EP4639211A1 - Verfahren zur rechnergestützten verarbeitung von sar-rohdaten - Google Patents

Verfahren zur rechnergestützten verarbeitung von sar-rohdaten

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Publication number
EP4639211A1
EP4639211A1 EP23833010.4A EP23833010A EP4639211A1 EP 4639211 A1 EP4639211 A1 EP 4639211A1 EP 23833010 A EP23833010 A EP 23833010A EP 4639211 A1 EP4639211 A1 EP 4639211A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sar
radar
snow
image
raw data
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23833010.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Benedikter
Marc Rodriguez-Cassola
Gerhard Krieger
Alberto Moreira
Martin Vossiek
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Friedrich Alexander Universitaet Erlangen Nuernberg
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Friedrich Alexander Universitaet Erlangen Nuernberg
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Friedrich Alexander Universitaet Erlangen Nuernberg, Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Friedrich Alexander Universitaet Erlangen Nuernberg
Publication of EP4639211A1 publication Critical patent/EP4639211A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
    • G01S13/9021—SAR image post-processing techniques
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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    • G01S13/9004—SAR image acquisition techniques
    • G01S13/9019—Auto-focussing of the SAR signals
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    • G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
    • G01S13/9021—SAR image post-processing techniques
    • G01S13/9023—SAR image post-processing techniques combined with interferometric techniques
    • G—PHYSICS
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    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
    • G01S13/904—SAR modes
    • G01S13/9041—Squint mode

Definitions

  • the invention relates to a method for computer-aided processing of SAR raw data.
  • the snow-water equivalent is defined as the height of the water column that would be obtained if all the ice in a corresponding layer of snow were to melt. Specifically, the snow-water equivalent is given by the following equation:
  • SWE is the snow-water equivalent
  • Z s is the snow depth
  • z is the vertical coordinate (coordinate in height direction)
  • p w is the volumetric Mass density of water.
  • s (z) denotes the snow density (ie the volumetric mass density of the snow), which depends on the vertical coordinate z.
  • pressure sensors acoustic sensors or gamma radiation sensors can be used, which are positioned at the location where the snow-water equivalent is to be measured.
  • SAR systems synthetic aperture radar
  • SAR synthetic aperture radar
  • Known SAR methods for determining snow depth have the disadvantage that they can only detect differences in snow depths and this requires multiple flights over the same area of the earth's surface. This can lead to temporal decorrelation effects due to changes in the distribution of backscatter in the area of the earth's surface detected.
  • differential SAR interferometry uses phase measurements that lead to a so-called 27t phase ambiguity and thus make it difficult to convert the phase measurements into a snow depth or the snow-water equivalent.
  • the object of the invention is to provide a method for the computer-aided processing of SAR raw data, with which the snow depth of the area of the earth's surface covered by the raw data can be determined in a simple manner from the SAR raw data.
  • the method according to the invention is used to process SAR raw data which originate from a radar device which flies over the earth's surface in an azimuth direction.
  • the SAR raw data represent radar echoes of radar pulses during a single flight over an area of the earth's surface.
  • the radar pulses are or were emitted by the radar device and the radar echoes are or were received by the radar device as radar pulses reflected on the earth's surface.
  • the emission and reception of the radar pulses and in this sense the acquisition of the SAR raw data can be part of the inventive method.
  • the acquisition of the SAR raw data may not be part of the inventive method, ie the method accesses SAR raw data that has already been acquired.
  • the SAR raw data is already processed in the radar device or at the location of the radar device using the inventive method. Usually, however, the SAR raw data is transmitted to a ground station on the earth's surface, in which the inventive processing of the SAR raw data is then carried out.
  • the SAR raw data processed according to the invention comprise a plurality of data samples which contain a Doppler spectrum.
  • the Doppler spectrum results from the fact that the radar device moves during the acquisition of the SAR raw data, which results in a phase variation in the acquired radar echoes.
  • a respective data sample in the SAR raw data belongs to an azimuth position along the azimuth direction and a range position along a range direction, with the range direction running perpendicular to the azimuth direction.
  • a first frequency range of the Doppler spectrum with a first Doppler center frequency and a second frequency range of the Doppler spectrum with a second Doppler center frequency are extracted from the SAR raw data, wherein the first frequency range and the second frequency range of the Doppler spectrum are disjoint, i.e. the frequencies of the two frequency ranges do not overlap and their Doppler center frequencies differ.
  • Step a) can be carried out using methods known per se by applying appropriate frequency filters in the frequency range of the SAR raw data.
  • a first SAR image is determined from the first frequency range using a known SAR processing.
  • a second SAR image is determined from the second frequency range using a known SAR processing.
  • the appropriately focused SAR images are generated using so-called range compression and so-called azimuth compression.
  • a shift value is determined for a respective image area of a number of image areas in the first SAR image, which indicates by how much the image content in the respective image area from the first SAR image is shifted in the azimuth direction compared to the same image content in a corresponding image area from the second SAR image.
  • the respective image area in the first SAR image and the corresponding image area in the second SAR image represent the same area in relation to the azimuth direction and the range direction, i.e. the image areas have the same coordinates in the azimuth and range directions and also the same extent along these coordinates.
  • the first SAR image and accordingly also the second SAR image are divided into a plurality of image areas, for each of which a shift value is determined. Nevertheless, the first SAR image and the second SAR image can each also represent an image area in total.
  • the displacement value determined in step c) is then used to determine the snow depth in the respective image area.
  • the term displacement value is to be understood broadly. It is a value that represents an offset in the azimuth direction in corresponding SAR images. This value can be specified by a distance on the earth's surface, but possibly also by a time offset (azimuth time) corresponding to the movement of the radar device or a phase value.
  • the method according to the invention is based on the finding that an azimuth shift of the image content in SAR images recorded for different frequency ranges in the Doppler spectrum has a direct connection to the snow depth.
  • the method according to the invention has the great advantage that the absolute snow depth can be determined in a single flight over the earth's surface. As a result, temporal decorrelation effects are not important.
  • the method thus avoids the disadvantages of differential SAR interferometry, in which only changes in the snow depth can be determined and the corresponding area on the earth's surface must be flown over several times.
  • the method according to the invention can achieve a good spatial resolution in the range of 100 m or less for determining corresponding snow depths.
  • the snow depth determined using the method according to the invention can be saved for later evaluation and optionally output via a user interface. Furthermore, the snow depth can also be used to determine a value dependent on the snow depth, which in turn can be saved for later evaluation and optionally output via a user interface.
  • the snow-water equivalent is determined as the value dependent on the snow depth.
  • the snow-water equivalent is a frequently used value to determine water resources on the earth's surface or to analyze the effects of climate change. As already explained above, the snow-water equivalent is defined as the water depth that would exist if all of the ice within a snow cover were to melt.
  • the snow depth in step d) is determined as follows: where Z s is the snow depth; where s s is the real part of the relative dielectric permittivity of snow; where h is the flight altitude of the radar device above the snow surface; where 0i is the angle of incidence of the radar pulses in the respective image area; where 0 r is the angle of refraction of the radar pulses in the respective image area at the snow surface; where where Ax is the displacement value in meters in the azimuth direction; where v e is the azimuth velocity of the radar device; where f DC1 is the first Doppler center frequency; where f DC2 is the second Doppler center frequency; where f R a is the Doppler rate without snow in the respective image area.
  • the angle of refraction can be determined using Snell's law of refraction from the angle of incidence of the radar radiation in the corresponding image area (see equation (2) in the detailed description).
  • the Doppler rate can also be determined from known quantities (see equation (5) in the detailed description).
  • the method according to the invention can be applied to SAR raw data from current space missions.
  • a special radar device is used to acquire the SAR raw data, which enables efficient separation of the SAR raw data into two separate Doppler frequency ranges and a large distance between the two Doppler frequency ranges.
  • the SAR raw data comes from a radar device that includes an antenna device that generates an antenna beam for transmitting and receiving radar radiation in a first beam direction and an antenna beam for transmitting and receiving radar radiation in a second beam direction (simultaneously), the first beam direction being inclined at a first angle of inclination with respect to the plane perpendicular to the azimuth direction and the second beam direction being inclined at a second angle of inclination with respect to the plane perpendicular to the azimuth direction, the first beam direction and the second beam direction being different from one another.
  • dedicated SAR raw data is recorded in two separate Doppler frequency ranges over different angles of inclination. These angles of inclination are also referred to as squint angles.
  • the first beam direction described above and the second beam direction described above preferably each represent a main beam direction of the antenna device, wherein the main beam direction is the direction in which the greatest power is emitted within the corresponding antenna beam.
  • the first angle of inclination is a backward angle, so that the first beam direction lies behind the radar device in relation to the movement of the radar device in the azimuth direction.
  • the second angle of inclination is a forward angle, so that the second beam direction lies in front of the radar device in relation to the movement of the radar device in the azimuth direction.
  • the antenna beam in the first beam direction illuminates an area on the earth's surface that lies behind the radar device in the direction of flight
  • the antenna beam in the second beam direction illuminates an area on the earth's surface that lies in front of the radar device in the direction of flight.
  • the forward angle is between 2° and 40°, preferably between 5° and 25° and particularly preferably between 15° and 25°.
  • the backward angle can also be between 2° and 40°, preferably between 5° and 25° and particularly preferably between 15° and 25°.
  • the angle degrees mentioned refer to the smallest included angle between the first or second beam direction and the plane running perpendicular to the azimuth direction.
  • the angle ranges mentioned enable efficient separation of the SAR raw data into two frequency ranges with different Doppler center frequencies and a large distance between the two frequency ranges and thus an accurate determination of the above shift value or the snow depth determined from it.
  • the forward angle is the same as the backward angle, thereby simplifying the processing of the raw SAR data.
  • the invention relates to a device for the computer-aided processing of SAR raw data which originate from a radar device which flies over the earth's surface in an azimuth direction, wherein the SAR raw data represent radar echoes of radar pulses during a single flyover over an area of the earth's surface, wherein the radar pulses are or were emitted by the radar device and the radar echoes are or were received by the radar device as radar pulses reflected at the earth's surface, wherein the SAR raw data comprise a plurality of data samples which contain a Doppler spectrum, wherein a respective data sample belongs to an azimuth position along the azimuth direction and a range position along a range direction, wherein the range direction is perpendicular to the azimuth direction.
  • the device according to the invention is designed to carry out the method according to the invention.
  • the device contains a signal processing device with which steps a) to d) of the method of claim 1 can be carried out.
  • the The device according to the invention is designed to carry out one or more preferred variants of the method according to the invention.
  • the radar device described above can belong to the device according to the invention or the device according to the invention can also contain only the signal processing device for carrying out steps a) to d).
  • the signal processing device can be provided on the platform on which the radar device is located.
  • the signal processing device is provided on the earth's surface, such as in a ground station in which the SAR raw data transmitted to the earth is evaluated.
  • the invention further relates to a computer program product with a program code stored on a machine-readable carrier for carrying out the method according to the invention or one or more preferred variants of the method according to the invention when the program code is executed on a computer.
  • the invention relates to a computer program with a program code for carrying out the method according to the invention or one or more preferred variants of the method according to the invention when the program code is executed on a computer.
