pixel ist eine Normierung der Summe durch den Nenner in Gleichung (4) erforderlich. Dabei ist WI,S[k] ein in Gleichung (5) definierter Faktor für Look k, der das Verhältnis der Intensität eines Look-Pixels vor und nach der spektralen LNPC-Gewichtung und der Gewichtung zur Nebenzipfelunterdrückung beschreibt. Das Integral über die Look-Bandbreite BL ist um fc,k zentriert, und beinhaltet die Gewichtung der Intensität durch das Azimut-Antennendiagramm, das über der Bandbreite des Looks k auf diesen wirksam ist.
Ω-Weighting-VarianteΩ-weighting variant
Der Name Ω-Weighting soll verdeutlichen, dass diese Gewichtung die letzte ist, die auf die einzelnen Looks angewendet wird, und zwar erst im Look-Bildbereich. Wie in
Beim Ω-Weighting erfolgt die Multi-Look-Summation der Intensitäten der einzelnen Look-Pixel Ip,k,FPC wie in Gleichung (7) beschrieben unterschiedlich für jedes Pixel p über die Looks k. Die Bestimmung der einzelnen Gewichte Ωp,k erfolgt abhängig vom SNR der einzelnen Look-Pixel und wird weiter unten beschrieben.
WI,S,FPC[k] ist der in Gleichung (8) definierte Faktor für Look k, der das Verhältnis der Intensität eines Look-Pixels vor und nach der spektralen vollständigen Korrektur des Antennendiagramms und der Gewichtung zur Nebenzipfelunterdrückung beschreibt.
Bestimmung der Gewichte Ωp,k Determination of the weights Ω p,k
Die Zielsetzung bei der Optimierung der Gewichte ist es, ein Multi-Look-Bild unter Einbeziehung von Looks mit schlechtem SNR zu generieren,
- i) dass gegenüber einer konventionellen SAR-Verarbeitung eine verbesserte radiometrische Auflösung zeigt und
- ii) bei dem sich der Bildkontrast durch die Erhöhung des thermischen Rauschens nicht verschlechtert bzw. sogar verbessert.
- i) that shows improved radiometric resolution compared to conventional SAR processing and
- ii) in which the image contrast does not deteriorate or even improves due to the increase in thermal noise.
Eine einfache Lösung wäre, das Gewicht Ωp,k direkt vom gemessenen SNR des Pixels p im Look k, also direkt von S̃NRp,FPC[k] abzuleiten. Die Tilde zeigt einen Messwert an. Der Nachteil dabei ist, dass Look-Pixel mit großer gemessener Intensität immer stark gewichtet und Pixel niedriger Intensität immer schwach gewichtet werden, was die vom Speckle induzierten Intensitätsschwankungen verstärkt, also das Speckle erhöht. Diese Lösung scheidet daher aus.A simple solution would be to derive the weight Ω p,k directly from the measured SNR of pixel p in look k, i.e. directly from S̃NR p,FPC [k]. The tilde indicates a measured value. The disadvantage is that look pixels with high measured intensity are always heavily weighted and pixels of low intensity are always lightly weighted, which increases the intensity fluctuations induced by the speckle, thus increasing the speckle. This solution is therefore ruled out.
Zur Einschränkung des Einflusses von Speckle auf die Gewichte wird beim Ω-Weighting die Information aller Looks eines Bildpixels verwendet. Wie im prinzipiellen Blockschaltbild von
Für Ω-Weighting ist das thermische Rauschen für Gebiete mit niedrigem Rückstreuquerschnitt (engl.: Backscatter) reduziert, d.h. genau in den Gebieten, in denen das thermische Rauschen am meisten stört. Für höheren Rückstreuquerschnitt ist mehr Rauschen toleriert, da damit die Anzahl der Looks und letztendlich die radiometrische Auflösung verbessert ist.For Ω-weighting, the thermal noise is reduced for areas with a low backscatter cross-section, i.e. exactly in the areas where the thermal noise is most disturbing. For higher backscatter cross sections, more noise is tolerated, as this improves the number of looks and ultimately the radiometric resolution.
