DE60315215T2

DE60315215T2 - System und Verfahren zum Fokussieren von SAR-Bildern

Info

Publication number: DE60315215T2
Application number: DE60315215T
Authority: DE
Inventors: Kwang M. Rancho Palos Verdes Cho
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2008-04-24
Anticipated expiration: 2023-05-31
Also published as: EP1367409B1; EP1367409A3; DE60315215D1; US6661369B1; EP1367409A2; US20030222807A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Radarsignalverarbeitungssysteme und insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Phasenfehlerkorrektur in einem Range Migration-Algorithmus (RMA) für Radarsysteme mit synthetischer Appertur (SAR).
Beschreibung des zugehörigen Standes der Technik:
Bei Abbildungsanwendungen, wie beispielsweise der Bodenbetrachtung, wird ein Radarsystem verwendet, um eine zweidimensionale Abbildung eines Bereichs einer Bodenfläche in Entfernungsrichtung und Azimutrichtung (cross-range) zu erzeugen. Eine große Antennenappertur wird bei herkömmlichen Abbildungsradarsystemen benötigt, um eine schmale Strahlbreite zu erreichen und folglich eine feine Azimutauflösung. Radarsysteme mit synthetischer Appertur (SAR) wurden als ein alternatives Mittel zur Verbesserung der Azimutauflösung entwickelt, indem die Impuls-zu-Impuls-Signale synthetisiert wurden, die von einer bewegten Plattform mit kleiner Antenne aufgenommen werden. Die Signalsynthetisierung von vielen aufeinander folgenden Orten der bewegten Plattform erreicht das, was ansonsten eine größere Antennenappertur benötigte.
Ein Polarformatalgorithmus (PFA) wurde in breitem Umfang für hochauflösende SAR-Systeme eingesetzt. Der PFA hat jedoch die Nachteile der begrenzten Tiefenschärfe und einer geometrischen Störung, die mit der Abbildungsgröße ansteigt. Der Range Migration-Algorithmus (RMA) ist eine der attraktivsten und weitest entwickelten SAR Verarbeitungstechniken, um die Probleme des PFA zu vermeiden. Eine Schwierigkeit bei dem RMA besteht jedoch darin, eine effiziente Phasenkorrektur durchzuführen.
Die normale Aufnahme bzw. das normale Sammeln von SAR-Daten erfordert eine Phasenkohärenz nicht nur innerhalb jedes Impulses für eine Entfernungsauflösung, sondern auch von Impuls zu Impuls über die Aufnahmezeit, die für die Azimutauflösung erforderlich ist. Die Plattformposition beeinflusst die Impuls-zu-Impuls-Phasenkohärenz über die synthetische Apertur. Der durch die Ungenauigkeit der Navigationsdaten oder der unerwünschten Plattformbewegung eingebrachte Phasenfehler verursacht eine Unschärfe bzw. Nachziehen oder eine Duplikation des Zielbildes. Da eine Bewegungskompensation an der frühen Verarbeitungsstufe basierend auf den Navigationsdaten nicht ausreicht, um ein fokussiertes Bild zu erzeugen, ist es eine übliche Praxis, datengesteuerte Autofokusalgorithmen in hochauflösenden SAR-Systemen einzusetzen, um die Phasenkohärenz zu erhalten und eine gute Abbildungsqualität zu erreichen.
Berücksichtigt man die Berechnungseffizienz und Einfachheit, ist es wünschenswert, die Autofokusfunktion nach der Entfernungskomprimierung während einer Batchverarbeitung zu implementieren, wie dies üblicherweise im Falle von PFA getan wird. Im Falle von RMA ist es jedoch schwierig, die Autofokusfunktion während einer Batchverarbeitung zu implementieren, da die Signalunterstützungsgebiete von unterschiedlichen Zielen nicht ausgerichtet sind. Aus diesem Grund müsste die Autofokusfunktion implementiert werden, bevor die Batchverarbeitung startet mit dem Nachteil einer erhöhten Komplexität und Verarbeitungszeit.
Aufgrund der Schwierigkeit bei der Implementierung bzw. Umsetzung der Autofokusfunktion während der Batchverarbeitung führen die aktuellen RMA-Systeme die Autofokusfunktion während der Impuls-zu-Impuls-Verarbeitungsphase aus, indem ein separater Polarformatverarbeitungsalgorithmus verwendet wird. Dieser Lösungsweg hat jedoch den Nachteil einer Implementierungskomplexität und engeren Verarbeitungszeitanforderungen. Ferner macht es die erhöhte Zeitablaufanforderung schwierig und fast unmöglich, weiterentwickelte Autofokustechniken zu implementieren.
In einer Patentanmeldung mit dem Titel "EFFICIENT PHASE CORRECTION SCHEME FOR RANGE MIGRATION ALGORITHM", Anmelde-Nr. 10/060,647, die am 30. Januar 2002 von K.M. Cho (Anwaltsaktenzeichen PD 01W053) angemeldet und als US 6,670,907 veröffentlicht wurde, wird ein effizientes Phasenfehlerkorrekturschema RMA gelehrt, das eine Phasenkorrektur ermöglicht, die während einer Batchverarbeitung ausgeführt wird. Dieser Lösungsweg erfordert, dass die Abbildung in Entfernungs-Azimutrichtung ausgerichtet ist. Allerdings gibt es für aktuelle und vorgeschlagene Anwendungen eine Nachfrage nach Abbildungen, die in eine andere Richtung als Entfernung und Azimut gebildet sind. Ein Range-Migration-Algorithmus für SAR-Abbildung, der keinen Range-Deskew-Algorithmus ausführt, ist aus US 6,018,306 bekannt.