  • Fig. 1 is a schematic diagram explaining the SAR principle used in the invention
  • Fig. 2 and Fig. 3 are schematic representations illustrating the effects of a snow layer on the acquisition of raw SAR data;
  • Fig. 4 is a schematic diagram illustrating the acquisition of raw SAR data according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 5 is a diagram showing the steps of an embodiment of the method according to the invention.
  • Fig. 6 to Fig. 10 are diagrams which illustrate the results of an embodiment of the method according to the invention using a simulation.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a SAR radar device 100, which is indicated as a rectangular aperture and, depending on the design, comprises one or more antennas or one or more main antenna radiation directions.
  • the radar device is located on a satellite (not shown) that moves at altitude h along the radar trajectory RT above the earth's surface GR.
  • the direction of the radar trajectory corresponds to the known azimuth direction, which is designated in Fig. 1 with reference symbol x.
  • the radar device 100 emits radar pulses RP in successive pulse repetition intervals with a predetermined pulse repetition frequency in an oblique direction towards the earth's surface GR.
  • the largest part of the energy of a respective radar pulse is directed towards the elliptical surface FP on the earth's surface. This surface is generally referred to as the "footprint" of the radar device or the associated radar antenna.
  • a respective radar pulse RP has a predetermined pulse duration T, so that the radar pulse has the spatial extension coT, where co corresponds to the speed of light.
  • the Radar echoes of the radar pulses RP scattered back from the earth's surface are received and recorded by the SAR radar device 100 during its movement along the path RT.
  • the radar device is designed in such a way that it is set up both to emit radar pulses and to receive corresponding radar echoes.
  • the radar echoes recorded by the radar device depend on the shape and nature of the earth's surface and, with known downstream signal processing, enable the calculation of SAR images of the earth's surface.
  • the recorded radar echoes are available as so-called SAR raw data after an analog-to-digital conversion.
  • This raw data is data samples that contain the amplitude and phase of the sampled radar echoes.
  • the raw data is arranged in a two-dimensional matrix, with one dimension of the matrix corresponding to the respective transmitted radar pulse (represented by a pulse number) and the other dimension of the matrix representing a time delay that represents the time it takes for a sampled radar echo to propagate from the radar device to the earth's surface and back to the radar device 100.
  • this time period represents the so-called slant range R, which corresponds to the distance between the radar device and the scattering point of the radar echo on the earth's surface. This distance is therefore equivalent to a direction from which the sampled radar echo reaches the radar device 1 from the earth's surface GR.
  • the reflection of a radar echo at the scattering point P on the earth's surface is indicated as an example.
  • the slant range of this radar echo is denoted by Ro.
  • the slant range is geometrically related to the so-called ground range (ground distance), which is denoted by y in Fig. 1 and represents the distance between the vertical projection of the radar trajectory RT onto the earth's surface and the corresponding scattering point.
  • the value of a slant range Range R can thus be uniquely converted into the value of a corresponding ground range y.
  • the SAR raw data is subjected to downstream signal processing, which is also referred to as SAR processing.
  • this signal processing can already take place in the satellite, with the processed information then being sent to a ground station on the earth's surface.
  • the SAR raw data can be sent to a ground station without post-processing, with post-processing being carried out in the ground station in order to obtain corresponding SAR images from the raw data.
  • the post-processing comprises two filter operations that are carried out along the range direction R or y and along the azimuth direction x.
  • the filter operation along the range direction is often referred to as range compression and the filter operation along the azimuth direction as azimuth compression.
  • the radar device 100 moves along the azimuth direction x, so that the corresponding point P on the earth's surface is recorded several times from different relative positions to the radar device 100.
  • the phase of the backscattered radar pulses varies, which corresponds to the known Doppler effect.
  • the change in phase depending on the azimuth position of the radar device 100 relative to the scattering point P is the known Doppler frequency.
  • the SAR raw data therefore contains a Doppler spectrum of Doppler frequencies in the frequency space.
  • the SAR raw data are processed in such a way that the snow depth or the snow-water equivalent for the earth's surface detected by the SAR radar device can be determined directly in a single overflight.
  • Fig. 2 explains how the radar radiation emitted by a SAR radar system is modified by snow on the Earth's surface.
  • Fig. 2 shows the signal propagation of the radar radiation emitted by a SAR radar device 100 installed in the flying object in the direction of view of an oncoming flying object (ie in the direction of view opposite to the azimuth direction x from Fig. 1).
  • Snow with a snow depth Z s is found on the earth's surface GR, with the surface of the snow being indicated by a dotted line L.
  • the flight altitude of the radar device above the snow surface is designated h in Fig. 2.
  • the dashed arrow AR1 in Fig. 2 shows the propagation path of a radar beam to a point P on the earth's surface when there is no snow.
  • the solid arrow AR2 shows the propagation path when there is snow with a snow depth of Z s .
  • the radar radiation partially passes through the snow and interacts with the snow through absorption, scattering, refraction and a reduced propagation speed.
  • absorption and scattering effects are negligible compared to the backscattered energy from the underlying earth's surface GR.
  • the effect of refraction and reduced propagation speed of the radar radiation cannot be neglected.
  • the refraction leads to a deflection of the radar radiation falling on the snow at the snow surface L.
  • the angle of incidence of the radar radiation on the snow surface is denoted by 0 ⁇
  • the angle of reflection s or angle of refraction of the radar radiation reduced by refraction is denoted by 0 r .
  • the refraction of radar radiation is caused by the difference in the dielectric permittivity between air and snow.
  • the refraction is described by Snell's law of refraction, which is as follows:
  • s a or E S denotes the real part of the relative dielectric permittivity of air or snow.
  • the permittivity E a of air is approximately 1.
  • the propagation speed c of radar radiation in snow is reduced compared to the speed of light c 0 in air and is as follows.
  • the real part of the relative permittivity E S of snow is a function of the snow density p s .
  • the additional phase delay of the backscattered radar radiation caused by the snow layer which has an effect on the Doppler frequency or the Doppler rate (i.e. the temporal change or derivative of the Doppler frequency), is used to obtain the snow depth of the snow layer or the snow-water equivalent.
  • t az denotes the azimuth time (ie the relative displacement of the radar device in relation to the point target in the azimuth direction)
  • f 0 is the center frequency of the radar signal
  • f R a denotes the Doppler rate, ie the rate of change over time or the time derivative of the Doppler frequency.
  • the index a denotes the case in which there is no snow on the earth's surface and the radar pulses only propagate through air.
  • the Doppler rate is approximately given by the following equation: v e is the effective speed between the radar device and the point target, A o is the wavelength of the radar pulses in air and c 0 is the speed of propagation of the radar pulses in air (ie the speed of light). As defined above, r 0 ,a is the travel time of a radar pulse for the shortest distance between the radar device and the point target in the case that there is no snow on the point target.
  • the Doppler rate f R s as a function of the Doppler rate for the case without snow is as follows:
  • the term takes into account the refraction at the snow surface and the reduced propagation speed in the snow.
  • the term depends on the quantities defined above and in particular on the snow depth Z s as follows:
  • Equations (6) and (7) result from a geometric derivation of the change in the Doppler rate f R s compared to the Doppler rate f R a for the case without snow.
  • the Doppler rate describes the rate of change of the Doppler frequency at which the point target is observed.
  • a point target under a snow cover leads to a faster change in the Doppler frequency because the azimuth scan is compressed. This results in a higher Doppler rate.
  • Fig. 3 This figure shows a schematic representation of the transmission of a radar pulse in the case of snow on the earth's surface, viewed in the direction opposite to the ground range direction y.
  • Z s denotes the snow depth
  • L is the snow surface
  • GR the earth's surface
  • h corresponds to the flight altitude of the radar device 100 above the snow surface L.
  • the solid arrow AR3 denotes the radar beam deflected by the snow, i.e. the case E S > E a .
  • the arrow AR4 shows the case in which there is no snow on the earth's surface (i.e.
  • phase error leads to a shift of the focused image in the azimuth direction (azimuth time), which can be approximated as follows:
  • Equation (9) is a well-known approximation for a shift in azimuth direction in a SAR image, which results from a deviation Af R of the Doppler rate between the filter used for azimuth compression in SAR processing and the acquired signal for a SAR acquisition with the Doppler center frequency f DC A 0 (see also document [2], equation (6)).
  • the azimuth shift according to equation (9) is used to determine the snow depth or the snow-water equivalent.
  • two SAR images with different Doppler center frequencies are synthesized from a SAR acquisition.
  • the SAR images with the different Doppler center frequencies are obtained by processing different parts of the Doppler spectrum of the SAR acquisition.
  • the snow depth or the snow-water equivalent can be obtained from the shifts of two SAR images with different Doppler center frequencies, as explained in more detail below.
  • equation (12) From the shift Ax between the SAR images in frequency ranges with different Doppler center frequencies, one obtains the value from which the snow depth can be obtained using equation (12).
  • the quantities contained in equation (12) in addition to the value are known in advance with sufficient accuracy or can be determined using Snell's law of refraction (quantity 0 r ).
  • Fig. 4 shows a schematic representation of the structure of this SAR system.
  • a single antenna can also be used which radiates in two different beam directions.
  • the radar device 100 moves along the azimuth direction x above the earth's surface GR.
  • the point target detected during the overflight is indicated by a star and designated by reference symbol PT.
  • the radar device 100 contains two antennas 1 and 2, which are not shown separately.
  • the antenna 1 is a combined transmitting and receiving antenna and its associated Antenna beam is designated in Fig. 4 with reference symbol Al.
  • the main beam direction of the antenna beam i.e. the radiation direction with the highest energy, is designated with reference symbol RI for antenna beam Al.
  • the antenna beam for antenna 2 is designated with A2 and its main beam direction with reference symbol R2.
  • the beam direction RI of antenna 1 is inclined with a backward squint angle i/j b relative to the plane running perpendicular to the azimuth direction.
  • the beam direction R2 of antenna 2 is inclined with a forward squint angle if relative to the plane running perpendicular to the azimuth direction.
  • the two squint angles i/j b and if are equal.
  • the Doppler center frequency for antenna 1 with antenna beam Al is given as follows:
  • v e denotes the azimuth velocity of the radar device and 2 corresponds to the wavelength of the radar radiation.
  • the forward squint angle if results in a positive Doppler center frequency, whereas the backward squint angle i/j b corresponds to a negative Doppler center frequency.
  • the magnitudes of the center frequencies increase with larger squint angles, which in turn leads to a larger shift Ax in azimuth direction, ie to a higher sensitivity in the detection of snow depth or snow-water equivalent.
  • the snow depth can then be calculated according to the above equations (11) and (12) as well as the snow-water equivalent using the above equation (13).
  • Fig. 5 illustrates again the steps based on the arrangement of Fig.
  • SAR raw data RD is obtained with the radar device 100 from Fig. 4 using the antennas 1 and 2 in a manner known per se.
  • the corresponding Doppler spectrum DS of the raw data RD is shown schematically in a diagram in Fig. 5.
  • the abscissa of the diagram denotes the Doppler frequency f D
  • the ordinate corresponds to the range frequency f rg .
