DE19902007A1 - Verfahren zur interferometrischen Radarmessung - Google Patents
Verfahren zur interferometrischen RadarmessungInfo
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Abstract
Bei einem Verfahren zur interferometrischen Radarmessung bei einem nach dem ROSAR-Prinzip arbeitenden Hubschrauber (Heli-Radar) wird vorgeschlagen, daß zu einem der auf dem rotierenden Drehkreuz angeordneten Sender des ROSAR-Systems zwei kohärente Empfangsantennen mit Empfangskanälen zugeordnet werden und der Wegunterschied (DELTAR) der beiden Abstände R + DELTAR, R) zum gemessenen Aufpunkt P in an sich bekannter Weise aus der Wellenlänge lambda des gesendeten Radarsignals und des gemessenen Phasenunterschiedes des Empfangsechos der beiden Empfangskanäle berechnet werden.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur interferometrischen
Radarmessung gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.
Konstruktionsbedingt sind Radargeräte präzise Entfernungsmeßgeräte, was
besagt, daß ein Radargerät ohne besondere Vorkehrungen lediglich den
Abstand eines Ziels von der Antenne nicht jedoch dessen Richtung
bestimmen kann. Man kann nur feststellen, ob sich ein Ziel innerhalb der
Antennenkeule befindet oder nicht.
Dieses Problem wird beim bisher bekannten ROSAR- beziehungsweise Heli-
Radar weitgehend behoben, indem z. B. 16 in der Höhe gestaffelte Antennnen
mit einem Antennenöffnungswinkel von beispielsweise 2,5° verwendet
werden. Hiermit kann man den Ort eines erhöhten Hindernisses etc. innerhalb
einer Genauigkeit von ca. 2,5° in der Elevation bestimmen. Allerdings werden
auch hier gleichweit entfernte Ziele in der gleichen Antenne im gleichen
Bildpunkt dargestellt.
Die azimutale Auflösung des bekannten Heli-Radars beträgt aufgrund einer
besonderen Signalverarbeitung ca. 0,2°. Hierzu wird auf die Offenbarung in
DE 39 22 086 C1 verwiesen. Die Richtung eines Hindernisses und damit den
Ort im Raum, an dem dieses sich befindet, kann man jedoch erst mit Hilfe
einer Triangulation bestimmen, wobei im einfachsten Fall hierzu zwei örtlich
getrennte Radargeräte eingesetzt sein können.
Man kann sich jedoch auch die Eigenschaften eines kohärenten Radargerätes
zu Nutze machen und mit Hilfe der Phase des Sendesignals eine Art
Triangulation vornehmen. Zu diesem Zweck benutzt man ein kohärentes
Radargerät, welches ein Signal über eine Sendeantenne kohärent abstrahlt
und die zurückgestreuten Echos über zwei örtlich getrennte
Empfangsantennen wieder kohärent empfängt. Eine kohärente Auswertung
erlaubt die Berechnung der Phasendifferenz zwischen beiden
Empfangssignalen. Aus der Phasendifferenz wird die Richtung bestimmt aus
der die gestreuten Echos empfangen worden sind. Hat man nun Entfernung
und Richtung eines "Hindernisses" berechnet, so läßt sich auch dessen Ort im
Raum bestimmen. Diese Art der dreidimensionalen Ortsbestimmung mit Hilfe
eines kohärenten Radargerätes mit einer Sende- und zwei Empfangsantennen
wird allgemein "Radarinterferometrie" genannt und ist seit langem bekannt.
Sie wird bereits für die Erstellung topographischer Karten mit Hilfe von SAR-
Systemen auf Flugzeugen verwendet, beispielsweise durch das DOSAR der
Fa. Dornier GmbH.
Zum weiteren Stand der Technik hierzu sei auf folgende Druckschriften
verwiesen:
- a) C. T. Allan, Review Article, Interferometric Synthetic Apertur Radar, in IEEE Geoscience and Remote Sensing Society Newes Letter, Sept. 1995, p. 6 ff.
- b) S. Buckreuß, J. Moreira, H. Rinkel and G. Waller, - Advanced SAR Interferometry Study, DLR Mitteilung 94 - 10, Juni 1994, DLR, Institut für Hochfrequenztechnik, Oberpfaffenhofen.
Der gesamte bisherige und vorstehend aufgeführte Stand der Technik
einschließlich des hier zugrundeliegenden ROSAR-Prinzips projiziert
Geländeerhöhungen oder sonstige erhöhten Hindernisse in einer Ebene, so
daß bei Unkenntnis der vorliegenden abgebildeten Topographie des Geländes
die Höhe des jeweiligen Hindernisses nicht zu erkennen ist. Zur Flugführung
aber ist ein dreidimensionales Bild erforderlich.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf der Basis des
ROSAR-Prinzips Maßnahmen aufzuzeigen, die eine quasi-dreidimensionale
Radar-Bilddarstellung von Gelände- und sonstigen Hindernissen ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 vorgeschlagenen Maßnahmen
in überraschend einfacher Weise gelöst. In den Unteransprüchen sind
Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der Beschreibung ist
ein Ausführungsbeispiel erläutert, das in der Fig. 1 skizziert ist. Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel bezüglich der typischen Geometrie für ein
interferometrisches ROSAR in schematischer Darstellung,
Fig. 2 ein Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1,
Fig. 3 ein Schaubild des Standes der Technik bezüglich des ROSAR-
Prinzips.
