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DE102016209803B3 - Method for creating an earth observation image of a region by means of a synthetic aperture radar - Google Patents

Method for creating an earth observation image of a region by means of a synthetic aperture radar Download PDF

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DE102016209803B3
DE102016209803B3 DE102016209803.9A DE102016209803A DE102016209803B3 DE 102016209803 B3 DE102016209803 B3 DE 102016209803B3 DE 102016209803 A DE102016209803 A DE 102016209803A DE 102016209803 B3 DE102016209803 B3 DE 102016209803B3
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
look
sar
antenna
weighting
looks
Prior art date
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Active
Application number
DE102016209803.9A
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German (de)
Inventor
Josef Mittermayer
Paco López-Dekker
Pau Prats-Iraola
Thomas Kraus
Gerhard Krieger
Alberto Moreira
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Publication date
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Priority to CA3036915A priority patent/CA3036915A1/en
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Abstract

Bei dem Verfahren wird ein Erdbeobachtungsbild einer Region mittels eines Radars mit synthetischer Apertur (SAR) und einer phasengesteuerten, aus Einzelantennen zusammengesetzten Gruppenantenne mit einem durch einen Steuerwinkel erzielbaren azimutalen Schwenkwinkelbereich erstellt. Jede Einzelantenne weist einen die Einzelantennenverstärkung in Abhängigkeit vom Raumwinkel beschreibenden Elementfaktor und die Gruppenantenne einen Arrayfaktor auf, der die sich aus der Anordnung und Anzahl der Einzelantennen ergebende Gruppenantennenverstärkung in Abhängigkeit vom Raumwinkel beschreibt, wobei die Gruppenantennenverstärkung mehrere Hauptmaxima aufweist, die im Wesentlichen gleich groß sind und die jedoch im Hinblick auf die Gesamtverstärkung, die sich aus dem Elementfaktor und der Gruppenantennenverstärkung ergibt, zu größer werdenden Steuerwinkeln hin abgeschwächt sind. Der nutzbare azimutale Schwenkwinkelbereich wird bei der Erfassung einer Region erweitert, und zwar durch mehrmaliges Einstellen des gleichen Steuerwinkels innerhalb des eindeutigen, durch die geometrische Anordnung der Einzelantennen gegebenen Steuerwinkelbereichs, und durch Herausfiltern desjenigen mehrdeutigen Hauptmaximums, das in die jeweils gewünschte Steuerrichtung zeigt, wodurch die geometrische und/oder radiometrische Auflösung des SAR verbessert wird. Die Pulswiederholfrequenz, mit der die Radarpulse gesendet werden, wird so gewählt, dass die jeweils gewünschten und die ungewünschten Hauptmaxima zur Reduzierung der ungewünschten Hauptmaxima separiert sind und somit ein Herausfiltern dieser Hauptmaxima möglich ist.In the method, an earth observation image of a region is created by means of a synthetic aperture radar (SAR) and a phased array antenna composed of individual antennas having an azimuthal swivel angle range obtainable by a steering angle. Each individual antenna has an elementary element gain describing the individual antenna gain as a function of the solid angle, and the array antenna has an array factor describing the array antenna gain as a function of solid angle resulting from the arrangement and number of individual antennas, the array antenna gain having several main maxima which are substantially equal and which, however, are attenuated toward increasing control angles in view of the overall gain resulting from the element factor and the array antenna gain. The usable azimuthal swivel angle range is widened in the detection of a region, by setting the same control angle multiple times within the unique control angle range given by the geometric arrangement of the individual antennas, and filtering out the ambiguous main maximum pointing in the respective desired control direction, whereby geometric and / or radiometric resolution of the SAR is improved. The pulse repetition frequency with which the radar pulses are transmitted is selected so that the respective desired and the undesired main maxima are separated in order to reduce the undesired main maxima and thus filtering out these main maxima is possible.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erstellung eines Erdbeobachtungsbildes einer Region mittels eines Radars mit synthetischer Apertur (SAR) und einer phasengesteuerten, aus Einzelantennen zusammengesetzten Gruppenantenne mit einem durch einen Steuerwinkel erzielbaren azimutalen Schwenkwinkelbereich, wobei jede Einzelantenne einen die Einzelantennenverstärkung in Abhängigkeit vom Raumwinkel beschreibenden Elementfaktor und die Gruppenantenne einen Arrayfaktor aufweist, der die sich aus der Anordnung und Anzahl der Einzelantennen ergebende Gruppenantennenverstärkung in Abhängigkeit vom Raumwinkel beschreibt, wobei die Gruppenantennenverstärkung mehrere Hauptmaxima aufweist, die im Wesentlichen gleich groß sind und die jedoch im Hinblick auf die Gesamtverstärkung, die sich aus dem Elementfaktor und der Gruppenantennenverstärkung ergibt, zu größer werdenden Steuerwinkeln hin abgeschwächt sind. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Auflösungsverbesserung durch Ausdehnung des nutzbaren Schwenkwinkelbereichs einer phasengesteuerten Gruppenantenne für Radar mit synthetischer Apertur (SAR) (nachfolgend auch Wrapped Staring Spotlight genannt) und zur SAR-Bildqualitätsverbesserung bei Anteilen der sythetischen Apertur mit schlechtem SNR (nachfolgend auch mit LNPC bzw. Omega-Weighting bezeichnet).The invention relates to a method for generating an earth observation image of a region by means of a synthetic aperture radar (SAR) and a phased array antenna composed of individual antennas with an azimuthal swivel angle range obtainable by a control angle, each individual antenna having an elementary antenna gain as a function of the solid angle the array antenna has an array factor which describes the group antenna gain as a function of the solid angle resulting from the arrangement and number of individual antennas, the array antenna gain having a plurality of main maxima which are substantially equal but which, in view of the overall gain resulting from the Element factor and the group antenna gain results are weakened towards increasing control angles. More particularly, the invention relates to a method of improving resolution by extending the useful swing angle range of a phased array Synthetic Aperture Radar (SAR) and SAR image quality enhancement portions of the synthetic SNR poor aperture (hereinafter also LNPC) or omega-weighting).

