DE3430749C2

DE3430749C2 -

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Publication number: DE3430749C2
Application number: DE19843430749
Authority: DE
Inventors: Hans Martin Dr. 7777 Salem De Braun; Wolfgang 7990 Friedrichshafen De Gieraths
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-08-21
Filing date: 1984-08-21
Publication date: 1988-02-04
Also published as: DE3430749A1

Description

introduction

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Streifenverbreiterung und Datenreduktion bei einem Aufklärungsradar mit synthetischer Apertur (SAR) für Punktziele gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention is based on a method for strip widening and data reduction a reconnaissance radar with synthetic aperture (SAR) for point targets according to the preamble of claim 1.

Satellitengetragene Aufklärungs- oder Frühwarnsysteme der kommenden Generation werden in bestimmten Anwendungsfällen neben anderen Sensoren ein Radar mit synthetischer Apertur (Synthetic Aperture Radar) SAR tragen. Die grundsätzlichen technischen Eigenschaften von SAR-Sensoren sind bereits aus dem zivilen Bereich der Erderkundung (SEASAT-A) und die technischen Engpässe von in der Entwicklung (ERS-1) und Planung befindlichen, fortgeschrittenen Systemen der zivilen Nachfolgegeneration bekannt. Dieser allgemeine Stand der Technik wird außerdem repräsentiert durch den Entwicklungsstand der SAR-Datenverarbeitung (siehe z. B. GEC Journal of Research, Vol. 2, No. 3, 1984, S. 169-177) und der SAR-Systemanalyse (siehe z. B. IEEE Trans. on Aerospace and Electronic Systems, Vol. AES-19, No. 3, May 1983, S. 389-397).Satellite-based reconnaissance or early warning systems from next generation will be in certain use cases among other sensors, a radar with a synthetic aperture (Synthetic Aperture Radar) Wear SAR. The basic ones technical characteristics of SAR sensors are already from the civil field of earth exploration (SEASAT-A) and the technical bottlenecks in development (ERS-1) and planning, advanced systems of the civilian successor generation known. This general State of the art is also represented by the State of development of SAR data processing (see e.g. GEC Journal of Research, Vol. 2, No. 3, 1984, pp. 169-177) and SAR system analysis (see e.g. IEEE Trans. on Aerospace and Electronic Systems, Vol. AES-19, No. 3, May 1983, Pp. 389-397).

Weiterzuentwickelnde Systeme zielen in ihren technischen Merkmalen u. a. aufgrund der bahnmechanischen Einschränkungen der Trägerplattform (Bedeckung, Wiederholrate) auf eine substantielle Erweiterung der Streifenbreite ab. Das technisch nächstliegende Mittel zu diesem Zweck ist die Verwendung einer in Flugrichtung langen Antenne, die jedoch die Azimutauflösung auf Werte begrenzt, die für hochauflösende Systeme nicht ausreicht. Prinzipien zur Erweiterung des Abbildungsstreifens unter Umgehung der Auflösungsbegrenzung und Echo-Mehrdeutigkeiten durch Anwendung mehrerer kurzer Antennen und mehrerer geschachtelter Pulswiederholfrequenzen erfordern einen erheblichen technischen Aufwand und demzufolge entsprechende Mehrkosten.Systems to be further developed aim in their technical Features u. a. due to the railway mechanical restrictions the carrier platform (coverage, repetition rate) to one substantial expansion of the stripe width. The the technically closest means for this purpose is Use of a long antenna in the direction of flight, however the azimuth resolution is limited to values for high-resolution Systems are not sufficient. Extension principles the image strip bypassing the resolution limit and echo ambiguities through application several short antennas and several nested pulse repetition frequencies require a significant technical Effort and consequently corresponding additional costs.

Eine (z. B.) Verdopplung der Streifenbreite führt in erster Näherung auch zu einer Verdopplung der ohnehin schon hohen zum Boden oder zu einem Relais-Satelliten zu übertragenden Datenraten. Die Aktualität der zu übertragenden Information spielt bei zivilen Systemen eine nachgeordnete Rolle. Bei militärischen Systemen zur Überwachung einer geographisch abgegrenzten Region spielen die Aktualität der Information, die im Wiederholzyklus des Einzelsensors erfaßbare Streifenbreite und die Kosten einer durch die Komplexität des Einzelsensors oder ggf. durch Anwendung eines Mehrsatellitensystems herbeigeführten Verbreiterung des Streifens eine exorbitante Rolle.A (e.g.) doubling of the stripe width leads to first approximation also to a doubling of the anyway already high to the ground or to a relay satellite data rates to be transmitted. The timeliness of the data to be transferred Information plays a role in civilian systems subordinate role. In military systems for Play surveillance of a geographically defined region the timeliness of the information in the repetition cycle strip width of the individual sensor and the Cost one due to the complexity of the individual sensor or if necessary by using a multi-satellite system brought about widening of the strip an exorbitant Role.

Zugleich wachsen die sowohl durch die erhöhte Auflösung als auch durch die Streifenverbreiterung bedingten Datenraten weit über die Kapazität bekannter Telemetrie- Übertragungsstrecken hinaus. Während bei zivilen Projekten bislang Datenraten von etwa 100 MB/s bei einer Streifenbreite von etwa 100 km und einer Auflösung von 25 m akzeptiert werden, sind für militärische Systeme mit einer Streifenbreite von z. B. 360 km mit einer Auflösung von eta 2,5 m Datenraten von etwa 2,2 Gigabit/sec zu erwarten.At the same time, they both grow due to the increased resolution as well as data rates due to the broadening of the stripes far beyond the capacity of known telemetry Transmission lines out. While in civil projects data rates of around 100 MB / s at one Strip width of about 100 km and a resolution of 25 m accepted are for military systems with a strip width of z. B. 360 km with a resolution of about 2.5 m data rates of about 2.2 gigabits / sec expected.