  • the two squint angles in the forward and backward directions result in two separate frequency ranges FBI and FB2 in the Doppler spectrum DS.
  • the frequency range FBI corresponds to the Doppler center frequency f DC1 and the frequency range FB2 to the Doppler center frequency f DC2 .
  • step S1 of Fig. 5 the two frequency ranges FBI and FB2 are separated from the SAR raw data RD, which is achieved by a Fourier transformation and subsequent bandpass filtering. Then, in step S2, the two frequency ranges FBI and FB2 are separately subjected to a known SAR processing with range compression and azimuth compression. If there is no snow on the earth's surface, the SAR image IM1' is obtained for the frequency range FBI and the SAR image IM2' is obtained for the frequency range FB2. As you can see, the two pictures are identical.
  • IM1 designates the SAR image for the frequency range FBI in the case of a layer of snow
  • IM2 designates the image for the frequency range FB2 in the case of a layer of snow.
  • the image IM1 corresponds overall to an image area IA.
  • the image IM2 corresponds overall to an image area IA.
  • the images are usually divided into smaller image areas, i.e. the two images contain a large number of corresponding image areas IA. Corresponding shifts in the image contents are then determined separately for the individual image areas.
  • the image content of image IM1 (ie the point target PT from Fig. 4) is shifted in the azimuth direction opposite to the image content of image IM2.
  • This is indicated by corresponding arrows AR, which represent the shift of the point target compared to the point target without snow (shown in dashed lines).
  • the greater the snow depth the greater the opposite shift between images IM1 and IM2.
  • the shift Ax between images IM1 and IM2 which corresponds to the size from equation (10), is determined by comparing these images in step S3.
  • the snow depth Z s is determined from the shift Ax using equations (11) and (12) above, and the snow-water equivalent SWE is determined using equation (13) above.
  • FIG. 6 and Fig. 7 refer to simulated SAR images with squint angles if and i b of +10° and -10°, with the SAR image for the squint angle of -10° shown with solid Contour lines and the SAR image for the squint angle of +10° is shown with dashed contour lines in Fig. 6 and Fig. 7.
  • the position of the point target for the squint angle at -10° is designated PI in Fig. 6 and Fig. 7, whereas the position of the point target for the squint angle at +10° is designated P2 in Fig. 6 and Fig. 7.
  • Fig. 7 shows an enlargement of the images from Fig. 6 at the corresponding positions Pl, P2 of the representation in Fig. 6. As can be seen, a shift in the azimuth direction does indeed occur between the point targets.
  • Fig. 8 and Fig. 9 again show the analog representations to Fig. 6 and Fig. 7, but with larger squint angles of +20° and -20°. As can be seen, the shift between the detected point targets also increases as the squint angle increases.
  • SNR signal-to-noise ratio
  • Fig. 10 shows a diagram that illustrates the result of the Monte Carlo simulation for the squint angle of ⁇ 10°.
  • the solid line LI shows the standard deviation (T S WE i n dependence on the signal-to-noise ratio SNR, whereas the dashed line L2 represents the mean value ⁇ S WE of the snow-water equivalent minus the actual snow-water equivalent SWE (ie 1 m).
  • the standard deviation is very small compared to the snow-water equivalent of 1 m.
  • the mean value of the snow-water equivalent deviates only slightly from the actual value of 1 m.
  • the method according to the invention was also tested using real SAR data from a natural environment with meadows, forests and urban areas.
  • phase errors corresponding to a certain SWE value were synthetically inserted into the real SAR data.
  • corresponding SWE values were determined for image blocks with an extension of 80 m in range and 110 m in azimuth. The measurement is not based on the displacement measurement of point targets, but on the displacement measurement of extensive natural scenes with contrast. The snow-water equivalent could also be determined with high accuracy for real SAR data.
  • the embodiments of the method according to the invention described above have a number of advantages.
  • the absolute snow depth or the snow-water equivalent can be determined with high precision from SAR raw data using a single overflight.
  • currently known methods can only determine differences in snow depths using interferometric measurements based on SAR acquisitions from several overflights.
  • the method according to the invention no longer has the disadvantage of interferometric measurements in which temporal decorrelation effects can occur between two SAR acquisitions and which are subject to 2K phase ambiguity.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur rechnergestützten Verarbeitung von SAR-Rohdaten (RD), welche von einer Radareinrichtung (100) stammen, die in einer Azimut-Richtung (x) die Erdoberfläche (GR) überfliegt, wobei die SAR-Rohdaten (RD) Radarechos von Radarpulsen (RP) während eines einmaligen Überflugs über einen Bereich der Erdoberfläche (GR) repräsentieren, wobei die Radarpulse (RP) von der Radareinrichtung (100) ausgesendet werden oder wurden und die Radarechos als an der Erdoberfläche (GR) reflektiere Radarpulse durch die Radareinrichtung (100) empfangen werden oder wurden, wobei a) aus den SAR-Rohdaten (RD) ein erster Frequenzbereich (FB1) des Doppler-Spektrums (DS) mit einer ersten Doppler-Mittenfrequenz (ƒDC1) und ein zweiter Frequenzbereich (FB2) des Doppler-Spektrums (DS) mit einer zweiten Doppler-Mittenfrequenz (ƒDC2) extrahiert werden; b) aus dem ersten Frequenzbereich (FB1) ein erstes SAR-Bild (IM1) ermittelt wird und aus dem zweiten Frequenzbereich (FB2) ein zweites SAR-Bild (IM2) ermittelt wird; c) für einen jeweiligen Bildbereich (IA) einer Anzahl von Bildbereichen (IA) im ersten SAR-Bild (IM1) ein Verschiebungswert (∆χ) bestimmt wird, der angibt, um wieviel der Bildinhalt im jeweiligen Bildbereich (IA) aus dem ersten SAR- Bild (IM1) gegenüber dem gleichen Bildinhalt in einem entsprechenden Bildbereich (IA) aus dem zweiten SAR-Bild (IM2) in Azimut-Richtung (x) verschoben ist, wobei der jeweilige Bildbereich (IA) und der entsprechende Bild- bereich (IA) die gleiche Fläche in Bezug auf die Azimut-Richtung (x) und die Range-Richtung (R) repräsentieren; d) aus dem Verschiebungswert (∆χ) eine Schneehöhe (Zs) in dem jeweiligen Bildbereich (IA) bestimmt wird.

Description

Verfahren zur rechnergestützten Verarbeitung von SAR-Rohdaten
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur rechnergestützten Verarbeitung von SAR- Rohdaten.
Um Wasserressourcen auf der Erdoberfläche zu bestimmen bzw. die Auswirkungen von Klimaveränderungen zu analysieren, sind die Schneehöhe und Schneedichte auf der Erdoberfläche sowie das daran gekoppelte Schnee-Wasser-Äquivalent wichtige Größen. Das Schnee-Wasser-Äquivalent (englisch: snow water equivalent) ist als die Höhe der Wassersäule definiert, die man erhalten würde, wenn das gesamte Eis in einer entsprechenden Schneeschicht schmelzen würde. Konkret ist das Schnee-Wasser- Äquivalent durch folgende Gleichung gegeben:
Dabei bezeichnet SWE das Schnee-Wasser-Äquivalent, Zs ist die Schneehöhe, z ist die vertikale Koordinate (Koordinate in Höhenrichtung) und pw ist die volumetrische Massendichte von Wasser. Ferner bezeichnet s(z) die Schneedichte (d.h. die volumetrische Massendichte des Schnees), die von der vertikalen Koordinate z abhängt.
Zur lokalen Bestimmung des Schnee-Wasser-Äquivalents können Drucksensoren, akustische Sensoren oder Gamma-Strahlungssensoren verwendet werden, die an dem Ort positioniert sind, an dem das Schnee-Wasser-Äquivalent gemessen werden soll. Hierdurch kann das Schnee-Wasser-Äquivalent jedoch nur dediziert an bestimmten Positionen auf der Erdoberfläche bestimmt werden.
Darüber hinaus gibt es im Stand der Technik Verfahren, bei denen durch Fernerkundung über passive Mikrowellensensoren auf Satelliten Schneehöhen auf der Erdoberfläche bestimmt werden. Diese Verfahren haben jedoch eine schlechte räumliche Auflösung im Kilometerbereich sowie eine geringe Genauigkeit.
Ferner gibt es im Stand der Technik experimentelle Verfahren, die mit Hilfe von SAR-Systemen Schneehöhen bzw. entsprechende Schnee-Wasser-Äquivalente auf der Erdoberfläche bestimmen. SAR-Systeme (SAR = synthetic aperture radar) ermöglichen dabei die Fernerkundung der Erdoberfläche über die Erfassung von an der Erdoberfläche reflektierten Radarpulsen, die von einer Radareinrichtung ausgesendet werden, welche sich mit konstanter Geschwindigkeit über der Erdoberfläche in einer sog. Azimut-Richtung bewegt. Aus den mit einem SAR-System erfassten SAR- Rohdaten können mit einer geeigneten Prozessierung Bilder der Erdoberfläche gewonnen werden.
Um Schneehöhen mit SAR-Systemen zu bestimmen, wird derzeit differentielle SAR- Interferometrie genutzt, die beispielsweise in dem Dokument [1] beschrieben ist. Dabei werden Änderungen in der Schneehöhe bzw. des Schnee-Wasser-Äquivalents mittels der Messung einer differentiellen Signalverzögerung zwischen zwei zeitlich separierten SAR-Akquisitionen vom gleichen Gebiet der Erdoberfläche bestimmt. Die Signalverzögerung wird durch die Brechung an der Schneeoberfläche und die verminderte Ausbreitungsgeschwindigkeit der Radarstrahlen im Schnee verursacht und hängt von der Schneehöhe und der Schneedichte ab. Eine Schneeakkumulation zwischen zwei SAR-Akquisitionen führt zu einer differentiellen Signalverzögerung, aus der die Veränderung der Schneehöhe im Zeitraum zwischen den zwei Akquisitionen ermittelt werden kann.
Bekannte SAR-Verfahren zur Bestimmung der Schneehöhe haben den Nachteil, dass nur Unterschiede in den Schneehöhen erfasst werden können und hierfür ein mehrfacher Überflug über das gleiche Gebiet der Erdoberfläche erforderlich ist. Dies kann zu zeitlichen Dekorrelationseffekten aufgrund der Veränderung der Verteilung der Rückstreuer im erfassten Gebiet der Erdoberfläche führen. Darüber hinaus verwendet die differentielle SAR-Interferometrie Phasenmessungen, die zu einer sog. 27t-Pha- sen-Mehrdeutigkeit führen und somit die Umwandlung der Phasenmessungen in eine Schneehöhe bzw. das Schnee-Wasser-Äquivalent erschweren.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur rechnergestützten Verarbeitung von SAR-Rohdaten zu schaffen, mit dem auf einfache Weise aus den SAR-Rohdaten die Schneehöhe des durch die Rohdaten erfassten Gebiets der Erdoberfläche bestimmt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bzw. die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 8 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Verarbeitung von SAR-Rohdaten, welche von einer Radareinrichtung stammen, die in einer Azimut-Richtung die Erdoberfläche überfliegt. Die SAR-Rohdaten repräsentieren dabei Radarechos von Radarpulsen während eines einmaligen Überflugs über einen Bereich der Erdoberfläche. Die Radarpulse werden bzw. wurden von der Radareinrichtung ausgesendet und die Radarechos werden bzw. wurden als an der Erdoberfläche reflektierte Radarpulse von der Radareinrichtung empfangen. Das Aussenden und der Empfang der Radarpulse und in diesem Sinne die Erfassung der SAR-Rohdaten kann Bestandteil des erfindungsgemäßen Verfahrens sein. Ebenso kann die Erfassung der SAR-Rohdaten nicht zum erfindungsgemäßen Verfahren gehören, d.h. das Verfahren greift auf bereits erfasste SAR-Rohdaten zu. In einer Ausführungsform werden die SAR- Rohdaten bereits in der Radareinrichtung bzw. am Ort der Radareinrichtung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verarbeitet. Üblicherweise werden die SAR-Rohdaten jedoch an eine Bodenstation auf der Erdoberfläche übertragen, in der dann die erfin- dungsgemäße Verarbeitung der SAR-Rohdaten durchgeführt wird.