In einem allgemeinen Fall, wenn die verarbeitete Abbildung in beliebiger Richtung ausgerichtet ist, insbesondere bei einem RMA, ist die Phasenkorrektur komplizierter und erfordert zusätzliche Verarbeitung. Ein aktuell eingesetztes Verfahren führt eine Phasenkorrektur über eine separate Verarbeitung in der Impuls-zu-Impuls-Phase aus, in dem PFA verwendet wird. Es gibt kein bekanntes Verfahren zur Phasenkorrektur von beliebig ausgerichteten Abbildungen in einer RMA während einer Batchverarbeitung.
Folglich besteht ein Bedarf im Stand der Technik nach einem verbesserten System oder einem verbesserten Verfahren zur effizienten Phasenfehlerkorrektur von beliebig ausgerichteten Abbildungen in einem Range-Migration-Algorithmus.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dieser Bedarf im Stand der Technik wird von der vorliegenden Erfindung erfüllt, einem System und einem Verfahren zur Fokussierung einer Abbildung, die in beliebige Richtung ausgerichtet ist, wenn die aufgenommenen Daten des Radars mit synthetischer Apertur (SAR) verarbeitet werden, indem ein Range Migration-Algorithmus (RMA) verwendet wird. Entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung werden als erstes die Daten versetzt (engl.: skew), so dass die Richtung der Unschärfe in der Abbildung ausgerichtet wird mit einer der räumlichen Frequenzachsen der Abbildung. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Unschärfe in vertikaler Richtung ausgerichtet. Dies wird ausgeführt durch eine Phaseneinstellung, die erhalten wurde aus den Anforderungen nach einer passenden Verschiebung in der räumlichen Frequenzdomäne. Als nächstes werden die Signalunterstützungsgebiete von allen Zielen durch eine passende Phaseneinstellung in der räumlichen (oder Abbildungs-)Domäne ausgerichtet. Der gemeinsame Phasenfehler wird dann geschätzt und durch Verwendung von Autofokusalgorithmen korrigiert. Die verbleibenden Schritte umfassen die Rückverschiebungs- und Versetzungsverarbeitung für die Umkehrung der Verarbeitung, die vorher zur Ausrichtung des gemeinsamen Phasenfehlers ausgeführt wurde.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 und 1b sind Darstellungen, die die Richtung der Unschärfe in einer I zeigen, die in Entfernungs-Azimutrichtung ausgerichtet ist.
1c und 1d sind Darstellungen, die die Richtung der Unschärfe in einer I' zeigen, die längs der Track-Cross-Spur ausgerichtet ist.
2 ist eine Darstellung, die einen allgemeinen Fall zeigt, der einen Dopplerkonuswinkel φ und einen Abbildungssausrichtungswinkel φ₁ gegenüber der Längs-Spurrichtung V hat.
3 ist eine Darstellung, die die Richtung einer Impuls-zu-Impuls-Phasenänderung in der räumlichen Frequenzdomäne zeigt.
4 zeigt die Datenumwandlung von (K_x, K_y) nach (K ^_x, K ^_y), um die Phasenfehlervariation auf die vertikale Richtung auszurichten.
5 zeigt die Geometrie für eine Abbildung mit beliebiger Ausrichtung mit Zielen a und b in der Bildmittel (0, 0) bzw. bei (X, Y).
6 ist eine Darstellung, die die Signalunterstützungsgebiete A und B entsprechend den Zielen a bzw. b zeigt.
7 ist eine Darstellung, die das Verschieben der Signalunterstützung in K_X alleine als Funktion des Zielorts im Cross-Range zeigt.
8 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines luftgestützten SAR-Systems, das RMA mit einem neuen Phasenkorrekturschema entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung verwendet.
9 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm, das die Basiskomponenten des RMA zeigt und zeigt, wo das neue Phasenkorrekturschema entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung eingefügt werden sollte.
10 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm, das die Basiskomponenten des neuen Phasenkorrekturschemas entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung zeigt.
11a bis 11c zeigen die Datenlängenvariation für den Fall einer minimalen spektralen Datengröße.
11a zeigt die interpolierten Daten nach der Stolt-Interpolation in der (K_x, K_y)-Domäne.
11b zeigt die Datenposition nach dem Datenversatz, um die Unschärfe in vertikaler Richtung zu ändern.
11c zeigt die Datenposition nach der Datenverschiebung in K_x.
12a bis 12c zeigen die Datenlängenvariation für den Fall einer ausgedehnten Strahlendatengröße.
12a zeigt die interpolierten Daten nach der Stolt-Interpolation in der (K_x, K_y)-Domäne.
12b zeigt die Datenposition nach dem Datenversatz, um die Unschärfe in vertikale Richtung zu ändern.
12c zeigt die Datenposition nach der Datenverschiebung in K_x.