Der allgemeine Erfindungsgedanke sieht vor, bei einem nach dem ROSAR-
System arbeitenden Hubschrauber eine quasi-dreidimensionale
Radarbilddarstellung zur Flugführung dadurch zu erhalten, daß einem auf
dem rotierenden Drehkreuz angeordneten Sender zwei kohärente
Empfangsantennen mit Empfangskanälen zugeordnet werden.
Das bisherige ROSAR-System weist zum Erhalt eines dreidimensionalen Bild
beispielsweise 16 Sender und Empfänger mit ihren Kanälen auf. Diese weisen
jedoch eine Richtungsungenauigkeit von ca. 2,5° auf. Wird nun dieses
ROSAR-System - wie vorstehend erwähnt - um einen hochgenauen
kohärenten Empfangskanal erweitert, so sind für den Erhalt des hochgenauen
dreidimensionalen Radarbildes nur mehr ein Sender und zwei kohärente
Empfänger statt der bisher beispielsweise sechzehn Sender und Empfänger
erforderlich. Durch das interferometrische Prinzip wird die bisherige
Richtungsungenauigkeit um den Faktor ca. 100 verbessert.
Nachstehende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels - in Fig. 1 skizziert -
soll dies näher erläutern:
Ein nach dem ROSAR-Prinzip funktionierender Hubschrauber fliegt in einer Höhe H über der Erdoberfläche. Am Ende des rotierenden Antennenkreuzes sind eine Sende- und zwei Empfangsantennen mit zugehöriger kohärenter Sende- und Empfangselektronik angebracht. Die empfangenen Echos werden verstärkt, digitalisiert und weiterverarbeitet.
Ein nach dem ROSAR-Prinzip funktionierender Hubschrauber fliegt in einer Höhe H über der Erdoberfläche. Am Ende des rotierenden Antennenkreuzes sind eine Sende- und zwei Empfangsantennen mit zugehöriger kohärenter Sende- und Empfangselektronik angebracht. Die empfangenen Echos werden verstärkt, digitalisiert und weiterverarbeitet.
Die Distanz zwischen dieser vorstehend beschriebenen Anordnung, die
nachfolgend INROSAR-System genannt wird, und dem Aufpunkt P, der sich
in einer relativen Höhe h befindet, wird R genannt. Der Abstand zwischen der
Antenne A1 des INROSAR's zum Aufpunkt P beträgt R + ΔR und ist somit
um einen geringen Betrag ΔR größer als der Abstand R zur Antenne A2. Der
Wegunterschied ΔR der beiden Abstände kann aus der bekannten
Wellenlänge λ des gesendeten Radarsignals und des gemessenen
Phasenunterschiedes Δϕ des Empfangsechos der beiden kohärenten
Empfangskanäle berechnet werden.
Dieser Phasenunterschied Δϕ der Empfangsechos wiederum wird aus den
Bildern berechnet, die durch Prozessierung der Empfangsechos entstanden
sind. Jedes der beiden Bilder liegt in komplexer, digitaler Form vor, d. h. es
besitzt Real- und Imaginärteil - oder äquivalent: Amplitude und Phase.
Der Phasenunterschied Δϕ ergibt sich nun bis auf ein Vielfaches von π
(modulo π) durch komplexe Multiplikation der Bildpunkte des einen Bildes
mit den konjugiert komplexen Bildpunkten des anderen Bildes und
anschließender Bildung des arctan des jeweiligen Real- und Imaginärteils.
Damit erhält man den Phasenunterschied Δϕ und durch Einsetzen von Δϕ in
(Gl. 1) dann ΔR.
Die Phasenzentren der beiden Empfangsantennen A1 und A2 sind um die
Länge B, der sogenannten Basislinie, entfernt. Aus dem Cosinussatz und
einigen einfachen Winkelbeziehungen ergibt sich:
Nachdem in Gleichung (2) der Sichtwinkel θ berechnet worden ist, kann jetzt
die relative Höhe h bestimmt werden:
h = H - R.cos(θ) (3)
Zur Darstellung der Bildpunkte auf dem Graphik-Bildschirm wird bei dem
INROSAR die Höhe h eigentlich nicht benötigt, sondern es wird lediglich der
Sichtwinkel θ für die Berechnung der Koordinaten eines Aufpunktes P auf
dem Graphik-Bildschirm verwendet. Unerheblich ist auch die Kenntnis des
Neigungswinkels der Antenne, da die Darstellung auf dem Bildschirm
lediglich eine relative Darstellung der Bildpunkte in Bezug auf die Senkrechte
zur Basislinie B der beiden Antennen A1 und A2 ist. Zwar ist die
Bilddarstellung abhängig von der Lage des Hubschraubers - beispielsweise
durch das Nicken - jedoch stehen die Antennen des INROSAR-Sytems und
die Bildmitte immer in einer festen Beziehung zueinander. Die Höhe h und
der Neigungswinkel α der Antennen werden nur benötigt, wenn mit Hilfe
dieses INROSAR's eine topographische Karte mit einer absoluten Höhe H der
überflogenen Gegend erstellt werden soll. Diese vorstehenden Formeln sind
auch für eine Fehlerbetrachtung nützlich, wie nachstehend erläutert wird.
