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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf kohärent gerechnete
Abbildungssysteme, und etwas genauer auf adaptive Filter zur Verwendung
mit kohärent
gerechneten Abbildungssystemen.
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Um
die komplexen Interferogramme zu verarbeiten, die von Radarsystemen
mit einer synthetischen Apertur (SAR Systemen) erzeugt werden, verwendet
man adaptive Filter. Der Stand der Technik in Bezug auf die vorliegende
Erfindung besteht darin, ein räumlich
invariantes Filter auf ein komplexes Interferogramm anzuwenden (eine
Stufe eines M-stufigen Filters, wie es in 1 dargestellt
ist). Der Nachteil liegt darin, dass diese festen Filter die Genauigkeit
in Bereichen mit starken Reliefs bzw. starken Deformationsgradienten,
die durch drastische Veränderungen
in den Gradienten der interferometrischen Phase charakterisiert
sind, signifikant verschlechtern können. Das US-Patent mit der
Nr. 5,488,374 und dem Titel „Multi-Scale
Adaptive Filter for Interferometric SAR Data" [Mehrskaliges adaptives Filter für interferometrische
SAR-Daten], das
auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen wurde, widmet sich
diesem Nachteil, aber es erfüllt
nicht die Forderung nach einem konstanten und unabhängigen Stützstellenabstand.
Diese Forderung beinhaltet, dass der Bereich für die Mittelwertbildung bzw.
die effektive Breite der Impulsantwort des Filters konstant ist.
Die vorliegende Erfindung erfüllt
diese Forderung und sie beseitigt die Leistungsnachteile der festen
Filter aus dem Stand der Technik.
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Selbst
unter den besten Bedingungen ist eine nennenswerte Filterung von
Nöten,
um zuverlässige
interferometrische Phasenmessungen für topografische Abbildungen
und andere Anwendungen von interferometrischem Radar mit synthetischer
Apertur (SAR) zu erhalten.
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Dementsprechend
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein adaptives Filter
und ein Filterverfahren nach Art der
US
5,488,374 anzugeben, die jedoch die Forderung nach einem
konstanten, unabhängigen
Stützstellenabstand
erfüllen,
was eine konstante effektive Breite der Impulsantwort des Filters
bedingt.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein adaptives Filter
zur Verwendung in einem kohärent
gerechneten Abbildungssystem erfüllt,
mit:
einem kohärenten
adaptiven Vorfilter, das eine Vielzahl von festen Filtern aufweist,
die jeweils eine vorbestimmte räumlich
invariante Impulsantwort breit besitzen, wobei die festen Filter
adaptiv mit einer gewichteten Summe kombiniert werden, um ein kohärent gefiltertes
komplexes Interferogramm zu erzeugen,
einem Phasenentfaltungskreis
zum Entfalten der Phase der kohärent
gefilterten komplexen Interferogramme, und
einem adaptiven
nicht-kohärenten
Nachfilter zum Durchführen
einer gewichteten Kombination der phasenentfalteten Interferogramme,
um die Impulsantworten lokal in umgekehrter Relation zu der Impulsantwortbreite des
kohärenten
adaptiven Vorfilters einzustellen, um die Mischung zwischen kohärenter und
nicht-kohärenter Mittelwertbildung
automatisch einzustellen, um einen räumlich invarianten Mittelwertbildungsbereich
zu erhalten.
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Gemäße einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren
zur adaptiven Filterung gelöst,
mit den Schritten:
Adaptives Filtern von interferometrischen
Daten unter Verwendung einer Vielzahl von festen Filtern, die jeweils eine
vorbestimmte räumlich
invariante Impulsantwort breite besitzen, um ein kohärent gefiltertes
komplexes Interferogramm durch eine gewichtete Summe der festen
Filter zu erzeugen,
Entfalten der Phase des kohärent gefilterten
komplexen Interferogramms, und
Berechnen einer gewichteten
Kombination der phasenentfalteten Interferogramme, um die Impulsantworten lokal
in umgekehrter Relation zu der Impulsantwortbreite des kohärenten adaptiven
Vorfilters einzustellen, um die Mischung zwischen kohärenter und
nicht-kohärenter
Mittelwertbildung automatisch einzustellen, um einen räumlich invarianten
Mittelwertbildungsbereich zu erhalten.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf Daten von der geplanten Shuttle Radar
Topographic Mapping Mission (SRTM) anwendbar, mit der die Erde interferometrisch
kartografiert wird, auf Daten von LightSAR, einem bei der NASA unter
Betrachtung befindlichen Konzept auf kleiner Satellitenbasis, Intermap
(einem Joint-Venture von ERIM mit dem Ziel kommerzielle Anwendungen
für deren
IFSARE-System zu finden), ERS-1/2 sowie anderen Serviceprojekten
mit entfernungsbasierten Detektionsverfahren, die international
aufkommen, anwendbar. Andere Anwendungen beinhalten Lasermessungen,
die in Produktionsumgebungen eingesetzt werden (zum Beispiel optische
Fenster und Spiegel) und Abbildungsverfahren mit magnetischer Resonanz
(MRI).