13a und 13b sind Flussdiagramme des neuen Phasenkorrekturalgorithmus entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung. Das Flussdiagramm beginnt in 13a und wird in 13b fortgesetzt.
14 ist ein Flussdiagramm einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine vereinfachte Verarbeitungssequenz zur Fokussierung der RMA-basierten SAR-Abbildungen zeigt, die in Range-Azimutrichtung ausgerichtet sind.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Erläuternde Ausführungsformen und beispielhafte Anwendungen werden nun mit Bezug auf begleitende Zeichnungen beschrieben, um die vorteilhaften Lehren der vorliegenden Erfindung zu offenbaren.
Während die vorliegende Erfindung hier mit Bezug auf erläuternde bzw. beispielhafte Ausführungsformen für bestimmte Anwendungen beschrieben wird, versteht sich, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Ein Fachmann, der auf die hier bereitgestellten Lehren Zugriff hat, wird erkennen, dass zusätzliche Modifikationen, Anwendungen und Ausführungsformen möglich sind, die im Rahmen der Erfindung liegen, und er wird zusätzliche Gebiete erkennen, in denen die vorliegende Erfindung von Nutzen sein könnte.
Ein nicht kompensierter Phasenfehler beim Sammeln bzw. Aufnehmen von Daten für Radarsysteme mit synthetischer Appertur (SAR) verursacht eine Abbildungs-Unschärfe bzw. einen Abbildungs-Nachzieheffekt in Azimut (cross-range)-Richtung Dies beruht hauptsächlich auf einem nicht kompensierten Fehler durch eine langsame Bewegung, wobei der Fehler auftritt, wenn der Dopplerkonuswinkel sich während der Datenaufnahme verändert. Wenn SAR-Abbildungen in Entfernungs- und Azimutrichtung gebildet werden, kann eine Abbildungsunschärfe, die in Azimutrichtung auftritt (üblicherweise die Vertikalachse in dem SAR-Display), leicht korrigiert werden, indem ein geschätzter Phasenfehler in Azimutrichtung kompensiert wird, indem nur verschiedene Autofokustechniken verwendet werden. Wenn jedoch die ausgebildete Abbildung in eine Richtung ausgerichtet wird, die sich von der Entfernungs- und Azimutrichtung unterscheidet, ist die Azimutantwort, die die Impuls-zu-Impuls-Phasenvariation reflektiert, nicht mit der vertikalen Achse ausgerichtet, und eine Abbildungsschärfe kann nicht einfach durch eine eindimensionale Verarbeitung korrigiert werden. Die Richtung der Unschärfe ist in 1 dargestellt für Abbildungen, die ausgerichtet sind in Richtung Entfernung-Azimut und entlang der Track-Cross-Spur.
1a und 1b sind Darstellungen, die die Richtung der Unschärfe in einer I zeigen, die in Entfernungs-Azimutrichtung ausgerichtet ist, mit einem Doppler-Konuswinkel φ, der gemessen wird ausgehend von der Längsspurrichtung V. Die Richtung der Unschärfe ist in Azimutrichtung, die längs der vertikalen Achse in der in 1b gezeigten Abbildung verläuft.
1c und 1d sind Darstellungen, die die Richtung der Unschärfe in einer I' zeigen, die ausgerichtet ist in eine Richtung "long track"-"cross track" (AT-CT; Richtung entlang der Spur bzw. Bahn – quer zur Spur bzw. Bahn) mit einem Doppler-Konuswinkel φ, der von der Längsspurrichtung V gemessen wird. Die Richtung der Unschärfe ist immer noch in Azimutrichtung. Da jedoch die Abbildung nicht in Entfernungs-Azimutrichtung ausgerichtet ist, verläuft die Richtung der Unschärfe nicht entlang der vertikalen Achse der Abbildung, wie in 1d dargestellt.
Da die Richtung der Abbildungsunschärfe nicht mit den Abbildungspixeln bzw. -punkten ausgebildet ist, wenn die Abbildungen in eine Richtung anders als Entfernung und Azimut ausgerichtet ist, führt eine direkte Anwendung von Autofokusalgorithmen in der Azimutrichtung, wie dies in herkömmlicher Weise getan wird, nicht zu einer Lösung des Unschärfeproblems. Das vorgeschlagene Verfahren führt einen Datenversatz durch, in dem geeignete Phaseneinstellungen angewendet werden, so dass die Richtung der Unschärfe in die gewünschte vertikale Richtung umgewandelt wird, bevor Autofokusalgorithmen angewendet werden. Eine umgekehrte Verarbeitung muss nach der Phasenkorrektur, die Autofokusalgorithmen verwendet, ausgeführt werden. Wenn der Range Migration-Algorithmus (RMA) für die Abbildungserstellung verwendet wird, werden die gemeinsamen Phasenfehler in der Phasenhistorie jedes Ziels nicht ausgerichtet, aufgrund des Verschiebens der Signalunterstützung in der räumlichen Frequenzdomäne, die durch den Azimutort des Ziels festgelegt wird. Deshalb ist es zum Abschätzen und Korrigieren des nicht kompensierten gemeinsamen Phasenfehlers erforderlich, die Signalunterstützung für jedes Ziel zu verschieben, so dass der gemeinsame Phasenfehler ausgerichtet ist. Das Verschieben der Signalunterstützung für die RMA-Verarbeitung umfasst eine Basisverschiebung der Signalunterstützung und eine Hilfsverschiebung aufgrund der Umwandlung der Unschärferichtung, wie zuvor erwähnt.