Die Übertragung von Datenraten dieser Größenordnung, ohne Reduktion an Bord des Satelliten zu insbesondere kleineren beweglichen Empfangs/Führungs Einheiten (NATO E3A, mobile Empfangsstationen am Boden) wäre ein nur schwer zu lösendes technisches Problem.The transmission of data rates of this magnitude, without reduction on board the satellite too in particular smaller mobile reception / guidance units (NATO E3A, mobile receiving stations on the ground) would be one only difficult technical problem to solve.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine substantielle Reduktion der Rohdaten an Bord eines Einzelsensors mit hoher Auflösung bei gleichzeitiger großer Streifenbreite unter den speziellen Randbedingungen eines militärischen, satellitengetragenen SAR-Aufklärungs- und Frühwarnsystems. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens folgen aus den Unteransprüchen. The object of the present invention is a substantial one Reduction of raw data on board a single sensor high resolution with a large stripe width under the special conditions of a military, satellite-based SAR reconnaissance and early warning system. This task is carried out with the characteristics of characterizing part of claim 1 solved. Beneficial Further developments of the method follow from the subclaims.

Description of the principle of data reduction

Abbildende/kartographierende SAR-Systeme wenden zur Wiedergabe von Vegetation und der geologischen Infrastruktur eine hohe, clutter-reproduzierende radiometrische Auflösung und in entsprechendem Maße einen hohen Aufwand zur Unterdrückung von Zielmehrdeutigkeiten (Ambiguities) an.Imaging / mapping SAR systems turn to Reproduction of vegetation and geological infrastructure a high, clutter-reproducing radiometric Resolution and a correspondingly high Effort to suppress ambiguities at.

Verzichtet man auf eine hohe radiometrische Auflösung, insbesondere durch Aufgabe des unteren Teils des Dynamikbereiches durch (z. B.) Anwendung kompressiver Verstärker, so kann auch der Mehrdeutigkeitsabstand für harte Punktziele, die hier im Vordergrund der Aufklärung stehen, reduziert werden.If you don’t have a high radiometric resolution, especially by abandoning the lower part of the dynamic range by (e.g.) using compressive amplifiers, the ambiguity distance for hard point goals that are here in the foreground of the enlightenment stand, be reduced.

Akzeptiert man weiterhin für die hier beabsichtigte Aufklärung die durch die Pulswiederholfrequenz (Empfangssignalaustastung während des Sendens) bedingten schmalen "weißen" Streifen (Diese Streifen sind entweder nicht einsehbar, durch die Maßnahme hoher Sende/Empfangs-Übersprechdämpfung in der Empfindlichkeit reduziert oder durch Schrägstellen der Antennenkeule in Azimut und den dazugehörigen Aufwand im Bodenprozessor (unsym. Dopplerhistorie und Zielwanderung) in der Azimutauflösung leicht degradiert.) im abzubildenden Gesamtstreifen, so ergeben sich für einen gewissen Bereich der Betriebsfrequenz und der geometrischen Azimutauflösung Bedingungen, die das im folgenden zu begründende Prinzip der Rohdaten-Reduktion/Streifenverbreiterung anzuwenden gestatten. Dieses Prinzip, sein Gültigkeitsbereich und die damit erreichbare Datenreduktion/Streifenbreite seien an den Ergebnissen eines rechnergestützten Systementwurfs als Ausführungsbeispiel erläutert.If you continue to accept for the one intended here Clarification by the pulse repetition frequency (received signal blanking during transmission) conditional narrow "white" stripes (These stripes are not visible through either the measure of high transmission / reception crosstalk attenuation reduced in sensitivity or by Inclinations of the antenna beam in azimuth and associated effort in the floor processor (unsym. Doppler history and target migration) in azimuth resolution slightly degraded.) in the overall strip to be reproduced, see above arise for a certain range of operating frequency and the geometric azimuth resolution conditions, the principle to be justified below raw data reduction / streak broadening allow. This principle, its scope and the data reduction / stripe width that can be achieved with it are the results of a computer-aided system design explained as an embodiment.

Es zeigtIt shows

Fig. 1 Blockdiagramm des Ausführungsbeispiels Fig. 1 block diagram of the embodiment

Fig. 2 Blockdiagramm der Bewegtzielanalyse Fig. 2 block diagram of the moving target analysis

Fig. 3 Entfernungsgeometrie Fig. 3 distance geometry

Fig. 4 Azimutgeometrie Fig. 4 Azimuth geometry

Fig. 5 Dopplerhistorien Fig. 5 Doppler histories

Fig. 6 Radarecho-Zeitverlauf Fig. 6 radar echo time course

Ein auf einer sonnensynchronen Bahn von 465 km Höhe umlaufendes SAR mit einer Antennenlänge (parallel zum Flugvektor) von 5 m hat eine geometrische Azimutauflösung von 2,8 m und arbeitet mit einer Betriebsfrequenz von 1 GHz und einer auf die 3-dB-Azimut-Keulenbreite und die Bahngeschwindigkeit angepaßten Pulswiederholfrequenz von 3,42 KHz.One on a sun-synchronized orbit of 465 km altitude orbiting SAR with an antenna length (parallel to the Flight vector) of 5 m has a geometric azimuth resolution of 2.8 m and works with an operating frequency from 1 GHz and one to the 3 dB azimuth lobe width and the pulse repetition rate adapted to the path speed of 3.42 KHz.

