DE4332590A1 - Flugzeuggetragenes SAR-System zur Bestimmung einer Gelände-Topographie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein flugzeuggetragenes SAR-(Synthetik Aperture Radar-)System zur Bestimmung einer Gelände-Topogra­ phie.

Die mittlere Bildleistung P_i von SAR-Bildern verteilter Ziele weist eine Abhängigkeit vom Antennengewinn G und vom Sinus des lokalen Einfallswinkels R_l in der Form auf,

Hierbei entspricht der Winkel R dem Nadirwinkel eines bestimm­ ten Bildelements. Eine Korrektur einer systembedingten, radio­ metrischen Modulation von SAR-Daten erfordert die genaue Kenntnis des Nadirwinkels und einer lokalen Geländeneigung.

Für Aufnahmen von flachen Gebieten (siehe. Fig. 1) sind Nadir­ winkel und lokaler Einfallswinkel identisch und können aus Flughöhe und Schrägentfernung zu einzelnen Bildpunkten errech­ net werden. Bei gebirgigen Szenen (siehe Fig. 2) müssen Höhen­ variationen mitberücksichtigt werden, um für jedes Bildelement den tatsächlich wirksamen Antennengewinn kompensieren zu kön­ nen. Diese Schwierigkeit tritt in erster Linie bei flugzeug­ getragenen Systemen auf, ist jedoch bei Weltraumsensoren wegen der größeren Entfernung von geringerem Einfluß.

Wegen der Schrägsicht-Aufnahme-Geometrie müssen gemessene Bildleistungen bei der Umwandlung von Radar-Rückstreu-Koeffi­ zienten nicht auf die Bildelementfläche in der Schrägentfer­ nungsebene, sondern auf die Projektion der Bildelemente auf die Erdoberfläche normiert werden. Die Projektion erfordert jedoch die Kenntnis des lokalen Einfallswinkels, welcher nur unter Verwendung entsprechend genauer topographischer Daten errechnet werden kann. Diese Problematik stellt sich für Flug­ zeug- und Satellitensysteme in gleicher Weise.

Eine mögliche Quelle für die Höheninformation sind digitale Geländemodelle, sogenannte Digital Elevation Models (DEMs). (F.W. Leberl, "Radargrammetric Image Processing", Artech Hou­ se, 1990). Eine Überlagerung oder eine sogenannte Registrie­ rung eines SAR-Bildes und des zugehörigen Geländemodells ist wegen der Schrägsicht des Radars aufwendig.

Um die erwähnte Problematik der Registrierung von SAR-Bildern und Höhenmodellen zu vermeiden, wurden Verfahren entwickelt, mit welchen die Höheninformation aus - unter derselben Be­ leuchtungsgeometrie auf genommenen - SAR-Daten extrahiert werden kann. Eine hierfür entwickelte Methode stellt das in­ terferometrische SAR dar. (Siehe H.A. Zebker and R.M.Gold­ stein, "Topographic Mapping from Interferometric Synthetic Aperture Radar Observation", Journal of Geophysical Research, Vol. 91, No. B5, April 1986, Stn. 4993 bis 4999. R.N. Gold­ stein, H.A. Zebker und C. Werner, "Satellite Radar Interfero­ metry: Two-dimensional Phase Unwrapping", Radio Science, Vol. 23, No. 4, 1988, Stn. 713 bis 720.) Bei dieser Methode wird aus der Phasendifferenz zwischen zwei SAR-Bildern von ein und derselben Szene die Topographie dieser Szene bestimmt.

Digitale Geländedaten mit ausreichend feiner Auflösung gibt es derzeit nur von bestimmten Gebieten der Erdoberfläche. Für den Fall, daß DEM-Daten verfügbar sind, stellt sich obendrein noch das Problem, geeignete Deckungs- oder Paßpunkte zu finden. Ein solcher Überlagerungsprozeß ist jedoch arbeitsintensiv und ko­ stenaufwendig.

Um absolute Phasen beim interferometrischen SAR-Radar mög­ lichst genau messen zu können, hat dies einen beträchtlichen Aufwand sowohl im Design als auch in der Realisierung eines derartigen Sensors und der anschließenden Verarbeitung, der sogenannten Prozessierung, zu Bilddaten zur Folge. Problema­ tisch ist auch die Umsetzung der grundsätzlich mehrdeutigen Phasendifferenzen in eindeutige Reliefdaten.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein flugzeuggetragenes SAR-System zur Bestimmung einer Geländetopographie zu schaf­ fen, bei welchem keine aufwendigen Phasenmessungen erforder­ lich sind.