2 ist eine Darstellung, die einen allgemeinen Fall zeigt, der einen Dopplerkonuswinkel φ hat und einen Abbildungsausrichtungswinkel φ₁ gegenüber der Längsspurrichtung V. Die Y-Achse der Abbildung liegt in einem Winkel φ₁ zu der Längsspurrichtung V, und die X-Achse der Abbildung liegt in einem Winkel φ₁ – φ zu der Azimutrichtung. Da das Spektrum, das der verarbeiteten Abbildung entspricht, in der räumlichen Frequenzdomäne ist, bevor die letzte zweidimensionale inverse FFT der Verarbeitungskette zur Abbildungsgestaltung die gleiche Ausrichtung zu der Abbildungsausrichtung hat, tritt ein Impuls-zu-Impuls-Phasenfehler in einem Winkel φ₁ – φ gegenüber der vertikalen Achse (K_x) auf, wie in 3 angedeutet.
3 ist eine Darstellung, die die Richtung der Impuls-zu-Impuls-Phasenvariation in der räumlichen Frequenzdomäne zeigt.
Da die Impuls-zu-Impuls-Phasenvariation in einer Richtung auftritt, die zwei Achsen verbindet, kann die Abbildung nicht durch eine eindimensionale Phasenkorrektur fokussiert werden. Deshalb ist es erforderlich, um eindimensionale Phasenkorrekturalgorithmen verwenden zu können, die Daten umzuwandeln, so dass die Richtung der Phasenvariation entweder in die vertikale oder die horizontale Richtung verändert werden kann.
4 zeigt die Datenumwandlung von (K_x, K_y) nach (K ^_x, K ^_y), um die Phasenfehlervariation in die vertikale Richtung auszurichten. Um eine Phasenvariation in vertikaler Richtung auszuführen, ist die nachfolgende Substitution erforderlich: KX = K ^X – tan(φ1 – φ)·KV (1)
Obgleich hier nicht dargestellt, kann diese Anforderung auch analytisch erhalten werden, indem die Fehlerauswirkung berücksichtigt wird, wenn es einen AT-Geschwindigkeitsfehler gibt.
Die Gleichung (1) erfordert, dass K_x als eine Funktion von K_y verschoben wird, und die Phase θ ^ ändert sich zu: θ ^ = 2π(K ^X·X + XY·Y) = –2π[KX·X + KY·(Y + tan(φ1 – φ)·X)] (2)
Deshalb ist die geforderte Phasenänderung von θ = 2π(K_xX + K_yY) bis θ ^ = θ + Δθ: Δθ = –2πtan(φ1 – φ)KYX (3)
Der Ausdruck für θ ^ zeigt ebenfalls an, dass die addierte lineare Phase die Abbildung in horizontaler (Y)-Richtung als Funktion der vertikalen (X)-Position der Ziele verschieben lässt. Das Aufrufen dieses Datenumwandlungsprozesses durch den Versatz-Prozess erfordert eine (Rückversetz)verarbeitung nach der Abschätzung und der Beseitigung des Phasenfehlers, der allen Zielen gemein ist, indem Autofokusalgorithmen verwendet werden.
Da unterstützende Spektren entsprechend den Zielen an unterschiedlichen Azimutorten zueinander verschoben werden, ist es erforderlich, die geeignete Verschiebung auszuführen, so dass die Phasenhistorie von unterschiedlichen Zielen für die Abschätzung und Korrektur des gemeinsamen Phasenfehlers ausgerichtet sind.
5 zeigt die Geometrie für eine Abbildung mit beliebiger Ausrichtung und mit Zielen a und b in der Abbildungsmitte (0, 0) bzw. an den Koordinaten (X, Y). Das Ziel a befindet sich in einem Winkel φ gegenüber der Längsspurrichtung V und einem Abstand R zu dem Radarsystem. Das Ziel b befindet sich in einem Winkel φ₁ zu der Längsspurrichtung V. Die Abbildungsgeometrie in 5 wird eingesetzt werden, um die erforderliche Verschiebungskorrektur zu erhalten, basierend auf dem berechneten Zielwinkel gegenüber dem Sichtwinkel (LOS; line-of-sight).
Aus den Ausdrücken für die räumlichen Frequenzvariablen, K_x = –(2/λ)cosφ und K_y = (2/λ)sinφ, kann die Signalunterstützung für Ziele in der Abbildungs- bzw. Kartenmitte und bei (X, Y) dargestellt werden, wie in 6 gezeigt, wenn die Entfernungstrennung nicht zu groß ist im Vergleich zu der Abbildungsentfernung.
6 ist eine Darstellung, die die Signalunterstützungsgebiete A und B entsprechend den Zielen a bzw. b zeigt. Die Signalunterstützungsgebiete A und B werden um einen Winkel φ – φ₁ verschoben. Die Verschiebung der Signalunterstützung wird durch den Azimutort der Ziele bestimmt.
Da der Phasenfehler verändert wurde, um eine Ausrichtung auf die vertikale (K_x)-Richtung herbeizuführen, wie zuvor diskutiert, kann das Verschieben der Signalunterstützung in vertikaler Richtung ausgeführt werden.