Die vertikale Halbwertsbreite der Antenne ist auf die Erfassung des Nadir-Winkelbereiches von 27 bis 51 Grad angepaßt. Somit erfaßt das System anstelle eines einzelnen, nicht-mehrdeutigen Echobereiches sechs miteinander mehrdeutige Teilstreifen mit den Pulsindizes (rank of ambiguity) 12 bis 17 und am Boden einen Gesamtstreifen von 246 km bis 612 km (gemessen im Abstand von der Subsatellitenspur SS) also eine Streifenbreite von WS = 366 km (siehe Fig. 3).The vertical half width of the antenna is adapted to the detection of the nadir angle range from 27 to 51 degrees. Thus, instead of a single, ambiguous echo area, the system detects six mutually ambiguous partial strips with the pulse indices (rank of ambiguity) 12 to 17 and on the ground a total strip of 246 km to 612 km (measured at a distance from the sub-satellite track SS ), i.e. a strip width from WS = 366 km (see Fig. 3).

Die Breiten der fünf "weißen" Zonen Z betragen in diesem Beispiel bei einem Sende-Puls/Pausen-Verhältnis von 7,5% 13,6 km bis 10,2 km zum Horizont hin abfallend und somit insgesamt 16% des abgebildeten Streifens. Bei kürzeren Sendepulsen sinkt dieser Anteil entsprechend.In this example, the widths of the five "white" zones Z are 13.6 km to 10.2 km falling towards the horizon with a transmission pulse / pause ratio of 7.5% and thus a total of 16% of the strip shown. With shorter transmission pulses, this proportion decreases accordingly.

Die 3-dB-Azimut-Spurlinie der durchdringung des Antennendiagramms mit der Erdoberfläche weitet sich zum Horizont hin auf. Dies ist in Fig. 4 dargestellt. The 3 dB azimuth trace line of penetration of the antenna pattern with the earth's surface widens towards the horizon. This is shown in FIG. 4.

Daher ergeben sich für die Teilstreifen 12 bis 17 bei einer für alle gemeinsamen Dopplerbandbreite von 2,75 KHz (Konstante Azimutauflösung) die folgenden unterschiedlichen Integrationszeiten und Doppler-Steigungen für Punktziele, die z. B. in der Mitte eines jeden Teilstreifens das Azimut-Diagramm durchlaufen:Therefore, the partial strips 12 to 17 result in one for all common Doppler bandwidths of 2.75 kHz The following different (constant azimuth resolution) Integration times and Doppler slopes for point targets z. B. in the middle of each strip go through the azimuth diagram:

Der Verlauf der Doppler-Historien ist im Zeit/Frequenz- Diagramm der Fig. 5 graphisch aufgetragen. Fig. 5 beschreibt somit auch die Verläufe der sechs Referenzfunktionen, die in einem Bild-Prozessor benötigt werden, um die Azimut-Kompression für Signale aus den Teilstreifen 12 bis 17 zu bewirken.The course of the Doppler histories is plotted in the time / frequency diagram in FIG. 5. Fig. 5 is thus also describes the profiles of the six reference functions that are required in an image processor, to cause the azimuth compression for signals from the partial strips 12 to 17.

Die Eigenschaften der Pulskompression brauchen an dieser Stelle nicht erörtert werden, da sie die hier betrachteten Zusammenhänge nicht negativ beeinflussen.The properties of pulse compression need this Do not be discussed as they are considered here Do not negatively influence relationships.

Das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip beruht nun darauf, daß die Echos aus den Teilstreifen zeitlich im Empfänger des SAR ineinanderfalten, und gemeinsam mit der geringen Datenrate, die nur einem der Echos entspricht, zum Boden übertragen werden. Dort werden die Einzelechos aufgrund ihrer unterschiedlichen Dopplerhistorien durch eine geeignete Datenverarbeitung mit unter bestimmten Bedingungen ausreichender Entkopplung getrennt. The principle underlying the invention is now based on the fact that the echoes from the partial strips in time Fold the receiver of the SAR together and together with the low data rate, which corresponds to only one of the echoes, be transferred to the ground. There the Single echoes due to their different Doppler histories through a suitable data processing with under certain conditions of adequate decoupling separately.

Die Trennbarkeit (η _m,n), oder der wechselseitige Mehrdeutigkeitsabstand in Dezibel wird überschlagsmäßig berechnet nach Gleichung (1) und ist in nachfolgender Matrix tabellarisch zusammengestellt.The separability ( η _{m, n} ), or the mutual ambiguity distance in decibels is roughly calculated according to equation (1) and is tabulated in the following matrix.

