DE102016101898B3

DE102016101898B3 - Verfahren zur Kalibrierung eines aktiven Sensorsystems

Info

Publication number: DE102016101898B3
Application number: DE102016101898.8A
Authority: DE
Inventors: Jens Reimann; Björn Döring; Marco Schwerdt; Daniel Rudolf; Sebastian Raab
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2016-02-03
Filing date: 2016-02-03
Publication date: 2017-04-13
Anticipated expiration: 2036-02-04
Also published as: CA3012551A1; US10908258B2; WO2017134028A1; CA3012551C; KR20180108679A; US20190018105A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines aktiven Sensorssystems, das zumindest einen Sensor A und einen Sensor B umfasst, wobei der Sensor A einen Sender TXA zum Aussenden eines Signals STXA und einen Empfänger RXA zum Empfangen eines Signals SRXA aufweist, wobei der Empfänger RXA und der Sender TXA in einem RADAR-Modus des Sensors A unabhängig voneinander arbeiten, der Sensor B einen Sender TXB, einen Empfänger RXB und eine Einheit D aufweist, mit der der Sender TXB in einem Transpondermodus des Sensors B mit dem Empfänger RXB verbunden ist, so dass ein von dem Empfänger RXB empfangenes Signal SRXB vom Sender TXB als Signal STXB wieder ausgesandt wird, ein Objekt C vorhanden ist, das ein auftreffendes Signal aktiv oder passiv zurücksendet, mit folgenden Schritten: Aussenden eines Signalsdurch den Sender TXi mit einer Sendeleistungzu dem Objekt C und Erfassen des daraufhin vom Objekt C ausgesandten oder reflektierten Signalsdurch den Empfänger RXi mit der Empfangsleistungfür i ∊ {A, B}, zur Ermittlung der Verhältnisse:Aussenden eines Signalsdurch den Sender TXA mit einer Sendeleistungzu dem Sensor B und Erfassen des daraufhin vom Sensor B ausgesandten Signals alsdurch den Empfänger RXA mit der Empfangsleistungzur Ermittlung des Verhältnisses:Ermitteln von Kalbrierfaktoren Fcal,i ausschließlich abhängig von den ermittelten Verhältnissen PVAC, PVBC, PVAB, bekannten Abständen zwischen den Sensoren A, B und dem Objekt C, und einer Wellenlänge λ der ausgesandten Signale und Kalibrieren der Sensoren A und B mit den Kalibrierfaktoren Fcal,i.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines aktiven Sensorsystems, das zumindest einen aktiven Sensor A und einen aktiven Sensor B umfasst. Der Begriff „aktiv” deutet an, dass die Sensoren A und B aktiv Signale aussenden.
Der Sensor A weist einen Sender TX_A zum Aussenden eines Signals S_TXA und einen Empfänger RX_A zum Empfangen eines Signals S_RXA auf, wobei der Empfänger RX_A und der Sender TX_A in einem RADAR-Modus des Sensors A weitestgehend unabhängig voneinander arbeiten. Der Sensor B weist einen Sender TX_B, einen Empfänger RX_B und eine Einheit D auf, mit der der Sender TX_B in einem Transpondermodus des Sensors B mit dem Empfänger RX_B verbunden ist, so dass ein von dem Empfänger RX_B empfangenes Signal S_RXB vom Sender TX_B als Signal S_TXB wieder ausgesandt wird. Eine Verstärkung G_con,B zwischen dem empfangenen Signal S_RXB und dem wieder ausgesandten Signal S_TXB ist dabei vorgegeben. In einem RADAR-Modus des Sensors B ist der Sender TX_B nicht mit dem Empfänger RX_B verbunden, so dass der Sender TX_B und der Empfänger RX_B unabhängig voneinander arbeiten.
Die ausgesandten Signale können beispielsweise RADAR-Signale, Lichtsignale oder akustische Signale sein. Insofern eignet sich das vorgeschlagene Verfahren zur Kalibrierung beispielsweise von RADAR-Systemen, LIDAR-Systemen oder SONAR-Systemen.
Für die Kalibrierung von aktiven Sensorsystemen (beispielsweise satellitengestützte RADAR- oder SAR-Systeme, Flugzeugradare oder bodengestützte Radare) werden zur Zeit aktive und passive Referenzziele mit bekannten Rückstreueigenschaften verwendet.
So werden beispielsweise für die absolute Kalibrierung von RADAR-Systemen vornehmlich Winkelreflektoren (Winkelreflektoren), Metallkugeln und Metallplatten (passiv) als auch Transponder (aktiv) benutzt. Das Rückstreuverhalten kann für einfache passive Ziele näherungsweise berechnet werden. Für realistische, komplexe oder aktive Ziele muss das Rückstreuverhalten aufwendig messtechnisch bestimmt werden. Die dabei entstehenden Unsicherheiten der Messungen summieren sich auf und übertragen sich direkt auf die zu kalibrierenden aktiven Sensorsysteme. Die Kalibriergenauigkeit nimmt hierdurch ab.
