DE19625465C2

DE19625465C2 - Verfahren zur datenreduzierenden Codierung von SAR-Rohdaten

Info

Publication number: DE19625465C2
Application number: DE19625465A
Authority: DE
Inventors: Hans Georg Prof Dr Ing Musmann; Johanna Bolle
Original assignee: Dornier GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1996-06-26
Filing date: 1996-06-26
Publication date: 1998-11-26
Anticipated expiration: 2016-06-27
Also published as: DE19625465A1; FR2752062A1; FR2752062B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur datenreduzierenden Codierung von SAR-Rohdaten.

Stand der Technik

Für eine wirtschaftliche Speicherung und Übertragung von SAR-Rohdaten sollte deren relativ große Datenrate mittels einer Quellencodierung reduziert werden.

Untersuchungen der statistischen Eigenschaften der SAR-Rohdaten haben ergeben, daß eine verlustlose Entropiecodierung der Rohdaten nahezu keine Datenreduktion bringt, [2]. Mit verlustbehafteten Codierungsverfahren wie z. B. der Vektorquantisierung hingegen konnte gemäß [3] ein Kompres sionsfaktor in der Größenordnung zwischen 2 und 4 erzielt werden. Dabei ist noch zu prüfen, inwieweit die aufgetretenen Informationsverluste zu wahrnehmbaren Bildstörungen führen.

Da einige Anwendungen keine Informationsverluste zulassen, besteht ein besonderes Interesse an verlustlosen Codierungsverfahren.

Aufgabe

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Codierung von SAR-Rohdaten anzugeben, das eine verlustlose oder verlustbehaftete Codierung mit kontrollierbaren Verlusten bei vergleichsweise erhöhter Codierungseffizienz ermöglicht.

Lösung

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstände weiterer An sprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren benutzt zur Codierung geeignet trans formierte SAR-Rohdaten. Um eine möglichst verlustlose Reduktion der SAR- Rohdatenrate zu erreichen, wird eine umkehrbare Transformation (im folgen den mit T bezeichnet) verwendet. Zweck der Transformation ist es, die nahezu unkorrelierten SAR-Rohdaten in korrelierte Daten zu transformieren, die an schließend mit Hilfe an sich bekannter Bildcodierungsverfahren codiert wer den können. Die bekannten Bildcodierungverfahren arbeiten noch effizienter, je stärker die Daten korreliert sind. Die korrelierten transformierten Daten ent sprechen in etwa der Reflektivitätsverteilung der Erdoberfläche.

Nach Codierung der transformierten Daten werden diese gespeichert bzw. übertragen und decodiert. Mit Hilfe der inversen Transformation T^-1 werden die SAR-Rohdaten verlustfrei rekonstruiert. Die wiedergewonnenen SAR-Roh daten können auf einen konventionellen SAR-Prozessor zur Bildberechnung gegeben werden.

Eingesetzt in einem SAR-System an Bord eines Satelliten kann das vorge stellte Verfahren Kanalkapazität, bei der Übertragung oder an Bord eines Flugzeugs Speicherkapazität bei der Speicherung einsparen.

Die Erfindung wird anhand von Beispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Gesamtsystem zur Verarbeitung von SAR-Rohdaten gemäß der Erfindung,

Fig. 2 das verwendete SAR-Koordinatensystem,

Fig. 3 einzelne Stufen der Transformation T,

Fig. 4 eine konkrete Ausführung der Transformation T,

Fig. 1 zeigt das Gesamtsystem zur Verarbeitung von SAR-Rohdaten. Die in der SAR-Antenne empfangenen reellen SAR-Rohdaten werden vorab in einem HF-Empfänger (hier nicht dargestellt) demoduliert. Als Ergebnis der Demodulation entstehen komplexe SAR-Rohdaten, die als Eingangssignal der Transformation T dienen. Durch Anwendung der Transformation T werden korrelierte Daten erzeugt, die anschließend mit Hilfe an sich bekannter Bild codierungsverfahren in einem Coder codiert werden. Die so codierten Daten können übertragen werden (z. B. von einem Satelliten zur Bodenstation) oder auf einem Speicher abgespeichert werden (z. B. in einem flugzeuggetragenen SAR-System). Zur Rückgewinnung der SAR-Daten werden die Daten in einem Decoder decodiert und unter Anwendung der inversen Transformation T^-1 verlustfrei rekonstruiert.