Worin:Wherein:

λ = Wellenlänge D _H = SAR Antennenlänge in Flugrichtung c = Lichtgeschwindigkeit v = Fluggeschwindigkeit n = Ordnungszahl des Nutzechos (Rank of Ambiguity) m = Ordnungszahl des jeweils zu unterdrückenden Echos λ = wavelength D _H = SAR antenna length in the direction of flight c = speed of light v = speed of flight n = ordinal number of the useful echo (Rank of Ambiguity) m = ordinal number of the echo to be suppressed

Ambiguity distance η _{m, n} between signals from the sub-strip in dB

Die für den beispielhaften Systementwurf ermittelten Mehrdeutigkeitsabstände ergeben durchweg solche Werte, daß für die ungünstigen Kombinationen ein Dynamikbereich von z. B. 20 dB mit einem noch verbleibenden Mehrdeutigkeitsabstand von 8,5 dB unter der Detektionsschwelle verarbeitet werden kann.Those determined for the exemplary system design Ambiguity distances consistently result in such values that a dynamic range for the unfavorable combinations from Z. B. 20 dB with a remaining ambiguity distance of 8.5 dB below the detection threshold can be processed.

Eine allgemeingültige Aussage über den parametrischen Bereich, in dem ähnliche Bedingungen herbeigeführt werden können, ergibt sich aus einer Analyse der Gleichung (1).A general statement about the parametric Area where similar conditions are created can result from an analysis of the equation (1).

Legt man für die Entkopplung (η) 10 dB als Störabstand für das kleinste zu verarbeitende Signal fest, so ergeben die Näherungsgleichung (2) und die damit errechneten Werte der nachfolgenden Tabelle für verschiedene Antennenlängen und Frequenzen ein Maß für die erreichbaren ungestörten Dynamikbereiche:If 10 dB is defined as the signal-to-noise ratio for the smallest signal to be processed for the decoupling ( η ), the approximation equation (2) and the values calculated in the following table for various antenna lengths and frequencies give a measure of the achievable undisturbed dynamic ranges:

Die Tabelle zeigt, daß die Kombination von kurzen Antennen (hohe Azimutauflösung) mit niedrigen Betriebsfrequenzen die höheren Dynamikbereiche ergibt. Niedrige Betriebsfrequenzen sind vorteilhaft zur Durchdringung von Belaubung und Radartarnung und für eine niedrige Sendeleistungsbilanz des SAR-Systems. The table shows that the combination of short antennas (high azimuth resolution) with low operating frequencies gives the higher dynamic ranges. Low Operating frequencies are advantageous for penetration of foliage and radar camouflage and for a low one Transmission power balance of the SAR system.

Der Signalverlauf im Sensor stellt sich im weiteren wie folgt dar:The signal curve in the sensor is how follows:

Die nach dem N + 12 bis N + 17-ten Sendeimpuls zum Empfänger des SAR zurückkehrenden sechs subsequenten Echos überlagern sich vom N + 17-ten Sendeimpuls ab im gleichen Pulswiederholintervall PRI, wie in Fig. 6 dargestellt.The six subsequent echoes returning to the receiver of the SAR after the N + 12 to N + 17 th transmission pulse overlap from the N + 17 th transmission pulse in the same pulse repetition interval PRI , as shown in FIG. 6.

Dieses Signalgemisch wird im Sensor am Quadratur-Detektor synchron ins Basisband abgemischt und darauf am I- und Q-Ausgang von zwei parallelen Analog/Digital-Konvertern (in diesem Beispiel) mit je 3 Bit (6-Bit-Quantisierung) digitalisiert. Die I- und Q-Datenströme können nun z. B. in QPSK-Modulation einen "Downlink"-Träger aufmoduliert werden.This signal mixture is mixed synchronously into the baseband in the sensor on the quadrature detector and then digitized at the I and Q outputs by two parallel analog / digital converters (in this example), each with 3 bits (6-bit quantization). The I and Q data streams can now e.g. B. in QPSK modulation a "downlink" carrier can be modulated.

Eine Schrägentfernungsauflösung von 2,8 m, angepaßt an die gewählte Azimut-Auflösung, erfordert eine Bandbreite von 63 MHz und ergibt mit der angegebenen Quantisierung nach Formatierung des Datenstromes einer I + Q-Datenrate von 185 MB/s.An oblique distance resolution of 2.8 m, adapted to the selected azimuth resolution, requires a bandwidth of 63 MHz and, with the specified quantization, results in an I + Q data rate of 185 MB / s after formatting the data stream.

Bei der Anwendung des der Erfindung zugrundeliegenden Prinzips ist zu beachten, daß sich bei gleichbleibender Bandbreite der zu berücksichtigende Dynamikbereich mit der Anzahl der zu überlagernden Echos (N) erhöht. Um die Bildqualität unabhängig von dieser Anzahl konstant zu halten, muß dies durch eine Erhöhung der Quantisierung (Q) abgefangen werden.When using the principle on which the invention is based, it should be noted that, with a constant bandwidth, the dynamic range to be taken into account increases with the number of echoes (N) to be superimposed. In order to keep the image quality constant regardless of this number, this must be compensated for by increasing the quantization (Q) .

Daher erhöht sich die Datenrate bei der Überlagerung von N Streifen um den Faktor K (bezogen auf die Datenrate eines einzelnen Streifens)Therefore, the data rate increases when N strips are superimposed by a factor of K (based on the data rate of a single strip)

K ∼ {Q _alt + 6,73 log₁₀ N}/Q _alt (4) K ∼ { Q _old + 6.73 log₁₀ N } / Q _old (4)

Dies bedeutet beispielsweise bei Q _alt = (3 + 3) Bit und N = 6 Streifen eine Erhöhung der Datenrate von 185 Mb/s auf 346,5 Mb/s nach der Überlagerung.For example, with Q _alt = (3 + 3) bits and N = 6 strips, this means an increase in the data rate from 185 Mb / s to 346.5 Mb / s after the overlay.