In an sich bekannter Weise umfassen die erfindungsgemäß verarbeiteten SAR- Rohdaten eine Vielzahl von Datenabtastungen, die ein Doppler-Spektrum enthalten. Das Doppler-Spektrum resultiert dabei daraus, dass sich die Radareinrichtung während der Erfassung der SAR-Rohdaten bewegt und es hierdurch zu einer Phasenvariation der erfassten Radarechos kommt. Eine jeweilige Datenabtastung in den SAR- Rohdaten gehört zu einer Azimut-Position entlang der Azimut-Richtung und einer Range-Position entlang einer Range-Richtung, wobei die Range-Richtung senkrecht zur Azimut-Richtung verläuft.
Im erfindungsgemäßen Verfahren werden in einem Schritt a) aus den SAR-Rohdaten ein erster Frequenzbereich des Doppler-Spektrums mit einer ersten Doppler-Mittenfrequenz und ein zweiter Frequenzbereich des Doppler-Spektrums mit einer zweiten Doppler-Mittenfrequenz extrahiert, wobei der erste Frequenzbereich und der zweite Frequenzbereich des Doppler-Spektrums disjunkt sind, d.h. die Frequenzen der beiden Frequenzbereiche überlappen nicht und deren Doppler-Mittenfrequenzen unterscheiden sich. Der Schritt a) kann mit an sich bekannten Verfahren durch Anwenden entsprechender Frequenzfilter im Frequenzbereich der SAR-Rohdaten durchgeführt werden.
In einem Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus dem ersten Frequenzbereich mit einer an sich bekannten SAR-Prozessierung ein erstes SAR-Bild ermittelt. In gleicher Weise wird in Schritt b) aus dem zweiten Frequenzbereich ein zweites SAR-Bild mit einer an sich bekannten SAR-Prozessierung bestimmt. Im Rahmen der SAR-Prozessierung werden mittels einer sog. Range-Kompression und einer sog. Azimut-Kompression die entsprechend fokussierten SAR-Bilder erzeugt.
In einem Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für einen jeweiligen Bildbereich einer Anzahl von Bildbereichen im ersten SAR-Bild ein Verschiebungswert bestimmt, der angibt, um wieviel der Bildinhalt im jeweiligen Bildbereich aus dem ersten SAR-Bild gegenüber dem gleichen Bildinhalt in einem entsprechenden Bildbereich aus dem zweiten SAR-Bild in Azimut-Richtung verschoben ist. Der jeweilige Bildbereich im ersten SAR-Bild und der entsprechende Bildbereich im zweiten SAR-Bild repräsentieren dabei die gleiche Fläche in Bezug auf die Azimut-Richtung und die Range-Richtung, d.h. die Bildbereiche haben die gleichen Koordinaten in Azimut- und Range-Richtung und auch die gleiche Ausdehnung entlang dieser Koordinaten. Vorzugsweise ist das erste SAR-Bild und entsprechend auch das zweite SAR-Bild in eine Vielzahl von Bildbereichen unterteilt, für die jeweils ein Verschiebungswert ermittelt wird. Nichtsdestotrotz können das erste SAR-Bild und das zweite SAR-Bild jeweils auch insgesamt einen Bildbereich darstellen.
Aus dem Verschiebungswert, der im Schritt c) ermittelt wurde, wird schließlich eine Schneehöhe in dem jeweiligen Bildbereich bestimmt. Der Begriff des Verschiebungswerts ist dabei weit zu verstehen. Es handelt sich um eine Größe, die einen Versatz in Azimut-Richtung in entsprechenden SAR-Bildern repräsentiert. Diese Größe kann durch eine Entfernung auf der Erdoberfläche, jedoch ggf. auch durch einen Zeitversatz (Azimutzeit) entsprechend der Bewegung der Radareinrichtung oder einen Phasenwert angegeben werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Erkenntnis, dass eine Azimutverschiebung der Bildinhalte in SAR-Bildern, die für unterschiedliche Frequenzbereiche im Doppler-Spektrum aufgenommen wurden, einen direkten Zusammenhang zu der Schneehöhe aufweist. In der detaillierten Beschreibung wird der von den Erfindern erkannte Zusammenhang zwischen dieser Azimutverschiebung und der Schneehöhe nochmals genauer erläutert. Das erfindungsgemäße Verfahren weist den großen Vorteil auf, dass im Rahmen eines einmaligen Überflugs über die Erdoberfläche die absolute Schneehöhe bestimmt werden kann. Demzufolge spielen zeitliche Dekorrelationseffekte keine Rolle. Das Verfahren umgeht somit die Nachteile der differentiellen SAR-Interferometrie, bei der nur Veränderungen in der Schneehöhe bestimmt werden können und hierzu das entsprechende Gebiet auf der Erdoberfläche mehrmals überflogen werden muss. Darüber hinaus kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine gute räumliche Auflösung im Bereich von 100 m oder weniger für die Bestimmung entsprechender Schneehöhen erreicht werden.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmte Schneehöhe kann zur späteren Auswertung gespeichert werden und ggf. über eine Benutzerschnittstelle ausgegeben werden. Ferner kann die Schneehöhe auch dazu genutzt werden, um daraus einen von der Schneehöhe abhängigen Wert zu bestimmen, der wiederum zur späteren Auswertung gespeichert werden kann und ggf. über eine Benutzerschnittstelle ausgegeben werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform wird als der von der Schneehöhe abhängige Wert das Schnee-Wasser-Äquivalent ermittelt. Das Schnee- Wasser-Äquivalent ist eine häufig herangezogene Größe, um Wasserressourcen auf der Erdoberfläche zu bestimmen bzw. Effekte des Klimawandels zu analysieren. Wie bereits oben dargelegt, ist das Schnee-Wasser-Äquivalent als die Wasserhöhe definiert, die vorliegen würde, wenn das gesamte Eis innerhalb einer Schneedecke schmelzen würde.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Schneehöhe in Schritt d) wie folgt bestimmt: wobei Zs die Schneehöhe ist; wobei ss der Realteil der relativen dielektrischen Permittivität von Schnee ist; wobei h die Flughöhe der Radareinrichtung über der Schneeoberfläche ist; wobei 0i der Einfallswinkel der Radarpulse im jeweiligen Bildbereich ist; wobei 0r der Brechungswinkel der Radarpulse im jeweiligen Bildbereich an der Schneeoberfläche ist; wobei wobei Ax der Verschiebungswert in Metern in Azimut-Richtung ist; wobei ve die Azimutgeschwindigkeit der Radareinrichtung ist; wobei fDC1 die erste Doppler-Mittenfrequenz ist; wobei fDC2 die zweite Doppler-Mittenfrequenz ist; wobei fR a die Dopplerrate ohne Schnee im jeweiligen Bildbereich ist.
Eine Herleitung der obigen Gleichungen findet sich in der detaillierten Beschreibung. Wie man aus den obigen Gleichungen erkennt, ist die Schneehöhe Zs über die Größe abhängig von dem Verschiebungswert Ax.
Neben dem Verschiebungswert, der in Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt wird, sind alle weiteren, in den obigen Formeln enthaltenen Größen vorbekannt bzw. können geeignet ermittelt werden. Beispielsweise kann der Brechungswinkel über das Snelliussche Brechungsgesetz aus dem Einfallswinkel der Radarstrahlung im entsprechenden Bildbereich ermittelt werden (siehe Gleichung (2) in der detaillierten Beschreibung). Ebenso kann die Dopplerrate aus bekannten Größen bestimmt werden (siehe Gleichung (5) in der detaillierten Beschreibung).
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf SAR-Rohdaten von derzeitigen Weltraummissionen angewandt werden. Vorzugsweise wird jedoch bei der Erfassung der SAR-Rohdaten eine spezielle Radareinrichtung verwendet, die eine effiziente Trennung der SAR-Rohdaten in zwei separate Doppler-Frequenzbereiche ermöglicht und einen großen Abstand der zwei Doppler-Frequenzbereiche erzeugt. Die SAR- Rohdaten stammen dabei von einer Radareinrichtung, die eine Antenneneinrichtung umfasst, welche einen Antennenstrahl zum Senden und Empfangen von Radarstrahlung in einer ersten Strahlrichtung und einen Antennenstrahl zum Senden und Empfangen von Radarstrahlung in einer zweiten Strahlrichtung (simultan) erzeugt, wobei die erste Strahlrichtung in einem ersten Neigungswinkel gegenüber der senkrecht zur Azimut-Richtung verlaufenden Ebene geneigt ist und die zweite Strahlrichtung in einem zweiten Neigungswinkel gegenüber der senkrecht zur Azimut-Richtung verlaufenden Ebene geneigt ist, wobei sich die erste Strahlrichtung und die zweite Strahlrichtung voneinander unterscheiden. Mit diesem Aufbau werden dediziert SAR- Rohdaten in zwei separaten Doppler-Frequenzbereichen über unterschiedliche Neigungswinkel erfasst. Diese Neigungswinkel werden auch als Schielwinkel (englisch: squint angle) bezeichnet. Die oben beschriebene erste Strahlrichtung und die oben beschriebene zweite Strahlrichtung stellen vorzugsweise jeweils eine Hauptstrahlrichtung der Antenneneinrichtung dar, wobei die Hauptstrahlrichtung die Richtung ist, in der die größte Leistung innerhalb des entsprechenden Antennenstrahls ausgestrahlt wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der erste Neigungswinkel ein Rückwärtswinkel, so dass die erste Strahlrichtung bezogen auf die Bewegung der Radareinrichtung in Azimut-Richtung hinter der Radareinrichtung liegt. Demgegenüber ist der zweite Neigungswinkel ein Vorwärtswinkel, so dass die zweite Strahlrichtung bezogen auf die Bewegung der Radareinrichtung in Azimut-Richtung vor der Radareinrichtung liegt. Mit anderen Worten beleuchtet der Antennenstrahl in der ersten Strahlrichtung einen Bereich auf der Erdoberfläche, der in Flugrichtung der Radareinrichtung hinter dieser liegt, wohingegen der Antennenstrahl in der zweiten Strahlrichtung einen Bereich auf der Erdoberfläche beleuchtet, der in Flugrichtung der Radareinrichtung vor dieser liegt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt der Vorwärtswinkel zwischen 2° und 40°, vorzugsweise zwischen 5° und 25° und besonders bevorzugt zwischen 15° und 25°. Ebenso kann der Rückwärtswinkel zwischen 2° und 40°, vorzugsweise zwischen 5° und 25° und besonders bevorzugt zwischen 15° und 25° liegen. Die genannten Winkelgrade beziehen sich auf den kleinsten eingeschlossenen Winkel zwischen der ersten bzw. zweiten Strahlrichtung und der senkrecht zur Azimut-Richtung verlaufenden Ebene. Die genannten Winkelbereiche ermöglichen eine effiziente Trennung der SAR-Rohdaten in zwei Frequenzbereiche mit unterschiedlichen Doppler-Mittenfrequenzen und einen großen Abstand zwischen den zwei Frequenzbereichen und hierdurch eine genaue Bestimmung des obigen Verschiebungswerts bzw. der daraus ermittelten Schneehöhe.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Vorwärtswinkel genauso groß wie der Rückwärtswinkel, wodurch die Verarbeitung der SAR-Rohdaten vereinfacht wird.