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Die
verschiedenen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen
sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung
mit den beigefügten
Zeichnungen leichter verstehen, wobei gleiche Bezugszeichen jeweils
gleiche strukturelle Elemente bezeichnen, und in denen
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1 ein
konventionelles adaptives interferometrisches Filter zeigt, das
einer gewichteten Summe von festen Filtern entspricht,
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2 zeigt,
dass ein adaptives Filter in Bezug auf diskrete Merkmale verbesserte
Details liefert, ohne glatte Bereiche zu beeinträchtigen,
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3 die
verbesserte Kohärenz
zeigt, die man bei Verwendung eines adaptiven Filters erhält, was
zu einer dreifachen Verbesserung beim quadratischen Mittelwert des
Phasenfehlers in Bereichen mit starken Reliefs führt,
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4 die
Verwendung eines räumlich
varianten Nachfilters zeigt, das einem adaptiven Filter nachgeführt ist,
um einen konstanten Mittelwertbildungsbereich zu erhalten, um ein
adaptives Filter nach den Grundzügen
der vorliegenden Erfindung zu erstellen, und
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5 die
Genauigkeit der Phasenmessung bei 4 als Funktion
der Breite des festen Vorfilters zeigt, wobei eine optimale Anpassung
der Breite des Vorfilters die Phasenfehler sichtlich reduziert.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Familie von mehrskaligen adaptiven
Filtern bereit, die die Breite ihrer Impulsantwort automatisch an
die Eigenschaften der lokalen Daten anpassen, wodurch die Genauigkeit, Ausbeute
und/oder Details der interferometrischen Messungen optimiert werden.
Selbst bei besten Bedingungen benötigt man für ein interferometrisches SAR
eine nennenswerte Filterung, um Phasenmessungen bei der topografischen
Kartografie und bei anderen Anwendungen zuverlässig zu machen. Typischerweise
wurde ein Filter 10 (1) mit einer
festen Breite der Impulsantwort auf ein komplexes Interferogramm
angewendet. Ungeachtet dessen sind die interferometrischen SAR-Daten
außerordentlich
variabel in Bezug auf das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR), die intrinsische
Kohärenz,
die Detailmenge und die Ausprägung
des vorhandenen Reliefs in dem Gebiet. Die optimale Filterbreite
(und auch die machbare Breite) kann in Gebieten mit starken Reliefs
bzw. starken Deformationsgradienten von einem Auflösungselement
zum nächsten
schwanken.
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Das
vorliegende adaptive Filter 20 (4) bzw.
zusammengesetzte adaptive Filter 20 verwendet feste Filter 10 mit
mehreren Filterbreiten, um komplexe Interferogramme zu verarbeiten
und führt
anschließend
eine gewichtete Kombination dieser fest gefilterten Interferogramme
durch, wobei eine datenabhängige
Gütefunktion
verwendet wird. Die datenabhängige
Gütefunktion
ist allgemein in dem US-Patent mit der Nr. 5,488,374 offenbart.
Die resultierende Gewichtsfunktion ist bei jedem Auflösungselement
typischerweise eine nicht-lineare Funktion der Interferogrammgröße und -kohärenz für jedes
Ausgangssignal eines festen Filters bei jedem Auflösungselement.
Es wurden simulierte Daten erzeugt, die bei diskreten Merkmalen
verbesserte Details zeigen sowie eine bis zu dreifach verbesserte
Genauigkeit für
Bereiche mit starken Reliefs, wenn die vorliegende Erfindung verwendet
wurde.
