Signalverarbeitung



Voll polarimetrisches E-SAR - Bild von Oberpfaffenhofen, DLR-Einrichtungen in der Bildmitte. Das Farbkomposit wurde aus zwei dual-polarisierten Datensätzen in C-band (HH-grün, HV-rot, VV-blau) generiert.

Synthetic-Apertur-Radar-Systeme (SAR-Systeme) erfordern eine aufwändige Signalverarbeitung, um aus den Daten die gewünschten Informationen zu extrahieren. Räumliche Auflösung sowie radiometrische und interferometrische Kalibriergenauigkeiten haben dabei direkten Einfluss auf die Messung und die Ableitung physikalischer Parameter.

Die Entwicklung neuer Algorithmen zur Bereitstellung der gewünschten Information und zur Verbesserung der Qualität ist ein fließender Prozess. Zusätzlich stellt der steigende Umfang an akquirierten und prozessierten E-SAR - Daten hohe Anforderungen an eine effiziente Algorithmenentwicklung. Über 300-400 Datatakes wurden in den letzten 4 Jahren erflogen. Dies entspricht ca. 1GB an Rohdaten pro Datatake und noch einmal 1GB pro prozessiertem Datenprodukt.

E-SAR Prozessor

Der E-SAR-Prozessor beinhaltet:

  • den Extended Chirp Scaling (ECS)-Algorithmus zur Bilderzeugung (hochauflösend, phasenerhaltend, genaue Bewegungskorrektur, keine Interpolationen).
  • interferometrische Prozessierungsmodule für Single- und Repeat-Pass-SAR-Interferometrie.
  • Radiometrische und polarimetrische Kalibrierung.
  • Geokodierungsmodule für SAR-Bilddaten und digitale Höhenmodelle (DEMs).
  • Segmentierungs- und Mosaikierungsmodule.

Verbunden mit der Forderung nach hoher Auflösung und exakter Bewegungskompensation und hinsichtlich vieler Flugkampagnen im Ausland wurde die E-SAR-Prozessiersoftware darauf ausgerichtet, auf jeweils einzelnen LINUX-PC's zu laufen und dabei auf gemeinsame Datenarchive für Rohdaten und prozessierte Daten zuzugreifen. Auch bei Einsätzen außerhalb Europas (Indien, Indonesien, Tunesien) bewährte sich dieses Konzept, welches eine Prozessierung und Quality-Checks vor Ort erlaubt.

E-SAR-Prozessierung, Datenprodukte und Datenarchivierungsstrategie

E-SAR Datenprodukte

Der E-SAR-Prozessor erlaubt derzeit die Erzeugung folgender operationeller Produkte:

  • Polarimetrische Multilook- und Singlelook (SLC) -Daten in Slant-Range-Geometrie: Radar Geometry Images (RGI product).
  • Geokodierte, höhenmodellkorrigierte Daten: Geocoded Terrain Corrected Data (GTC product).
  • Höhenmodelle: Digital Elevation Models (DEM product)
  • Repeat-Pass interferometrische Daten (RP-InSAR product: master & slave RGI products)

Zum Zwecke der Langzeitarchivierug wird jedes Datenprodukt ins Data Ingestion and Management System DIMS des Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) des DLR in Oberpfaffenhofen übertragen, welches einen weltweiten Zugriff über EOWEB bietet.

Neueste Entwicklungen

  • DEM-Generierung
  • Flugzeuggetragene Repeat-Pass-SAR-Interferometrie
  • Topographische Bewegungskompensation
  • Verkehrsüberwachung

Digital elevation model of Lago Maggiore area obtained from single-pass
interferometric E-SAR data in X-band (WGS-84, UTM zone 32)
DEM - Generierung

Digitale Höhenmodelle (DEMs) sind eines der E-SAR-Standardprodukte. Großflächige Abbildungen stellen jedoch eine Herausforderung dar, welches sich aus der relativ kleinen Streifenbreite von nur 3,5 Kilometern ergibt. Folglich wird ein Mosaikverfahren benutzt, um größere Höhenmodelle zu erzeugen. Mit der Möglichkeit Daten am Lago Maggiore (Italien) zu akquirieren, wurde die Mosaikprozedur dahingehend erweitert, dass von nun ab eine interative Topographie-abhängige Korrektur von Restbewegungsfehlern durchgeführt wird. Ein Höhenmodell über ein Gebiet von 15x15 km wurde aus 15 verschiedenen Überflügen generiert. Die horizontale Schrittweite beträgt 2m bei einer Höhengenauigkeit von besser als 2m (rms) an flachen und besser als 5m (rms) an steilen Hängen. Die generelle Höhenvariation ist ca. 1500m, schwarze Stellen im Modell entsprechen der See-Oberfläche (fehlende Höheninformation da kein Signal verfügbar). 

Flugzeuggetragene Repeat-Pass SAR Interferometrie

Für die Repeat-Pass SAR-Interferometrie wurde eine spezielle Verarbeitungskette implementiert, die eine extrem hohe Komplexität der Datenverarbeitung mit sich bringt. Eine hoch-genaue Verarbeitung der Daten ist jedoch Grundvoraussetzung für die Erzeugung hoch-qualitativer Pol-InSAR-Produkte, die als Input für modell-basierte Inversionsalgorithmen dienen (mehr Details unter Pol-InSAR).