Der Winkel Δφ zwischen den Zielen a und b, wie in 5 gezeigt, kann berechnet werden durch:
Es ist anzumerken, dass die räumliche Frequenz in der Cross-Range-Richtung K_AZ in Richtung der Winkeländerung variiert, und dessen Verschiebung für ein Ziel, das einen Winkel von Δφ zu der Sichtlinie LOS hat, wird ausgedrückt mit ΔK_AZ = 2Δφ/λ. Dann ist die Verschiebung in K_x gegeben zu:
Deshalb ist die Phaseneinstellung, die in der räumlichen Domäne erforderlich ist, um eine Verschiebung in K_x zu kompensieren, gegeben durch:
Hier wird ein Multiplikator benötigt, um die Anforderung zu erfüllen,
Dann hat ΔΦ₁ den Ausdruck:
Die Anwendung dieser Phaseneinstellung macht die Ausrichtung der Signalunterstützung in der räumlichen Frequenzdomäne für Ziele, die an unterschiedlichen Azimut positionen sich befinden, wie in 7 dargestellt. 7 ist eine Darstellung, die das Verschieben der Signalunterstützung in K_x nur als eine Funktion des Zielorts in Cross Range zeigt.
Eine zusätzliche Phaseneinstellung wird erforderlich für ΔK_x = tan(φ₁ – φ)ΔK_y in (1), indem ΔK_y = 2sin(φ₁ – φ)Δφ/λ verwendet wird:
Das Kombinieren der Ausdrücke bzw. Gleichungen (7) und (8) führt zu dem nachfolgenden Ergebnis für die gesamte Phaseneinstellungen:
Das Anwenden dieser Phasenfunktion in der räumlichen Domäne richtet die verschobenen Spektren so aus, dass der gemeinsame Phasenfehler geschätzt und kompensiert werden kann.
Die vorliegende Erfindung stellt ein System und ein Verfahren zur effizienten Phasenfehlerkorrektur in RMA für Abbildungen mit beliebiger Ausrichtung bereit. Zunächst führt das vorgeschlagene Verfahren einen Datenversatz aus, in dem die passende Phaseneinstellung angewendet wird, wie zuvor diskutiert, so dass die Richtung der Unschärfe in die gewünschte vertikale Richtung gewandelt wird. Als nächstes wird die Signalunterstützung für jedes Ziel verschoben, so dass der gemeinsame Phasenfehler ausgerichtet ist. Das Verschieben der Signalunterstützung umfasst sowohl die Basisverschiebung der Signalunterstützung als auch die Hilfsverschiebung aufgrund der Umwandlung der Unschärferichtung, wie zuvor erläutert. Dann kann der gemeinsame Phasenfehler korrigiert werden, indem bekannte Autofokusalgorithmen eingesetzt werden. Die umgekehrte Verarbeitung der zuvor ausgeführten Phaseneinsstellungen muss nach der Phasenkorrektur ausgeführt werden.
8 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines luftgestützten SAR-Systems, das RMA mit dem neuen Phasenkorrekturschema entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung benutzt. Ein SAR-System 16, das auf einem Flugzeug 10 angebracht ist, erzeugt eine elektromagnetische Welle 12, die von einer Bodenfläche 14 reflektiert wird und von dem SAR-System 16 empfangen wird. Das SAR-System 16 umfasst eine Antenne 20, einen Sender 22 und einen Empfänger 24 zum Abstrahlen und Empfangen von elektromagnetischen Wellen. Der Empfänger 24 bildet die Eingangs-Daten der Video-Phasenhistorie (VPH) 28 aus den empfangenen Daten und sendet sie an einen bordeigenen Signalprozessor 26. In dem Signalprozessor 26 ist ein Range Migration-Algorithmus 30 mit dem neuen Phasenkorrekturschema entsprechend den vorliegenden Lehren vorhanden, der eine fokussierte 50 ausgibt.
9 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm, das die Basiskomponenten des RMA zeigt und zeigt, wo das neue Phasenkorrekturschema entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden sollte. Die Basiskomponenten des RMA sind im Stand der Technik bekannt. Die Eingangs-VPA-Daten 28 werden nacheinander durch eine Bewegungskompensationsfunktion 32, eine Entfernungs-Rückversatzfunktion 34 (range deskew function), eine Längsspur FFT 26 (along-track FFT), ein angepasstes Filter 38 und eine Stolt-Interpolation 40 geführt. Das neue Phasenkorrekturschema 44 wird nach der Stolt-Interpolation 40 eingesetzt und erzeugt die endgültige fokussierte 50.
10 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm, das die Basiskomponenten des neuen Phasenkorrekturschemas 44 entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung zeigt. Die interpolierten Daten 58, die von der Stolt-Interpolation 40 ausgegeben werden, werden zunächst durch eine Versatzfunktion 60 (skew function) geführt, gefolgt von einer Phasenverschiebung 62 und einer Autofokusfunktion 64. Nach der Autofokusfunktion 64 wird eine Rückverschiebung 66 und ein Rückversatz 68 (deskew 68) angewendet. Schließlich wird eine zweidimensionale FFT 70 angewendet, um eine fokussierte 50 auszubilden.
