2.2 SAR Processierung Grundlagen

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1 2.2 SAR Processierung Grundlagen Vorlesung: Hochauflösende Radarsysteme WS 2007/08, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen Nürnberg Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik Wolfgang Keydel DLR Oberpfaffenhofen, Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme Web: 1

2 SAR Processing Image Formation Different Azimuth Reference Functions for different Range Gates Courtesy Alberto Moreira, DLR 2

3 Focussed vs. Unfocussed Processing, Munich Airport ERS-1 Courtesy Alberto Moreira, DLR 3

4 Courtesy Alberto Moreira, DLR 4

5 Courtesy Alberto Moreira, DLR 5

6 6

7 7

8 8

9 9

10 10

11 Range Cell Migration Courtesy Alberto Moreira, DLR 11

12 Courtesy Alberto Moreira, DLR 12

13 Courtesy Alberto Moreira, DLR 13

14 Courtesy Alberto Moreira, DLR 14

15 Range Curvature due to Range Cell Migration x = vt θ H S δ rg Raw Data δ az y Ground Range Range Compressed Processed Image 15

16 Courtesy Alberto Moreira, DLR 16

17 SAR Image Formation Courtesy Alberto Moreira, DLR 17

18 Range Curvature Example Cut out of PAMIR data after range compression, urban area, sliding mode. The processing algorithm has to deal with a distinct range curvature stretching across hundreds of range cells. [Courtesy FGAN, Ender, Brenner, PAMIR Artikle, IEE Special Issue EUSAR 2002] [Ender, Brenner, PAMIR Artikel IEE Special Issue EUSAR 2002, Courtesy FGAN] 18

19 Speckle Inherent to coherent systems Probability distribution function has a exponential distribution, i.e. average value = standard deviation Speckle makes SAR image interpretation more difficult E-SAR high resolution image (0.6 m x 2 m) 19

20 Speckle Courtesy Alberto Moreira, DLR 20

21 Courtesy Alberto Moreira, DLR 21

22 Courtesy Alberto Moreira, DLR 22

23 Courtesy Alberto Moreira, DLR 23

24 Courtesy Alberto Moreira, DLR 24

25 E-SAR multi-look image, 8 looks, 50 % overlap (resolution: 2 m range x 3 m azimuth) 25

26 Courtesy Alberto Moreira, DLR 26

27 Phase Errors The Targets Phase History must be Known Precisely Thump Rule: Phase Jitter may not exceed π/8 rad of RF-Cyle Phase Error Reasons Phase Error Effects 27

28 Courtesy Alberto Moreira, DLR 28

29 Zusammenfassung wichtiger SAR Processing-Elemente 29

30 Phasenbeziehungen in Entfernung Quadratische Phasenmodulation Lineare Frequenzmodulation Φ ent ( t ) = π k t e 2 ==> f e ( t ) = k e T T P T ( t + P ) 2 2 Bandbreite: B e = k e T P 30

31 31 31 Institut für Hochfrequenztechnk und Radar Phasen - Beziehungen im Azimut ) cos( 2 ) ( r x x r r x x r x r + + = θ θ Entfernungsverlauf: Azimut Phasenmodulation Azimut Frequenzverlauf + = Φ ) ( r t V t V r t az θ λ π t k f t V V f az d az + = = λ λ θ

32 32 32 Institut für Hochfrequenztechnk und Radar Impulsantwort ( ) = c r r B c T B r x f o e e e e 2π sin ), ( ), ( ), ( ) ( ), ( r x h r x s r G r x f e = ), ( ), ( ) ( ), ( r x f r x f r G r x f e a e = ( ) + = c x x B f T c T B r x f o a d a a a a 2π 2 sin ), (

33 Spektrum der Pulsantwort ==> Rechteckfunktion gewichtet mit Antennen-Diagramm & Impuls-Hüllkurve i.a. mit verschobenem Dopplerschwerpunkt S/N-Reduzierung durch falsche Positionierung von Bandpassfilter & Azimutreferenzfunktion Vergrößerung der Mehrdeutigkeiten Bestimmung des Dopplerschwerpunktes 33

34 Dopplerschwerpunkt-Fehler S(f) Azimutspektrum S(f) Bandpassfilter f D PRF f Mehrdeutigkeiten f D f S(f) S(f) f Referenzfunktion f f D f D 34

35 Reduktion des Speckle-Rauschens Multilook s d.h. inkohärente Addition n statistisch unabhängiger Signalblöcke Subaperturen δ azn = δ az n Verbesserung der radiometrischen Auflösung bei Verschlechterung der geometrischen Auflösung Radiometrische Auflösung: δ radiom = log 1 + ( S / N ) n eff 1 35

36 Beispiele für Prozessierungsparameter Spezifizierte Parameter typisch min. max. Trägergeschwindigkeit 80 m/s 50 m/s 300 m/s Entfernung 3000 m 1000 m m PRF 1000 Hz 340 Hz 1240 Hz Azimutauflösung 4 m 16 m 3 m Entfernungsauflösung 3 m 18 m 2,5 m Anzahl von Looks

37 Verarbeitung im Zeitbereich Faltungen in Optimalfilter-Theorie i.a. diskrete Korrelationen 2-dimensionaler Speicher & 2-dimensionale Referenzfunktion Berechnungsaufwand Punktanzahl N ref N ref komplexe Multiplikationen + (N ref -1) komplexe Additionen pro korreliertem Punkt Ineffizienz für T B >> 30 37

