DE4030365C1

DE4030365C1 - Interferometric aperture synthesis system for radiometry - measures each illuminated resolution cell several times, with each individual image being stored and processed

Info

Publication number: DE4030365C1
Application number: DE4030365A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr.-Ing. 8150 Holzkirchen De Kraft
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1990-09-26
Filing date: 1990-09-26
Publication date: 1991-12-05
Anticipated expiration: 2010-09-27

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur interferometrischen Apertursysthese gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

In der passiven Mikrowellenfernerkundung - der sogenannten Radiometrie - wird beim bisherigen Stand der Technik, das aus der Radioastronomie be kannte Prinzip der interferometrischen Apertursynthese vorgeschlagen. Hierbei befaßten sich theoretische Arbeiten mit der Analyse und Ausle gung entsprechender Instrumente auf Flugzeugen und stationären oder nichtstationären Satelliten. Als Ergebnis hat sich herausgestellt, daß im Vergleich mit konventionellen Radiometersystemen vom Grundprinzip der Apertursynthese eine erheblich verbesserte Leistungsfähigkeit der In strumente zu erwarten ist. In diesem Zusammenhang darf auf die Veröf fentlichungen von Ruf, C. S. u. a. mit "Interferometric Synthetic Aperture Mikrowave Radiometry for the Remote Sensing of the Earth" in IEEE-Trans. GRS, Vol. 26, No. 5, (1988) pp. 597-611 oder von LeVine, D. M. u. a. mit "A Multifrequency Microwave Radiometer of the Future" in IEEE Trans. GRS, Vol. 27, No. 2, (1989), pp. 193-199 verwiesen werden.

Wie der Stand der Technik aufzeigt, kann von zwei Anwendungs-Kategorien gesprochen werden, nämlich

a) bei Beobachtungen der Erdoberfläche von einem Flugzeug oder nicht stationären Satelliten aus, von einem Verfahren der eindimensionalen Apertursynthese bei hoher Relativgeschwindigkeit zwischen Instrument und Meßobjekt,
b) bei Beobachtung der Erdoberfläche von einem geostationären Satelli ten aus, von einem Verfahren der zweidimensionalen Apertursynthese bei sehr geringer oder ohne Relativgeschwindigkeit zwischen Instru ment und Meßobjekt.

Für beide Kategorien ergeben sich unterschiedliche Anforderungen an das Radiometrie-Instrument und dementsprechend auch unterschiedliche Konzep tionen, wobei das generelle Grundprinzip der Bilderzeugung aus der Ra dioastronomie bekannt ist.

Das für den Fall einer hohen Relativgeschwindigkeit zwischen Instrument und Meßobjekt (Flugzeug oder nichtstationärer Satellit) bisher vorge schlagene und vorstehend genannte Verfahren a) verwendet Antennenelemente mit einem schmalen Richtdiagramm in Flugrichtung und breitem Richt diagramm quer zur Flugrichtung, wie es in Fig. 1a dargestellt ist. Diese Antennen müssen jedoch in Flugrichtung sehr lang sein - beispielsweise 20 m für bestimmte Satellitenanwendungen - um die geometrische Auflösung Δx_Element am Boden zu gewährleisten. Die Auflösung einer Einzelantenne quer zur Flugrichtung Δy_Element ist dagegen sehr grob. Hier wird nun eine hohe Auflösung des Gesamtinstruments Δy_Instrument - wie in Fig. 1b veranschaulicht - durch eindimensionale Apertursynthese quer zur Flugrichtung erzielt, während in Flugrichtung nicht synthetisiert wird. Es ist also

Δx_Intrument = Δx_Element

Die maximal verfügbare Meßzeit Δt für eine Auflöseungszelle (Pixel) der Größe Δx_Instrument × Δy_Instrument ist durch die Fluggeschwindig keit v gemäß der Beziehung

Δt_a = Δx_Instrument/V

gegeben. Dadurch ist auch die radiometrische Empfindlichkeit festgelegt. Dieses Verfahren ist jedoch mit einem entscheidenden Nachteil behaftet, der in der vergleichsweise kurzen Meßzeit zu finden ist, denn diese be grenzt die erreichbare Empfindlichkeit. Zusätzlich erfordern die verwen deten Antennenstrukturen eine erhebliche Größe, was zu Schwierigkeiten bei ihrer Integration in das Trägerflugzeug oder den Trägersatelliten führt. Diese Nachteile waren bisher nicht zu beheben.