Das vorgeschlagene Phasenkorrekturverfahren muss in der räumlichen Frequenzdomäne nach der Stolt-Interpolation 40 implementiert werden. Ein passendes Auffüllen mit Nullen wird benötigt, um einen Wrap-around-Effekt während der Ausführung der FFT-Funktionen zu vermeiden. Indem Eingangsdaten nach der Stolt-Interpolation genommen werden, gibt es zwei Fälle. Der erste Fall ist, wenn die interpolierten Daten in der räumlichen Frequenzdomäne (K_x, K_y) die minimale Größe in K_x haben, die erforderlich ist für die gewünschte Auflösung. Da der Phasenfehler abgeschätzt wird, indem die verschobenen Spektren jedes Ziels verwendet werden, kann der geschätzte Phasenfehler in diesem Fall weniger genau in den Azimutrand in der räumlichen Frequenzdomäne sein. Der zweite Fall ist, wenn die interpolierten Daten in der räumlichen Frequenzdomäne eine Strahllänge K_x haben, so dass das überlappende Gebiet groß genug für die Phasenkorrektur der gewünschten Länge während und nach dem Vorwärts- und Rückwärtsverschieben ist. Diese zwei Fälle werden zunächst diskutiert, bevor die detaillierten funktionalen Schritte dargestellt werden.
11a bis 11c zeigen die Datenlängenvariation für den Fall mit minimaler spektraler Datengröße. 11a zeigt die interpolierten Daten nach der Stolt-Interpolation in der (K_x, K_y)-Domäne. Die Datenlängen in K_x und K_y sind DK_xmin und DK_y.
11b zeigt die Datenposition nach dem Datenversatz, um die Unschärfe in die vertikale Richtung zu verändern. Die Datenlänge in K_x wird DK_xmin + DK_ytan(φ₁ – φ).
11c zeigt die Datenposition nach der Datenverschiebung in K_x. Die Datenlänge in K_x wird DK_xmin + DK_ytan(φ₁ – φ) + 2(2/λ)ΔΦ_max. Aufgrund der positionsabhängigen Verschiebung können nicht alle Ziele eine Phaseninformation bereitstellen, die für die Abschätzung und die Korrektur des gemeinsamen Phasenfehlers in dem ursprünglichen Spektralgebiet erforderlich ist. Deshalb kann in diesem Fall ein gewisses Maß an Verschlechterung bei der Phasenkorrekturleistung auftreten. Allerdings bietet dieser Fall einen Vorteil bei der Berechnung, wenn eine räumlich variante Apodisati onsfunktion (SVA) eingesetzt wird, da eine Vorwärts- und eine Rückwärts-FFT-Funktion in der letzten Stufe der Verarbeitung in dem anderen Fall nicht erforderlich sind.
In dem vorherigen Fall führen unbedeckte Spektralbereiche aufgrund der zielabhängigen Verschiebung zu einer Verschlechterung der Phasenkorrekturleistung. Dies kann vermieden werden, indem Spektraldaten mit erweiterter Länge verwendet werden.
12a–12c zeigen die Datenlängenvariation für den Fall mit erweiterter spektraler Datengröße. 12a zeigt die interpolierten Daten nach der Stolt-Interpolation in der (K_x, K_y)-Domäne. Die Datenlängen in K_x und K_y sind DK_x bzw. DK_y, wobei DK_x = DK_xmin + 2(2/λ)ΔΦ_max ist.
12b zeigt die Datenposition nach dem Datenversatz, um die Unschärfe in vertikale Richtung zu verändern. Die Datenlänge in K_x wird zu DK_x + DK_ytan(φ₁ – φ).
12c zeigt die Datenposition nach der Datenverschiebung in K_x. Die Datenlänge in K_x wird zu DK_x + DK_ytan(φ₁ – φ) + 2(2/λ)ΔΦ_max. Da die Phaseninformation von jedem Ziel in dem Abbildungsgebiet nach der spektralen Verschiebung verfügbar ist, sollte die Phasenkorrekturleistung besser sein als in dem Fall mit der minimalen spektralen Größe. Es gibt weiterhin ein kleines Gebiet, das von der Datenaufnahme nicht abgedeckt ist, wie in dem ersten spektralen Rechteck in 12a gekennzeichnet ist. Falls gewünscht, kann dies vermieden werden, indem Extraabtastungen in K_y genommen werden, wie durch gepunktete Linien dargestellt.
13a und 13b sind Flussdiagramme des neuen Phasenkorrekturalgorithmus entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung. Das Flussdiagramm beginnt in 13a und wird in 13b fortgesetzt.
In Schritt 1 werden die Daten von der Stolt-Interpolation als Eingang genommen. Wie zuvor erläutert, gibt es zwei Fälle mit unterschiedlichen Größen der Spektren.
Die gewünschte Auflösung δ_x bestimmt die erforderliche minimale Länge DK_xmin der interpolierten Daten in der räumlichen Frequenzdomäne: DK_xmin = k_x/δ_x für den Hauptkeulenerweiterungsfaktor K_x. Indem mehr Daten als das geforderte Minimum genommen werden, wird mehr Zielphaseninformation erhalten und deshalb eine bessere Phasenabschätzung. Eine erweiterte Datenlänge auf jeder Seite kann berechnet werden durch den nachfolgenden Ausdruck, der aus Gleichung (9) erhalten wird:
Hier sind W_x und W_y die Abbildungsgröße in jede Richtung. Die Datenlänge für den Fall des erweiterten Eingangs kann ausgedrückt werden mit DK_x = DK_xmin + 2ΔK_x.