Neben dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur rechnergestützten Verarbeitung von SAR-Rohdaten, welche von einer Radareinrichtung stammen, die in einer Azimut-Richtung die Erdoberfläche überfliegt, wobei die SAR-Rohdaten Radarechos von Radarpulsen während eines einmaligen Überflugs über einen Bereich der Erdoberfläche repräsentieren, wobei die Radarpulse von der Radareinrichtung ausgesendet werden oder wurden und die Radarechos als an der Erdoberfläche reflektierte Radarpulse durch die Radareinrichtung empfangen werden oder wurden, wobei die SAR-Rohdaten eine Vielzahl von Datenabtastungen umfassen, die ein Doppler-Spektrum enthalten, wobei eine jeweilige Datenabtastung zu einer Azimut-Position entlang der Azimut-Richtung und einer Range-Position entlang einer Range-Richtung gehört, wobei die Range-Richtung senkrecht zur Azimut-Richtung verläuft.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dazu eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Mit anderen Worten beinhaltet die Vorrichtung eine Signalverarbeitungseinrichtung, mit der die Schritte a) bis d) des Verfahrens des Anspruchs 1 durchführbar sind. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung einer oder mehrerer bevorzugter Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Je nach Ausgestaltung kann die oben beschriebene Radareinrichtung zur erfindungsgemäßen Vorrichtung gehören oder die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch nur die Signalverarbeitungseinrichtung zur Durchführung der Schritte a) bis d) enthalten. Die Signalverarbeitungseinrichtung kann auf der Plattform vorgesehen sein, auf der sich die Radareinrichtung befindet. Vorzugsweise ist die Signalverarbeitungseinrichtung jedoch auf der Erdoberfläche vorgesehen, wie z.B. in einer Bodenstation, in der die an die Erde übermittelten SAR-Rohdaten ausgewertet werden.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Computerprogrammprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. einer oder mehrerer bevorzugter Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn der Programmcode auf einem Rechner ausgeführt wird.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. einer oder mehrerer bevorzugter Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn der Programmcode auf einem Rechner ausgeführt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nahfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung, anhand der das im Rahmen der Erfindung verwendete SAR-Prinzip erläutert wird;
Fig. 2 und Fig.3 schematische Darstellungen, welche Effekte einer Schneeschicht bei der Erfassung von SAR-Rohdaten verdeutlichen; Fig. 4 eine schematische Darstellung, welche die Akquisition von SAR-Rohdaten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verdeutlicht;
Fig. 5 ein Diagramm, das die Schritte einer Ausführungsform des erfmdungsgemä- ßen Verfahrens wiedergibt; und
Fig. 6 bis Fig. 10 Diagramme, welche die Ergebnisse einer Ausführungsform des erfmdungsgemäßen Verfahrens anhand einer Simulation verdeutlichen.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine SAR-Radareinrichtung 100, welche als rechteckige Apertur angedeutet ist und je nach Ausgestaltung eine oder mehrere Antennen bzw. eine oder mehrere Antennen-Haupt-Abstrahlrichtungen umfasst. In dem dargestellten Szenario befindet sich die Radareinrichtung auf einem (nicht gezeigten) Satelliten, der sich in der Höhe h entlang der Radarbahn RT oberhalb der Erdoberfläche GR bewegt. Die Richtung der Radarbahn entspricht dabei der an sich bekannten Azimut-Richtung, die in Fig. 1 mit Bezugszeichen x bezeichnet ist. Anstatt die Radareinrichtung mittels eines Satelliten zu bewegen, besteht ggf. auch die Möglichkeit, hierzu ein anderes Flugobjekt zu verwenden, wie z.B. ein Flugzeug.
Die Radareinrichtung 100 sendet Radarpulse RP in aufeinander folgenden Pulswiederholintervallen mit vorgegebener Pulswiederholfrequenz in schräger Richtung auf die Erdoberfläche GR aus. Der größte Teil der Energie eines jeweiligen Radarpulses ist dabei auf die elliptische Fläche FP auf der Erdoberfläche gerichtet. Diese Fläche wird in der Regel als „Footprint“ bzw. „Fußabdruck“ der Radareinrichtung bzw. der zugeordneten Radarantenne bezeichnet.
Gemäß Fig. 1 weist ein jeweiliger Radarpuls RP eine vorgegebene Pulsdauer T auf, so dass der Radarpuls die räumliche Ausdehnung coT hat, wobei co der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Im Rahmen einer SAR-Messung werden von der Erdoberfläche zurückgestreute Radarechos der Radarpulse RP durch die SAR- Radareinrichtung 100 während ihrer Bewegung entlang der Bahn RT empfangen und erfasst. Auf diese Weise werden Informationen über die Erdoberfläche in dem Streifen SW (englisch: swath) detektiert. Die Radareinrichtung ist dabei derart ausgestaltet, dass sie sowohl zum Aussenden von Radarpulsen als auch zum Empfang entsprechender Radarechos eingerichtet ist. Die von der Radareinrichtung erfassten Radarechos hängen von der Form und Beschaffenheit der Erdoberfläche ab und ermöglichen mit einer bekannten nachgeschalteten Signalverarbeitung die Berechnung von SAR-Bildem der Erdoberfläche.
Vor der nachgeschalteten Signalverarbeitung liegen die erfassten Radarechos nach einer Analog-Digital-Wandlung als sog. SAR-Rohdaten vor. Diese Rohdaten sind Datenabtastungen, welche die Amplitude und die Phase der abgetasteten Radarechos enthalten. Die Rohdaten sind dabei in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet, wobei eine Dimension der Matrix dem jeweiligen ausgesendeten Radarpuls (repräsentiert durch eine Pulsnummer) entspricht und die andere Dimension der Matrix eine Zeitverzögerung repräsentiert, welche die Zeitdauer darstellt, die ein abgetastetes Radarecho zur Ausbreitung von der Radareinrichtung zur Erdoberfläche und zurück zur Radareinrichtung 100 benötigt. Mit anderen Worten wird durch diese Zeitdauer die sog. Slant-Range (Schrägentfemung) R repräsentiert, welche dem Abstand zwischen der Radareinrichtung und dem Streupunkt des Radarechos auf der Erdoberfläche entspricht. Dieser Abstand ist somit gleichzusetzen mit einer Richtung, aus der das abgetastete Radarecho von der Erdoberfläche GR zur Radareinrichtung 1 gelangt.
In dem Szenario der Fig. 1 ist beispielhaft die Reflexion eines Radarechos an dem Streupunkt P auf der Erdoberfläche angedeutet. Die Slant-Range dieses Radarechos ist dabei mit Ro bezeichnet. Die Slant-Range steht in einer geometrischen Beziehung zu der sog. Ground-Range (Bodenentfernung), die in Fig. 1 mit y bezeichnet ist und dem Abstand zwischen der senkrechten Projektion der Radarbahn RT auf die Erdoberfläche und dem entsprechenden Streupunkt repräsentiert. Der Wert einer Slant- Range R kann somit eindeutig in den Wert einer entsprechenden Ground-Range y umgerechnet werden.
Wie bereits erwähnt, werden die SAR-Rohdaten einer nachgeschalteten Signalverarbeitung unterzogen, die auch als SAR-Prozessierung bezeichnet wird. Je nach Ausgestaltung kann diese Signalverarbeitung bereits im Satelliten erfolgen, wobei anschließend die verarbeiteten Informationen zu einer Bodenstation auf der Erdoberfläche gesendet werden. Ebenso ist es möglich, dass die SAR-Rohdaten ohne Nachverarbeitung an eine Bodenstation übersendet werden, wobei in der Bodenstation die Nachverarbeitung durchgeführt wird, um aus den Rohdaten entsprechende SAR- Bilder zu gewinnen. Die Nachverarbeitung umfasst zwei Filter-Operationen, die entlang der Range-Richtung R bzw. y und entlang der Azimut-Richtung x durchgeführt werden. Die Filter-Operation entlang der Range-Richtung wird oftmals als Range- Kompression und die Filter-Operation entlang der Azimut-Richtung als Azimut- Kompression bezeichnet. Mit diesen Operationen wird eine Fokussierung der SAR- Rohdaten erreicht, um hierdurch SAR-Bilder zu berechnen.
Bei der Erfassung von SAR-Rohdaten bewegt sich die Radareinrichtung 100 entlang der Azimut-Richtung x, so dass der entsprechende Punkt P auf der Erdoberfläche mehrmals aus unterschiedlichen Relativpositionen zu der Radareinrichtung 100 erfasst wird. Je nach Relativposition variiert dabei die Phase der rückgestreuten Radarpulse, was dem an sich bekannten Doppler-Effekt entspricht. Die Veränderung der Phase in Abhängigkeit von der Azimut-Position der Radareinrichtung 100 relativ zum Streupunkt P ist die an sich bekannte Dopplerfrequenz. Die SAR-Rohdaten enthalten somit im Frequenzraum ein Doppler-Spektrum aus Dopplerfrequenzen.
In der hier beschriebenen Ausführungsform der Erfindung werden die SAR- Rohdaten derart verarbeitet, dass hieraus die Schneehöhe bzw. das Schnee-Wasser- Äquivalent für die über die SAR-Radareinrichtung erfasste Erdoberfläche direkt in einem einzelnen Überflug ermittelt werden kann. Bevor im Detail auf eine Ausführungsform der Erfindung eingegangen wird, wird zunächst anhand von Fig. 2 erläutert, wie die von einer SAR-Radareinrichtung ausgesendete Radarstrahlung durch Schnee auf der Erdoberfläche verändert wird.
Fig. 2 zeigt in Blickrichtung auf ein entgegenkommendes Flugobjekt (d.h. in Blickrichtung entgegen der Azimut-Richtung x aus Fig. 1) die Signalausbreitung der Radarstrahlung, die von einer im Flugobjekt installierten SAR-Radareinrichtung 100 ausgesendet wird. Auf der Erdoberfläche GR findet sich dabei Schnee mit einer Schneehöhe Zs, wobei die Oberfläche des Schnees durch eine gepunktete Linie L angedeutet ist. Die Flughöhe der Radareinrichtung über der Schneeoberfläche ist in Fig. 2 mit h bezeichnet.