Das Rückstreuverhalten der bisher zur Kalibrierung solcher aktiven Sensorsysteme verwendeten Referenzziele muss sehr genau bekannt sein. Hierfür wird das Rückstreuverhalten entweder messtechnisch erfasst, z. B. mit Hilfe eines kalibrierten Messgeräts bestimmt, wodurch die Unsicherheit im Vergleich zum Messgerät nochmals steigt (die kalibrierte Genauigkeit sinkt), oder durch Simulation bzw. andere analytische Methoden theoretisch bestimmt. Beide Varianten sind mit Fehlern behaftet, die sich auf die erreichbare Gesamtgenauigkeit der bisherigen Kalibrierungen auswirken. Die bisher bei der Kalibrierung solcher aktiver Sensorsysteme erfolgte Rückführung von Messwerten auf eine grundlegende SI-Größe führt zu entsprechend höheren Unsicherheiten. Die zurzeit verwendeten Referenzziele sind aufgrund ihrer benötigten Größe und/oder Fertigungsgenauigkeit teuer und beschränken durch ihre Fertigungstoleranzen die Kalibriergenauigkeit des gesamten Sensorsystems.
Aus der DE 10 2014 110 079 B3 ist ein Verfahren zur absoluten radiometrischen Kalibrierung des Radarrückstreuquerschnitts von Radarzielen bekannt. Das Verfahren basiert darauf, dass zumindest drei Radarziele vorhanden sind. Weiterhin gibt der Artikel von Raab Sebastian et al. mit dem Titel „Comparison of Absolute Radiometric Transponder Calibration Strategies”, EUSAR 2014, ISBN 978-3-8007-3607-2/ISSN 2197-4403 einen Überblick über vier verschiedene Strategien zur Kalibrierung von Radartranspondern.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes kalibriertes Verfahren anzugeben, welches die vorstehend genannten Nachteile zumindest verringert.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur (absoluten) Kalibrierung eines Sensorssystems, das zumindest einen Sensor A und einen Sensor B umfasst, wobei der Sensor A einen Sender TX_A zum Aussenden eines Signals S_TXA und einen Empfänger RX_A zum Empfangen eines Signals S_RXA aufweist, wobei der Empfänger RX_A und der Sender TX_A in einem RADAR-Modus des Sensors A unabhängig voneinander arbeiten, der Sensor B einen Sender TX_B, einen Empfänger RX_B und eine Einheit D aufweist, mit der der Sender TX_B in einem Transpondermodus des Sensors B mit dem Empfänger RX_B verbunden ist, so dass ein von dem Empfänger RX_B empfangenes Signal S_RXB vom Sender TX_B als Signal S_TXB wieder ausgesandt wird, wobei eine Verstärkung G_con,B zwischen dem empfangenen Signal S_RXB und dem wieder ausgesandten Signal S_TXB vorgegeben ist, und in einem RADAR-Modus des Sensors B der Sender TX_B nicht mit dem Empfänger RX_B verbunden ist, so dass der Sender TX_B und der Empfänger RX_B unabhängig voneinander arbeiten, ein Objekt C vorhanden ist, das ein auftreffendes Signal aktiv oder passiv zurücksendet, und der Abstand R_AB zwischen dem Sensor A und dem Sensor B, der Abstand R_AC zwischen dem Sensor A und dem Objekt C und der Abstand R_BC zwischen dem Sensor B und dem Objekt C bekannt ist.
Das vorgeschlagene Verfahren umfasst folgende Schritte.
In einem ersten Schritt erfolgt ein Aussenden eines Signals
durch den Sender TX_i mit einer Sendeleistung
zu dem Objekt C und ein Erfassen des daraufhin vom Objekt C ausgesandten oder reflektierten Signals
durch den Empfänger RX_i mit der Empfangsleistung
für i ∊ {A, B}, zur Ermittlung der Verhältnisse:
wobei gilt:
In einem zweiten Schritt erfolgt ein Aussenden eines Signals
durch den Sender TX_A mit einer Sendeleistung
zu dem Sensor B, der in dem Transpondermodus mit der Verstärkung G_con,B betrieben wird, und ein Erfassen des daraufhin vom Sensor B ausgesandten Signals als
durch den Empfänger RX_A mit der Empfangsleistung
zur Ermittlung des Verhältnisses:
wobei gilt:
In einem dritten Schritt erfolgt ein Ermitteln von Kalbrierfaktoren F_cal,i basierend oder zurückführbar auf folgendem Zusammenhang:
mit: F_cal,i = 10·log(G_RX,i·G_TX,i·F_scale,i) für i ∊ {A, B},

F_scale,i: := Skalierungsfaktor
C_AB, C_AC, C_BC: := von λ und den Abständen R_AB, R_AC, R_BC abhängige Konstanten.