Ohne Verlust der Allgemeinheit wird jeweils eine Möglichkeit für die Definition der Klassen, für die Optimierung der Gewichte der Klassen und für die Zuordnung des SNR-Verlaufs eines Pixels über den Looks zu einer Klasse im Ausführungsbeispiel unten gezeigt.Without loss of generality, one option for defining the classes, for optimizing the weights of the classes and for assigning the SNR curve of a pixel over the looks to a class is shown in the exemplary embodiment below.
Zusammenfassend lassen sich die erfindungswesentlichen Aspekte wie folgt beschreiben.In summary, the aspects essential to the invention can be described as follows.
Die Variante der LNPC - Look Normalisierte Antennendiagramm-Korrektur (engl.: Look Normalized Pattern Correction) verbessert bei der Bildung der synthetischen Apertur unter Einbeziehung von Steuerwinkelbereichen mit schlechtem SNR die resultierenden Multi-Look-SAR-Bilder bezüglich der Qualitätsparameter „Kontrast“ und „radiometrische Auflösung“ gegenüber einer konventionellen, dem Stand der Technik entsprechenden SAR-Verarbeitung durch eine neuartige vom SNR der einzelnen Looks abhängige, gewichtete Multi-Look-Prozessierung. Bei LNPC erfolgt eine über die Pixelpositionen konstante und damit ortsunabhängige Gewichtung der einzelnen Look-Bilder.The variant of the LNPC - Look Normalized Antenna Pattern Correction) improves the resulting multi-look SAR images with regard to the quality parameters "contrast" and "when forming the synthetic aperture, including control angle areas with poor SNR. radiometric resolution” compared to conventional, state-of-the-art SAR processing through a new type of weighted resolution that depends on the SNR of the individual looks Multi-look processing. With LNPC, the individual look images are weighted in a constant and therefore location-independent manner based on the pixel positions.
LNPC kann auch für andere SAR-Moden mit ortsvariantem SNR in Azimutrichtung angewendet werden, wie zum Beispiel ScanSAR, TOPSAR, Staring Spotlight und Sliding Spotlight.LNPC can also be applied to other SAR modes with spatially varying SNR in the azimuthal direction, such as ScanSAR, TOPSAR, Staring Spotlight and Sliding Spotlight.
Die Ω-Gewichtung (engl.: Ω-Weighting) verbessert bei der Bildung der synthetischen Apertur unter Einbeziehung von Steuerwinkelbereichen mit schlechtem SNR die resultierenden Multi-Look-SAR-Bilder bezüglich der Qualitätsparameter „Kontrast“ und „radiometrische Auflösung“ gegenüber einer konventionellen dem Stand der Technik entsprechenden SAR-Verarbeitung durch eine neuartige vom SNR der einzelnen Looks abhängige gewichtete Multi-Look-Prozessierung. Bei der Ω-Gewichtung erfolgt eine vom Ort der Pixel abhängige und damit ortsvariante Gewichtung der Look-Bilder.When forming the synthetic aperture, including control angle ranges with poor SNR, Ω-weighting improves the resulting multi-look SAR images in terms of the quality parameters “contrast” and “radiometric resolution” compared to conventional ones State-of-the-art SAR processing through a novel weighted multi-look processing that depends on the SNR of the individual looks. With Ω weighting, the look images are weighted depending on the location of the pixels and thus location-variant.
Die Ω-Gewichtung kann auch für andere SAR-Moden mit ortsvariantem SNR in Azimutrichtung angewendet werden, wie zum Beispiel ScanSAR, TOPSAR, Staring Spotlight und Sliding Spotlight.Ω-weighting can also be applied to other SAR modes with spatially varying SNR in the azimuthal direction, such as ScanSAR, TOPSAR, Staring Spotlight and Sliding Spotlight.
