SAR Simulation



Die Werkzeuge der SAR-Simulation werden typischerweise im Entwurfsprozess von SAR-Systemen für parametrische Studien eingesetzt, die verschiedene Themengebiete umfassen wie zum Beispiel Vorhersage von Bildqualitätsparametern, Test von Algorithmen zur Bildrekonstruktion und Kompensation von Bewegungsfehlern entlang der Synthetischen Apertur. Darüber hinaus zeigen die jüngsten operationellen Erfahrungen mit satellitengestützten SAR-Systemen mit Auflösungen unter einem Meter (z.B. SAR-Lupe, COSMOSkyMed und TerraSAR-X) für Aufklärungszwecke die große Bedeutung des Verständnisses von SAR-spezifischen Bildeffekten, insbesondere Foreshortening und Layover sowie Schattencharakteristiken für die Interpretation von komplexen Zielen wie Flugzeuge und Schiffe.

SAR-Simulationen können wesentliche Beiträge liefern um Bildauswertern die Interpretation von SAR-Bildaufnahmen zu vereinfachen und sie bei Aufgaben wie Signaturanalysen und Erkennung zu unterstützen. Hierfür wurde eine neuartige Simulationsumgebung geschaffen mit dem Anspruch, die vorgenannten Anforderungen mit einem höchstmöglichen Grad von Realitätstreue zu erfüllen. Der modulare und flexible Aufbau des Simulators ermöglicht Anpassungen und Erweiterungen für unterschiedliche Aufgabenstellungen.

Simulationsablauf

Jede Simulation beginnt mit einer bestmöglichen Darstellung der Realität. Diese wird durch ein detailliertes Oberflächenmodell des betrachteten Objektes erreicht. In dem gewählten Beispiel in Abbildung 1 stellt das Drahtgittermodell eines Flugzeugs vom Typ Boeing 747 dar.

 

 Abbildung 1: 3-D Drahtgittermodell einer Boeing 747
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Nach Einstellung von SAR Aufnahmeparametern und Radarsystemparametern wird das zu simulierende Objekt mittels eines schnellen Strahlverfolgungsverfahren fein abgetastet. Unser Ansatz findet nicht nur die prominenten Streueffekte des Objektes sondern lokalisiert sie in der SAR-Bildebene und berechnet ihre Reflektivität durch hochentwickelte und rechenzeiteffiziente Algorithmen. Das visuelle Ergebnis dieses Simulationsschrittes wird als Reflektivitätskarte bezeichnet. Abbildung 2 zeigt eine solche Reflektivitätskarte für die gewählte Boeing 747.

 Abbildung 2: Reflektivitätskarte einer Boeing 747
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Zusätzlich zu den prominenten Streuzentren sind in dieser Reflektivitätskarte auch die Hintergrundstreuung und der Schatten des Flugzeugs berücksichtigt. Eine solche Reflektivitätskarte stellt ein ideales SAR-Bild dar, da sie keine Effekte wie endliche Bandbreite oder Nebenkeulen beinhaltet.

Im letzten Schritt der Simulationskette wird diese ideale SAR-Signatur zu einem realistischen SAR-Bild verarbeitet. Dies erfolgt durch ein schnelles Bildrekonstruktionsverfahren, welches unter Verwendung der Impulsantwort des betrachteten SAR-Systems die Bandbreite der Reflektivitätskarte reduziert. Die resultierende SAR-Signatur einer Systemkonfiguration für den hochauflösenden TerraSAR-X Spotlight-Mode ist in Abbildung 3 dargestellt.

 

 Abbildung 3: Simulierte SAR-Signatur einer Boeing 747
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Signaturanalyse

Zur Verbesserung der Interpretierbarkeit von Signaturen besitzt SAREF hochentwickelte Funktionen für die Analyse von Streueffekten. Zunächst können, wie in Abbildung 4 gezeigt, die prominenten Streueffekte des Objektes farblich hervorgehoben werden. Einfachstreuer werden in Gelb, Reflexionen an Kanten in Orange, Zweifachreflexionen in Grün und weitere Mehrfachreflexionen in Hellblau dargestellt.