In Fig. 2 ist die typische SAR-Geometrie im Fall eines flugzeuggetragenen SAR-Systems dargestellt. Die am Flugzeug befestigte Antenne bewegt sich mit der Flugzeuggeschwindigkeit v_A in die x-Richtung (Azimut). Die Entfernung zu den Objekten auf der Erdoberfläche ist mit z gekennzeichnet (slant range).

Die kürzeste Entfernung zwischen dem SAR-Sensor und der Erdoberfläche ist die sogenannte near range z₀. Die komplexen SAR-Rohdaten s(x, z, t) lassen sich wie folgt beschreiben

s(x, 0, t) = I + jQ (1)

mit

wobei I (in-phase) und Q (quadrature) die sogenannten Quadraturkomponen ten des Signals s(x, z, t) sind, t die Phasenlaufzeit ist und z = 0 den Ort der Ab tastung im SAR-Sensor kennzeichnet.

Die Transformation T wird in zwei Stufen T_R und T_A realisiert, wie in Fig. 3 dargestellt. Die technische Durchführung der Transformationsschritte T_R und T_A ist im Fig. 4 veranschaulicht.

Die erste Stufe der Transformation T, die sogenannte Range-Transformation T_R besteht im wesentlichen aus einer modifizierten Pulskompression. Um die Umkehrbarkeit zu gewährleisten, wird zur Range-Transformation T_R ein mo difiziertes Pulsspektrum P_M(ω) verwendet. Das modifizierte Pulsspektrum P_M(ω) unterscheidet sich vom wahren Pulsspektrum P(ω) darin, daß außer halb der Grenzfrequenz ω_g des wahren Pulsspektrums der Betrag des modifi zierten Pulsspektrums konstant gehalten wird gemäß

Die Grenzfrequenz ω_g liegt in der Größenordnung der halben Bandbreite des im SAR-System verwendeten Pulses.

Die Phase des modifizierten Pulsspektrums ist gleich der Phase des wahren Pulsspektrums

∡P_M(ω) = ∡P(ω) (4)

Durch |P_M(ω)| = C werden mögliche Störeinflüsse vermieden, die dadurch verursacht werden, daß in der Transformation T_R mit sehr kleinen Zahlenwer ten multipliziert und in T_R ^-1 durch die gleichen, kleinen Zahlenwerte dividiert wird.

Die Range-Transformation T_R liefert das Signal d(x, 0, t).

Dabei bedeutet * konjugiert komplex.

Fig. 4(a) zeigt die technische Ausführung der Gl. 5. T_R wird nach einer ein dimensionalen Fourier-Transformation in t-Richtung als Multiplikation mit P_M ^*(ω) im Frequenzbereich ausgeführt. Die Fourier-Rücktransformation liefert die gesuchten range-transformierten Daten d(x, 0, t).

Die anschließende Azimut-Transformation T_A der SAR-Rohdaten wird abge leitet aus einer in [1] als neues Fokussierungsverfahren für SAR-Rohdaten eingeführten Technik. Die Transformation T_A besteht aus zwei Allpaßfilterun gen. Die Allpaßfilterungen werden im Frequenzbereich ausgeführt. Dazu werden noch zwei eindimensionale Fourier-Transformationen sowie eine zweidimensionale Fourier-Rücktransformation benötigt, siehe Fig. 4(b).

Nach der Fourier-Transformation der range-transformierten Daten d(x, 0, t) in x-Richtung

liefert der erste Allpaß H₁ mit der Übertragungsfunktion

das Signal

D'(k_x, 0, t) = D(k_x, 0, t) . H₁(k_x, t). (8)

Nach Anwendung einer zweiten Fourier-Transformation in t-Richtung auf das Ergebnis D' (k_x, 0, t) gemäß

liefert der zweite Allpaß H₂ mit der Übertragungsfunktion

das Signal

D'(k_x, k_z, -t₀) = D' (k_x, 0, ω)H₂(k_x, k_z). (11)

Bei der Gl. 10 handelt es sich um das exakte Ergebnis für beliebige Schiel winkel der SAR-Antenne. Insbesondere für die Simulationen des erfindungs gemäßen Verfahrens am Rechner sind die folgenden Näherungen im Fall kleiner Schielwinkel sinnvoll:

Die zweidimensionale Fourier-Rücktransformation

ergibt die gewünschten korrelierten transformierten Daten. Sie entsprechen in etwa der Reflektivitätsverteilung der Erdoberfläche zum Zeitpunkt der Refle xion -t₀.