Bei herkömmlichen Radarsystemen wären für 6 Streifen (6 parallele Systeme) 6 × 185 Mb/s = 1,11 Gb/s Datenrate notwendig.With conventional radar systems, 6 strips (6th parallel systems) 6 × 185 Mb / s = 1.11 Gb / s data rate necessary.

In dem angeführten Beispiel wurden bisher SAR-Streifen betrachtet, die auf einer Seite der Satellitenbahn liegen. Um jedoch die Möglichkeiten von Aufklärungssatelliten voll ausschöpfen zu können, werden diese beidseitig simultan gemessen und dadurch die doppelte Streifenbreite erzielt. Die bei herkömmlicher Datenübertragung auch dabei auftretende Verdopplung der Datenrate kann vermieden werden, indem man für die Pulsexpansion/Pulskompression im Sendetrakt auf beiden Seiten geeignete unterschiedliche Codes verwendet und die analogen, noch nicht komprimierten Echosignale an Bord zusammenführt, wobei sie zeitlich ineinanderfallen. Die Bandbreite des Kombinationsechos entspricht dabei der Bandbreite eines Einzelechos und der Dynamikbereich verdoppelt sich. Das bedeutet, daß sich bei der Überlagerung die Datenrate um einen Betrag erhöht, der sich durch die bereits angegebenen Formeln ermitteln läßt. Am Boden werden die Echos von beiden Seiten wieder aus dem Kombinationsecho extrahiert; wobei die bekannten Verfahren der Pulskompression/Dekodierung zur Anwendung kommen. So far, SAR strips were used in the example given considered, which are on one side of the satellite orbit. However, the possibilities of reconnaissance satellites To be able to make full use of them will be bilateral measured simultaneously and thereby twice the strip width achieved. The conventional data transmission doubling of the data rate can also occur be avoided by going for pulse expansion / pulse compression suitable on both sides in the transmission wing different codes used and the analog ones, still merges uncompressed echo signals on board, whereby they coincide in time. The range of Combination echoes correspond to the bandwidth of one Single echoes and the dynamic range doubles. The means that the data rate during the overlay an amount increased by the ones already specified Can determine formulas. The echoes are on the ground extracted from the combination echo from both sides; using the known methods of pulse compression / decoding come into use.

Es sei noch erwähnt, daß dieses Codemultiplex-Verfahren, das in diesem Bereich die Echos beider Seiten unterscheidbar macht, auch auf die Streifen einer Seite (z. B. in Kombination mit dem Dopplerhistorie-Verfahren) angewendet werden kann. Dies erhöht den apparativen Aufbau an Bord (geschachtelte Codes) und wird daher nur bei Problemstellungen zu bevorzugen sein, welche eine zusätzliche Störunterdrückung benötigen.It should also be mentioned that this code division multiplex method, that distinguishes the echoes of both sides in this area also on the stripes on one side (e.g. in combination with the Doppler history method) can be. This increases the equipment structure on board (nested codes) and is therefore only available at Problems to be preferred, which are an additional one Need interference suppression.

Summa summarum erlaubt die Anwendung des hier beschriebenen Verfahrens bei extrem hohen Streifenbreiten (z. B. 733 km) im angegebenen Beispiel die Reduzierung der Datenübertragungsrate von 12 × 185 Mb/s = 2220 Mb/s auf 409 Mb/s.All in all, the use of what is described here allows Process with extremely large strip widths (e.g. 733 km) in the example given the reduction in Data transfer rate of 12 × 185 Mb / s = 2220 Mb / s 409 Mb / s.

Die Anwendung dieses Verfahrens erfordert an der Bodenstation eine Verarbeitung der Rohdaten zur Trennung der überlagerten Teilinformationen. Dies wird im folgenden für die Streifen einer Seite beschrieben, die durch die Doppler-Historien unterschieden werden. Die Datenverarbeitung bei Codemultiplex und Pulskompression wird als hinreichend bekannt vorausgesetzt und ist im weiteren nicht beschrieben.The application of this procedure requires at the ground station processing the raw data to separate the superimposed partial information. This is the following for the strips of a page described by the Doppler histories can be distinguished. The data processing with code multiplex and pulse compression is considered is sufficiently well known and is in the following not described.

Diese Datenverarbeitung ist in Fig. 1 dargestellt. Ausgehend von den SAR-Rohdaten nach Pulskompression (A), welche z. B. in digitaler, komplexer Form vorliegen, wird die synthetische Apertur für die 6 Bildstreifen nach bekannten SAR-Bilderzeugungsverfahren gebildet. This data processing is shown in FIG. 1. Based on the raw SAR data after pulse compression (A) , which e.g. B. in digital, complex form, the synthetic aperture for the 6 image strips is formed according to known SAR imaging methods.