Gemäß der Erfindung ist dies bei einem flugzeuggetragenen SAR-System zur Bestimmung einer Geländetopographie durch die Merk­ male im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 erreicht. Vor­ teilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der auf den Anspruch 1 unmittelbar oder mittelbar rückbezogenen Ansprüche.

Gemäß der Erfindung ist dies bei einem flugzeuggetragenen SAR-System zur Bestimmung der Geländetopographie dadurch er­ reicht, daß durch Verwenden zweier umschaltbarer, mittels einer Monopuls-Antenne erzeugbarer Antennendiagramme zwei vollstän­ dig korrelierte SAR-Bilder mit unterschiedlicher Amplituden- Modulation in Entfernungsrichtung erhalten und aufgezeichnet werden und daß eine angestrebte Gelände-Information aus dem Amplitudenverhältnis der zwei SAR-Bilder extrahiert wird, bei­ spielsweise mittels eines Amplituden-Interferometers. Hierbei sind die mittels der Monopuls-Antenne erzeugten Antennendia­ gramme ein Summen- und ein Differenzdiagramm.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des flugzeuggetragenen SAR-Systems kann eine Gelände-Information auch aus polarime­ trischen SAR-Daten über Übersprechparameter extrahiert werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Monopuls-Antenne aus einer Anzahl von Einzelstrahlern gebil­ det. Hierbei ist die Anzahl an Einzelstrahlern in Elevations­ richtung bezüglich einem fiktiven Antennenmittelpunkts, in welchem der Nullpunkt eines orthogonalen Koordinatensystems mit einer X- und einer Y-Achse gelegt ist, in zur X-Achse im wesentlichen spiegelbildliche, obere und untere Hälften un­ terteilt. Zur Erzeugung eines Summen- und eines Differenzdia­ gramms werden Einzelstrahler in der oberen und unteren Anten­ nenhälfte gleichphasig bzw. gegenphasig eingespeist.

Zur Realisierung eines Amplituden-Interferometers sind somit zwei Bilder von ein und derselben Szene erforderlich, welche mit unterschiedlichen Antennendiagrammen, nämliche einem Sum­ men- und einem Differenzdiagramm, in Elevationsrichtung modu­ liert sind. Wird nunmehr ein Bild aus dem Quotienten dieser beiden ursprünglichen Bilder erzeugt, so weist das hieraus re­ sultierende Bild eine vom Antennenwinkel abhängige Modulation entsprechend dem Verhältnis der beiden Antennendiagramme auf. Aus der Kenntnis der Abhängigkeit vom Antennenwinkel folgt der Nadirwinkel und hieraus unter Einbeziehung der gemessenen und damit genau bekannten Schrägentfernung die Flughöhe über dem jeweiligen Bildbereich.

Ist die Flughöhe über Normalnull (N.N.) oder die absolute Höhe eines Bildelements bekannt, so kann die Karte von Flughöhen invertiert werden, und es wird eine topographische Karte in der Schrägsicht-Geometrie des Radars erhalten. Die Verwendung von zwei umschaltbaren Antennendiagrammen ist bei der Ortung mit Radar unter der Bezeichnung "Monopuls-Prinzip" bekannt (S.M Sherman, "Monopuls Principles and Techniques", Artech House, 1984).

Allerdings werden erst in den letzten Jahren SAR-Daten absolut radiometrisch kalibriert. Dafür werden die Topographie bzw. Verfahren zur deren Bestimmung benötigt. Im Vordergrund steht bisher jedoch nach wie vor die Abbildung und nicht die Ermitt­ lung der Höheninformation.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausfüh­ rungsformen sowie anhand einer Anwendung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Abbildungsgeometrie für eine flache, weitgehend ebene Erdoberfläche;

Fig. 2 eine Abbildungsgeometrie hinsichtlich eines gebirgigen Geländes;

Fig. 3 eine Kurvendarstellung eines Übersprechparameters (δ₁) und einer angepaßten Referenzfunktion;

Fig. 4A eine Topographie, welche aus polarimetrischen Daten für Oberpfaffenhofen und damit einer flachen Szene abgeleitet ist;

Fig. 4B eine Topographie, die aus polarimetrischen Daten für "Death Valley", d. h. einer gebirgigen Szene abgeleitet ist;

Fig. 5 eine Diagrammdarstellung, in welcher Höhenfehler in der Höhenbestimmung wiedergegeben sind, welche von den aus der Szene Oberpfaffenhofen abgeleiteten Daten gebildet sind;

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Anordnung von durch unterschiedliche Symbole angedeuteten Einzelstrahlern einer Monopuls-Antenne;

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Speisenetzwerks ei­ ner Monopuls-Antenne, und

Fig. 8 Summen und Differenzdiagramme einer Monopuls-Antenne, wobei ein normierter Antennengewinn (dB) über dem Antennenwin­ kel (in Grad) aufgetragen ist.