Staring Spotlight [1] ist der SAR-Abbildungsmodus (engl.: Synthetic Aperture Radar SAR) mit der längsten Beleuchtungsdauer eines Ziels und somit auch mit der besten Auflösung. Die Antenne wird dabei während des Vorbeiflugs des Radars stetig auf das Zentrum der abzubildenden Szene gerichtet (siehe 1). Die Beleuchtungsdauer und somit die azimutale Auflösung ist dabei durch den maximalen azimutalen Schwenkwinkelbereich der Antenne bestimmt.Staring Spotlight [1] is the SAR (Synthetic Aperture Radar SAR) imaging mode with the longest illumination duration of a target, and thus the best resolution. The antenna is directed while the flyby of the radar steadily on the center of the scene to be imaged (see 1 ). The illumination duration and thus the azimuthal resolution is determined by the maximum azimuthal pivoting range of the antenna.

Sehr häufig ist die Antenne als phasengesteuerte Gruppenantenne realisiert, welche schnelle Änderungen der Antennenblickrichtung ohne Anforderungen an die Lage des Trägers oder eine Beeinflussung derselben erlaubt. Die Ausrichtung der Blickrichtung erfolgt dabei elektronisch durch Anregungskoeffizienten für die jeweiligen Einzelantennen. Für jeden Steuerwinkel ist in der Regel ein Satz von Anregungskoeffizienten an Bord des Trägers gespeichert. Dadurch sind die einstellbaren Steuerwinkel in ihrer Anzahl oder Quantisierung begrenzt. In der Regel ist der Abstand der durch Anregungskoeffizienten ansprechbaren Einzelantennen größer als die halbe Wellenlänge, was zum Auftreten von Gitterkeulen (engl.: Grating Lobes) führt.Very often, the antenna is realized as a phased array antenna, which allows rapid changes in the direction of the antenna sight without requirements on the position of the carrier or an influence on the same. The alignment of the viewing direction is carried out electronically by excitation coefficients for the respective individual antennas. For each control angle, a set of excitation coefficients is usually stored on board the carrier. As a result, the adjustable control angle are limited in their number or quantization. In general, the distance of the excitation coefficient addressable individual antennas is greater than half the wavelength, which leads to the occurrence of grating lobes (English: Grating praise).