Die Qualität der Standard-Datenverarbeitung flugzeuggetragener SAR-Systeme ist stets begrenzt durch die Genauigkeit der zur Verfügung stehenden Navigationsdaten, mit deren Hilfe die Bewegung des Trägers (Flugzeug) korrigiert wird (Stand der Technik ist eine Kombination aus Inertial- und GPS-Sensoren). Obwohl die relative Genauigkeit, mit der gut fokussierte Bilder erzielt werden können schon sehr gut ist, wird die absolute Genauigkeit durch das differentielle GPS-Signal begrenzt, das in der Größenordnung von ca. 5 bis 10 cm liegt (Nimmt man L-Band als Trägerfrequenz und Zwei-Wege-Verzögerung des Radarsignals an, so beträgt dies ca. einen interferometrischen Phasenzyklus, d.h. einen Sprung um 2 Pi). Ganz offensichtlich reicht diese Genauigkeit nicht für Repeat-Pass SAR-Interferometrie aus. Eine robuste Schätzung der Restbewegungen wurde daher entwickelt – basierend auf der so-genannten Multi-Squint-Methode. Die Restbewegungsfehler (in horizontaler und vertikaler Richtung) zwischen den beiden geflogenen Tracks der interferometrischen Datenakquisitionen werden direkt aus den interferometrischen SAR-Daten geschätzt. Ein Beispiel dazu ist unten gezeigt:

Restbewegungsfehler – gemessen und korrigiert in der Repeat-Pass-Verarbeitung. Eine fast perfekte Kompensation der Fehler ist bereits nach 3-4 Iterationen erreicht. Dies entspricht einer Korrektur von Restbewegungen des Flugzeugs mit Millimetergenauigkeit.

Die ursprünglichen Restbewegungsfehler liegen in der Größenordnung von 3-5cm, welches der Genauigkeit des Navigationssystems entspricht, das auf differentiellem GPS und Inertialdaten basiert. Ohne diese Kompensationsmethode würde es zu Phasenfehlern und einer Verminderung der Kohärenz kommen. Dies hätte eine direkte, massive Auswirkung auf die Qualität des interferometrischen Produkts.

Topografische Bewegungskompensation

Während der Entwicklung und Verfeinerung der Repeat-Pass-Datenverarbeitung wurde außerdem erkannt, dass die üblichen Annahmen bei der Bewegungskompensation nicht ausreichen und dass die vorliegende Topografie in den Prozess mit eingebunden werden muss. Dies führte zur Entwicklung eines neuen Algorithmus – der so-genannten Präzisen Topografie- und Apertur-abhänigen Bewegungskompensation (PTA). Diese basiert auf Kurzzeit-FFT-Codes und macht damit Gebrauch von der quasi-linearen Zeit-Frequenz-Entsprechung des SAR-Signals. Ihre Anwendung ist eine Vorbedingung nicht nur zur differentiellen SAR-Datenverarbeitung flugzeuggetragener Systeme im interferometrischen Mode, sondern sogar für Repeat-Pass SAR-Anwendungen in hügeligen und bergigen Gebieten generell.

Verkehrsüberwachung

Das E-SAR-System nutzt kleine Antennen, um die Konfiguration einer ‚Gimble’-basierten Antennensteuerung zu vermeiden. Dies führt zu einem Azimutsignal mit sehr hoher Bandbreite, welches wiederum mit einem hohen PRF-Wert (Puls-Wiederholfrequenz) verbunden ist. Während der Datenverarbeitung wird üblicherweise nur ein kleiner Teil der verfügbaren Azimutbandbreite genutzt um vergleichbare Auflösungen in Azimut wie in Range zu erreichen. Die Verfügbarkeit einer sehr großen Azimutbandbreite (ca. 900 Hz im X-Band) beim E-SAR-System ist aber sehr von Vorteil bei der Beobachtung von Bewegtzielen im Along-Track-Interferometrie-Modus, da deren Signalenergie durch die Bewegung auch nach Regionen außerhalb der üblicherweise prozessierten Bandbreite verschoben sein kann. Deshalb ist die Verarbeitung der vollen Bandbreite nötig, um MTI (Moving Target Indication) mit ausreichender Genauigkeit zu erlauben. Zu diesem Zweck wurde der E-SAR-Prozessor erweitert, um möglichst effizient genügend Speicher zur Verfügung zu stellen und um die entsprechenden Phasenfilterfunktionen generieren zu können. Das Ergebnis ist ein sehr hoch aufgelöstes SAR-Bild (bis zu 10cm Auflösung in Azimut) und dem zugehörigen Along-Track-Interferogramm.

Der Teil eines solchen Bildes mit zugehörigem Interferogramm sowie einer ersten Markierung von Bewegtzielen ist unten dargestellt.

Ein E-SAR-Bild mit voller Azimutbandbreite in X-Band (links) mit zugehöriger interferometrischer (Along-Track) Phase. Die blaue Einfärbung entspricht der Nullphase und repräsentiert die stationären Ziele. Bewegtziele sind in grün, gelb und orangenen Farben dargestellt.


Beachten Sie, dass die Auflösung in Entfernungsrichtung durch die Bandbreite von 100 MHz des Radarsystems vorgegeben wird. Sie ist um einen Faktor 15 schlechter als die Auflösung in Flugrichtung. Eine weitere Auswertung solcher Datensätze wird im Zuges des DLR TRAMRAD-Projektes durchgeführt, aber auch zur Entwicklung des TerraSAR-X – Verkehrsprozessors genutzt.

Weitere derzeitige wissenschaftliche Themen

  • Differentielle SAR-Interferometrie flugzeuggetragener SAR-Systeme
  • SAR-Tomografie flugzeuggetragener SAR-Systeme
  • Datenverarbeitung von Radar-Soundern

Kontakt
Dr.-Ing. Rolf Scheiber
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme
, SAR Technologie
Tel: +49 8153 28-2319

Fax: +49 8153 28-1449

E-Mail: Rolf.Scheiber@dlr.de
URL dieses Artikels
http://www.dlr.de/hr/desktopdefault.aspx/tabid-2326/3776_read-5688/