Dies erfolgt z. B. durch Hintereinanderfügen relevanter Echoteile (Corner Turn, Range Walk Compensation) im Speicher SP (1), transformieren in den Frequenzbereich mittels einer "Fast Fourier Transform" FFT (2), Multiplizieren (3 _1-6) mit einer Referenzfunktion (4) und Rücktransformieren in den Zeitbereich (5). An dieser Stelle liegen die SAR-Bilder für die 6 Streifen in den Datenkanälen K 1-K 6 vor. Alle 6 Bildstreifen beinhalten noch Störziele (Ambiguities) aus den anderen Bereichen, welche jedoch bereits um einen beträchtlichen Betrag (siehe Formel 1) unterdrückt sind. Durch zusätzliche Datenverarbeitung ist es möglich, diese Störungen, die von besonders starken Punktzielen der Nachbarstreifen herrühren, noch weiter zu unterdrücken. Ein Schwellwertdetektor (6) extrahiert aus allen 6 Kanälen die harten Punktziele. Nach Umsetzen in den Frequenzbereich (10) (SAR-Rohdatenrückgewinnung) wird durch Multiplikation mit speziellen Referenzfunktionen ermittelt, wie sich diese Punktziele in den Nachbarbereichen abbilden. Das Beispiel in Bild 1 zeigt dies für die Punktziele der Kanäle 2-6. Sie werden mit den Referenzfunktionen (12) R 2/1 bis R 6/1 (Diese Referenzfunktionen setzen sich zusammen aus einem Teil, der die Rohdatenrückgewinnung bewirkt und einem zweiten Teil, der der Referenzfunktion eines Nachbarbereichs entspricht.) multipliziert (11 _1-5) und dadurch in den Bereich des Kanals 1 umgesetzt. Nach der Summierung der 5 Störkanäle (14) und Umsetzung in den Zeitbereich (15) liegt ein SAR-Bild vor, das nur die Hauptstörungen zeigt, wie sie im ersten Bildstreifen existieren. Dieses Störbild wird quadriert, (16) um die Beträge der Graustufen zu erhalten. This is done e.g. B. by adding relevant echo parts (corner turn, range walk compensation) in the memory SP ( 1 ), transform into the frequency range using a "Fast Fourier Transform" FFT ( 2 ), multiply ( 3 _1-6 ) with a reference function ( 4 ) and transforming back into the time domain ( 5 ). At this point, the SAR images for the 6 strips are available in the data channels K 1- K 6. All 6 image strips still contain ambiguities from the other areas, which are already suppressed by a considerable amount (see Formula 1). Additional data processing makes it possible to further suppress these disturbances, which result from particularly strong point targets of the neighboring strips. A threshold detector ( 6 ) extracts the hard point targets from all 6 channels. After conversion to the frequency range ( 10 ) (SAR raw data recovery), multiplication with special reference functions determines how these point targets are mapped in the neighboring areas. The example in Figure 1 shows this for the point targets of channels 2-6. They are multiplied by the reference functions ( 12 ) R 2/1 to R 6/1 (These reference functions are made up of a part that brings about the raw data recovery and a second part that corresponds to the reference function of a neighboring area.) ( 11 _1-5 ) and thereby implemented in the area of channel 1. After the summation of the 5 interference channels ( 14 ) and implementation in the time domain ( 15 ), a SAR image is available which shows only the main interference as they exist in the first image strip. This interference pattern is squared ( 16 ) in order to obtain the grayscale amounts.

Durch Negierung (17) und anschließende Summation (8₁) wird der Korrekturkanal KK 1 vom Nutzkanal - welcher vorher auch quadriert wurde (7) subtrahiert. Dies wird in der gleichen Weise für alle 6 Bildstreifen durchgeführt (8 _1-6). Es schließt sich der, bei militärischen Anwendungen bereits übliche, Detektionsprozeß DP (9) an, der relevante von irrelevanter Bildinformation trennt. Nun können den SAR-Bildern noch geographische Informationen G (18) wie z. B. Karten, Markierungspunkte, die Positionen von bekannten Einheiten und Bewegtzielvektoren BZÜ (19), welche speziell erzeugt werden (13), überlagert werden, bevor die Bilder einer "False Alarm Management" Einheit FAM (20) zugeführt werden. In der FAM- Einheit wird entschieden, welche Daten (C _a-u) wohin verteilt werden.By negation ( 17 ) and subsequent summation ( 8 ₁), the correction channel KK 1 is subtracted from the useful channel - which was also previously squared ( 7 ). This is done in the same way for all 6 image strips ( 8 _1-6 ). This is followed by the detection process DP ( 9 ) which is already customary in military applications and which separates relevant and irrelevant image information. Geographic information G ( 18 ) such as e.g. B. maps, marker points, the positions of known units and moving target vectors BZÜ ( 19 ), which are specially generated ( 13 ), are overlaid before the images are fed to a "False Alarm Management" unit FAM ( 20 ). The FAM unit decides which data (C _au ) is distributed where.

Der letzte Schritt in der Datenverarbeitungskette ist die Ausgabe der endgültigen strategischen SAR-Bilder SB (22).The final step in the data processing chain is the output of the final strategic SAR images SB ( 22 ).

Erwähnenswert ist noch, daß zur gesamten Datenverarbeitung zusätzliche Informationen B über aktuelle Meßzeit und Meßgeometrie des SAR sowie über dessen Momentangeschwindigkeitsvektor benötigt werden. Es wird vorausgesetzt, daß im Zuge der SAR-Datenverarbeitung SAR-typische Korrekturen (z. B. Antennenausrichtungskorrektur, Korrektur der Erdrotation) durchgeführt werden, auf die im einzelnen hier nicht eingegangen wird, da sie Stand der Technik sind. It is also worth mentioning that additional information B about the current measurement time and measurement geometry of the SAR and about its instantaneous speed vector is required for the entire data processing. It is assumed that in the course of SAR data processing, SAR-typical corrections (e.g. antenna alignment correction, correction of the earth's rotation) are carried out, which are not dealt with in detail here since they are state of the art.