Der gestrichelte Pfeil AR1 verdeutlicht in Fig. 2 den Ausbreitungspfad eines Radarstrahls zu einem Punkt P auf der Erdoberfläche, wenn kein Schnee vorhanden ist. Demgegenüber verdeutlicht der durchgezogene Pfeil AR2 dem Ausbreitungspfad bei Vorhandensein von Schnee mit der Schneehöhe Zs. Die Radarstrahlung geht dabei teilweise durch den Schnee hindurch und interagiert mit dem Schnee durch Absorption, Streuung, Brechung und einer verringerten Ausbreitungsgeschwindigkeit. Für eine Schneeschicht von wenigen Metern Tiefe sind Absorptions- und Streueffekte im Vergleich zu der rückgestreuten Energie von der darunterliegenden Erdoberfläche GR vemachlässigbar. Demgegenüber ist der Effekt der Brechung und verminderten Ausbreitungsgeschwindigkeit der Radarstrahlung nicht vernachlässigbar. Die Brechung führt zu einer Ablenkung der auf den Schnee fallenden Radarstrahlung an der Schneeoberfläche L. Gemäß Fig. 2 ist der Einfallswinkel der Radarstrahlung auf der Schneeoberfläche mit 0^ bezeichnet, wohingegen der durch Brechung verkleinerte Ausfall swinkel bzw. Brechungswinkel der Radarstrahlung mit 0r bezeichnet ist. Die Brechung der Radarstrahlung wird durch den Unterschied in der dielektrischen Per- mittivität zwischen Luft und Schnee verursacht. In an sich bekannter Weise wird die Brechung durch das Snelliussche Brechungsgesetz beschrieben, das wie folgt lautet: Dabei bezeichnet sa bzw. ES den Realteil der relativen dielektrischen Permittivität von Luft bzw. Schnee. Die Permittivität Ea von Luft liegt in etwa bei 1. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit c der Radarstrahlung im Schnee ist gegenüber der Lichtgeschwindigkeit c0 in Luft reduziert und lautet wie folgt.
C = > (3)
Der Realteil der relativen Permittivität ES von Schnee ist eine Funktion der Schneedichte ps.
Im Rahmen der nachfolgend beschriebenen Ausführungsform der Erfindung wird die durch die Schneeschicht verursachte zusätzliche Phasenverzögerung der rückgestreuten Radarstrahlung, welche Auswirkungen auf die Dopplerfrequenz bzw. die Dopplerrate (d.h. die zeitliche Veränderung bzw. Ableitung der Dopplerfrequenz) hat, dazu ausgenutzt, die Schneehöhe der Schneeschicht bzw. das Schnee-Wasser-Äquivalent zu gewinnen.
Im Rahmen einer herkömmlichen SAR-Prozessierung von SAR-Rohdaten wird angenommen, dass nur Luft als Ausbreitungsmedium vorliegt, ohne dass Effekte einer Schneedecke berücksichtigt werden. Dies führt zu einem Phasenfehler entlang der Azimut-Richtung zwischen dem aufgezeichneten SAR- Signal und dem Signal nach Filterung im Rahmen der SAR-Prozessierung. Dieser Phasenfehler wird zur Bestimmung der Schneehöhe bzw. des Schnee-Wasser-Äquivalents herangezogen.
Falls auf der Erdoberfläche kein Schnee liegt, wird die Phase des Radarsignals entlang der Azimut-Richtung für ein Punktziel, das über die SAR-Radareinrichtung aufgenommen wird, in an sich bekannter Weise wie folgt beschrieben: taz bezeichnet die Azimutzeit (d.h. die relative Verschiebung der Radareinrichtung in Bezug zu dem Punktziel in Azimut-Richtung), f0 ist die Mittenfrequenz des Radarsignals, T0 ist die Laufzeit des Radarpulses von der Radareinrichtung zu dem Punktziel und zurück für die kürzeste Strecke zwischen Radareinrichtung und Punktziel, d.h. zur Azimutzeit taz = 0. Dies entspricht 2R0 in Fig. 1. Ferner bezeichnet fR a die Dopplerrate, d.h. die zeitliche Veränderungsrate bzw. zeitliche Ableitung der Dopplerfrequenz. Der Index a bezeichnet den Fall, bei dem kein Schnee auf der Erdoberfläche liegt und die Radarpulse sich nur durch Luft ausbreiten.
In an sich bekannter Weise ist die Dopplerrate näherungsweise durch folgende Gleichung gegeben: ve bezeichnet die effektive Geschwindigkeit zwischen der Radareinrichtung und dem Punktziel, Ao ist die Wellenlänge der Radarpulse in Luft und c0 ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Radarpulse in Luft (d.h. die Lichtgeschwindigkeit). Wie oben definiert, ist r0,a die Laufzeit eines Radarpulses für die kürzeste Strecke zwischen Radareinrichtung und Punktziel im Fall, dass auf dem Punktziel kein Schnee liegt.
Für ein Punktziel, das mit Schnee bedeckt ist, und für die gleiche Laufzeit T0 = To,a des Radarpulses ergibt sich die Dopplerrate fR s in Abhängigkeit von der Dopplerrate für den Fall ohne Schnee wie folgt:
Dabei berücksichtigt der Term die Brechung an der Schneeoberfläche und die verminderte Ausbreitungsgeschwindigkeit im Schnee. Der Term hängt dabei von den oben definierten Größen und insbesondere der Schneehöhe Zs wie folgt ab:
Die Gleichungen (6) und (7) ergeben sich aus einer geometrischen Herleitung der Änderung der Dopplerrate fR s im Vergleich zu der Dopplerrate fR a für den Fall ohne Schnee. Aus der Sicht des Punktziels beschreibt die Dopplerrate die Ände- rungsrate der Dopplerfrequenz, unter der das Punktziel beobachtet wird. Ein Punktziel unter einer Schneedecke führt zu einer schnelleren Veränderung der Dopplerfrequenz, da die Azimut-Abtastung verdichtet wird. Dies resultiert in einer höheren Dopplerrate.
Die höhere Dopplerrate kann durch Quantifizierung der verdichteten Azimut-Abtastung abgeleitet werden. Dies wird anhand von Fig. 3 verdeutlicht. Diese Figur zeigt in schematischer Darstellung in Blickrichtung entgegengesetzt zur Ground-Range- Richtung y das Aussenden eines Radarpulses im Falle von Schnee auf der Erdoberfläche. In Analogie zu Fig. 2 bezeichnet Zs die Schneehöhe, L ist die Schneeoberfläche, GR die Erdoberfläche und h entspricht der Flughöhe der Radareinrichtung 100 über der Schneeoberfläche L. Der durchgezogene Pfeil AR3 bezeichnet den durch den Schnee abgelenkten Radarstrahl, d.h. den Fall ES > Ea. Demgegenüber wird durch den Pfeil AR4 der Fall dargestellt, bei dem kein Schnee auf die Erdoberfläche liegt (d.h. ES = ea). Im Fall ohne Schnee skaliert die Größe Zs mit dem Faktor . E aufgrund der höheren Ausbreitungsgeschwindigkeit, die sich durch die Abwesenheit von Schnee ergibt. Für den in Fig. 3 dargestellten Radarstrahl ergibt sich somit für den Fall mit Schnee eine Azimut-Position r15 wohingegen für den Fall ohne Schnee die Azimut-Position für den betrachteten Radarstrahl bei r2 liegt. Es wird somit eine Stauchung der Azimut-Positionen für den Fall mit Schnee erreicht. Das Verhältnis — rl beschreibt dabei das Verhältnis der Dopplerrate für ein Punktziel mit Schneedecke zu der Dopplerrate des Punktziels ohne Schnee, d.h. es gilt: Die obige Gleichung (7) resultiert aus der geometrischen Herleitung des Verhältnisses — gemäß Fig. 3, wobei 0(- der Einfallswinkel und 0r der Brechungswinkel gemäß ri
Fig. 2 sind. Die Richtigkeit der Gleichungen (6) und (7) wurde durch die Erfinder mit Hilfe einer numerischen Raytracing-Simulation für ein schneebedecktes Punktziel verifiziert.
Unter Berücksichtigung von Gleichung (4) ergibt sich der folgende Phasenfehler zwischen dem aufgezeichneten Signal und dem Signal nach der SAR-Prozessierung:
Für eine SAR-Akquisition mit einer Doppler-Mittenfrequenz fDC (mittlere Dopplerfrequenz) ungleich Null führt der Phasenfehler zu einer Verschiebung des fokussierten Bildes in Azimut-Richtung (Azimutzeit), welche wie folgt approximiert werden kann:
Die Gleichung (9) ist eine an sich bekannte Approximation für eine Verschiebung in Azimut-Richtung in einem SAR-Bild, die sich aus einer Abweichung AfR der Dopplerrate zwischen dem Filter, das für die Azimut-Kompression in der SAR- Prozessierung verwendet wird, und dem erfassten Signal für eine SAR-Akquisition mit der Doppler-Mittenfrequenz fDC A 0 ergibt (siehe auch Dokument [2], Gleichung (6)).
Der Faktor ist eine Funktion der Schneehöhe Zs (siehe Gleichung (7)) und hat somit einen direkten Bezug zum Schnee-Wasser-Äquivalent (siehe Gleichung (1)). Demzufolge ist die Azimutverschiebung ein direktes Maß für das Schnee-Wasser- Äquivalent. Erfindungsgemäß wird die Azimutverschiebung gemäß der Gleichung (9) zur Bestimmung der Schneehöhe bzw. des Schnee-Wasser-Äquivalents genutzt. Hierzu werden zwei SAR-Bilder mit unterschiedlichen Doppler-Mittenfrequenzen aus einer SAR-Akquisition synthetisiert. Die SAR-Bilder mit den unterschiedlichen Doppler- Mittenfrequenzen werden durch Verarbeitung von unterschiedlichen Teilen des Doppler-Spektrums der SAR-Akquisition gewonnen.