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In
Fällen,
in denen Ausgangsdaten benötigt
werden, die einen festen Mittelwertbildungsbereich besitzen, d.h.
wenn man ein digitales Höhenmodell
(DEM) mit unabhängigen
Stützpunkten
auf einem gleichmäßig abgetasteten
Gitter erzeugen möchte,
wird ein zusammengesetztes adaptives Filter 20 verwendet,
um einen konstanten Mittelwertbildungsbereich zu erhalten, wobei
das Filter nach den Grundzügen
der vorliegenden Erfindung realisiert ist. Ein räumlich variantes Filter 30 (4)
bzw. Nachfilter 30, das dem kohärenten adaptiven Filter 10 nachgeführt ist,
wird nicht-kohärent angewendet
(nach dem Entfalten 25 der Phase). Die Breite der Impulsantwort
des Nachfilters 30 variiert umgekehrt zu der Breite des
kohärenten
adaptiven Filters 10, so dass die Breite der zusammengesetzten
Impulsantwort räumlich
invariant ist. Um die potentiellen Vorteile der adaptiven Filterung
für den
Fall eines konstanten Mittelwertbildungsbereichs besser zu verstehen,
wird die Phasengenauigkeit als Funktion der Größe des kohärenten Anteils der zusammengesetzten
Filter und als eine Funktion der lokalen Phasengradienten untersucht.
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Eine
Ausbaustufe der vorliegenden Erfindung wird nun mit speziellem Bezug
auf die Zeichnungen erläutert.
In
1 ist ein konventionelles adaptives interferometrisches
Filter
10 gezeigt, das man aus einer gewichteten Summe
von festen Filtern erhält,
wobei dieses konventionelle adaptive Filter als festes interferometrisches
Filter
10 bezeichnet ist. Es sei angenommen, dass A
1 und A
2 ein Paar
von komplexen Bildern seien, die interferometrisch verglichen werden.
Das normalisierte, gefilterte Interferogramm ergibt sich aus:
wobei
(i, j) die Pixelkoordinaten sind, z.B. bei Auflösungselementen in Entfernung
und Azimut, und wobei w (k, l) die Impulsantwort des Filters ist,
die unabhängig
von (i, j) ist. Die interferometrische Phase ϕ(i, j) ergibt
sich aus der Phase von A
f (i, j), und das
Korrelogramm bzw. die Kohärenz μ(i, j) ergibt
sich aus dem Betrag von A
f (i, j). Man erhält ein gleichmäßig geformtes
festes Filter
10, wenn w über einen kleinen Bereich konstant
ist, wie z.B. einen Pixelbereich von 5 × 5, und andernfalls 0 ist.
Diese Realisierung ist eine Mittelwertbildung über einen lokalen Bereich.
Es können
auch andere Formen von festen Filtern verwendet werden, um einen
gewichteten Mittelwert zu erhalten, wenn z.B. w eine Gauß-Form annimmt,
wobei die Breite der Impulsantwort im quadratischen Mittel (RMS)
das zweifache der Standardabweichung der Gaußfunktion ist. In jedem Fall
kann man die Effizienz steigern, indem man die obigen zweidimensionalen
(2D) Faltungen als Kaskade von 1D-Faltungen realisiert, wobei man
die räumliche
Trennbarkeit der allgemeinen Formen von w ausnutzt.
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Es
wird nun ein adaptives interferometrisches Filter erläutert. Die
Festfilterform der Gleichung (1) kann effizient auf ein adaptives
Filter ausgedehnt werden, welches Detail, Genauigkeit und Ausbeute
in Bereichen mit stark variierenden Details, Qualitäten oder
Phasengradienten deutlich verbessert. „Feste Filterung" bedeutet, dass die
Filterfunktion w (k, l) räumlich
invariant ist, d.h. sie ist überall
gleich, egal wo sie auf das Bild angewendet wird, wohingegen „adaptives
Filtern" es erlaubt,
dass das Filter räumlich
variant ist, so dass es von den Daten selbst abhängt. Die allgemeine Form eines
räumlich
varianten Filters ist w (k, l; i, j), und ein spezieller Fall w
(k, l; σ (i,
j)] wird betrachtet, wobei σ der
Parameter ist, der die Breite der Impulsantwort repräsentiert (Standardabweichung
im Fall einer Gauß-Form),
und wobei eine Näherung,
die aus einer Summe von einfachen Faltungen, d.h. festen Filtern,
die jeweils unterschiedliche Breiten besitzen, folgendermaßen formuliert werden
kann:
wobei
β = β
m, m
= 0,..., M-1 eine Gewichtsfunktion ist, die die „beste" aus einer Familie von räumlich invarianten Impulsantwortbreiten σ
m betont.
Die zuletzt angegebene Filterform lässt sich effizient berechnen,
wenn man räumlich
trennbare und räumlich
invariante Filter verwendet. Das Filter kann auch realisiert werden,
wenn man eine mehrstufige Pyramide verwendet, wobei die m-te Filterstufe
aus der (m-1)-ten Filterstufe berechnet wird, wobei ein identischer
Filter- und Dezimierungsprozess verwendet wird, wie er in dem US-Patent
mit der Nr. 5,488,374 offenbart ist.
