DE19521624A1

DE19521624A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung einer großen Streifenbreite bei Radargeräten mit synthetischer Apertur (SAR) durch die Verwendung von subsequent gepulsten Frequenzkanälen

Info

Publication number: DE19521624A1
Application number: DE19521624A
Authority: DE
Inventors: Hans Martin Dr Braun
Original assignee: RST Raumfahrt Systemtechnik GmbH
Current assignee: RST Raumfahrt Systemtechnik GmbH
Priority date: 1995-06-14
Filing date: 1995-06-14
Publication date: 1995-12-21

Description

1. Einleitung

Ein Problem bei bilderzeugenden SARs besteht darin, daß mit besser werdender räumlicher Auflösung die verfügbare Breite des einsehbaren Streifens am Boden immer kleiner wird. Ein SAR ist ein bilderzeugendes, abtastendes Seitensichtradar system, welches vorwiegend dafür eingesetzt wird, von Flugzeugen oder Satelliten aus wetterunabhängige Aufnahmen vom überflogenen Gelände zu machen. Beispielsweise werden Mikrowellenimpulse von einem Satelliten aus seitlich zur Flugrichtung in Rich tung Erdboden abgesendet und deren Echos vom Boden empfangen. Die geome trische Auflösung quer zur Flugrichtung wird durch die Länge des Sendeimpulses bestimmt. Die geometrische Auflösung in Flugrichtung wird über die Prinzipien der "Synthetischen Apertur" auf der Basis der Gesetze der Dopplerverschiebung ge wonnen.

Dieses Synthetische-Apertur-Prinzip erfordert, daß die Pulsfolgefrequenz (oder auch Abtastfrequenz genannt) über einer gewissen unteren Grenze liegt, um Überfaltungen (Ambiguities) im Frequenzbereich zu vermeiden. Dies bedeutet, daß die diskreten Linien im Impulsspektrum soweit auseinander liegen müssen, daß die zwischen den einzelnen Echoteilen auftretenden Unterschiede in der Dopplerverschiebung zwischen diesen Linien Platz haben und eindeutig innerhalb der Datenverarbeitung identifizier bar sind. Als Anhaltspunkt für die Größenordnung gilt der Merksatz, daß das SAR mindestens zwei Impulse aussenden muß, bevor sich seine Antenne um ihre volle Länge fortbewegt hat. Dies bedingt, daß die Zeit zwischen zwei Sendeimpulsen, in der die Echos eines Sendeimpulses (der meist bereits mehrere Pulswiederholintervalle zurückliegt) empfangen werden können, vorgegeben ist. Bei einem Seitensichtradar bedeutet dies meist, daß man mittels der Antennenstrahlungskeule den Bereich auf dem Erdboden ausleuchten muß, von dem man in dieser Zeit Echos empfangen will. Andere Bereiche auf der Erdoberfläche, deren Echos in das nächste oder das voran gegangene Pulswiederholinterval fallen würden, müssen über die Antennenkeule aus geblendet werden (siehe Abb. 1).

Das SAR-Prinzip erfordert aber andererseits, daß die SAR-Antenne nicht länger ist, als das Doppelte der gewünschten geometrischen Auflösung in Flugrichtung. Auch dies ist nur ein Merksatz, der aber die Verhältnisse sehr gut beschreibt. Beides zusammen genommen bedeutet nun, daß ein hochauflösendes SAR ein kurze Antenne braucht, aber wenn man einen großen Bereich am Boden einsehen möchte, man eine lange Antenne verwenden sollte. Das hatte bisher zur Folge, daß ein hochauflösendes SAR kein großes Terrain einsehen konnte.

Es ist das Ziel des Verfahrens und der Vorrichtung, welche in dieser Abhandlung beschrieben sind, durch elektrotechnische und systemtechnische Maßnahmen eine deutlich größere Breite des einsehbaren Streifens am Boden zu erreichen, als dies mit bisherigen Systemen und Methoden möglich ist, ohne daß die räumliche Auflösung dadurch verschlechtert wird.