Gemäß den obigen Gleichungen (9), (7) und (1) kann aus den Verschiebungen von zwei SAR-Bildern mit unterschiedlichen Doppler-Mittenfrequenzen die Schneehöhe bzw. das Schnee-Wasser-Äquivalent gewonnen werden, wie nachfolgend näher er-
7 — 1 läutert wird. Gemäß Gleichung (9) bezeichnet tDC1 = fDC1 ■ - — die Azimutver-
J R,a
Schiebung für einen Frequenzbereich mit der Dopplerfrequenz fDC1 und AtDC2 =
7 — 1 fDC2 ’ 7 — bezeichnet die Azimutverschiebung für einen Frequenzbereich mit der J R,a
Dopplerfrequenz fDC2. Hieraus ergibt sich eine Azimutverschiebung Ax (in Metern) zwischen den SAR-Bildern mit den beiden Doppler-Mittenfrequenzen wie folgt: fR a erhält man dabei aus Gleichung (5). Für die Größe ergibt sich aus obiger Gleichung (10) folgender Zusammenhang:
Man erhält somit eine Abhängigkeit der Verschiebung der Bildinhalte zwischen den SAR-Bildern in den Frequenzbereichen mit den unterschiedlichen Doppler-Mittenfrequenzen von dem Parameter <(. Der Parameter hängt wiederum von der Schneehöhe gemäß Gleichung (7) ab. Durch die Umstellung der Gleichung (7) erhält man folgenden Zusammenhang:
Aus der Verschiebung Ax zwischen den SAR-Bildern in Frequenzbereichen mit unterschiedlichen Doppler-Mittenfrequenzen erhält man somit den Wert aus dem mittels Gleichung (12) die Schneehöhe gewonnen werden kann. Die in Gleichung (12) neben dem Wert enthaltenen Größen sind dabei mit ausreichender Genauigkeit vorbekannt bzw. können über das Snelliussche Brechungsgesetz (Größe 0r) bestimmt werden.
Unter der Annahme, dass die Dichte des Schnees konstant ist, ergibt sich hieraus das Schnee-Wasser-Äquivalent SWE basierend auf der obigen Gleichung (1) wie folgt:
SWE = — ■ Zs (13) Pw V ’
Im Folgenden wird die Erfindung nochmals anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels erläutert, bei dem durch die Verwendung von zwei Antennen mit unterschiedlichen Strahlrichtungen in der SAR-Radareinrichtung eine gute Aufteilung der erfassten SAR-Rohdaten in zwei Frequenzbereiche mit unterschiedlichen Doppler-Mittenfrequenzen erreicht wird. Fig. 4 zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau dieses SAR-Systems. Anstatt von zwei Antennen kann auch eine einzelne Antenne verwendet werden, welche in zwei unterschiedliche Strahlrichtungen abstrahlt.
In Analogie zu Fig. 1 bewegt sich die Radareinrichtung 100 entlang der Azimut- Richtung x oberhalb der Erdoberfläche GR. Das im Überflug erfasste Punktziel ist durch einen Stern angedeutet und mit Bezugszeichen PT bezeichnet. Die Radareinrichtung 100 enthält zwei Antennen 1 und 2, die nicht separat dargestellt sind. Die Antenne 1 ist eine kombinierte Sende- und Empfangsantenne und ihr zugeordneter Antennenstrahl (englisch: antenna beam) ist in Fig. 4 mit Bezugszeichen Al bezeichnet. Die Hauptstrahlrichtung des Antennenstrahls, d.h. die Abstrahlrichtung mit der höchsten Energie, ist für den Antennenstrahl Al mit Bezugszeichen RI bezeichnet. Demgegenüber ist der Antennenstrahl für die Antenne 2 mit A2 und dessen Hauptstahlrichtung mit Bezugszeichen R2 bezeichnet. Die Strahlrichtung RI der Antenne 1 ist mit einem rückwärts gerichteten Schielwinkel i/jb gegenüber der senkrecht zur Azimut-Richtung verlaufenden Ebene geneigt. Demgegenüber ist die Strahlrichtung R2 der Antenne 2 mit einem vorwärts gerichteten Schielwinkel i f gegenüber der senkrecht zur Azimut-Richtung verlaufenden Ebene geneigt. In der hier beschriebenen Ausführungsform sind die beiden Schielwinkel i/jb und i f gleich groß.
Mit der Anordnung der Fig. 4 werden gleichzeitig zwei entgegengesetzte Frequenzbereiche des Doppler-Spektrums in den SAR-Rohdaten erfasst. In an sich bekannter Weise ist die Doppler-Mittenfrequenz für die Antenne 1 mit dem Antennenstrahl Al wie folgt gegeben:
Analog ist die Doppler-Mittenfrequenz für die Antenne 2 mit dem Antennenstrahl A2 wie folgt gegeben:
Dabei bezeichnet ve die Azimutgeschwindigkeit der Radareinrichtung und 2 entspricht der Wellenlänge der Radarstrahlung.
Der vorwärts gerichtete Schielwinkel i f führt zu einer positiven Doppler-Mittenfrequenz, wohingegen der rückwärts gerichtete Schielwinkel i/jb einer negativen Doppler-Mittenfrequenz entspricht. Die Beträge der Mittenfrequenzen steigen mit größeren Schielwinkeln, was wiederum zu einer größeren Verschiebung Ax in Azimut- Richtung, d.h. zu einer höheren Sensitivität bei der Erfassung der Schneehöhe bzw. des Schnee-Wasser-Äquivalents, führt.
Wie erwähnt, sind die beiden Schielwinkel i b und i f gleich groß gewählt, d.h. es gilt /DC2 = — foci- Demzufolge kann der Parameter gemäß obiger Gleichung (11) wie folgt berechnet werden:
Hieraus kann dann die Schneehöhe gemäß den obigen Gleichungen (11) und (12) sowie das Schnee-Wasser-Äquivalent mit der obigen Gleichung (13) berechnet werden.
Fig. 5 verdeutlicht nochmals die Schritte, wie basierend auf der Anordnung der Fig.
4 die Schneehöhe bzw. das Schnee-Wasser-Äquivalent ermittelt werden kann. Zunächst werden mit der Radareinrichtung 100 aus Fig. 4 unter Verwendung der Antennen 1 und 2 in an sich bekannter Weise SAR-Rohdaten RD gewonnen. Das entsprechende Doppler-Spektrum DS der Rohdaten RD ist in Fig. 5 in einem Diagramm schematisch wiedergegeben. Die Abszisse des Diagramms bezeichnet die Dopplerfrequenz fD, wohingegen die Ordinate der Range-Frequenz frg entspricht. Durch die beiden Schielwinkel in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung ergeben sich im Doppler- Spektrum DS zwei separate Frequenzbereiche FBI und FB2. Der Frequenzbereich FBI entspricht der Doppler-Mittenfrequenz fDC1 und der Frequenzbereich FB2 der Doppler-Mittenfrequenz fDC2.
In Schritt S1 der Fig. 5 werden die beiden Frequenzbereiche FBI und FB2 aus den SAR-Rohdaten RD separiert, was durch eine Fouriertransformation und eine anschließende Bandpassfilterung erreicht wird. Anschließend werden in Schritt S2 die beiden Frequenzbereiche FBI und FB2 separat einer an sich bekannten SAR- Prozessierung mit Range-Kompression und Azimut-Kompression unterzogen. Im Fall, dass auf der Erdoberfläche kein Schnee liegt, ergibt sich für den Frequenzbereich FBI das SAR-Bild IMl' und für den Frequenzbereich FB2 das SAR-Bild IM2'. Wie man erkennt, sind die beiden Bilder identisch.
Demgegenüber kommt es im Falle, dass auf der Erdoberfläche Schnee liegt, zu einer Verschiebung zwischen den beiden Bildern bzw. deren Bildinhalten in Azimut-Richtung. Dabei bezeichnet in Fig. 1 IM1 das SAR-Bild für den Frequenzbereich FBI im Falle einer Schneeschicht und IM2 das Bild für den Frequenzbereich FB2 im Falle einer Schneeschicht. In der hier beschriebenen Ausführungsform entspricht das Bild IM1 insgesamt einem Bildbereich IA. Analog entspricht das Bild IM2 insgesamt einen Bildbereich IA. Üblicherweise werden die Bilder in kleinere Bildbereiche unterteilt, d.h. die beiden Bilder enthalten eine Vielzahl von entsprechenden Bildbereichen IA. Für die einzelnen Bildbereiche werden dann separat entsprechende Verschiebungen der Bildinhalte bestimmt.
Wie man erkennt, ist im Fall einer Schneebedeckung der Bildinhalt des Bilds IM1 (d.h. das Punktziel PT aus Fig. 4) entgegengesetzt zu dem Bildinhalt des Bilds IM2 in Azimut-Richtung verschoben. Dies ist durch entsprechende Pfeile AR angedeutet, welche die Verschiebung des Punktziels gegenüber dem Punktziel ohne Schnee (gestrichelt dargestellt) repräsentieren. Je größer die Schneehöhe ist, desto größer ist auch die entgegengesetzte Verschiebung zwischen den Bildern IM1 und IM2. Die zwischen den Bildern IM1 und IM2 vorhandene Verschiebung Ax, die der Größe aus Gleichung (10) entspricht, wird durch Vergleich dieser Bilder in Schritt S3 ermittelt. Anschließend wird in Schritt S4 aus der Verschiebung Ax die Schneehöhe Zs mittels der obigen Gleichungen (11) und (12) sowie das Schnee-Wasser-Äquivalent SWE mittels der obigen Gleichung (13) bestimmt.
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde von den Erfindern sowohl basierend auf simulierten SAR-Rohdaten als auch basierend auf realen SAR-Rohdaten getestet. Fig.
6 bis Fig. 9 zeigen dabei Ergebnisse aus der Simulation von SAR-Rohdaten für ein Punktziel auf der Erdoberfläche und ein Schnee-Wasser-Äquivalent von 1,0 m. Fig.
6 und Fig. 7 betreffen simulierte SAR-Bilder mit Schielwinkeln i f und i b von +10° und -10°, wobei das SAR-Bild für den Schielwinkel von -10° mit durchgezogenen Konturlinien und das SAR-Bild für den Schielwinkel von +10° mit gestrichelten Konturlinien in Fig. 6 und Fig. 7 wiedergegeben ist. Die Position des Punktziels für den Schielwinkel bei -10° ist in Fig. 6 und Fig. 7 mit PI bezeichnet, wohingegen die Position des Punktziels für den Schielwinkel bei +10° in Fig. 6 und Fig. 7 mit P2 bezeichnet ist. Fig. 7 zeigt dabei eine Vergrößerung der Bilder aus Fig. 6 an den entsprechenden Positionen Pl, P2 der Darstellung aus Fig. 6. Wie man erkennt, tritt in der Tat eine Verschiebung in Azimut-Richtung zwischen den Punktzielen auf.
Fig. 8 und Fig. 9 zeigen nochmals die analogen Darstellungen zu Fig. 6 und Fig. 7, wobei jedoch größere Schielwinkel von +20° und -20° angenommen wurden. Wie man erkennt, wird durch die Vergrößerung der Schielwinkel auch die Verschiebung zwischen den erfassten Punktzielen größer.
Die Erfinder haben ferner eine Analyse der Genauigkeit der Bestimmung des Schnee-Wasser-Äquivalents für die soeben beschriebene Simulation durchgeführt. Hierzu wurden in einer Monte-Carlo-Simulation mehrere Ausprägungen von normalverteiltem Rauschen für unterschiedliche SNR-Pegel (SNR = Signal-Rausch-Verhältnis) von 0 dB bis 25 dB zu jedem der mit den unterschiedlichen Schielwinkeln aufgenommenen SAR-Bilder hinzugefügt. Für jeden SNR-Pegel wurden 1000 Ausprägungen des Rauschens verwendet. Anschließend wurde die Verschiebung zwischen den Bildern mittels einer Kreuzkorrelation gemessen und hieraus das Schnee-Wasser-Äquivalent SWE ermittelt.
