Kalibrierung

SAR System Calibration  

Konzepte zur Kalibrierung
Motivation für neue Kalibrierungskonzepte.
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Die Kalibrierung weltraumgestützter abbildender Radarsysteme ist der Hauptschwerpunkt der Kalibrierungsgruppe und seit über 25 Jahren ein wichtiges Forschungsgebiet des Instituts. Eine wesentliche Aufgabe bei der Kalibrierung dieser Synthetic Aperture Radar (SAR)-Systeme ist es, die Beziehung zwischen Radarmessungen und geophysikalischen Parametern herzustellen. Dazu gehören die Geolokalisierung des SAR-Bildes, seine Rückstreueigenschaften (in Amplitude und Phase) und polarimetrische Informationen. Um mit der wachsenden Nachfrage nach genauen SAR-Datenprodukten einerseits und der zunehmenden Komplexität innovativer weltraumgestützter SAR-Systeme (mit einer Vielzahl verschiedener Abbildungsstrahlen und neuartigen Betriebsmodi wie TOPS (Terrain Observation by Progressive Scans), Sliding Spotlight usw.) andererseits Schritt zu halten, siehe Kalibrierungskonzepte, sind ausgefeilte Konzepte, präzise Algorithmen und angemessene Einrichtungen erforderlich, siehe Transponder/Corner, um solche komplexen weltraumgestützten SAR-Systeme effizient zu kalibrieren.

Transponder/Winkelreflektoren
Kalibrierungsgeräte des DLR SAR-Kalibrierungszentrums: Ferngesteuerter Transponder im Labor (links) und im Kalibrierungsfeld (Mitte) und ferngesteuerter Winkelreflektor (rechts) an einem der permanenten Standorte innerhalb unseres Kalibrierungsfeldes mit einer Gesamtfläche von 120 km x 40 km.
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Kalibrierungskonzepte / -prozeduren

Moderne SAR-Systeme wie TerraSAR-X und Sentinel-1 basieren auf einer aktiven Phased-Array-Antenne mit mehreren hundert Sende-/Empfangsmodulen, die eine elektronische Strahlsteuerung und damit eine Vielzahl verschiedener SAR-Modi ermöglichen. Diese Modi zu kalibrieren, indem jeder der tausend Strahlen einzeln gemessen wird (wie bei ERS-1/2 oder ENVISAT/ASAR), ist nicht machbar. Daher wurde ein effizientes Konzept entwickelt, das bereits für die Kalibrierung von TerraSAR X, TanDEM X und Sentinel-1 eingesetzt wurde und derzeit für niederfrequente SAR-Systeme wie Tandem-L erweitert wird. Das Ziel dieses Konzepts ist es, den Messaufwand im Weltraum so weit wie möglich zu reduzieren, indem der größte Teil der Antennencharakterisierung in die Zeit vor dem Start verlegt wird. Um dieses Ziel zu erreichen, sollten zwei Schlüsselelemente vorhanden sein:

  • eine genaue interne Kalibrierungseinrichtung, die eine Driftkompensation und die Charakterisierung einzelner Sende-/Empfangsmodule (TRMs) während des Fluges durch die so genannte PN-Gating-Methode, auch bekannt als PCC-Technik, ermöglicht, und
  • ein präzises Antennenmodell, das Tausende von Referenzmustern liefert und eine genaue Ausrichtungsbestimmung ermöglicht. Zu diesem Zweck haben wir unseren Antennenmodellansatz entwickelt und etabliert.

Unter Anwendung dieser Schlüsselelemente kann die relative radiometrische Kalibrierung aller SAR-Datenprodukte ohne Messungen gegen Punktziele durchgeführt werden. Darüber hinaus können der erwartete Gewinn und der Phasenversatz zwischen verschiedenen Strahlkonfigurationen aus dem Antennenmodell abgeleitet werden. Daher ist die absolute radiometrische Kalibrierung, d.h. die Messung des gesamten SAR-Systems gegen Referenzziele, nicht nur unabhängig von der Zielposition innerhalb des Schwadens, sondern auch unabhängig vom verwendeten Strahl. Folglich muss nur ein absoluter Kalibrierungsfaktor von den eingesetzten Referenzzielen abgeleitet werden. Dieser Faktor ist für alle Betriebsbedingungen gültig.

Bei dieser Strategie muss nur eine kleine Teilmenge geeigneter Strahlen im Flug gemessen werden, anstatt Tausende von möglichen Antennenstrahlen einzeln zu messen. So wird der größte Teil des Kalibrierungsaufwands vom Weltraum auf den Boden verlagert, d.h. die Dauer der Kalibrierung im Orbit wird durch eine detailliertere Charakterisierung vor dem Start am Boden und die Modellierung der Antenne minimiert. So kann der enge Zeitplan für die Inbetriebnahme eines leistungsstarken weltraumgestützten SAR-Systems eingehalten werden und die langfristige Systemüberwachung kann während der Lebensdauer des Instruments effektiv durchgeführt werden.

Verfahren zur Kalibrierung

Die Umsetzung des Kalibrierungskonzepts unter Berücksichtigung aller zuvor genannten Aspekte ist im folgenden Diagramm dargestellt. Diese Strategie basiert auf innovativen Verfahren/Methoden, die vom DLR entwickelt wurden, und auf den Erfahrungen, die bei verschiedenen SAR-Missionen wie TerraSAR-X, TanDEM-X sowie Sentinel-1A und Sentinel-1B gesammelt wurden.

DLR SAR Kalibrierungszentrum

Zur hochgenauen Kalibrierung satellitengestützter SAR-Systeme werden passive und aktive Referenzziele sowie Analyse-Tools in Test­gebieten mit einer Ausdehnung von bis zu 450 km in Süddeutschland aufgebaut.

Projekte

In Kalibrierungsprojekten für ERS-1/2, SIR-C/X-SAR, SRTM, ENVISAT/ASAR, ALOS-1/2 bis hin zu laufenden Missionen wie TerraSAR-X, TanDEM-X und Sentinel-1A/B hat das Microwaves and Radar Institute mehr als 25 Jahre Erfahrung in der End-to-End-Kalibrierung von SAR-Systemen, einschließlich ausgedehnter Feldkampagnen, aufgebaut und verfügt über bewährte Fähigkeiten, große und hochkomplexe Projekte zu verwalten. Lesen Sie mehr.

Geschichte - DLR Kalibrierungsgruppe

Die Kalibrierung von SAR-Systemen ist ein traditionelles Forschungs- und Entwicklungsgebiet des DLR-Instituts für Mikrowellen und Radar. In den letzten 25 Jahren ist nicht nur die Nachfrage nach hochgenauen weltraumgestützten SAR-Datenprodukten gestiegen, sondern auch die Komplexität der Architektur und Kalibrierung von SAR-Instrumenten.

Partner

Die Kalibrierungsgruppe arbeitet seit langem mit verschiedenen Partnern aus Industrie, Raumfahrtbehörden und Wissenschaft zusammen. Unter anderem sind dies:

  • European Space Agency: ESTEC (Netherlands) and ESRIN (Italy)
  • Canadian Space Agency (Canada)
  • Korean Aerospace Research Institute (South Korea)
  • Institute Nacional de Técnica (INTA, Spain)
  • Airbus Defence and Space
  • Thales Alenia Space (Italy)
  • OHB
  • ZARGES
  • Siemens