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Die
Parameterfunktionen σ bzw. βm sind
Funktionen von einiger Statistik, die man aus A1 und
A2 ableitet, üblicherweise Nebenprodukte
der Filterung selbst, wie etwa μ (i,
j; σ) =
|Af (i, j; σ)|, also die für die bestimmte Filtergröße erhaltene
Kohärenz.
Die Gewichtsfunktion βm (i, j) bei jeder Probe (i, j) wurde als
eine einfache nicht-lineare Funktion der zwischenzeitlichen festgefilterten
Interferogramme an derselben Stelle genommen, was zu einer einfachen
und effizienten Struktur führt,
wie sie in 1 dargestellt ist. Die Gewichtsfunktion
ist dazu ausgebildet, die Filterbreite lokal zu gewichten, um eine
Gütefunktion
(näherungsweise)
zu optimieren. Es wurde eine Anzahl von Gütefunktionen verwendet, die
eine maximale Kohärenz,
eine maximale Größe des nicht-normalisierten
Interferogramms sowie einen minimalen Phasenfehler beinhalten.
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Die
gewünschte
Tendenz liegt darin, in Bereichen mit geringer Kohärenz, sei
es aufgrund von zeitlichen Schwankungen, Effekten der Volumenstreuung
oder geringem Signal-zu-Rausch-Verhältnisses, mehr zu glätten und
in Bereichen mit starker Kohärenz
bzw. großen
Details/Reliefs weniger zu glätten
(wo eine geringe Kohärenz
nur ein Artefakt eines großen
festen Filters ist). Die Simulationsbeispiele sind für mehrere
solcher Effekte repräsentativ.
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Nun
werden die Simulationsergebnisse diskutiert. 2 zeigt
einen simulierten Satz von diskreten dreiflächigen Streuern, die gegenüber dem
flachen Terrain angehoben sind, wobei das adaptive Filter Details in
Bereichen mit starkem Signal-zu-Rausch-Verhältnis
erhält,
während
es umliegendes glattes Terrain adäquat filtert. Selbst ein zweikanaliges
SAR Interferometer mit hoher Qualität kann signifikante Bereiche
mit reduzierter Kohärenz
aufgrund von Pixeln besitzen, die eine geringere Rückstreuung
als der durchschnittliche Rückstreuer
aufgrund von Luftflimmern, Variationen der Oberflächenneigung
und Variationen des Rückstrahlvermögens aufweisen.
Die Phasendifferenz im Rohzustand zeigt sehr große Phasenfehler einfach aufgrund
von Scintillationseffekten und einem thermischen Rauschpegel 10
dB unterhalb des durchschnittlichen Terrains. Das auf maximale Größe ausgerichtete
feste Filter (σm = 4, was zu einer Breite der zweiseitigen
RMS-Impulsantwort mit acht Pixeln führt) verbessert die Phasenmessung
im glatten Terrain auf Kosten der Auflösung, was die Fähigkeit
zwischen einzelnen Merkmalen zu unterscheiden deutlich verschlechtert.
Das vorliegende adaptive Filter säubert die Phase, wo es gebraucht
wird, und erhält
trotzdem die meisten Details bei den diskreten Merkmalen. In 2 wurde
die Gütefunktion
für ein
maximales nicht-normalisiertes Interferogramm verwendet, aber andere
Gütefunktionen
lieferten vergleichbare Ergebnisse.
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3 zeigt
einen simulierten Hügel,
der über
eine flache Oberfläche
hervorsteht. Variationen der Größe sind
nur ein Folge von Variationen der Oberflächenneigung und von Speckles
(Flecken). Hier kann man das nominale feste Filter in Bereichen
mit starken Reliefs nicht verwenden, weil der starke Phasengradient
mit Ringen, die nur fünf
Pixel voneinander entfernt liegen, in den Bereich der Filterbreite
kommt (zweiseitige RMS mit vier Pixeln). Bereiche mit einem geringen
jedoch endlichen Signal- zu-Rausch-Verhältnis benötigen ein
viel breiteres Filter als dies für
die Bereiche mit den starken Reliefs machbar ist. Dies schließt nicht-schattierte
Teile auf der Rückseite
des Hügels
sowie Pixel, die wir in 2 nach unten scintilliert haben,
ein. Die machbare Filterbreite ist daher räumlich variant. Hier verbessert
das adaptive Filter die Kohärenz
in den steilen Bereichen von 0,3 auf 0,7, während es die mittlere Kohärenz in
den flachen Bereichen bei 0,91 hält,
wobei dieser Wert aus dem mittleren Signal-zu-Rausch-Verhältnis von 10 dB kommt. Dies
bedeutet eine dreifache Reduktion des Phasenfehlers im quadratischen
Mittelwert in steilen Bereichen ohne eine Verschlechterung der glatten
Bereiche.