In einem vierten Schritt erfolgt ein Kalibrieren der Sensoren A und/oder B mit den Kalibrierfaktoren F_cal,i.
Der erste und der zweite Schritt können gleichzeitig oder in umgedrehter Zeitreihenfolge durchgeführt werden.
Typischer Weise arbeiten die Sender TX_A, TX_B und die Empfänger RX_A, RX_B in einem vorgegebenen Wellenlängenband bzw. Frequenzband und nicht exakt bei einer einzigen Wellenlänge λ. Das angegebene Verfahren kann hierzu derart abgeändert werden, dass die in den vorstehenden Formen angegebene Wellenlänge λ jeweils einem Integral über alle Frequenzen eines von dem jeweiligen Sender TX_i, mit i ∊ {A, B}, ausgesandten bandlimitierten Signal entspricht.
Vorteilhaft umfasst der Sender TX_B einen Digital-zu-Analog-Konverter (DAC = engl. „digital-analog-converter”) und eine Sendeantenne, der Empfänger RX_B einen Analog-zu-Digital-Konverter (ADC = „analog-digital-converter”) und eine Empfangsantenne, und die Einheit D eine Einheit zur digitalen Signalverarbeitung, die im Transpondermodus den Sender TX_B mit dem Empfänger RX_B zur Datenkommunikation verbindet.
Die Einheit D kann beispielsweise einen Signalverstärker, ein Zeitverzögerungsglied, ein Signalformungsglied, etc. umfassen, wobei die in der Einheit D bewirkte Änderung des Signals bekannt und deterministisch ist. Vorteilhaft werden die vom Empfänger RX_B im Transpondermodus empfangenen Signale von der Einheit D verstärkt und/oder gefiltert und/oder zeitverzögert, bevor diese an den Sender TX_B weitergeleitet werden.
Der Sensor A und der Sensor B sind vorteilhaft RADAR-Sensoren (RADAR = engl. „radio detection and ranging” oder SONAR-Sensoren oder LIDAR-Sensoren (SONAR = engl. „sound navigation and ranging”; LIDAR = engl. „light detection and ranging”).
Vorteilhaft genügen die Abstände R_AB, R_AC, R_BC folgender Bedingung: R_AB, R_AC, R_BC > (2·D²)/λ mit

D:: Antennendurchmesser der jeweiligen Sendeantenne
λ:: Wellenlänge des Signals S

In einer vorteilhaften Weiterbildung des vorgeschlagenen Verfahrens werden die Schritte 1 bis 3. q-fach wiederholt ausgeführt, mit q = 1, 2, 3, ..., wobei die Kalibrierfaktoren F_cal,i als Mittelwerte < F_cal,i > q ermittelt werden (i ∊ {A, B}). Natürlich sind andere Mittelungsverfahren ebenfalls vom Erfindungsgedanken umfasst. Die Mittelung führt zu einer Verbesserung der Kalibriergenauigkeit.
In einem typischen Anwendungsbeispiel des vorgeschlagenen Kalibrierverfahrens ist der Sensor A ein satellitengetragenes RADAR-System, der Sensor B ein RADAR-Transponder, und das Objekt C ein Winkelreflektor. Dabei kann der Sensor B ebenfalls ein satellitengetragenes RADAR-System sein.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein System umfassend einen Sensor A, einen Sensor B und ein mit den beiden Sensoren A, B verbundenes Steuer- und Auswertesystem, wobei das Steuer- und Auswertesystem zur Durchführung eines Verfahrens, wie vorstehend ausgeführt, eingerichtet und ausgeführt ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computersystem, mit einer Datenverarbeitungsvorrichtung, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung derart ausgestaltet ist, dass ein Verfahren, wie vorstehend ausgeführt, auf der Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein digitales Speichermedium mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen, wobei die Steuersignale so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass ein Verfahren, wie vorstehend beschrieben, ausgeführt wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computer-Programm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des Verfahrens, wie vorstehend ausgeführt, wenn der Programmcode auf einer Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computer-Programm mit Programmcodes zur Durchführung des Verfahrens, wie vorstehend ausgeführt, wenn das Programm auf einer Datenverarbeitungsvorrichtung abläuft. Dazu kann die Datenverarbeitungsvorrichtung als ein beliebiges aus dem Stand der Technik bekanntes Computersystem ausgestaltet sein.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der – gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnungen – zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
1 ein schematisiertes Blockschaltbild des Sensors A,
2 ein schematisiertes Blockschaltbild des Sensors B, und
3 einen schematisierten Verfahrensablauf des vorgeschlagenen Kalibrierverfahrens.