Das unter b) angesprochene Verfahren (siehe z. B. Ruf, C. S. - "Antenna Performance for a Synthetic Apertur Microwave Radiometer in Geosynchro nous Earth Orbit"), bei dem keine oder nur eine sehr geringe Relativge schwindigkeit zwischen Meßobjekt und Instrument - vorwiegend ein geosta tionärer Satellit - vorliegt, erlaubt beliebig lange Meßzeiten. Diese Meßzeiten können lediglich durch eine mögliche Zeitvariabilität des Meß objektes selbst begrenzt sein. Wie in den Fig. 2a und 2b veranschau licht, muß nun in diesem Falle die Apertursynthese in zwei Dimensionen durchgeführt werden, wobei kleine Antennen mit breitem Richtdiagramm in X- und in Y-Richtung Verwendung finden. Die Apertursynthese liefert nun aus den Meßwerten aller Einzelantennen voll-synthetische Auflösungspar zellen der Größe Δx_Instrument × Δy_Instrument, die wesentlich kleiner sind als das komplette Ausleuchtungsgebiet Δx_Element × Δy_Element der einzelnen Antennenelemente.

Dieses Verfahren ist durch den wesentlichen Vorteil einer hohen erziel baren Meßempfindlichkeit sowie durch fast beliebig lange Meßzeiten ge prägt. Aber auch ein erheblich reduziertes Antennenvolumen der Einzel strahler im Vergleich zu dem unter a) beschriebenen Verfahren ist er zielbar.

Das hier erläuterte Verfahren ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, daß zur Vermeidung von größeren Relativgeschwindigkeiten zwischen Instrument und Meßobjekt eine geostationäre Umlaufbahn für den Satellitenträger verwendet werden muß, die auf Grund ihrer großen Erdentfernung enorme Di mensionen für das Gesamtinstrument erfordert, nämlich mehrere 100 m.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art aufzuzeigen, mit dem eine erhebliche Steige rung der verfügbaren Meßzeit und damit der Meßempfindlichkeit zu erzie len ist, ohne daß es gleichzeitig zu einer Verschlechterung der räumli chen Auflösung des Systems kommt und außerdem noch eine Einsparung an Einbau- und Instrumentenvolumen erbringt.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen in überraschender Weise gelöst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel erläutert. Die vorhandenen und zu lösenden Pro bleme werden in den Figuren skizziert, die auch die Be schreibung ergänzen. Es zeigt

Fig. 1a das Schemabild des Richtdiagramms einer Einzelantenne mit dem Ausleuchtungsgebiet, beim bekannten Instrumentenkonzept für Flugzeuge und nichtstationäre Satelliten und eindimensionaler Apertursynthese;

Fig. 1b ein Schemabild eines Richtdiagramms des eingesetzten Instruments mit Auflösungsparzelle (Pixel) gemäß Fig. 1a;

Fig. 2a ein Schemabild des Richtdiagramms einer Einzelantenne mit dem Ausleuchtungsgebiet, beim bekannten Instrumentenkonzept für sta tionäre Satelliten und zweidimensionaler Apertursynthese;

Fig. 2b ein Schemabild eines Richtdiagramms des eingesetzten Instrumen tes mit Auflöseparzelle (Pixel) gemäß Fig. 2a;

Fig. 3a ein Schemabild der Bodenauflösungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren für Flugzeuge und nichtstationäre Satelliten mit zwei dimensionaler Apertursynthese und zwei aufeinanderfolgende Zeit intervalle, hier die Messung 1 zur Zeit t = 0;

Fig. 3b ein Schemabild gemäß Fig. 3a für die Messung 2 zur Zeit t = Δx_Instrument/V.

Die Grundidee des nachstehend erläuterten Verfahrens zur interferometri schen Apertursynthese für Radiometer sieht vor, daß das an sich bekannte Verfahren zur zweidimensionalen Apertursynthese, das bisher nur in Fäl len sehr geringer oder keiner Relativgeschwindigkeit zwischen Meßinstru ment und Meßobjekt verwendbar erschien, nun auch zur Radiometrie aus Stationen mit hoher Relativgeschwindigkeit eingesetzt wird, wobei aller dings jede der beleuchteten Auflösungszellen (Pixel 1, 2, usw.) entspre chend der gegebenen Instrumentenauflösung und Ausleuchtung eines Anten nenelementes bei "n" Messungen erneut aufgenommen wird und jedes Einzel bild in einer externen oder internen Datenverarbeitungseinheit gespei chert und rechnerisch verarbeitet wird.

Hierbei entsprechen die Richtdiagramme der Einzelantennen sowie des ge samten Instrumentes der in den Fig. 2a und 2b skizzierten Konzeption. Da nun aber das Instrument sich mit der Fluggeschwindigkeit "v" in X-Rich tung bewegt, also eine Relativgeschwindigkeit vorhanden ist, steht für eines Messung lediglich die Meßzeit

Δt = Δx_Instrument/V = Δt_a

zur Verfügung. Pro Intervall Δt wird eine komplette Messung vorgenom men, wobei die verfügbare Meßzeit nun mit derjenigen des vorbeschriebe nen Konzeptes a) (Fig. 1a, 1b) übereinstimmt. Im Gegensatz jedoch zu die sem Konzept, bei dem eine Auflösungszelle (Pixel) nur während einer ein zigen Meßzeit Δt_a von den Einzelantennen vermessen wird, erfaßt das neue, hier vorgeschlagene Verfahren ein solches Pixel, während "n" auf einanderfolgenden Messungen bzw. Bildern, das Pixel wird also n-mal auf genommen. Die Zahl "n" ergibt sich dabei aus der Instrumentenauflösung Δx_Instrument und der Ausleuchtung eines Antennenelementes Δx_Element zu

n = Δx_Element/Δx_Instrument.