Fig. 10 zeigt ein Diagramm, dass das Ergebnis der Monte-Carlo-Simulation für die Schielwinkel von ±10° verdeutlicht. Die durchgezogene Linie LI gibt dabei die Standardabweichung (TSWE in Abhängigkeit des Signal -zu-Rausch- Verhältnisses SNR wieder, wohingegen die gestrichelte Linie L2 den Mittelwert ^SWE des Schnee- Wasser-Äquivalents abzüglich des tatsächlichen Schnee-Wasser-Äquivalents SWE (d.h. 1 m) darstellt. Wie man aus Fig. 10 erkennt, ist die Standardabweichung im Vergleich zu dem Schnee-Wasser-Äquivalent von 1 m sehr klein. Auch der Mittelwert des Schnee-Wasser-Äquivalents weicht nur geringfügig von dem tatsächlichen Wert von 1 m ab.
Wie bereits erwähnt, wurde das erfindungsgemäße Verfahren auch anhand von realen SAR-Daten einer natürlichen Umgebung mit Wiesen, Wäldern und urbanen Gebieten getestet. Dafür wurden Phasenfehler entsprechend einem bestimmten SWE- Werts synthetisch in die realen SAR-Daten eingefügt. Für die natürliche Szene wurden entsprechende SWE-Werte für Bildblöcke mit einer Ausdehnung von 80 m in Range und 110 m in Azimut ermittelt. Die Messung beruht dabei nicht auf der Verschiebungsmessung von Punktzielen, sondern auf der Verschiebungsmessung von ausgedehnten natürlichen Szenen mit Kontrast. Auch für reale SAR-Daten konnte das Schnee-Wasser-Äquivalent mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.
Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen des erfmdungsgemä- ßen Verfahrens weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere kann hochgenau mittels eines einzigen Überflugs die absolute Schneehöhe bzw. das Schnee-Wasser- Äquivalent aus SAR-Rohdaten ermittelt werden. Im Gegensatz hierzu können mit derzeit bekannten Verfahren nur Unterschiede in den Schneehöhen über interfero- metrische Messungen basierend auf SAR-Akquisitionen aus mehreren Überflügen bestimmt werden. Darüber hinaus hat das erfindungsgemäße Verfahren nicht mehr den Nachteil von interferometri sehen Messungen, bei denen zeitliche Dekorrelationseffekte zwischen zwei SAR-Akquisitionen auftreten können und welche einer 2K- Phasen-Mehrdeutigkeit unterliegen.
Literaturverzei chni s :
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[2] M. Rodriguez-Cassola et al., "Doppler-Related Distortions in TOPS SAR Images," in IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Vol. 53, no.
1, Seiten 25-35, Jan. 2015

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur rechnergestützten Verarbeitung von SAR-Rohdaten (RD), welche von einer Radareinrichtung (100) stammen, die in einer Azimut-Richtung (x) die Erdoberfläche (GR) überfliegt, wobei die SAR-Rohdaten (RD) Radarechos von Radarpulsen (RP) während eines einmaligen Überflugs über einen Bereich der Erdoberfläche (GR) repräsentieren, wobei die Radarpulse (RP) von der Radareinrichtung (100) ausgesendet werden oder wurden und die Radarechos als an der Erdoberfläche (GR) reflektiere Radarpulse durch die Radareinrichtung (100) empfangen werden oder wurden, wobei die SAR-Rohdaten (RD) eine Vielzahl von Datenabtastungen umfassen, die ein Doppler-Spektrum (DS) enthalten, wobei eine jeweilige Datenabtastung zu einer Azimut-Position entlang der Azimut-Richtung (x) und einer Range-Position entlang einer Range-Richtung (R) gehört, wobei die Range-Richtung (R) senkrecht zur Azimut-Richtung verläuft, wobei a) aus den SAR-Rohdaten (RD) ein erster Frequenzbereich (FBI) des Doppler-Spektrums (DS) mit einer ersten Doppler-Mittenfrequenz (fDCi) und ein zweiter Frequenzbereich (FB2) des Doppler-Spektrums (DS) mit einer zweiten Doppler-Mittenfrequenz (/£>C2) extrahiert werden, wobei der erste Frequenzbereich (FBI) disjunkt zum zweiten Frequenzbereich (FB2) ist; b) aus dem ersten Frequenzbereich (FBI) ein erstes SAR-Bild (IM1) ermittelt wird und aus dem zweiten Frequenzbereich (FB2) ein zweites SAR-Bild (IM2) ermittelt wird; c) für einen jeweiligen Bildbereich (IA) einer Anzahl von Bildbereichen (IA) im ersten SAR-Bild (IM1) ein Verschiebungswert (Ax) bestimmt wird, der angibt, um wieviel der Bildinhalt im jeweiligen Bildbereich (IA) aus dem ersten SAR-Bild (IM1) gegenüber dem gleichen Bildinhalt in einem entsprechenden Bildbereich (IA) aus dem zweiten SAR-Bild (IM2) in Azimut-Richtung (x) verschoben ist, wobei der jeweilige Bildbereich (IA) und der entsprechende Bildbereich (IA) die gleiche Fläche in Bezug auf die Azimut-Richtung (x) und die Range-Richtung (R) repräsentieren; d) aus dem Verschiebungswert (Ax) eine Schneehöhe (Zs) in dem jeweiligen Bildbereich (IA) bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) aus der Schneehöhe (Zs) ein von der Schneehöhe abhängiger Wert bestimmt wird, der vorzugsweise das Schnee-Wasser-Äquivalent (SWE) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneehöhe (Zs) in Schritt d) wie folgt bestimmt wird: wobei Zs die Schneehöhe ist; wobei ES der Realteil der relativen dielektrischen Permittivität von Schnee ist; wobei h die Flughöhe der Radareinrichtung (100) über der Schneeoberfläche ist; wobei 0i der Einfallswinkel der Radarpulse (RP) im jeweiligen Bildbereich (IA) ist; wobei 0r der Brechungswinkel der Radarpulse (RP) im jeweiligen Bildbereich (IA) an der Schneeoberfläche ist; wobei wobei Ax der Verschiebungswert in Metern in Azimut-Richtung (x) ist; wobei ve die Azimutgeschwindigkeit der Radareinrichtung (100) ist; wobei fDC1 die erste Doppler-Mittenfrequenz (fDCi) ist; wobei fDC2 die zweite Doppler-Mittenfrequenz (fDC2) ist; wobei fR a die Dopplerrate ohne Schnee im jeweiligen Bildbereich (IA) ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die SAR-Rohdaten (RD) von einer Radareinrichtung (100) stammen, die eine Antenneneinrichtung umfasst, welche einen Antennenstrahl zum Senden und Empfangen von Radarstrahlung in einer ersten Strahlrichtung (RI) und einen Antennenstrahl zum Senden und Empfangen von Radarstrahlung in einer zweiten Strahlrichtung (R2) erzeugt, wobei die erste Strahlrichtung (RI) in einem ersten Neigungswinkel (i/jb') gegenüber der senkrecht zur Azimutrichtung (x) verlaufenden Ebene geneigt ist und wobei die zweite Strahlrichtung (R2) in einem zweiten Neigungswinkel (t/ ) gegenüber der senkrecht zur Azimutrichtung (x) verlaufenden Ebene geneigt ist, wobei sich die erste Strahlrichtung (RI) und die zweite Strahlrichtung (R2) voneinander unterscheiden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Neigungswinkel ein Rückwärtswinkel ist, so dass die erste Strahlrichtung (RI) bezogen auf die Bewegung der Radareinrichtung (100) in Azimut-Richtung (x) hinter der Radareinrichtung (100) liegt, und der zweite Neigungswinkel (i f) ein Vorwärtswinkel ist, so dass die zweite Strahlrichtung (R2) bezogen auf die Bewegung der Radareinrichtung (100) in Azimut-Richtung (x) vor der Radareinrichtung (100) liegt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwärtswinkel zwischen 2° und 40°, vorzugsweise zwischen 5° und 25° und besonders bevorzugt zwischen 15° und 25° liegt und/oder dass der Rückwärtswinkel zwischen 2° und 40°, vorzugsweise zwischen 5° und 25° und besonders bevorzugt zwischen 15° und 25° liegt.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwärtswinkel genauso groß wie der Rückwärtswinkel ist.
8. Vorrichtung zur rechnergestützten Verarbeitung von SAR-Rohdaten (RD), welche von einer Radareinrichtung (100) stammen, die in einer Azimut-Richtung (x) die Erdoberfläche (GR) überfliegt, wobei die SAR-Rohdaten (RD) Radarechos von Radarpulsen (RP) während eines einmaligen Überflugs über einen Bereich der Erdoberfläche (GR) repräsentieren, wobei die Radarpulse (RP) von der Radareinrichtung (100) ausgesendet werden oder wurden und die Radarechos als an der Erdoberfläche (GR) reflektiere Radarpulse durch die Radareinrichtung (100) empfangen werden oder wurden, wobei die SAR-Rohdaten (RD) eine Vielzahl von Datenabtastungen umfassen, die ein Doppler-Spektrum (DS) enthalten, wobei eine jeweilige Datenabtastung zu einer Azimut-Position entlang der Azimut-Richtung (x) und einer Range-Position entlang einer Range-Richtung (R) gehört, wobei die Range-Richtung (R) senkrecht zur Azimut-Richtung verläuft, wobei die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens eingerichtet ist, bei dem: a) aus den SAR-Rohdaten (RD) ein erster Frequenzbereich (FBI) des Doppler-Spektrums (DS) mit einer ersten Doppler-Mittenfrequenz (fDCi) und ein zweiter Frequenzbereich (FB2) des Doppler-Spektrums (DS) mit einer zweiten Doppler-Mittenfrequenz (/£>C2) extrahiert werden, wobei der erste Frequenzbereich (FBI) disjunkt zum zweiten Frequenzbereich (FB2) ist; b) aus dem ersten Frequenzbereich (FBI) ein erstes SAR-Bild (IM1) ermittelt wird und aus dem zweiten Frequenzbereich (FB2) ein zweites SAR-Bild (IM2) ermittelt wird; c) für einen jeweiligen Bildbereich (IA) einer Anzahl von Bildbereichen (IA) im ersten SAR-Bild (IM1) ein Verschiebungswert (Ax) bestimmt wird, der angibt, um wieviel der Bildinhalt im jeweiligen Bildbereich (IA) aus dem ersten SAR-Bild (IM1) gegenüber dem gleichen Bildinhalt in einem entsprechenden Bildbereich (IA) aus dem zweiten SAR-Bild (IM2) in Azimut-Richtung (x) verschoben ist, wobei der jeweilige Bildbereich (IA) und der entsprechende Bildbereich (IA) die gleiche Fläche in Bezug auf die Azimut-Richtung (x) und die Range-Richtung (R) repräsentieren; d) aus dem Verschiebungswert (Ax) eine Schneehöhe (Zs) in dem jeweiligen Bildbereich (IA) bestimmt wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 7 eingerichtet ist.
10. Computerprogrammprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wenn der Programmcode auf einem Rechner ausgeführt wird.
11. Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wenn der Programmcode auf ei- nem Rechner ausgeführt wird.
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