Wie oben beschrieben, wurden mit dem TerraSAR-X System zwei Akquisitionen im nicht erfindungsgemäßen Wrapped-Staring-Spotlight-Aufnahmemodus durchgeführt. Die dabei über der Akquisitionszeit kommandierten Winkel für die links in
Die Ausdehnung der Wrapped-Staring-Spotlight Bilder in
PunktzielePoint targets
Die Impulsantwort auf das Punktziel im rechten Ausschnitt von
Die Prozessierung wurde ohne Korrektur des Antennendiagramms in Azimut durchgeführt. Dadurch bleibt die Gewichtung des Element-Antennendiagramms bei der Rohdatenaufzeichnung erhalten. Diese Gewichtung wird im Folgenden mit EPW (engl.: Element Pattern Weighting) bezeichnet. Mit zunehmender Bandbreite verändert sich diese Gewichtung von einer Ähnlichkeit zur Rechteckgewichtung hin zu einer Gewichtung mit starker Unterdrückung der Nebenzipfel. Dies zeigt sich in
Die geometrische Auflösung links in
Zum Vergleich ist auch die simulierte geometrische Auflösung für eine Rechteck-Gewichtung (rect), also für eine vollständige Korrektur des Azimut-Antennendiagramms, angegeben.For comparison, the simulated geometric resolution for a rectangle weighting (rect), i.e. for a complete correction of the azimuth antenna diagram, is also given.
Flächenziele und gemischter BildinhaltArea targets and mixed image content
Um eine Verbesserung der Bildqualität für Flächenziele und für Bildteile mit gemischten Zielgebieten nachzuweisen, wurden über der ganzen Bandbreite der Wrapped-Staring-Spotlight-Aufnahme in
Die Diagramme (b) der
Sowohl LNPC- als auch das Ω-Weighting-Multilooking erzeugen eine gleiche Form der Impulsantworten auf ein Punktziel in allen Looks. D.h. die Signalspektren eines Punktziels sind gleich gewichtet. In
Aus
Die Einstellung der einzelnen Gewichte des Ω-Weightings erfolgte in diesem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wie folgt.
- i) Das SNR wird in jedem Look für jeden Pixel gemessen. Um den Einfluss des Speckle zu verringern, wird dabei eine gleitende Mittelwertbildung unter Einbeziehung der acht benachbarten Pixel angewendet.
- ii) Für den zentralen Look wird ein Histogramm erstellt und M Klassen werden so definiert, dass jede Klasse m in etwa gleich viele SNR-Werte enthält.
- iii) Die SNR-Werte der anderen Looks werden ausgehend vom SNR-Wert des zentralen Looks mit Hilfe des Azimut-Antennendiagramms ergänzt.
- iv) Die Optimierung wird für jede Klasse durchgeführt, so wie oben beschrieben. Es wird also für ein vorgegebenes gewünschtes minimales SNR eines Pixels des Multi-Look-Bildes SNRML,min eine Optimierung der Ω-Gewichte Ωm[k] der einzelnen Looks k so durchgeführt, dass eine öglichst gute radiometrische Auflösung erzielt wird.
- v) An jeder Pixelposition wird dem Verlauf der SNR-Werte (ohne gleitende Mittelwertbildung) über den einzelnen Looks eine Klasse zugeordnet. Dies erfolgt über den minimalen Gesamtabstand zwischen dem Verlauf der gemessenen SNR-Werte und der SNR-Werte der Klassen.
- vi) Die für die Klasse optimierten Ω-Gewichte werden in der Multi-Look-Summation für die jeweilige Pixelposition laut Gleichung (7) verwendet.
- i) The SNR is measured for each pixel in each look. In order to reduce the influence of speckle, a moving average is used taking into account the eight neighboring pixels.
- ii) For the central look, a histogram is created and M classes are defined so that each class contains m approximately the same number of SNR values.
- iii) The SNR values of the other looks are supplemented based on the SNR value of the central look using the azimuth antenna diagram.
- iv) Optimization is performed for each class as described above. For a given desired minimum SNR of a pixel of the multi-look image SNR ML,min, an optimization of the Ω weights Ω m [k] of the individual looks k is carried out in such a way that the best possible radiometric resolution is achieved.
- v) At each pixel position, a class is assigned to the progression of the SNR values (without moving averaging) over the individual looks. This is done via the minimum overall distance between the course of the measured SNR values and the SNR values of the classes.
- vi) The Ω weights optimized for the class are used in the multi-look summation for the respective pixel position according to equation (7).