In den Fig. 3a und 3b wird die Meß- bzw. Aufnahmesituation für zwei auf einanderfolgende Bilder veranschaulicht. Das in Aufnahme eins durch das Pixel 5 erfaßte Gebiet wird bei der Messung als Pixel 2 nachmals vermes sen bzw. aufgenommen. Redundante Messungen sind solange möglich, solange die Antennenelemente das betreffende Objekt bzw. Feld beleuchten.

Während nun für ein Einzelbild nur die kurze Meßzeit, wie sie bei der Konzeption a) zur Verfügung steht, gegeben ist, wird durch die bereits angesprochene Datennachverarbeitung in der Datenverarbeitungseinheit eine erheblich höhere effektive Meßzeit erzielt. Hierzu werden alle Ein zelbilder gespeichert und anschließend rechnerisch verarbeitet, wobei "n" redundante Messungen für jedes Gebiet aus den "n" zugehörigen Bil dern extrahiert und aufintegriert werden. In dem in den Fig. 3a und 3b gezeigten Beispiel wären also die Meßwerte von Pixel 5 aus der ersten Messung sowie von Pixel 2 aus der zweiten Messung usw. aufzuintegrieren. Das Ergebnis entspricht dann einer Messung mit der effektiven Meßzeit

Δt_eff = n · Δt_a = Δx_Element/V.

Diese Meßzeit ist nun um den Faktor "n" größer als im Konzept a). Diese Verbesserung in der Meßzeit und somit die radiometrischen Empfindlich keit wird erzielt, ohne daß sich die geometrische Auflösung des Instru ments verschlechtert. Da "n" für praktische Satelliten-Anwendungen Werte um 100 annehmen kann, bietet das neue Verfahren hier eine erhebliche Verbesserung gegenüber dem Konzept a) des Standes der Technik. Abgesehen davon aber können nunmehr auch kleinere Antennenelemente verwendet wer den und der technische Gesamtaufwand am Fluggerät entspricht demjenigen des Verfahrens nach Konzeption b). Es werden in dem neuen Verfahren also nur deren Vorteile realisiert und die Nachteile beseitigt.

Die vorgeschlagene Datennachverarbeitung kann sowohl am Boden als auch zeitlich getrennt von der eigentlichen Messung bzw. Aufnahme erfolgen, falls das im Rahmen der entsprechenden Anwendung wünschenswert ist. Um gekehrt ist aber auch eine sehr schnelle Bilderfassung möglich, da mit dem neuen Verfahren die Meßdaten für ein komplettes Bild bereits inner halb des kurzen Intervalls Δt_a nach einer einzigen Messung verfügbar sind, während das Verfahren nach Konzeption a) im selben Zeitraum ledig lich die Daten einer einzigen Bildzeile liefert. Weiterhin ist es mit dem neuen Verfahren möglich, die Bildqualität und die Aquisitionszeit flexibel an die aktuelle Aufgabenstellung anzupassen, wobei die Ent scheidung zwischen hoher Bildqualität (viele überlagerte Messungen) und zeitlicher Auflösung (weniger überlagerte Messungen) je nach Wunsch und Erfordernis getroffen werden kann.

Claims

1. Verfahren zur interferometrischen Apertursynthese für Radiometer, dadurch gekennzeichnet, daß das an sich bekannte Verfahren zur zweidi mensionalen Apertursynthese in Fällen sehr geringer oder keiner Relativge schwindigkeit zwischen Instrument und Meßobjekt für die Radiometrie aus Stationen mit hoher Relativgeschwindigkeit eingesetzt wird, wobei jede der jeweilig beleuchteten Auflösungszellen (Pixel 1, 2, 3, . . . Pn) entsprechend der gegebenen Instrumentenauflösung und Ausleuchtung eines Antennenele ments bei "n" Messungen erneut aufgenommen wird und jedes Einzelbild in einer externen oder internen Datennachverarbeitungseinheit gespeichert und rechnerisch verarbeitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Da tennachverarbeitungseinheit die "n" (redundanten) Messungen für jedes Meß gebiet aus den "n" zugehörigen Bildern extrahiert und aufintegriert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Datennachverarbeitung in einer Bodenstation zeitlich getrennt von der eigent lichen Messung erfolgt.