Beim bekannten Verfahren des SCAN-SARs [1; 2], wird die Bildstreifenverbreiterung dadurch erzielt, daß mittels einer elektronisch schwenkbaren Antenne zyklisch zwischen mehrerer der in Abb. 1 gezeigten Abtaststreifen hin- und hergeschaltet wird. Dadurch reduziert sich zwar die Integrationszeit pro Streifen um die Zahl der Streifen, was beim SAR zu einer Verschlechterung der räumlichen Auflösung in Flugrichtung führt, aber man kann mehrere Streifen parallel einsehen. Im Gegensatz zum SCAN-SAR benötigt das SCWS-SAR keine aufwendige Antenne mit elektronischer Strahl schwenkung.

Im Gegensatz zum bekannten Verfahren der Streifenverbreiterung, wie es in Referenz [3] beschrieben ist, bei dem zur Trennung von gleichzeitig beleuchteten, benachbarten Streifen unterschiedliche, subsequent ausgesendete Codes (z. B. Up-chirp/Down-chirp) im selben Frequenzkanal verwendet werden, wobei bei der Trennung der Echosignale ein deutlich erhöhtes Störrauschen durch die nicht komprimierten Signalenergien des jeweils anderen Streifen nicht zu vermeiden ist, bleiben beim SCWS-SAR die einzel nen Frequenzkanäle deutlich getrennt und beeinflussen sich nicht gegenseitig. Da durch ist beim SCWS-SAR eine sehr viel bessere Bildqualität erreichbar.

Beim bekannten Verfahren des "Frequency Hopping" wird eine quasi-statistische Frequenzänderung des Radarsignals zur Störunterdrückung (Clutter und ECM) einge setzt und dient im Gegensatz zum SCWS-SAR nicht zur Verbreiterung des Einseh bereichs am Boden.

2. Theoretisches Prinzip

Das Prinzip dieses Radars, SCWS-SAR ("Sub-Channel Wide Swath SAR") genannt, erlaubt, die Pulswiederholfrequenz deutlich unter die, durch Antenne und Abtast theorem definierte Grenze zu reduzieren ohne die Eindeutigkeitsforderung zu verletzen, woraus eine signifikante Verbreiterung des Bildstreifens am Boden resultiert.

Dieses Prinzip basiert auf dem Effekt, daß zwei oder mehr Impulszüge (oder Echo signalzüge) mit niedriger Pulswiederholfrequenz, welche die gleiche Funktion (z. B. Reflexionsmuster am Boden) abtasten, nachträglich summiert werden können (Abb. 2), wobei ein Summenimpulszug mit hoher Pulswiederholfrequenz entsteht, bei dem die Mehrdeutigkeiten ("Ambiguities") im Signalspektrum nachträglich eliminiert werden.

Mathematisch kann dies am Beispiel von 2 Impulszügen gezeigt werden. Ein Impuls zug (Abb. 3) kann mittels der Fourier-Transformation beschrieben werden.

dabei ist rect ein Rechteckimpuls it der Breite τ und der Amplitude 1.
si(x) ist diei Funktion sin(x)/x
δ(x) ist der Dirac-Impuls an der Stelle x
T ist das Pulswiederholinterval, und
⊶ ist der Fourier-Operator.

Diese Transformation führt zum Signalspektrum, welches in Abb. 4 gezeigt ist. Dabei ist die si(x)-Funktion (Hüllkurve) mit diskreten Spektrallinien im Abstand von (ⁿ/_T) ange füllt. Diese Darstellung gilt sowohl für einen Sendeimpulszug als auch für einen Echoimpulszug. Im Falle einer Dopplerverschiebung im Echosignal ist die gesamte Spektralfunktion auf der Frequenzachse um den Betrag der Dopplerverschiebung versetzt. Die relative Zuordnung der einzelnen Linien zueinander bleibt unverändert. Jede Amplitudenveränderung (z. B. durch die Reflexion an einem Bodenziel) wirkt sich auf jede Spektrallinie prozentual in gleicher Weise aus. Jede Zeitverschiebung des Signals, z. B. durch Signallaufzeit zwischen Sendung und Empfang, wirkt sich auf die Phasen der einzelnen Linien aus, die Position der Linien im Spektrum bleibt auch da bei unverändert. Eine Zeitverschiebung des Signals um einen Faktor t₀ äußert sich wie folgt:

Werden beispielsweise zwei Impulszüge betrachtet, von denen der eine um -^T/₄ und der andere um +^T/₄ zeitverschoben ist, so können diese folgendermaßen formuliert werden:
Impulszug I:

Impulszug II:

Abb. 5 zeigt diese Impulszüge in ihrer zeitlichen Zuordnung zueinander. Die Summe dieser beiden Impulszüge im Zeitbereich entspricht einer Summation im Frequenz bereich.

f₁(t)+f₂(t) ⊶ F₁(f)+F₂(f) (5)

Dies ergibt folgende Gleichung im Frequenzbereich:

und somit

Der cos-Term in Gleichung 6 sorgt dafür, daß jede zweite Spektrallinie ungeachtet ihrer Amplitude und ihrer Phase ausgelöscht wird (siehe Abb. 6). Dies ergibt ein Fre quenzspektrum, welches mit dem eines Impulszugs mit doppelter Wiederholfrequenz identisch ist.

Dieser, auf den ersten Blick trivial anmutender Sachverhalt, bekommt dann Bedeu tung, wenn es darum geht, dieses Prinzip nicht nur auf ein einfaches Sendeimpuls spektrum, sondern auf einen komplexen Echoimpulszug anzuwenden. Auch dann sorgt der cos-Term in Gleichung 6 dafür, daß jede zweite Spektrallinie, welche in diesem Fall die störende Mehrdeutigkeit (Ambiguity) darstellt, ausgelöscht wird. Dieses Prinzip läßt sich theoretisch auf eine beliebige Zahl von Impulszügen anwenden. Praktische Begrenzungen sind durch nicht-ideale Bauteile und Prozeduren zu erwarten. Auch ist es für die Funktion SCWS-SAR-Prinzip erforderlich, daß alle zu summierenden Echos die gleiche Reflexionsinformation (Betrag und Phase des Reflexionsfaktors pro Ziel) tragen. Dies ist um so mehr gegeben, je dichter die Fre quenzkanäle der einzelnen Impulszüge aneinander liegen. Das kann bei sehr großen Bandbreiten pro Einzelkanal zu Qualitätsverlusten führen. Die Grenzen der Anwend barkeit des Verfahrens sind daher für jede neue SAR-Entwicklung separat zu prüfen.

3. Praktischer Aufbau

Der praktische Aufbau eines SCWS-SAR ist im folgenden am Beispiel eines satelliten getragenen SAR dargestellt. Abb. 7 zeigt, daß beim SCWS-SAR die Pulswiederhol frequenz so tief gewählt wurde, daß ein sehr großer Bereich am Boden ausgeleuchtet werden kann. Die Pulswiederholfrequenz wurde auf ein Viertel des Wertes reduziert, der durch die Antennenlänge eigentlich gefordert wäre, und es wurden vier Fre quenzkanäle vorgesehen.

Das Wirkungsprinzip besteht nun darin, in mehreren (z. B. 4) voneinander getrennten Frequenzkanälen mehrere SARs zueinander koherent und zeitlich synchronisiert nebeneinander zu betreiben, jedes bei einer Abtastrate (Pulswiederholfrequenz), die um den Faktor ¹/Kanalzahl unter der durch das Abtasttheorem bestimmten Mindest abtastrate liegt (z. B. um den Faktor ¼). Die weitere Beschreibung benutzt als Beispiel 4 Kanäle, repäsentative für eine beliebige Kanalzahl. Die dabei ein laufenden langen Echos werden nun pro Echo und pro Kanal zeitlich in 4 gleichlange Teile zerlegt, welche auf 4 Verarbeitungskanäle aufgeteilt werden. Dies ist nötig, da vor der Echo summation für die jeweils aus den anderen Kanälen hinzu kommenden Echoteile zeitlich Platz geschaffen werden muß. In den 4 Verarbeitungskanälen, die jeweils einen Teil des Streifens am Boden repräsentieren, werden nun die entsprechenden Echos aneinandergefügt, wodurch die Mehrdeutigkeiten in den Spektren der Einzel echos eliminiert werden. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick, zu welchem Zeitpunkt sich Echoanteile aus welchem Bereich am Boden (Streifenteilbereich) in welchem Frequenzkanal befinden.