 

 Abbildung 4: Simulierte SAR-Signatur einer Boeing 747 überlagert mit farblich kodierten Streueffekten
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Die Position der Streuzentren kann nicht nur zweidimensional in der SAR-Bildebene sondern auch, wie in Abbildung 5 dargestellt, dreidimensional mit einer transparenten Überlagerung des Drahtgittermodells. Die hellblau gestrichelte Linie gibt die simulierte Sichtlinie des Radarsensors an.

 

 Abbildung 5: 3-D Modell mit farblich kodierten markanten Streuzentren
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Darüber hinaus können die Ursachen der markanten Streuzentren in einer komfortablen Art und Weise analysiert werden, in dem ihre Strahlengänge visualisiert werden. In Abbildung 6 ist dies für eine Dreifachreflexion zwischen dem Flugzeugrumpf und glattem Asphalt dargestellt.

 

 Abbildung 6: Analyse von Streueffekten mittels Visualisierung von Strahlengängen
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Signaturerkennung

SAREF kann nicht nur zur Analyse von Signaturen genutzt werden, sondern auch für ihre Erkennung. Der Ablauf wird im folgenden Video demonstriert. Es zeigt die Verfahrensweise am Beispiel einer Flugzeugsignatur in einer TerraSAR-X Aufnahme im Staring Spotligt Mode des Frankfurter Flughafens. Grundsätzlich wird hier für die Objekterkennung eine spezielle optische Ansicht des 3D-Modells genutzt, die sogenannte perspektivische Ansicht, die exakt mit den Einfachstreuern in der SAR-Bildebene übereinstimmt. Die Ausrichtung dieser perspektivischen Ansicht in der Bildebene erfolgt interaktiv durch den Nutzer.

 

 Video zur Illustration der Verfahrensweise bei der Objekterkennung
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Großflächige Fusion von optischen und Radarbildern

Das Prinzip der Signaturerkennung durch Angleichen der optischen Bildebene an die der SAR-Aufnahme kann auch in größerem Maßstab auf die gesamte Szene angewendet werden. Hierbei ist kein manuelles Ausrichten notwendig, da die Transformation zwischen den beiden Bildebenen aus den geographischen Informationen automatisch berechnet werden kann. In der folgenden Abbildung 7 ist eine SAR-Aufnahme des Hafens bei Oslo gezeigt und in der Abbildung 8 ein entsprechend angepasstes optisches Bild. Das optische Bild deckt sich exakt mit den Signaturen wie zum Beispiel an Gebäuden, da bei der Transformation ein hoch aufgelöstes digitales Höhenmodell (DHM) genutzt wurde, welches auch erhöhte Strukturen wie Gebäude beinhaltet. Die optischen und DHM-Daten werden mit freundlicher Unterstützung des DLR-Instituts für Optische Systeme genutzt.

 

 Abbildung 7: TerraSAR-X Staring Spotlight Aufnahme von Oslo
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 Abbildung 8: Transformierte optische Bilddaten von Oslo (mit freundlicher Unterstützung des DLR-Instituts für Optische Systeme), welche perfekt mit dem SAR-Bild in Abbildung 7 übereinstimmen
zum Bild Abbildung 8: Transformierte optische Bilddaten von Oslo (mit freundlicher Unterstützung des DLR-Instituts für Optische Systeme), welche perfekt mit dem SAR-Bild in Abbildung 7 übereinstimmen

 

Layover- & Abschattungsanalyse

Das folgende Video zeigt ein weiteres, sehr mächtiges Anwendungsbeispiel. In dem Video wird eine nahezu in Echtzeit durchgeführte Abschattungsanalyse für die obige Oslo-Szene dargestellt. In Verbindung mit einer Kontaktanalyse mittels Orbitpropagation (siehe Fachgruppe Satelliten-Systemtechnik) kann diese Funktionalität zur Planung von Bildaufträgen verwendet werden.

 Video zur Illustration der Verfahrensweise bei Layover- & Abschattungsanalyse
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Kontakt
Dr.-Ing. Rainer Speck
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme
, Aufklärung und Sicherheit
Tel: +49 8153 28-2322

Fax: +49 8153 28-1135

E-Mail: rainer.speck@dlr.de
URL dieses Artikels
http://www.dlr.de/hr/desktopdefault.aspx/tabid-2434/3770_read-32515/