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Kalibrierung eines Radarsystems, dass entweder stationär auf dem Erdboden oder instationär in der Atmosphäre oder im Weltraum betrieben wird. Instationär betriebene Radarsysteme sind häufig als sogenanntes „Synthetic Aperture Radar (SAR)” ausgeführt und werden häufig zu Zwecken der Erderkundung eingesetzt. Die Kalibrierung eines derart komplexen Radarsystems, das häufig auf sogenannten „Active Phased Array”-Antennen basiert und konsequenterweise eine Vielzahl von unterschiedlichen Betriebsmodi aufweist, ist sehr komplex und kostenintensiv.
Das Kalibrieren eines Messinstruments bzw. eines Sensors bedeutet eine Verbindung zu erzeugen zwischen Messwerten zu einem oder mehreren fundamentalen physikalischen Größen zum anderen. Es gibt nur sieben solcher fundamentalen physikalischen Größen im sogenannten SI Einheitensystem. Alle anderen physikalischen Größen werden daraus abgeleitet.
Das vorgeschlagene Verfahren zur Kalibrierung eines Radarsystems ermöglicht die direkte Kalibrierung des absoluten Systemgewinns des gesamten Radarsystems, ohne ein speziell zugeordnetes radiometrisches Kalibriernormal zu verwenden. Die Kalibrierfaktoren (die Verbindung zwischen gemessenen Werten und physikalischen Einheiten) des Radarsystems werden direkt durch Vergleich von zumindest drei Einheiten (davon zwei Sensoren) mit spezifischen Eigenschaften ermittelt.
Zumindest einer der Sensoren (Sensor A) weist einen Sender TX_A zum Aussenden eines Signals S_TXA und einen Empfänger RX_A zum Empfangen eines Signals S_RXA auf, wobei der Empfänger RX_A und der Sender TX_A in einem RADAR-Modus des Sensors A unabhängig voneinander arbeiten. Sensor A stellt mithin einen typischen Sensor, der nach dem Radarprinzip arbeitet, dar. 1 zeigt hierzu ein Blockschaltbild. Der Empfänger RX_A weist einen Analog-Digital Wandler (ADC) auf. Der Sender TX_A weist einen Digital-Analog-Wandler (DAC) auf. Das gesendete Signal S_TXA ist im RADAR-Modus unabhängig von einem empfangenen Signal S_RXA.
2 zeigt ein Blockschaltbild des Sensors B. Der zweite Sensor (Sensor B) weist einen Sender TX_B, einen Empfänger RX_B und eine Einheit D auf, mit der der Sender TX_B in einem Transpondermodus des Sensors B mit dem Empfänger RX_B verbunden ist, so dass ein von dem Empfänger RX_B empfangenes Signal S_RXB vom Sender TX_B als Signal S_TXB wieder ausgesandt wird, wobei eine Verstärkung G_con,B zwischen dem empfangenen Signal S_RXB und dem wieder ausgesandten Signal S_TXB vorgegeben ist, und mit der der Sender TX_B in einem RADAR-Modus des Sensors B nicht mit dem Empfänger RX_B verbunden ist, so dass der Sender TX_B und der Empfänger RX_B unabhängig voneinander arbeiten. Die Umschaltung von Transpondermodus und RADAR-Modus erfolgt durch den Schalter S. In der dargestellten Form ist der Sensor B in den RADAR-Modus geschaltet. Der Sensor B kann mithin sowohl nach dem Transponderprinzip als auch nach dem Radarprinzip arbeiten. Im Transpondermodus (Schalter S geschlossen) wird ein vom Empfänger RX_B empfangenes Signal S_RXB durch den Analog-Digital-Wandler in digitale Signale verwandelt und an die Einheit D weitergeleitet. Die Einheit D ermöglicht die Modifikation des digitalen Signals in einer vorgegebenen Weise (beispielsweise durch eine vorgegebene Zeitverzögerung, durch eine vorgegebene Verstärkung, vorgegebene Verformung etc.). Von der Einheit D wird das gegebenenfalls modifizierte digitale Signal an den Sender TX_B übermittelt und dort von einem Digital-Analog-Wandler (DAC) in ein analoges Signal gewandelt, das über die Senderantenne abgestrahlt wird.
Im RADAR-Modus des Sensors B wird ein Signal S_TXB generiert und über die Antenne des Sender TX_B abgestrahlt. Das zurückreflektierte oder zurückgesendete Signal wird von der Antenne des Empfängers RX_B erfasst. Der Schalter S ist in diesem Fall offen. sodass die Einheit D in diesem Fall nicht involviert ist. Vorteilhaft ist die Einheit D eine digitale Einheit deren Verhalten und Eigenarten exakt bekannt sind.