Tabelle 1

Als Beispiel sei ein hochauflösendes Satelliten-SAR mit einer Impulsbandbreite von ca. 50 MHz und einer Antenne von 2,5 m Länge gewählt. Dies erlaubt eine räumliche Auf lösung unter 5 m. Bei einem klassischen SAR wäre eine Streifenbreite von ca. 40 km (Pulswiederholfrequenz 8 kHz, Antennenbreite Im) realisierbar. Beim SCWR-SAR wird eine Streifenbreite von mehr als 100 km (Pulswiederholfrequenz 2 kHz, Antennenbreite 25 cm) erreicht.

Abb. 8 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines SCWS-SAR. Neu im Vergleich zu einem klassischen SAR sind nur die Sendeimpulsaufbereitung (Abb. 9) und die Rückge winnung der einzelnen Bildstreifen (Abb. 10).

Die Sendeimpulsaufbereitung arbeitet mit zwei zueinander koherenten Frequenzen, 100 MHz und 1000 MHz. Über Trennverstärker werden diese in einem Mischer zusam mengeführt und ergeben (oberes Seitenband) die Mittenfrequenz von 1100 MHz für Kanal A, welche mittels eines Bandpaßfilters vom unteren Seitenband und von der Trägerfrequenz getrennt werden. Außerdem werden diese 1000 MHz als Unterträger A am Ausgang der Sendeimpulsaufbereitung bereitgestellt. Dieser wird im weiteren innerhalb der Bildstreifenrückgewinnung gebraucht. Vom 100 MHz-Signal wird durch Frequenzverdopplung die Mischfrequenz von 200 MHz erzeugt, welche, gemischt mit 1000 MHz, die Unterträgerfrequenz für Kanal B von 1200 MHz ergibt. Aus dieser wird durch Mischung und Filterung die Mittenfrequenz von 1300 MHz für Kanal B gewonnen. Nach dem selben Prinzip werden die weiteren Unterträgerfrequenzen von 1400 MHz (Kanal C) und 1600 MHz (Kanal D) und die entsprechenden Kanalmittenfrequenzen 1500 MHz und 1700 MHz gewonnen.

Aus den Signalen in den Kanälen A-D werden durch Schalter Impulse erzeugt; in unserem Beispiel jeweils mit einer Länge von 20ns und einer Wiederholrate pro Kanal von 2 kHz. Bei einem frequenzmodulierten (FM) SAR (z. B. Chirp-SAR) ist statt des einfachen Schalters eine FM-Impulserzeugung einzufügen, welche sich an die bereit gestellte Mittenfrequenz anbindet. Die 4 Impulsfolgen sind exakt aufeinander synchro nisiert, da sie von einem Triggersignal von 8 kHz (Pulswiederholfrequenz × Kanalzahl) abgeleitet werden. Die 4 Kanäle werden danach über Trennverstärker zusammenge führt und als Sendeimpulsspektrum zur Aufwärtsmischung und Leistungsverstärkung weitergeleitet. Das ursprüngliche 100 MHz Signal wird als Referenzträger an die Bild streifenrückgewinnungseinheit geführt.

Nach Eingangsverstärkung und Abwärtsmischung wird das empfangene Echosignal im Basisband, welches frequenzmäßig dem generierten Sendeimpulsspektrum entspricht, der Bildstreifenrückgewinnungseinheit zugeführt. Dort werden zuerst die 4 Kanäle über Bandfilter voneinander getrennt. Danach wird jeder Kanal mit seinem entsprechenden Unterträgersignal abgemischt, wodurch in allen 4 Kanälen Signalspektren mit einer Mittenfrequenz von 100 MHz entstehen. Nun werden durch rotierende Schalter die Signale aus den 4 Kanälen gemäß Tabelle 1 zyklisch auf 4 Bildstreifenbereiche aufge teilt, wonach sie dann unter Verwendung des 100 MHz Referenzträgers komplex detektiert werden (I/Q Detektion). Am Ausgang der Bildstreifenrückgewinnungseinheit stehen nun 4 komplexe Signale an, welche die eindeutigen, komplexen Echoinfor mationen aus 4 Teilen eines großen Zielstreifens am Boden tragen. Diese können nun in digitale Form umgesetzt und einem SAR Prozessor zur weiteren Verarbeitung über geben werden.