Vergleich der Bildergebnisse für das ganze Teilbild, Flächenziele und gemischten BildinhaltComparison of image results for the entire partial image, area targets and mixed image content
Tabelle 2 fasst überblicksmäßig das für das jeweilige Multilook-Bild in
Tabelle 2: Messwerte für die in
Ganze TeilbilderWhole partial images
Das Bild 3LFPC enthält wenig Rauschen da nur die inneren 3 Looks mit gutem SNR verwendet wurden, dafür aber ein hohes Speckle, was sich am ENL-Wert von ca. 2 für die Flächenziele zeigt. Obwohl für 9LLNPC ein festes niedriges Gewicht für die äußeren Looks angewendet wird, ist das ENL zu einem Wert von 4 verbessert. Allerdings ist das Rauschen aufgrund der äußeren Looks erhöht, was im Bild durch den Grauschleier sichtbar ist, der beim Vergleich mit 3LFPC zu erkennen ist. Ein weiterer Indikator für das erhöhte thermische Rauschen ist die Verminderung des Kontrasts von 56,5 auf 48,3. Die Verbesserung in Bezug auf Speckle zeigt sich an den verbesserten ENL-Werten. Der Bildkontrast ist verbessert auf 57,1 für Ω-Weighting bei einem gewünschten minimalen Multilook-SNR von SNRML,min = 3dB.The 3L FPC image contains little noise because only the inner 3 looks with good SNR were used, but there is a high speckle, which is shown by the ENL value of approx. 2 for the area targets. Although a fixed low weight is applied for the external looks for 9L LNPC , the ENL is improved to a value of 4. However, the noise is increased due to the external looks, which is visible in the image through the gray haze that can be seen when comparing with 3L FPC . Another indicator of the increased thermal noise is the reduction in contrast from 56.5 to 48.3. The improvement in terms of speckle can be seen in the improved ENL values. The image contrast is improved to 57.1 for Ω-weighting with a desired minimum multilook SNR of SNR ML,min = 3dB.
FlächenzieleArea targets
Die Verbesserung des ENL ist für die drei Flächenziele A, B, und C in
Gemischter BildinhaltMixed image content
Die Verbesserung in Speckle und Rauschen wird auch in der Szenerie von Flächenzielen und Fahrwegen des Zielgebiets E deutlich. In 3LFPC ist die Detektierbarkeit der Wege eingeschränkt durch das hohe Speckle und in 9LLNPC durch das hohe Rauschen. Die beste Detektierbarkeit für diese Szenerie wird mit 9LΩ,3dB erreicht, also mit Ω-Weighting und einem hohen gewünschten SNR im Multi-Look-Bild. Das verminderte Speckle ist offensichtlich und der gemessene Kontrast ist ähnlich zu 3LFPC.The improvement in speckle and noise is also evident in the scenery of area targets and routes in target area E. In 3L FPC the detectability of the paths is limited by the high speckle and in 9L LNPC by the high noise. The best detectability for this scenery is achieved with 9L Ω.3dB , i.e. with Ω weighting and a high desired SNR in the multi-look image. The reduced speckle is evident and the measured contrast is similar to 3L FPC .