Für das vorgeschlagene Kalibrierverfahren sind folgende Voraussetzungen erforderlich:

1. der Sensor A ist eingerichtet und ausgeführt zur Erfassung der Rückstreueigenschaften von zumindest zwei weiteren Objekten T_n (n = 1, 2, ..., N und N > 2,
2. eines dieser weiteren Objekte ist der Sensor B, der zumindest die Rückstreueigenschaften eines der anderen Objekte T_n erfassen kann, der Sensor B muss sowohl in einem Transpondermodus als auch in einem RADAR-Modus arbeiten können.

Das vorgeschlagene Kalibrierverfahren wird am Beispiel von einem RADAR-Sensorsystem erläutert, es kann jedoch jedes andere aktive Sensorsystem (beispielsweise ein SONAR-System oder ein LIDAR-System) genutzt werden, sofern dieses die vorstehend genannten Voraussetzungen erfüllt.
Nachfolgend wird ein fundamentales Gleichungssystem beschrieben, von dem ausgehend ein Satz linearer Gleichungen abgeleitet und gelöst werden kann. Abhängig von den Eigenschaften der zu kalibrierenden Objekte ergeben sich leichte Unterschiede bei den Gleichungen.
Die Rückstreueigenschaften eines Objekts können durch den sogenannten Radarrückstreuquerschnitt (engl. „radar cross section”, RCS) beschrieben werden. Der Radarrückstreuquerschnitt σ_m eines Transponders m, der einen Empfänger mit einem Empfängergewinn G_RX,m, einen Sender mit einem Sendergewinn G_TX,m, und einen Gewinn der Einheit D_m G_con,m aufweist, kann wie folgt definiert werden:
wobei λ die Wellenlänge bezeichnet, mit der das System betrieben wird.
Erfassung von Zielen mit einem Radarsystem
Aktive Ziele (Fall 1)
Unter Verwendung der Radargrundgleichung für Punktziele ergibt sich für das Verhältnis von empfangener zu gesendeter Leistung eines Sensors n, der das Ziel T_m erfasst:
P_Rx,n definiert die empfangene Leistung und P_Tx,n die ausgesandte Leistung des Radarsensors n, G_Rx,n den Gewinn des Empfängers und G_Tx,n den Gewinn des Senders, und R die Einwegdistanz vom Sensor n zum Ziel T_m. Die Notation
gibt die Vermessung des Ziels T_m an. Das messende System wird durch n repräsentiert.
Setzt man Gleichung (1) in Gleichung (2) ein, dann erhält man:
Dabei ist der erste Term der rechten Seite (( λ / 4πR )⁴·G_con,m) (Fall 1) bekannt, während das Produkt (G_RX,m·G_Tx,m)·(G_RX,n·G_Tx,n) zu bestimmen ist.
Logarithmiert ergibt Gleichung (3)
wobei sich für C_nm,1 ergibt: C_nm,1 = 10log( λ / 4πR)⁴ + 10log (G_con,m) (5) und wobei der Systemgewinn wie folgt ermittelt werden muss: G_n,S = 10log(G_Rx,n · G_Tx,n) (6) G_m,S = 10log(G_Rx,m·G_Tx,m) (7)
Passive Ziele (Fall 2)
Die RADAR-Gleichung (2) muss hierzu wie folgt erweitert werden:
Logarithmiert ergibt Gleichung (8)
wobei C_nm,1 bekannt ist: C_nm,2 = 10log( λ / 4πR)⁴ (10) und wobei der Systemgewinn wie folgt ermittelt werden muss:
Dabei ist G_m,P ein Gewinn, der proportional zum RADAR-Rückstreuquerschnitt des Ziels m ist.
Erfassung von Zielen mit einem bildgebenden Radar (Fall 3)
Der Radarrückstreuquerschnitt eine Ziels, das von einem bildgebenden Radar erfasst wird, kann innerhalb eines Bildes, welches gegebenenfalls durch eine Prozessierung der aufgenommenen Messdaten erzeugt wurde, durch die integrierte Pixelintensität unter Zuhilfenahme eines Kalibrierungsfaktors beschrieben werden, (unterstellt ist ein linear zeitinvariantes System).
Das Leistungsverhältnis
von Gleichung (3) kann ersetzt werden durch eine Bildintensität I_n und einen Skalierungsfaktor F_scale,n. Wird dieser Ansatz verwendet, kann ein kombinierter Kalibrierfaktor ermittelt werden, der die Bildintensitäten direkt in Rückstreuquerschnitte konvertiert.
Aktive Ziele (Fall 3)
Gleichung (3) zur Radarerfassung eines aktiven Ziels ergibt:
wobei (G_RX,n·G_Tx,n·F_scale,n) = F_cal,n ein neuer kombinierter Kalibrierfaktor ist, der für das System bestimmt werden soll. Dieser Kalibrierfaktor umfasst auch jedweden Gewinn, der sich bei der Bilderzeugung (beispielsweise bei der SAR Fokusierung) ergibt.