In Schritt 2 wird eine Inverse Fast Fourier-Transformations-(IFFT)Funktion in K_x auf die Daten angewendet, um sie in die räumliche Domäne umzuwandeln, so dass die Phaseneinstellung Δθ in Gleichung (3) in Schritt 3 zum Verschieben in K_x als Funktion von K_y angewendet werden kann. Nach diesem Schritt sind die Daten in der (X, K_y)-Domäne.
In Schritt 3 wird die Phaseneinstellung Δθ in Gleichung (3) angewendet. Die Anwendung dieser Phase in der (X, K_y)-Domäne dient dazu, die Daten zu versetzen, um die schräge Unschärfe in vertikale Richtung auszurichten.
In Schritt 4 wird eine Inverse Fast Fourier Transformations-(IFFT) in K_y angewendet, um die Daten in die Abbildungsdomäne (X, Y) umzuwandeln, so dass die Phaseneinstellung in Schritt 5 ausgeführt werden kann, um den verschobenen gemeinsamen Phasenfehler als eine Funktion der Azimutposition auszurichten.
In Schritt 5 wird die Phaseneinstellfunktion Δθ, die in Gleichung (9) ausgedrückt ist, angewendet, um die verschobenen Zielspektren auszurichten, so dass der gemeinsa me Phasenfehler richtig geschätzt werden kann und durch eine Autofokusfunktion in Schritt 7 korrigiert werden kann.
In Schritt 6 wird eine Vorwärts FFT-Funktion in X angewendet, um die Daten in X nach K_x umzuwandeln, so dass der gemeinsame Phasenfehler geschätzt werden kann und durch die nachfolgende Autofokusfunktion (Schritt 7) korrigiert werden kann. Nach diesem Schritt sind die Daten in der (K_x,y)-Domäne.
In Schritt 7 kann jeder parametrische oder nicht parametrische Autofokusalgorithmus oder eine Kombination der Algorithmen angewendet werden, um den Phasenfehler, der allen Zielen gemein ist, abzuschätzen und zu korrigieren, indem die verschobenen korrigierten entfernungskomprimierten Daten in der K_x-Domäne verwendet werden.
In Schritt 8 wird eine Inverse FFT in K_x angewendet, um die phasenkorrigierten Daten in die Abbildungs(räumliche)-Domäne umzuwandeln, so dass eine umgekehrte Phasenverschiebung (–Δθ) in Schritt 9 angewendet werden kann, um die verschobene Signalunterstützung wiederherzustellen.
In Schritt 9 wird die inverse Funktion (–Δθ) der Phaseneinstellung, die früher (Schritt 5) ausgeführt wurde, angewendet, um die Signalunterstützung zurückzuschieben, die abhängig ist von dem Zielazimutort.
In Schritt 10 wird eine Vorwärts FFT-Funktion in Y angewendet, um die Daten von Y nach K_y, umzuwandeln, so dass die Rückversatz(deskew)funktion (–Δθ) in Schritt 11 angewendet werden kann. Nach diesem Schritt sind die Daten in der (X, K_y)-Domäne.
In Schritt 11 wird eine Rückversatzphasenfunktion (–Δθ) angewendet, um die verschobene Abbildung in Y für eine vorgegebene Position in X zurückzuschieben, um damit die Versatzfunktion, die in Schritt 3 angewendet wurde, umzukehren.
In Schritt 12, falls SVA bei dem Eingangsspektrum minimaler Länge verwendet wird, gehe zu Schritt 16, ansonsten gehe zu Schritt 13.
In Schritt 13 werden Gewichtungen und eine Inverse FFT in K angewendet, um die Daten in Y zu komprimieren. Nach diesem Schritt sind die Daten in der Abbildungsdomäne (X, Y).
In Schritt 14 wird eine Vorwärts FFT in X angewendet, um die Daten nach K umzuwandeln, so dass die Daten der korrigierten Größe genommen werden und eine Gewichtungsfunktion angewendet werden kann.
In Schritt 15 werden Gewichtungen und eine Inverse FFT in K angewendet, um Daten in X zu komprimieren, um damit eine endgültige fokussierte 50 zu bilden.
Falls SVA bei dem Eingangsspektrum minimaler Länge verwendet wird, können die Verarbeitungsschritte reduziert werden.
In Schritt 16 wird eine Inverse FFT in K_y angewendet, um die Daten in Y ohne Gewichtung zu komprimieren, so dass SVA in Schritt 17 angewendet werden kann. Nach diesem Schritt sind die Daten in der Abbildungsdomäne (X, Y).
In Schritt 17 wird eine zweidimensionale SVA angewendet, um die Seitenkeulenpegel zu reduzieren, während das Hauptkeulenbreitenminimum erhalten bleibt. Die SVA-Funktion gibt eine endgültige fokussierte 50 aus.