Ein besonderes Problem bei langintegrierenden Radarsystemen, zu denen das SAR gehört, ist die Bewegtziel-Analyse BA (13), die in Fig. 2 dargestellt ist. Durch die Ortsveränderung während der Integrationszeit verschmiert die Echoenergie des Bewegtziels und verschlechtert dadurch die Zielauflösung im SAR-Bild. Dies geschieht in der Azimut-Richtung bedingt durch die Abweichung von der erwarteten Phasenhistorie und in der Entfernung bedingt durch die somit fehlerhafte "Range Walk"-Kompensation. Phasenhistorie und "Range Walk"-Kompensation können im Prozessor an das Bewegtziel angepaßt werden (Referenzfunktionsänderung) wenn der Geschwindigkeitsvektor des Ziels bekannt ist. Eine SAR-Bewegtziel-Analyse kann somit in folgenden Schritten durchgeführt werden:A particular problem with long-integrating radar systems, to which the SAR belongs, is the moving target analysis BA ( 13 ), which is shown in FIG. 2. Due to the change in location during the integration time, the echo energy of the moving target is smeared and thereby deteriorates the target resolution in the SAR image. This happens in the azimuth direction due to the deviation from the expected phase history and in the distance due to the faulty "range walk" compensation. Phase history and "range walk" compensation can be adapted to the moving target in the processor (reference function change) if the speed vector of the target is known. A SAR moving target analysis can therefore be carried out in the following steps:

1. Recognize a moving target

Wie in Fig. 2 dargestellt, werden aus den SAR-Rohdaten A pro Streifen je 2 Bilder (Subaperturen) erzeugt, wobei pro Bild jeweils nur die Hälfte der Echos pro Ziel verwendet werden (halbe Integrationszeit). Die dabei auftretende, geringfügige Verschlechterung der geometrischen Auflösung in Azimut wird in Kauf genommen. Dazu werden die Echos im Speicher SP (22) (Corner Turn Memory) sortiert und in den Frequenzbereich transformiert (23). Durch die Filter (24) werden der positive und der negative Zweig der Dopplerhistorie separiert und mit den normalen Referenzfunktionen der Bildstreifen R 1-6 (33) multipliziert (25). As shown in FIG. 2, 2 images (subapertures) are generated from the SAR raw data A per strip, only half of the echoes per target being used per image (half integration time). The slight deterioration of the geometric resolution in azimuth that occurs is accepted. For this purpose, the echoes are sorted in the memory SP ( 22 ) (corner turn memory) and transformed into the frequency range ( 23 ). The filters ( 24 ) separate the positive and negative branches of the Doppler history and multiply them with the normal reference functions of the image strips R 1-6 ( 33 ) ( 25 ).

Die anschließende Rücktransformation in den Zeitbereich (26) und Quadrierung (27) erzeugt zwei SAR-Bilder pro Streifen. Diese beiden Bilder unterscheiden sich (Speckle-Signalfluktuation durch statistisches Verhalten der Rückstreuung vernachläßigt) nur durch ihren mittleren Meßzeitpunkt, da ein Ziel zeitlich zuerst den positiven Ast und danach den negativen Ast der Dopplerhistorie erzeugt. Subtrahiert man ein Bild vom anderen (28, 29), so verbleiben die Ziele, die während der Integrationszeit ihren Standort verändert haben. Die dafür notwendige Voraussetzung, daß die Eigenbewegung der SAR-Plattform sehr viel größer sein muß als die des Bewegtziels, ist bei Satellitenanwendung (v ∼ 25 000 km/h) immer gegeben.The subsequent reverse transformation into the time domain ( 26 ) and squaring ( 27 ) produces two SAR images per stripe. The only difference between these two images (speckle signal fluctuation neglected due to statistical behavior of the backscatter) is their mean measurement time, since a target first generates the positive branch and then the negative branch of the Doppler history. Subtracting one image from the other ( 28, 29 ) leaves the goals that changed their location during the integration period. The necessary prerequisite for this that the self-movement of the SAR platform must be much larger than that of the moving target is always given with satellite application (v ∼ 25 000 km / h).

2. Determine the speed vector

Jedes verbleibende Bewegtziel bildet ein Doppelziel mit einem positiven und einem negativen Maximum. Die Verbindungslinie vom positiven zum negativen Maximum kann direkt als mittlerer Geschwindigkeitsvektor interpretiert werden. Bei unserem Beispiel würden die Maxima bei einem Fahrzeug mit 40 km/h etwa 20 m bei einem Flugzeug mit 400 km/h etwa 200 m und bei 2facher Schallgeschwindigkeit etwa 1 km auseinanderliegen. Diese Bewegtzielvektoren werden im Geschwindigkeits-Detektor GDT (30) ermittelt. Each remaining moving target forms a double target with a positive and a negative maximum. The connecting line from the positive to the negative maximum can be interpreted directly as an average speed vector. In our example, the maxima would be about 20 m for a vehicle at 40 km / h, about 200 m for an aircraft with 400 km / h and about 1 km for 2 times the speed of sound. These moving target vectors are determined in the speed detector GDT ( 30 ).