Passive Ziele (Fall 4)
Die vorstehend beschriebene Skalierung kann auf die Gleichung (8) angewendet werden:
Die Gleichungen (14) und (15) ergeben in logarithmischer Formulierung ein lineares Gleichungssystem.
Abhängig von dem zu kalibrierenden System werden die Gleichungen (3), (8), (14) und (15) in logarithmischer Darstellung verwendet, um ein lineares Gleichungssystem zu formen.
Wird beispielsweise unterstellt, dass ein Sensor A, der im RADAR-Modus arbeitet, einen Sensor B, der im Transponder-Modus arbeitet und einen Winkelreflektor C vermisst, dann können die vom Sensor A erfassten Verhältnisse der gesendeten und empfangenen Leistungen
und
ermittelt werden. In einem weiteren Schritt vermisst der Sensor B, der nun im RADAR-Modus arbeitet, den Winkelreflektor C. Daraus kann das Leistungsverhältnis
ermittelt werden.
Auf Basis der logarithmischen Version von Gleichung (3) kann folgendes System linearer Gleichungen formuliert werden:
Die konstanten Therme C_x,y sind in den Gleichungen (5) und (10) definiert. Die Systemgewinne G_x' ergeben sich aus den Gleichungen (6), (7), (11) und (12).
Das Lösen des Gleichungssystems erfolgt durch Invertierung der Matrizen:
Durch das Lösen dieser Gleichung ergeben sich der Systemgewinn G_A,S des Sensors A, der Systemgewinn G_B,S des Sensors B, sowie der äquivalente Gewinn G_C,P des Ziels C.
Aus den Gleichungen (5) und (10) ergibt sich, dass beispielsweise zur Kalibrierung eines SAR Systems lediglich die gemessenen Leistungsverhältnisse, die KalibrierWellenlänge λ der Messfrequenz und die Entfernung R bekannt sein müssen. Für große Entfernungen, beispielsweise im Fall von satellitengetragenen SAR-Systemen, ist das vorgeschlagene Kalibrierverfahren wenig fehleranfällig in Bezug auf konstante Offset-Fehler der Messungen.
Obwohl die vorstehend angegebenen Gleichungen von einer Kalibrierwellenlänge λ ausgehen, können sie einfach auf bandlimitierte Signale übertragen werden, wobei ein Integral über alle Frequenzen verwendet wird.
Die vorstehenden Ausführungen werden nachfolgend an einem Beispiel nochmals näher erläutert. Das Beispiel betrifft die Kalibrierung eines satellitengetragenen SAR-Systems (Sensor A) unter Verwendung eines Winkelreflektors (Ziel C) und eines Radars/Transponders (Sensor B).
Im Gegensatz zu den üblicherweise verwendeten Kalibrierverfahren eines satellitengetragen SAR-Systems, bei dem eine bekannte Kalibrierung eines auf der Erdoberfläche angeordneten Ziels auf den Satelliten übertragen wird, ist es mit dem vorgeschlagenen Verfahren möglich, das SAR-System auf dem Satelliten und die Ziele in einem Schritt zu kalibrieren, d. h. die Notwendigkeit ein Bodenziel vorab zu kalibrieren entfällt. Das satellitengetragene SAR-System sei der Sensor A, der im RADAR-Modus betrieben wird. Weiterhin sei ein Sensor B vorhanden, der sowohl im Transpondermodus als auch im RADAR-Modus betrieben werden kann. Weiterhin ist an der Erdoberfläche ein Ziel C angeordnet, dass ein Winkelreflektor ist.
Die absolute radiometrische Kalibrierung des satellitengetragenen SAR-Systems (Sensor A) ergibt sich aus drei relativen Messungen von Leistungsverhältnissen, den bekannten Entfernungen zwischen den Sensoren A und B und dem Sensor B und dem Ziel C, sowie der Wellenlänge/Frequenz der Sender der Sensoren A und B.
Der Sensor B ist in diesem Beispiel ebenfalls ein satellitengetragener Sensor. Zunächst ermittelt der Sensor A das Leistungsverhältnis bei der Abtastung des Ziels C und das Leistungsverhältnis bei der Abtastung des Sensors B, wobei der Sensor B im Transpondermodus arbeitet. Unabhängig davon ermittelt der Sensor B das Leistungsverhältnis bei der Abtastung des passiven Ziels C.
Unter Verwendung der logarithmischen Version der drei Gleichungen (8), (14) und (15) ergibt sich folgendes Gleichungssystem (bei dem zur Vereinfachung die Indikation des erfassten Ziels
nicht angegeben ist).