Künstliche Objekte wie Gebäude erzeugen starke Rückstreuung, z.B. an Kanten oder an Flächen die senkrecht zur Richtung des Radars stehen, und extrem niedrige Rückstreuung in abgeschatteten Gebieten. Dies führt zu einem hohen Bildkontrast. Hohes Rauschen bei niedriger Rückstreuung reduziert den Bildkontrast und so die Möglichkeiten zur Detektion und Klassifizierung für urbane Gebiete. Tabelle 2 gibt den gemessenen Kontrast für das Zielgebiet D mit Gebäuden und das Zielgebiet F in
Bestehende SAR-Systeme können durch den nicht erfindungsgemäßen Wrapped-Staring-Spotlight-Modus im Schwenkwinkelbereich und damit in der geometrischen Auflösung in Azimut verbessert werden. Beispiele für aktuell im Betrieb befindliche Systeme sind das TerraSAR-X System, das kanadische Radarsat-System, das japanische ALOS 2/PalSAR 2-System oder das italienische Cosmo-Skymed-System. Das kurz vor dem Launch stehende spanische PAZ-System ist auch ein potentielles System, das durch Wrapped-Staring-Spotlight verbessert werden kann. Alle künftigen SAR-Systeme mit Phased Array-Antennen werden vom Wrapped-Staring-Spotlight-Modus profitieren. Auch flugzeuggetragene SAR-Systeme mit in Azimutrichtung steuerbarer, phasengesteuerter Gruppenantenne können durch den Wrapped-Staring-Spotlight-Modus nachträglich verbessert werden in Bezug auf geometrische und/oder radiometrische Auflösung. Der Kern der Wrapped-Staring-Spotlight-Methode kann auch für andere SAR-Moden, wie zum Beispiel Bi-directional SAR oder Forward/Backward-Looking SAR eingesetzt werden, d.h. es können bei bestehenden SAR-Systemen Azimut-Blickrichtungen ausgewertet werden, die nicht im ursprünglich ausgelegten Bereich der Steuerwinkel liegen. Auch der TOPSAR-Modus kann durch eine Ausdehnung des Schwenkwinkelbereichs erweitert werden. Ein Beispiel für ein solches System ist Sentinel-1.Existing SAR systems can be improved in the swivel angle range and thus in the geometric resolution in azimuth using the wrapped staring spotlight mode, which is not according to the invention. Examples of systems currently in operation include the TerraSAR-X system, the Canadian Radarsat system, the
Die Bildqualität kann bei SAR-Akquisitionen mit in Teilen der synthetischen Apertur schlechtem SNR wesentlich verbessert werden durch das erfindungsgemäße LNPC oder Ω-Weighting. Beide Methoden können von Anfang an oder nachträglich in SAR-Prozessoren eingebaut werden und ermöglichen eine Verbesserung von Multi-Look-SAR-Bildern bezüglich der Qualitätsparameter Kontrast und radiometrische Auflösung. Beispiele sind wieder die beim Wrapped-Staring-Spotlight-Modus oben genannten SAR-Systeme.The image quality can be significantly improved in SAR acquisitions with poor SNR in parts of the synthetic aperture using the LNPC or Ω-weighting according to the invention. Both methods can be built into SAR processors from the outset or subsequently and enable multi-look SAR images to be improved in terms of the quality parameters of contrast and radiometric resolution. Examples are again the SAR systems mentioned above in the wrapped staring spotlight mode.
Literaturverzeichnisbibliography
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Claims (3)
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---|---|---|---|
DE102016015740.2A DE102016015740B4 (en) | 2016-06-03 | 2016-06-03 | Method for creating an earth observation image of a region using a synthetic aperture radar |
Applications Claiming Priority (1)
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J. Mittermayer, A. Moreira and O. Loffeld, „Spotlight SAR Data Processing Using the Frequency Scaling Algorithm", IEEE Trans. on Geosc. Remote Sens., vol. 37, no. 5, pp. 2198-2214 |
J. Mittermayer, A. Moreira, O. Loffeld: Spotlight SAR Data Processing Using the Frequency Scaling Algorithm: In: IEEE Trans. on Geosc. Remote Sens., Vol. 37, No. 5, 1999. S. 2198-2214. - ISSN 0196-2892 |
J. Mittermayer, S. Wollstadt, P. Prats, P. Lopez-Dekker, G. Krieger, A. Moreira: „Bidirectional SAR Imaging Mode", IEEE Trans. on Geosc. Remote Sens., vol. 51, no. 1, pp. 601-614 |
J. Mittermayer, S. Wollstadt, P. Prats-Iraola, P. López-Dekker, G. Krieger, A. Moreira: Bidirectional SAR Imaging Mode. In: IEEE Trans. on Geosc. Remote Sens., Vol. 51, No. 1, 2013. S. 601-614. - ISSN 0196-2892 |
J. Mittermayer, S. Wollstadt, P. Prats-Iraola, R. Scheiber: „The TerraSAR-X Staring Spotlight Mode Concept", IEEE Trans. on Geosc. Remote Sens., vol. 52, no. 6, pp. 3695-3706 |
J. Mittermayer, S. Wollstadt, P. Prats-Iraola, R. Scheiber: The TerraSAR-X Staring Spotlight Mode Concept. In: IEEE Trans. on Geosc. Remote Sens., Vol. 52, No. 6, 2014. S. 3695–3706. - ISSN 0196-2892 |
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