Zur Rückgewinnung der Rohdaten wird zunächst die inverse Transformation T_A ^-1 ausgeführt. Da der Betrag von H₁ (k_x, k_z) und H₂ (k_x, t) in der Gl. 8 und 10 für alle Frequenzanteile konstant Eins ist, besteht die inverse Transforma tion T_A ^-1 aus Multiplikationen der transformierten Daten mit den gleichen Ex potentialtermen nur mit umkehrten Vorzeichen des Exponenten. Die inverse Transformation T_R ^-1 läßt sich als Umkehrung von Gl. 5 in der Form schreiben

Mit der beschriebenen Transformation T ist ein numerisch stabiles Verhalten der Transformationen T_R, T_A sowie deren Inversen gewährleistet. Messun gen des Signal-zu-Rausch-Abstandes ergeben, daß die Transformation eine exakte Rekonstruktion der SAR-Rohdaten erlaubt, falls keine Quantisierung der transformierten Daten vorgenommen werden. Im Anschluß an die Trans formation T wird eine datenreduzierende Codierung auf die transformierten Daten angewendet.

Mit der Realisierung der umkehrbaren Transformation T wurde ein Werkzeug bereitgestellt, das eine effiziente, datenreduzierende Codierung möglich macht. Ein wichtiger Vorteil dieses Verfahrens ist, daß die Codierung nunmehr an korrelierten transformierten Daten vorgenommen werden kann. Die Mes sungen der Entropie des Real- und Imaginärteils von d(x, z, t = -t₀) lassen er kennen, daß ohne Ausnutzung der Korrelation eine verlustlose Datenreduk tion mit dem Kompressionsfaktor von ca. 2 realisiert werden kann.

Anstelle der Entropiecodierung können nunmehr aber auch andere bekannte verlustlose Verfahren der Bildcodierung, die zusätzlich die Korrelation zur Datenreduktion ausnutzen, eingesetzt werden. Als Beispiel können dabei ge nannt werden:

1. Transformationscodierung wie die Diskrete Cosinus-Transformation (DCT) mit anschließender Entropiecodierung der Transformations koeffizienten
2. Teilbandcodierung mit anschließender Entropiecodierung.
3. Werden verlustbehaftete Verfahren der Bildcodierung zugelassen, kann anstelle oder in Kombination mit den oben genannten Verfahren auch eine Vektorquantisierung verwendet werden.

Das System zur Codierung von SAR-Rohdaten gemäß Fig. 4 kann mit inte grierten programmierbaren Signalprozessoren realisiert werden. Für die Reali sierung der Transformation T müssen die beschriebenen Algorithmen in Soft ware implementiert werden. Für die sich anschließende Codierung und De codierung können handelsübliche integrierte Schaltungen zur Bildcodierung verwendet werden. Doch sollten diese den statistischen Eigenschaften der transformierten SAR-Rohdaten angepaßt werden.

Literatur

[1] C. Cafforio, C. Prati und F. Rocca: SAR data focusing using seismic migration techniques. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Bd. 27, S. 194-206, März 1991.
[2] J. C. Curlander und R. N. McDonough: Synthetic Aperture Radar. John Wiley & Sons, INC. 1991.
[3] J. M. Moureaux et al.: Vector quantization of raw SAR data. In Proceedings of the International Conference on Acoustics, Speech & Signal Processing, Bd. V, S. 189-192. IEEE,. 1994.

Claims

1. Verfahren zur datenreduzierenden Codierung von SAR-Rohdaten, da durch gekennzeichnet, daß die Codierung auf der Basis korrelierter Daten erfolgt, die aus den SAR-Rohdaten mittels einer umkehrbaren Transformation (T) erzeugt werden, wobei die Transformation (T) eine Range-Transformation (T_R) mit anschließender Azimut-Transformation (T_A) umfaßt, und
die Range-Transformation (T_R) eine modifizierte Pulskompression gemäß
umfaßt, wobei P_M(ω) das wahre Pulsspektrum und ω_g eine geeignet ge wählte Grenzfrequenz ist, und
die Azimut-Transformation (T_A) zwei Allpaßfilterungen mit den Übertra gungsfunktionen
umfaßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Allpaßfilterung der Azimut-Transformation (T_A) alternativ folgende Über tragungsfunktion aufweist:

3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die auf der Basis der korrelierten Daten erfolgende Codierung eine Entropiecodierung ist.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Basis der korrelierten Daten erfolgen de Codierung eine Transformationscodierung mit anschließender Entro piecodierung der Transformationskoeffizienten ist.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Basis der korrelierten Daten erfolgen de Codierung eine Teilbandcodierung mit anschließender Entropiecodie rung ist.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Basis der korrelierten Daten erfolgen de Codierung verlustbehaftet ist und eine Vektorquantisierung ein schließt.