Hierbei sind I_AB und I_AC die gemessenen Bildintensitäten (bei SAR nach der Fokusierung) des Sensors A für die Ziele: Sensor B und Winkelreflektor C. P_BC ist das Leistungsverhältnis, das vom Transponder B bei der Abtastung des Winkelreflektors C ermittelt wurde. F_cal,A ist der zu ermittelnde Kalibrierfaktor, der RCS Werte direkt in Bildintensitäten wandelt (vergleiche hierzu Gleichung (14)). G_C,P ist der rückstreuquerschnittsäquivalente Gewinn des Winkelreflektor und G_B,S ist der Systemgewinn des Transponders (Sensor B). Der konstante Teil der drei Gleichungen ergibt sich zu: C_AB,1 = 10log( λ / 4πR)⁴ + 10log(G_con,B) (19) C_AC,2 = 10log( λ / 4πR)⁴ (20) C_BC,2 = 10log( λ / 4πR)⁴ (21)
Nach der Invertierung des Systems ergibt sich:
Der rückstreuquerschnittsäquivalente Gewinn G_C,P des passiven Ziels C ist für die Kalibrierung des Radarsystems nicht explizit erforderlich, kann aber von Interesse sein, um ihn zu einem Rückstreuquerschnitt (RCS) des Winkelreflektors C zurückzukonvertieren (vergleiche Gleichung (12)). Hiermit wird sofort auch das Ziel C absolut kalibriert.
Das vorgeschlagene Verfahren zur Kalibrierung eines Sensorsystems ermöglicht eine höhere Kalibriergenauigkeit aufgrund weniger relevanter Ungenauigkeitsquellen, die Möglichkeit Ausbreitungseffekte zu kompensieren, und ein Verzicht auf vorab kalibrierte Referenzziele.
3 zeigt einen schematisierten Ablauf des vorgeschlagenen Verfahrens zur Kalibrierung eines Sensorssystems, das zumindest einen Sensor A und einen Sensor B umfasst, wobei der Sensor A einen Sender TX_A zum Aussenden eines Signals S_TXA und einen Empfänger RX_A zum Empfangen eines Signals S_RXA aufweist, wobei der Empfänger RX_A und der Sender TX_A in einem RADAR-Modus des Sensors A unabhängig voneinander arbeiten, der Sensor B einen Sender TX_B, einen Empfänger RX_B und eine Einheit D aufweist, mit der der Sender TX_B in einem Transpondermodus des Sensors B mit dem Empfänger RX_B verbunden ist, so dass ein von dem Empfänger RX_B empfangenes Signal S_RXB vom Sender TX_B als Signal S_TXB wieder ausgesandt wird, wobei eine Verstärkung G_con,B zwischen dem empfangenen Signal S_RXB und dem wieder ausgesandten Signal S_TXB vorgegeben ist, und mit der der Sender TX_B in einem RADAR-Modus des Sensors B nicht mit dem Empfänger RX_B verbunden ist, so dass der Sender TX_B und der Empfänger RX_B unabhängig voneinander arbeiten, ein Objekt C vorhanden ist, das ein auftreffendes Signal aktiv oder passiv zurücksendet, und der Abstand R_AB zwischen dem Sensor A und dem Sensor B, der Abstand R_AC zwischen dem Sensor A und dem Objekt C und der Abstand R_BC zwischen dem Sensor B und dem Objekt C bekannt ist.
Das Verfahren umfasst folgende Schritte.
In einem ersten Schritt 101 erfolgt ein Aussenden eines Signals S_TXi,C durch den Sender TX_i mit einer Sendeleistung
zu dem Objekt C und Erfassen des daraufhin vom Objekt C ausgesandten oder reflektieren Signals
durch den Empfänger RX_i mit der Empfangsleistung
für i ∊ {A, B}, zur Ermittlung der Verhältnisse:
wobei gilt:
In einem zweiten Schritt 102 erfolgt ein Aussenden eines Signals
durch den Sender TX_A mit einer Sendeleistung
zu dem Sensor B, der in dem Transpondermodus mit der Verstärkung G_con,B betrieben wird, und ein Erfassen des daraufhin vom Sensor B ausgesandten Signals als
durch den Empfänger RX_A mit der Empfangsleistung
zur Ermittlung des Verhältnisses:
wobei gilt:
In einem dritten Schritt 103 erfolgt ein Ermitteln von Kalbrierfaktoren F_cal,i basierend oder zurückführbar auf folgenden Zusammenhang:
mit: F_cal,i = 10·log(G_RX,i·G_TX,i·F_scale,i) für i ∊ {A, B}

In einem vierten Schritt 104 erfolgt ein Kalibrieren der Sensoren A und B mit den Kalibrierfaktoren F_cal,i und des Ziels C über den rückstreuquerschnittsäquivaltenten Gewinn G_C.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existierten. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
Bezugszeichenliste

101–104: Verfahrensschritte

Claims