Als erstes wird die Anwendung der Monopuls-Technik bei polari­ metrischen SAR-Systemen beschrieben. Bei polarimetrischen SAR-Systemen kann eine zu geringe Kreuzpolarisations-Unterdrückung der SAR-Antenne dazu genutzt werden, den Nadirwinkel zu be­ stimmen. Dieser Effekt, welcher beim von NASA/JPL betriebenen DC-8 SAR-System im L-Band am stärksten auftritt, führt zu einem unerwünschten Übersprechen der Signale von dem horizon­ tal in dem vertikal polarisierten Kanal und umgekehrt.

Hierbei zeigt das Übersprechen eine Abhängigkeit vom Antennen­ winkel, die dem Verhaltnis von ko- und kreuzpolarem Antennen­ gewinn entspricht. Die unterschiedlichen Modulationen rühren hier also einerseits vom kopolaren und andererseits vom kreuz­ polaren Antennendiagramm hier. Das kreuzpolare Diagramm weist keinen klar definierten Verlauf auf und kann daher auch nicht direkt bestimmt werden. Das Übersprechen kann dagegen in einem Systemmodell durch zwei Parameter dargestellt werden.

Erfüllt die abgebildete Szene bestimmte statistische Voraus­ setzungen, so können diese Parameter nach einem Verfahren er­ mittelt werden, das von J.J. van Zyl in "Calibration of Pola­ rimetric Radar Images Using Only Image Parameters and Trihe­ dral Corner Reflector Responses" beschrieben ist, veröffent­ licht in IEEE Trans. on Geoscience and Remote Sensing, Vol. 28, No. 3, May 1990, Stn 337 bis 348.

Von der Anmelderin ist bei einer Anwendung von einem Bild im L-Band über dem Regenwald in Belize ausgegangen. Belize lie­ fert die Referenz, welche eine feste Größe des Systems ist; mit Hilfe dieser Referenz kann dann die Topographie anderer Szenen ermittelt werden. Die Szene Belize ist vollkommen homo­ gen und flach. Der von dieser Szene ermittelte Verlauf des Übersprechens in Abhängigkeit vom Nadirwinkel liefert die Re­ ferenz, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Übersprechdaten von anderen Szenen werden dann mit dieser Referenz verglichen und daraus wird die Winkelinformation und in weiterer Folge eine Topographie abgeleitet, welche analog der in Fig. 4A wiederge­ gebenen Topographie ist.

Die aus dem Diagramm in Fig. 5. entnehmbare Genauigkeit des po­ larimetrischen Verfahrens für einen mittleren Höhenfehler und für eine Standard-Abweichung vom Höhenfehler reicht aus, um die Korrektur eines Antennendiagramms in adäquater Weise durchführen zu können. Wegen der zu geringen Sensitivität, vor allem im Fernbereich, beispielsweise in Fig. 1 bei einem Winkel über 45°, kann jedoch der lokale Einfallswinkel nicht bestimmt werden.

Die vorstehend geschilderte Anwendungsmöglichkeit läßt sich verbessern, wenn anstelle von ko- und kreuzpolaren Antennendi­ agrammen eines SAR-Polarimeters ein Monopuls-System eingesetzt wird.

Das wichtigste Element des Monopuls-Systems ist eine Antenne, welche aus einer Anzahl Einzelstrahler gebildet ist, welche in Elevationsrichtung in eine obere und untere Hälfte unterteilt sind. Werden beide Hälften gleichphasig gespeist, so wird das übliche Elevationsdiagramm erhalten, welches als Summendia­ gramm bezeichnet wird. Ein sogenanntes Differenzdiagramm er­ gibt sich, wenn eine Hälfte um 180° phasenverschoben einge­ speist wird.

