Team: SAR-Prozessierung

SAR-Prozessoren werden als sogenannte End-to-End-Systeme ausgelegt, die aus dem vom SAR-Instrument gelieferten Bitdatenstrom hochgenaue kalibrierte Produkte für Wissenschaftler und kommerzielle Anwender generieren.

Prozessierung
Illustration der interferometrischen SAR Prozessierung basierend auf einer interferometrischen Repeat-Pass Aufnahme des Salar di Arizaro in Bolivien durch TerraSAR-X.
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Obige Illustration fasst anschaulich die wesentlichen Stufen einer interferometrischen Verarbeitung zusammen, wie sie beispielsweise für die TanDEM-X Mission entwickelt wurde. Durch Fokussierung der holographisch aufgezeichneten Radarechos gewinnt man ein scharfes Bild der Radarreflektivität der Erdoberfläche. Neben den Signalstärken, die im linken oberen Teil als Grauwerte dargestellt sind, enthalten diese Bilder auch hochgenaue Entfernungsangaben in Form von Phasenwinkeln. Aus der Differenz der Phasen zweier, aus leicht unterschiedlicher Perspektive aufgenommener SAR Bilder entsteht ein Interferogram, im mittleren Teil als farbiges Streifenmuster dargestellt. Daraus kann, nach Auflösen von Phasenmehrdeutigkeiten und mit dem Wissen der exakten Aufnahmegeometrie ein digitales Höhenmodel der Erdoberfläche erstellt werden, wie rechts unten koloriert  und schattiert angedeutet.

Entwicklungsphasen eines SAR-Prozessors

Die Entwicklung eines operationellen SAR-Prozessors dauert normalerweise mehrere Jahre und umfasst folgende Schritte:

  • Definition der Systemanforderungen aus den Nutzeranforderungen unter Berücksichtigung der Instrumentparameter und der Flugbahneigenschaften
  • Erzeugung realistischer Testdaten mithilfe von Simulationstools, besonders für neuartige Aufnahmemoden wie Spotlight oder TOPS
  • Erstellung eines modularen und leistungsfähigen Softwaredesigns
  • Effiziente Kodierung der Software auf Parallelrechnern, FPGAs oder GPUs
  • Weiterentwicklung der Software und Versionsmanagement während der Satellitenbetriebsphase von 5-10 Jahren

Die wichtigsten Entwicklungen sind der TerraSAR Multi-Mode SAR Prozessor TMSP sowie der Integrierte TanDEM-X Prozessor ITP.

TerraSAR Multi-Mode SAR Prozessor (TMSP)

Dieser Prozessor verarbeitet alle SAR-Daten der TerraSAR-X Mission. Er wird sowohl im Bodensegment des DLR als auch in den Empfangsstationen externer Partner weltweit eingesetzt. Die besonderen Merkmale des Systems sind:

  • Hochoptimierter muli-mode-fähiger und phasentreuer Fokussierungsalgorithmus zur Verarbeitung der SAR-Aufnahmemoden Staring und Sliding Spotlight, Stripmap, ScanSAR und WideScanSAR,
  • Geländemodellgestützte Berechnung von Prozessierungsparametern und von Korrekturfunktionen für die Antennenausleuchtung.
  • Optionale Subtraktion des thermalen Rauschens für alle Aufnahmemoden
  • Verarbeitung der experimentellen Moden Aperture-Switching und Along-Track Interferometrie
  • Verfügbarkeit des Systems für unterschiedliche Hardwarearchitekturen und Betriebssysteme.

Basierend auf den TSMP Entwicklungen wurde auch ein End-to-End SAR Prozessor für den Betrieb im Bodensegment der spanischen PAZ SAR Mission entwickelt.

Integrierter TanDEM-X Prozessor (ITP)

Die TanDEM-X Mission stellt mit dem erstmaligen Konfigurationsflug zweier SAR-Satelliten und dem bi-statischen interferometrischen Aufnahmeprinzip eine neue Herausforderung an die SAR-Datenverarbeitung. Das Prozessierungssystem ITP vereint die Aspekte der bi-statischen SAR-Prozessierung, der interferometrischen Verarbeitung und schließlich der Erzeugung von digitalen Höhenmodellen aus den abgeleiteten Phaseninformationen. Die besonderen Merkmale des Systems sind

  • Analyse von differentiellen Abweichungen der Oszillatoren beider Satelliten und die Kompensation, der dadurch verursachten Zeit- und Phasendriften in den SAR-Signalen,
  • Hochpräzise Ko-Registrierung der beiden SAR-Aufnahmen mit Zentimetergenauigkeit,
  • Innovative neue und robuste Verfahren zur Auflösung von Phasenmehrdeutigkeiten („Phase-Unwrapping“),
  • Effiziente Berechnung und Geocodierung der Höhenwerte aus den interferometrischen Phasen.

Neben der Entwicklung von End-to-End Prozessoren entwickeln wir in Vorbereitung auf zukünftige Missionen neue algorithmische Verarbeitungskonzepte passend für neue SAR Instrumenttechnologien, wie beispielsweise das Frequency-Scan-Verfahren in Verbindung mit azimutal verteilten Phasenzentren der Empfangsantenne. Diese Konzepte sind Kernelemente einer vorgeschlagenen High-Resolution Wide-Swath (HRWS) Mission in Nachfolge von TerraSAR-X. Für andere künftige SAR Missionen, die beispielsweise eine Onboard-Verarbeitung der SAR Daten erfordern, implementieren wir aktuell im Rahmen eines europäischen Horizon 2020 Förderprojekts Hardware-nah einen SAR Fokussierungsalgorithmus in einen FPGA-Baustein, während wir anderseits für künftiges On-Ground-Processing auch GPUs einbeziehen werden.