Verfahren zur Kalibrierung eines Sensorssystems, das zumindest einen Sensor A und einen Sensor B umfasst, wobei – der Sensor A einen Sender TX_A zum Aussenden eines Signals S_TXA und einen Empfänger RX_A zum Empfangen eines Signals S_RXA aufweist, wobei der Empfänger RX_A und der Sender TX_A in einem RADAR-Modus des Sensors A unabhängig voneinander arbeiten, – der Sensor B einen Sender TX_B, einen Empfänger RX_B und eine Einheit D aufweist, mit der der Sender TX_B in einem Transpondermodus des Sensors B mit dem Empfänger RX_B verbunden ist, so dass ein von dem Empfänger RX_B empfangenes Signal S_RXB vom Sender TX_B als Signal S_TXB wieder ausgesandt wird, wobei eine Verstärkung G_con,B zwischen dem empfangenen Signal S_RXB und dem wieder ausgesandten Signal S_TXB vorgegeben ist, und mit der der Sender TX_B in einem RADAR-Modus des Sensors B nicht mit dem Empfänger RX_B verbunden ist, so dass der Sender TX_B und der Empfänger RX_B unabhängig voneinander arbeiten, – ein Objekt C vorhanden ist, das ein auftreffendes Signal aktiv oder passiv zurücksendet, und – der Abstand R_AB zwischen dem Sensor A und dem Sensor B, der Abstand R_AC zwischen dem Sensor A und dem Objekt C und der Abstand R_BC zwischen dem Sensor B und dem Objekt C bekannt ist, mit folgenden Schritten: 1.1. Aussenden eines Signals
durch den Sender TX_i mit einer Sendeleistung
zu dem Objekt C und des daraufhin vom Objekt C ausgesandten oder reflektieren Signals
durch den Empfänger RX_i mit der Empfangsleistung
für I ∊ {A, B}, zur Ermittlung der Verhältnisse:
wobei gilt:
1.2. Aussenden eines Signals
durch den Sender TX_A mit einer Sendeleistung
zu dem Sensor B, der in dem Transpondermodus mit der Verstärkung G_con,B betrieben wird, und Erfassen des daraufhin vom Sensor B ausgesandten Signals als
durch den Empfänger RX_A mit der Empfangsleistung
zur Ermittlung des Verhältnisses:
wobei gilt:
1.3. Ermitteln von Kalbrierfaktoren F_cal,i basierend oder zurückführbar auf folgenden Zusammenhang:
mit: F_cal,i = 10·log(G_RX,i·G_TX,i·F_scale,i) für i ∊ {A, B}
F_scale,i := Skalierungsfaktor C_AB, C_AC, C_BC := von λ und den Abständen R_AB, R_AC, R_BC abhängige Konstanten, und 1.4. Kalibrieren des Sensors A mit dem Kalibrierfaktor F_cal,A und/oder des Sensors B mit dem Kalibrierfaktor F_cal,B.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Wellenlänge λ jeweils einem Integral über alle Frequenzen eines von dem jeweiligen Sender i, mit i ∊ {A, B}, ausgesandten bandlimitiertem Signal entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem der Sender TX_B einen Digital-zu-Analog-Konverter und eine Sendeantenne, der Empfänger RX_B einen Analog-zu-Digital-Konverter und eine Empfangsantenne, und die Einheit D eine Einheit zur digitalen Signalverarbeitung ist, die im Transpondermodus den Sender TX_B mit dem Empfänger RX_B zur Datenkommunikation verbindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Sensor A und der Sensor B ein RADAR-Sensor oder ein SONAR-Sensor oder ein LIDAR-Sensor sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Einheit D im Transpondermodus vom Empfänger RX_B empfangene Signale verstärkt und/oder filtert und/oder zeitverzögert und/oder verformt, bevor diese an den Sender TX_B weitergeleitet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Abstände R_AB, R_AC, R_BC folgender Bedingung genügen: R_AB, R_AC, R_BC > (2·D²)/λ mit D: Antennendurchmesser der jeweiligen Sendeantenne λ: Wellenlänge des Signals S
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Schritte 1.1. bis 1.3. q-fach wiederholt ausgeführt werden mit q = 1, 2, 3, ... und der Kalibrierfaktor F_cal,A als Mittelwert < F_cal,A > q ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Sensor A ein satellitengetragenes Radarsystem, der Sensor B ein RADAR-Transponder, und das Objekt C ein Winkelreflektor oder Transponder ist.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Sensor B und/oder Objekt C ein satellitengetragenes Radarsystem ist.
System umfassend einen Sensor A, einen Sensor B und ein mit den beiden Sensoren A, B verbundenes Steuer- und Auswertesystem, wobei das Steuer- und Auswertesystem zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 eingerichtet und ausgeführt ist.