Die Phasenkorrektur wird viel einfacher, wenn die verarbeitete Abbildung in der Entfernungs-Azimutrichtung ausgerichtet ist. Dies ist so, weil es nicht notwendig ist, die Phaseneinstellung durch Δθ aufzunehmen, um die Richtung der Unschärfe in die vertikale Richtung auszurichten. Als Ergebnis können die Schritte 3, 10, 11, 13 und 16 in 13 beseitigt werden. Da (φ₁ – φ) Null ist, isst Δφ, das in Gleichung (9) be zeichnet wird, keine Funktion der Entfernungsvariablen Y. Vereinfachte Verarbeitungsschritte mit diesen Einstellungen aus 13 sind in 14 dargestellt.
14 ist ein Flussdiagramm, das die vereinfachte Verarbeitungsreihe zur Fokussierung von RMA-basierten SAR-Abbildungen zeigt, die in Entfernungs-Azimutrichtung ausgerichtet sind. Die Reihe ist gleich zu der in 13 gezeigten, wobei die Schritte 3, 10, 11, 13 und 16 weggelassen sind. Nach der Autofokussierung (Schritt 7), falls die Eingangsdaten erweiterte Länge hatten, werden dann die Schritte 8, 9 und 10 ausgeführt. Andernfalls werden diese Schritte übersprungen. Dann werden die Schritte 15 und 17 angewendet und die endgültige fokussierte 50 erzeugt.
Somit wurde die Erfindung hier mit Bezug auf eine bestimmte Ausführungsform für eine bestimmte Anwendung beschrieben. Der Fachmann, der Zugriff auf die vorliegenden Lehren hat, wird erkennen, dass zusätzliche Modifikationen, Anwendungen und Ausführungsformen möglich sind, die innerhalb des Umfangs dieser Erfindung liegen.
Es ist deshalb beabsichtigt, dass die angehängten Ansprüche alle und sämtliche Anwendungen, Modifikationen und Ausführungsformen innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung abdecken.

Claims

System (44) zum Fokussieren einer Abbildung, die in einer beliebigen Richtung ausgerichtet ist und von einem Radarsystem mit synthetischer Apertur (SAR) gesammelt wurde, wobei mehrere Ziele entsprechende Signalunterstützungsgebiete haben, gekennzeichnet durch: einen ersten Mechanismus (60) zum Versetzen der Abbildung; einen zweiten Mechanismus (62) zum Ausrichten der Signalunterstützungsgebiete von allen Zielen, nachdem die Abbildung versetzt wurde; und einen dritten Mechanismus (64) zum Korrigieren des gemeinsamen Phasenfehlers, nachdem die Signalunterstützungsgebiete ausgerichtet wurden.
System nach Anspruch 1, wobei das Versetzen die Richtung der Unklarheit in der Abbildung zu einer der räumlichen Frequenzachsen der Abbildung ausrichtet.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Mechanismus (60) aufweist: einen vierten Mechanismus zum Umwandeln der Eingangdaten in die (X, K_y) Domäne, und einen fünften Mechanismus zum Anwenden einer Phaseneinstellung auf die umgewandelten Daten.
System nach Anspruch 3, wobei die Phaseneinstellung gegeben ist durch Δθ = 2πtan(φ₁ – φ)K_yX, wobei φ der Dopplerkonuswinkel und φ₁ der Abbildungsausrichtungswinkel ist, der längs nach Führungsrichtung gemessen wurde.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Mechanismus (62) aufweist: einen sechsten Mechanismus zum Umwandeln der versetzten Daten in die Raumdomäne (X, Y), und einen siebten Mechanismus zum Anwenden einer Phasenverschiebung auf die sich ergebenden Raumdomändaten.
System nach Anspruch 5, wobei die Phasenverschiebung gegeben ist durch:
wobei λ die Wellenlänge des gesendeten Radarsignals ist und R der Abstand von der Radarplattform zu der Abbildungsmitte ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der dritte Mechanismus (64) aufweist: einen achten Mechanismus zum Umwandeln der phasenverschobenen Daten in die (K_x, Y) Domäne, und einen neunten Mechanismus zum Anwenden eines Autofokusmechanismus auf die umgewandelten Daten.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System ferner aufweist: einen zehnten Mechanismus (66) zum Verschieben der Signalunterstützungsgebiete zurück in ihre ursprünglichen Positionen, nachdem der Phasenfehler korrigiert wurde.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System ferner einen elften Mechanismus (68) zum Zurückversetzen der Abbildung aufweist, um die Daten in ihre ursprüngliche Position zu bringen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System ferner einen zwölften Mechanismus (70) zum Erzeugen einer endgültigen fokussierten Abbildung aus den phasenkorrigierten Daten aufweist.
Verfahren zum Fokussieren einer Abbildung, die in beliebiger Richtung ausgerichtet ist und von einem Radarsystems mit synthetischer Apertur (SAR) gesammelt wurde, wobei mehrere Ziele entsprechende Signalunterstützungsgebiete haben, gekennzeichnet durch die Schritte: Versetzen der Abbildung, so dass die Richtung der Unklarheit in der Abbildung zu einer der räumlichen Frequenzachsen der Abbildung ausgerichtet wird; Ausrichten der Signalunterstützungsgebiete von allen Zielen, nachdem die Abbildung versetzt wurde; und Korrigieren des gemeinsamen Phasenfehlers, nachdem die Signalunterstützungsgebiete ausgerichtet wurden.