38 Änderung der Zielentfernung Verbreiterung der Pulsantwort in Azimut & Entfernung notwendige Korrekturen abhängig von Größe der Auflösungszelle, Entfernung & Wellenlänge Lineare Korrektur: 2 δ e r λ 0 Quadratische Korrektur: < δ δ e 2 θ 0 r0 < δ az λ az 38

39 Zeit Bandbreite Produkt: T B Kompressions - Verhältnis Azimuth: (T B) Az = reale / synthetische Halbwertsbreite = θ Hreal : θ Hsyn =Anzahl der Impulse in der Synthetischen Apertur Entfernung: (T B) Ent = Puls-Dauer x Puls-Bandbreite = T P B P 39

40 Kompressions - Verhältnisse Puls Kompression Azimuth- Kompression Prozessierung Lineare Chirp Korrelation Lineare Chirp Korrelation Signaldauer Unkomprimierte Pulsdauer T p (konstant) 2 msec msec rl/2v d x 0,1 sec...10 sec Sampling Rate T B/ T p 10 MHz MHz PRF 0,3 khz...10 khz Zeit Bandbreite Produkt, T B c T p /2d x 2 k k rl/2 d x k 40

41 Berechnungsaufwand & Speichergröße für verschiedene Verarbeitungsverfahren (K = Kompressionsfaktor) Verfahren geringster Berechnungsaufwand Speichergröße für Referenzfunktion Speichergröße für Radardaten Zeitbereich 1 K 10 K K Frequenzber. 30 K K 4 K Subapertur 10 K 30 1,6 K 1,6 K K Subapertur (FFT) 10 K ,2 K 6,4 K 41

42 Qualitätseigenschaften der Punktzielantwort ohne & mit Zielentfernungskorrektur (E-SAR) Parameter ohne Korrektur der Entfernungsänderung mit Korrektur der Entfernungsänderung Spezifizierter Wert Entfernung Auflösung /m PSLR /db ISLR /db 7, , ,7 2, Azimut Auflösung /m PSLR /db ISLR /db 3,23 30,5 18,7 2, ,

43 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. Institut für Hochfrequenztechnik Beispiel: E-SAR Echtzeit Prozessor 25 Digitale Signal Prozessoren mit je Mflops 3 G Operationen per Sec 100 MByte Hauptspeicher (Corner Turn) 4 Mbyte pro Sec Eingangsdatenrate 25 Doppel-Europakarten 43

44 44

45 Beispiel für Rechenleistung eines Echtzeit Prozessors im Subaperturverfahren (E-SAR) Verarbeitungsschritt Mflops Dopplerschwerpunkt-Korrektur 15 Azimutbandpaßfilter 10,2 Entnahme STC-Korrekturkurve 1,2 Impulskompression in Entfernung 335 Einfügen STC-Korrekturkurve 1,2 Phasenkorrektur für Bewegungskompensation 3,6 Impulskompression in Azimut 694 Betragsbildung 24,6 "Multi-Look"-Aufsummierung 18 Radiometrische Korrektur 0,24 SUMME

46 46

47 Special SAR Modes 47

48 SIR-C ScanSAR, Basic Geometry & Parameter, L-Band Range Chirp Length 380 Samples Altitude 2221,009 km Wavelength Sampling Rate 23,9 cm 11,24928 MHz Ground Range 48

49 TerraSAR: SpotLight-, StripMap-, ScanSAR-Examples Resolution: 1m Resolution: 3m Resolution: 16m 49

50 Courtesy Alberto Moreira, DLR 50

51 Courtesy Alberto Moreira, DLR 51

52 Courtesy Alberto Moreira, DLR 52

53 Spotlight versus Stripmap Stripmap image 3 m azimuth resolution Spotlight image 0.46 m azimuth resolution 53

54 SAR: Future Developments 54

55 Backscattering Coefficient σ 0 55

56 SAR Image Amplitude Phase X-SAR/SIR-C, Mount Etna, 56

57 References I Carrara, W. et al: Spotlight Synthetic Aperture Radar: Signal Processing Algorithms. Boston: Artech, Cook, C., Bernfeld, M.: Radar Signals, An Introduction to Theory and Applications. New York: Academic Press,1977. Curlander, J.C., McDonough, R.N.: Synthetic Aperture Radar: Systems and Signal Processing. New York: Wiley,1991. Elachi, C.: Spaceborne Radar Remote Sensing: Applications and Technology. New York: IEEE Press, Fitch, J. P.: Synthetic Aperture Radar. Springer-Verlag, New York, Franceschetti G. und R. Lanari.: Synthetic Aperture Radar Processing. CRC Press, USA, Goodman, J. W.: Some Fundamental Properties of Speckle. In: J.Opt. Soc. Am., Vol. 66, No. 11, Nov. 1976, S Harris, F. J.: On the Use of Windows for Harmonic Analysis with the Discret Fourier Transform. In: IEEE Proc., Vol. 66, No. 1, Jan. 1978, S Hounam, D.: Motion Errors and Compensation Possibilities, in AGARD Lecture Series 182; Fundamentals and special problems of Synthetic Aperture Radar (SAR), August 1992, published by AGARD, ISBN , pp.3-1 to

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