Die Wirkungsweise des Verfahrens und der Vorrichtung ist an Hand einer analogen Schaltungstechnik aufgezeigt. Natürlich können viele der gezeigten Funktionen auch in digitaler Form realisiert werden.

4. Referenzen

[1] "Future User Requirements and Required Technological Developments of Spaceborne Synthetic Aperture Radars", Philipp Hartl & Hans Martin Braun, IGARSS 1986, Zürich
[2] "A SAR Instrument for Global Monitoring of Land Surfaces and Polar Ice" C.C. Lin, P.L. Mancini, 0-7803-1497-2/94 1994 IEEE
[3] "Verfahren zur Streifenverbreiterung und Datenreduktion bei einem Aufklärungs radar mit synthetischer Apertur (SAR)", Hans Martin Braun, Wolfgang Gieraths, Deutsches Patentamt, DE 34 30 749 C2

Claims

1. Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung einer großen Streifenbreite bei Radar geräten mit synthetischer Apertur (SAR) durch die Verwendung von subsequent gepulsten Frequenzkanälen, dadurch gekennzeichnet, daß in n benachbarten, deutlich voneinander getrennten Frequenzkanälen n SARs koherent und zeitlich synchronisiert derart nebeneinander betrieben werden, daß die Pulswiederholrate (Abtastrate) pro Sendekanal um den Faktor ¹/_n unterhalb der Abtastrate liegt, welche üblicherweise durch das Abtasttheorem als niedrigste zulässige Abtastrate vorge schrieben wird, wobei die einzelnen Kanäle derart subsequent gepulst werden, daß der jeweilige zeitliche Abstand von Sendeimpuls des einen Kanals zu Sendeimpuls des nächsten betriebenen Kanals konstant ist, wodurch pro Frequenzkanal wegen der niedrigen Pulswiederholrate zeitlich ein größerer Eindeutigkeitsbereich pro Kanal und dadurch eine größere Streifenbreite entsteht, wobei die Sendesignale aus allen Kanälen über einen gemeinsamen Hochfrequenzzweig geleitet und über eine Antennenkeule abgestrahlt werden, wonach die Echos über diese gemeinsame Antennenkeule wieder empfangen und in einem gemeinsamen Empfangszweig bis hin zum Basisband verarbeitet werden, wobei die einlaufenden Echos im Basisband durch Frequenzfilter wieder in die zugehörenden Kanäle aufgeteilt, danach in eine gemeinsame Frequenzebene abgemischt, pro Impulswiederholinterval in n zeitlich gleich lange Segmente, welche Radar-Entfernungsbereiche repräsentieren, zerlegt und derart umsortiert werden, daß aus allen Kanälen die jeweils zum gleichen Radar-Entfernungsbereich gehörenden Echosegmente in richtiger Reihenfolge hinterein andergefügt werden, wodurch n Entfernungsbereichskanäle (oder Streifenteil bereichskanäle) entstehen, in denen eine effektive Abtastrate entsteht, die um den Faktor n erhöht ist und dadurch die Gesetze des Abtasttheorems erfüllt, wodurch alle vorher in den Frequenzkanälen erfolgten Überfaltungen (Mehrdeutigkeiten) im Spektrum nachträglich eliminiert werden und ein mehrdeutigkeitsfreies Radarbild entsteht, welches aus den n Entfernungsbereichskanälen zu einem breiten Gesamt bild zusammengesetzt wird.

2. Verfahren und Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Verfahren bei anderen Radargeräten, die nicht nach dem Prinzip der synthetischen Apertur arbeiten, gleichermaßen angewendet wird, um den zeitlichen Eindeutigkeits bereich zu vergrößern und damit die Leistungsfähigkeit des Radars signifikant zu erhöhen.

3. Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, derart gekennzeichnet, daß eine Antenne mit schwenkbarer Antennenkeule verwendet wird, wodurch die Agilität des Radars erhöht wird, wobei aber in den verschiedenen Schwenkpositionen das beschriebene Verfahren zur Erhöhung des Eindeutigkeitsbereichs angewendet wird.