Die für INROSAR relevanten Fehler sind das Phasenrauschen δϕ und die
Veränderung der Basislinie B zwischen den Phasenzentren der Antennen A1
und A2. Das Phasenrauschen setzt sich aus einer Summe von Anteilen
verschiedener Komponenten zusammen. Die größten Beiträge liefern der
Sender, die Empfänger, der Systemtaktgeber und das A/D-Wandlerrauschen.
Eine typische Größenordnung für das gesamte Phasenrauschen δϕ eines
INROSAR-Systems beträgt ca. 5°. Die Veränderung der Basislinie zwischen
den Phasenzentren der Antennen A1 und A2 kann z. B. durch Erwärmung
durch Sonneneinstrahlung entstehen. Als typischer Wert wird 0,001 m
angenommen. Die verschiedenen Einflüsse ergeben eine Streuung δh der
Höhe des Aufpunktes P und damit eine Streuung des Blickwinkels δθ.
Damit ergibt sich eine Streuung des Blickwinkels δθ wie folgt:
In einem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 fliegt der Hubschrauber in der
Normallage. Dies bedeutet, daß die Antennen A1 und A2 senkrecht
übereinander positioniert sind. Aus der Gleichung (1) wird ΔR bestimmt. Der
Wert der gemessenen Phasendifferenz Δϕ der Echos aus den Antennen A1,
A2 ist mehrdeutig und kann nur bis auf einen Wert zwischen 0 und 2π
bestimmt werden. Diese Mehrdeutigkeit von 2π muß durch Zusatzmessungen
bestimmt werden. Hierzu eignet sich ein zur INROSAR-Konzeption
zusätzlicher Sender/Empfänger mit in Elevation scharfbündelnder Sende-/Empfangs
antenne, die den untersten Blickwinkelbereich abdecken. Aufgrund
ihrer scharfen Bündelung in Elevation kann aus den Empfangsechos die
Entfernung zum Aufpunkt am Boden eindeutig bestimmt werden. Das
INROSAR-System nimmt diese Entfernung als Grundwert und berechnet die
weiteren Mehrdeutigkeiten aufgrund der steigenden Entfernung aus den
stetigen Phasenübergängen. Ein Berechnungsbeispiel gibt die näheren
Erläuterungen:
Ausgegangen wird von der Gegebenheit, daß der Hubschrauber in der Normallage fliegt. Dies bedeutet, daß die Antennen A1 und A2 senkrecht übereinander angeordnet sind:
Als Parameter gelten:
Ausgegangen wird von der Gegebenheit, daß der Hubschrauber in der Normallage fliegt. Dies bedeutet, daß die Antennen A1 und A2 senkrecht übereinander angeordnet sind:
Als Parameter gelten:
Aus der Gleichung (2) folgt:
Aus den Gleichungen (4) und (5) folgt für die Streuung δh der Höhe h des
Aufpunktes P:
Damit ergibt sich eine Streuung des Blickwinkels δθ wie folgt:
Wegen Phasenrauschen δϕ = 5°:
Wegen Phasenrauschen δϕ = 5°:
und wegen Fehler der Länge der Basislinie B um δB = 0,001 m
In Fig. 2 ist ein Blockschaltbild des in Fig. 1 veranschaulichten
Ausführungsbeispiels gebracht, das mit den für das vorgeschlagene
Interferometrische Radarverfahren erforderlichen Bausteinen ausgerüstet ist
und für den Fachmann keiner weiteren Erläuterungen mehr bedarf.
Claims (3)
1. Verfahren zur interferometrischen Radarmessung bei einem nach dem
ROSAR-Prinzip arbeitenden Hubschrauber (Heli-Radar), dadurch
gekennzeichnet, daß zu einem der auf dem rotierenden Drehkreuz
angeordneten Sender des ROSAR-Systems zwei kohärente
Empfangsantennen mit Empfangskanälen zugeordnet werden und der
Wegunterschied (ΔR) der beiden Abstände (R + ΔR, R) zum gemessenen
Aufpunkt P in an sich bekannter Weise aus der Wellenlänge λ des
gesendeten Radarsignals und des gemessenen Phasenunterschiedes des
Empfangsechos der beiden kohärenten Empfangskanäle berechnet
werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Darstellung der Bildpunkte auf dem im ROSAR-System integrierten
Graphik-Bildschirm der Sichtwinkel (θ) für die Berechnung der
Koordinaten des jeweiligen Aufpunktes (P, Q) herangezogen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Antennen (A1, A2) und die Bildmitte des Graphik-Bildschirmes
zueinander in fester Beziehung stehen.
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