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Wenn
man eine Forderung nach festen unabhängigen Stützpunktabständen aufstellt, wie z.B. bei
der DEM-Produktion, verlangt dies nach einer konstanten Begrenzung
des Mittelwertbildungsbereichs, einer konstanten Impulsantwort bzw.
Bandbreite. Ein adaptives Filter, das diese Begrenzung erfüllt, kann
nach der vorliegenden Erfindung realisiert werden, indem man die
Mischung zwischen kohärenter
Mittelwertbildung (Filterung des komplexen Interferogramms) und
nicht-kohärenter
Mittelwertbildung (Filterung der entwickelten Phase) in geeigneter
Weise wählt.
Dies ist in 4 dargestellt, wo das kohärente Vorfilter
ein adaptives Filter der bereits oben beschriebenen Art beinhaltet,
eine kohärente
Filterkarte σ (i,
j), die die Breite der Impulsantwort des kohärenten Filters angibt, die
für jedes
Auflösungselement
verwendet wurde, sowie ein nicht-kohärentes Nachfilter, das dem
adaptiven Filter nachgeführt
ist, so dass es dessen Impulsantwort in Übereinstimmung mit der kohärenten Filterkarte
anpasst, um eine konstante zusammengesetzte Impulsantwort zu erhalten.
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5 zeigt
ein Diagramm der Genauigkeit der Phasenmessung als Funktion der
kohärenten
Filtergröße, wenn
solch ein zusammengesetztes Filter verwendet wird. 5 zeigt,
dass die Genauigkeit steil abfällt, wenn
die Breite des kohärenten
Filters einen halben Zyklus oder mehr der Variation der interferometrischen Phase
einnimmt. Die Effekte der Fehler aus der groben Phasenentfaltung,
wie z.B. falsche Zyklusvielfache, mögen auf den speziellen Algorithmus
zur Phasenentfaltung zurückzuführen sein
und sind hier nicht beinhaltet, auch wenn solche Fehler wahrschein lich
die Form der dargestellten Fehlerkurven verändern. Die Ausprägung des
adaptiven Filters mit der Maximierung der Kohärenz hält den kohärenten Anteil der Filterbreite
automatisch in der Nähe
der Minimalwerte dieser Kurven. In diesem Beispiel ist der Bereich
der effektiven Mittelwertbildung N2 = 16
SAR Auflösungselemente,
wobei N2 die effektive Anzahl der gemittelten
unabhängigen Proben
ist. Dies erzeugt ein DEM mit demselben unabhängigen Stützstellenabstand, wie man mit
einem festen rechteckigen 4 × 4-Filter
erhalten kann, allerdings mit verbesserten Ergebnissen in Bereichen
mit starken Reliefs. 5 zeigt z.B., dass man eine
dreifache Reduzierung bei dem Phasenfehler in Bereichen mit einem moderaten
Phasengradienten von 45 Grad erhalten könnte, indem man die Breite
der kohärenten
Impulsantwort von 4,0 auf 2,0 reduziert.
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Die
vorliegende Erfindung liefert damit eine Familie von adaptiven Filterverfahren
für die
Interferometrie zusammen mit Simulationsbeispielen, die verbesserte
Details und eine verbesserte Messgenauigkeit bei der Phase zeigen.
Außerdem
bieten diese adaptiven Filter einen Vorteil, selbst wenn der Bereich
für die
Mittelwertbildung so begrenzt ist, dass er einem konstanten DEM
Stützstellenabstand
gleichkommt. Eine effiziente Realisierung der Filter benötigt nur
geringfügig
höheren
Rechenaufwand als normale feste, gewichtete Filter.
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Es
wurden also verbesserte Filter zur Verwendung bei kohärent gerechneten
Abbildungssystemen offenbart. Es versteht sich, dass die beschriebenen
Ausführungsbeispiele
nur beispielhaft für
einige der zahlreichen speziellen Ausführungsbeispiele sind, die Anwendungen
der Grundzüge
der vorliegenden Erfindung darstellen. Es können daher viele und andere
Vorrichtungen von den einschlägigen
Fachleuten auf diesem Gebiet formuliert werden, ohne aus dem Schutzbereich
der Erfindung herauszugehen.