3. Fine resolution and location

Die detektierten Bewegtziele würden nicht notwendigerweise im richtigen Kanal entdeckt, daher ist es notwendig, alle 6 Referenzfunktionen zu korrigieren (34) und für alle 6 Streifen am vermeintlichen Ort eines Bewegtziels ein SAR-Bild zu erzeugen. Das Bewegtziel wird danach nur im richtigen Streifen fokussiert. Um den Rechenaufwand in Grenzen zu halten, werden im SAR-Streifen Bewegtziel-Sektoren BS (31) (Sektoren im Bild) bestimmt. Die diesen Sektoren zugehörenden Rohdaten werden durch den Bewegtziel-Rohdaten-Selektor BRS (35) vom zentralen SAR-Rohdatenspeicher ZSP (32) abgerufen und der bereits beschriebenen SAR-Bilderzeugung (36, 37, 38 _1-6, 39) zugeführt, die nun mit den korrigierten Referenzfunktionen RB 1-6 (34) arbeitet. Dadurch entstehen am Ausgang der Rücktransformation (39) SAR-Teilbilder, in denen nur die entsprechenden Bewegtziele im richtigen Streifen scharf abgebildet sind; Festziele sind verschwommen dargestellt. Der anschließende Ortsdetektor ODT (40) klassifiziert und bewertet (zählen bei Verbänden) die Bewegtziele und stellt ihren Ort fest. Danach werden die Bewegtziele vektorisiert (41) und als Bewegtzieldaten D an die Bewegtzielüberlagerung (19 in Fig. 1) weitergeleitet. The detected moving targets would not necessarily be discovered in the correct channel, so it is necessary to correct all 6 reference functions ( 34 ) and generate a SAR image for all 6 strips at the supposed location of a moving target. The moving target is then only focused in the correct stripe. In order to keep the computing effort within limits, moving target sectors BS ( 31 ) (sectors in the picture) are determined in the SAR strip. The raw data belonging to these sectors are retrieved by the moving target raw data selector BRS ( 35 ) from the central SAR raw data memory ZSP ( 32 ) and supplied to the SAR image generation ( 36, 37, 38 _1-6 , 39 ) already described, which now works with the corrected reference functions RB 1-6 ( 34 ). This results in SAR partial images at the output of the reverse transformation ( 39 ), in which only the corresponding moving targets are sharply depicted in the correct stripe; Fixed goals are shown blurry. The subsequent location detector ODT ( 40 ) classifies and evaluates (counts for associations) the moving targets and determines their location. The moving targets are then vectorized ( 41 ) and forwarded as moving target data D to the moving target overlay ( 19 in FIG. 1).

List of drawing terms 1 memory
2 "Fast Fourier Transform" (FFT)
3 multipliers
4 reference functions
5 inverse FFT
6 threshold detector
7 squaring
8 Sum formation
9 detection process
10 FFT
11 multipliers
12 reference functions
13 Moving target analysis
14 summation
15 inverse FFT
16 squaring
17 negation
18 Overlay of geographic information
19 Overlay of moving target information
20 "False Alarm Management"
21 Issue of strategic SAR images
22 memory (corner turn memory)
23 FFT
24 filters
25 multipliers
26 Inverse FFT
27 squaring
28 inverters
29 totalizers
30 speed detector
31 Moving target sector determination
32 Central SAR raw data storage
33 reference functions
34 Reference functions
35 Moving target raw data selector
36 memories
37 FFT
38 multipliers
39 Inverse FFT
40 position detector
41 Moving target vectorization

Claims

1. Method for widening the stripes and reducing the data in a reconnaissance pulse radar with synthetic aperture (SAR) for point targets, in which the radar data are transmitted from the location of the antenna to a ground station, with evaluation of the Doppler histories, characterized by the following features:

a) the SAR antenna covers several mutually ambiguous range areas (partial strips) on the ground,
b) echo signals which come from successive transmission pulses from different distance ranges and arrive at the location of the antenna at the same time are folded into one another and transmitted as raw data to the ground station as only one echo signal (signal mixture),
c) in the ground station, the individual echo signal components are separated again within the radar integration time using their own, range-specific, time-based Doppler frequency curve (Doppler histories) by the signal mixture passing through a SAR image processor several times, the raw SAR data each being adapted by adapting a phase reference function to a signal component in a manner known per se, a SAR image of the distance range from which the special signal component was received on the antenna is produced.

2. The method according to claim 1, characterized in that particularly strong targets in the generated SAR images be detected automatically, from amplitude and phase the target points by going through the opposite direction SAR imaging process whose raw signal is recovered this raw signal is then sent to the SAR Processor in the original direction, but with each the phase reference function of one of the other (neighboring) Range ranges, taking SAR images arise that each contain only the faults, which are the strong goals of one area in neighboring areas cause, so that these disorders in the Images can be automatically eliminated.

3. The method according to claims 1 or 2, characterized in that that by dividing the SAR images into subaperture images, Analysis of the differences between the Subaperture images and generation of fully resolved ones SAR images of the same area with based on of the analysis result changed phase reference function Moving targets detected, fully resolved and be vectorized.

4. The method according to any one of claims 1-3, characterized in that in a SAR with pulse compression different compression ranges individual compression codes be assigned by either everyone Distance range using a multi-lobe antenna (Multibeam) with the compression code assigned to it illuminated or the compression code of transmit pulse too Transmit pulse cyclically or according to other laws is switched so that the echo parts from different Distance ranges in addition to Doppler histories still through the pulse compression code distinguish and thereby their separability on the ground improved and the signal-to-noise ratio in the SAR images is increased.