In Fig. 6 ist eine vorteilhafte Realisierung einer Monopuls-An­ tenne im X-Band schematisiert wiedergegeben. Hierbei sind als Einzelstrahler Microstrip-Elemente und im Speise-Netzwerk (Fig. 7) ist ein 3dB Hybrid-Koppler verwendet. Ein solches Speisenetzwerk für eine Monopuls-Antenne ist statisch in Fig. 7 wiedergegeben. Die jeweiligen Amplituden, nämlich 0,25, 0,35, 0,5, 0,7 und 1,0 sind im Speisenetzwerk der Fig. 7 eingetragen und in Fig. 6 sind die Einzelstrahler, denen dieselben unter­ schiedlichen Amplituden zugeordnet sind, durch verschiedenar­ tige Symbole gekennzeichnet, wobei die Zuordnung zwischen Sym­ bolen und normiertem Amplitudenwert in Fig. 6 rechts oben ange­ geben ist. Die Trennlinie zwischen den beiden Hälften in der Anordnung der Fig. 6 ist strichpunktiert eingezeichnet.

Schnitte durch Summen- und Differenzdiagramme in Elevations­ richtung sind in Fig. 8 dargestellt. Hierbei ist aus Fig. 8 deutlich die starke Abhängigkeit des Differenzdiagramms vom Antennenwinkel im Bereich der Nullstelle zu ersehen, welche für eine von der Anmelderin vorgesehene Anwendung gefordert ist. Summen- und Differenzdiagramm haben jeweils die gleiche Polarisation. Hierbei ist das Differenzdiagramm punktsymme­ trisch um den Antennenwinkel 0°, was jedoch aus der Darstel­ lung der Fig. 8, da sie im Leistungsbereich liegt, nicht zu er­ kennen ist.

Für eine praktische Ausführung ist ein SAR-System mit zwei Empfangskanälen erforderlich. Mit dem einen Kanal wird hierbei das Echo mit der erwähnten Phasenverschiebung zwischen den beiden Speiseleitungen empfangen, während der andere Kanal keine Phasenverschiebung aufweist. Die so erhaltenen Daten werden zu zwei Bildern prozessiert, die sich nur durch die ra­ diometrische Modulation unterscheiden, welche einmal mit dem Differenzdiagramm und einmal mit dem Summendiagramm darge­ stellt wird.

Alternativ hierzu kann auch ein System mit einem Kanal benutzt werden. Dieses System muß jedoch in der Lage sein, mit der doppelten Pulswiederholfrequenz (PRF) zu arbeiten und kann dann jeden zweiten Impuls mit dem Differenzdiagramm beim Emp­ fangen aufnehmen. Die Daten von gerad- und ungeradzahligen Pulsen werden wieder zu zwei Bildern prozessiert, die wegen der Abtastung bei der doppelten Nyquist-Frequenz vollkommen korreliert sind. Wenn nunmehr der Quotient dieser beiden Bil­ der gebildet wird, so können jegliche Einflüsse des Ziels in­ klusive Speckle werden. (Speckle entsteht aufgrund der Koba­ renz der Radarsignale und manifestiert sich in statistischen Fluktuationen im SAR-Bild.)

Claims (4)

1. Flugzeuggetragenes SAR-System zur Bestimmung einer Gelände­ topographie, bei welchem
durch Umschalten von zwei mittels einer Monopuls-Antenne er­ zeugbaren Antennendiagrammen zwei vollständige, korrelierte SAR-Bilder mit unterschiedlicher Amplitudenmodulation in Ent­ fernungsrichtung erhalten werden, die aufgezeichnet werden, und
bei welchem eine angestrebte Geländeinformation aus dem Ampli­ tudenverhältnis der zwei SAR-Bilder extrahiert wird.

2. SAR-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittels der Monopuls-Antenne erzeugbaren Antennendiagramme ein Summen- und ein Differenzdiagramm sind.

3. SAR- System nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Monopuls-Antenne aus einer Anzahl von Ein­ zelstrahlern (Microstrip-Elementen) gebildet ist, welche An­ zahl in Elevationsrichtung bezüglich eines fiktiven Antennen- Mittelpunkts, in welchen der Nullpunkt eines orthogonalen Ko­ ordinatensystems mit einer X- und Y-Achse gelegt ist, in zur X-Achse im wesentlichen spiegelbildliche, obere und untere Hälften unterteilt ist, und daß zur Erzeugung eines Summen- und eines Differenzdiagramms die Einzelstrahler in der oberen und unteren Antennenhälfte gleichphasig bzw. gegenphasig eingespeist werden.

4. SAR-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Geländeinformation aus polarimetrischen SAR-Daten über Übersprechparameter extrahiert wird.