Ein dem Stand der Technik entsprechendes SAR-System mit Staring-Spotlight-Abbildungsmodus und phasengesteuerter Gruppenantenne ist TerraSAR-X (TSX) [1]. Bei diesem beispielhaften System decken die on-board tabellierten Anregungskoeffizienten einen Bereich azimutaler Steuerwinkel zwischen –2,2° und +2,2° ab. Dieser Winkelbereich von 4,4° entspricht dem Winkelabstand ΔθGL zwischen den Hauptmaxima des Azimut-Antennendiagramms. Hauptmaxima sind die Gitterkeulen und die Hauptkeule. Es ist möglich, den Schwenkwinkelbereich durch eine andere Verteilung der Steuerwinkel auszudehnen, was aber zu einer Vergrößerung der Quantisierung und somit zu Qualitätsverlusten führt.One prior art SAR system with staring spotlight imaging mode and phased array antenna is TerraSAR-X (TSX) [1]. In this exemplary system, the on-board tabulated excitation coefficients cover a range of azimuthal control angles between -2.2 ° and + 2.2 °. This angle range of 4.4 ° corresponds to the angular distance Δθ GL between the main maxima of the azimuth antenna pattern. Main maxima are the grating lobes and the main lobe. It is possible to extend the swing angle range by a different distribution of the control angle, but this leads to an increase in the quantization and thus to quality losses.

1 zeigt den schrägen Vorbeiflug eines Trägers an der aufzunehmenden Spotlight-Szene von einem Beobachtungspunkt aus, welcher der Flugbahn des Trägers so gegenüber liegt, dass sich die Spotlight-Szene am Boden dazwischen befindet. Der Träger überfliegt die aufzunehmende Szene seitlich mit der Geschwindigkeit Vs. Dabei wird die azimutale Blickrichtung der Antenne so geführt, dass sie ständig auf das Szenenzentrum gerichtet ist, also dorthin ”starrt” (engl.: to stare). Der in 1 dargestellte Schwenkwinkelbereich entspricht dem ΔθGL des TSX-Systems. Die in durchgezogenen Linien dargestellten Antennenkeulen zeigen in die durch die Anregungskoeffizienten eingestellten Steuerwinkel. 1 Figure 12 shows the oblique passing of a wearer on the spotlight scene to be photographed from an observation point opposite the trajectory of the wearer with the spotlight scene intervening on the ground. The carrier flies over the scene to be recorded laterally at the speed V s . The azimuthal viewing direction of the antenna is guided in such a way that it is constantly directed to the scene center, ie "staring" (to stare). The in 1 shown swing angle range corresponds to the Δθ GL of the TSX system. The antenna lobes shown in solid lines point into the control angle set by the excitation coefficients.

Eine Technik, die im weiter unten beschriebenen Wrapped-Starring-Spotlight-Modus unterstützend zum Einsatz kommt, ist die des Diverging PRF-Setting [1], [2]. In SAR-Systemen erfolgt eine Abtastung des im Prinzip nicht bandbegrenzten Signals in Azimut mit der Pulswiederholfrequenz (PRF). Dabei werden Signale aus Richtungen, welche nicht Azimutfrequenzen innerhalb des PRF-Bandes entsprechen, durch Rückfaltung ebenfalls in das PRF-Band gespiegelt. Durch gezielte Auswahl der verwendeten PRF kann nun die Positionierung eines unerwünschten gesteuerten oder rückgefalteten Hauptmaximums relativ zu einem gewünschten gesteuerten oder rückgefalteten Hauptmaximums eingestellt werden. Diverging PRF-Setting bedeutet nun, die Position der gewünschten und ungewünschten Hauptmaxima so weit als möglich voneinander separiert einzustellen. Dann kann mit einer Bandpassfilterung möglichst viel des unerwünschten Hauptmaximums entfernt werden. 2 zeigt in dicker, durchgezogener Linie ein gewünschtes Hauptmaximum zentriert in der Mitte des PRF-Bandes, links mit zwei unerwünschten Hauptmaxima in dünner gestrichelter Linie in Converging PRF-Setting, also mit einer Zentrierung dieser ebenfalls in der Mitte des PRF-Bandes. In der rechten Darstellung sind die unerwünschten Hauptmaxima in Diverging PRF-Setting.One technique that is supported in the Wrapped Starring Spotlight mode described below is that of the diverging PRF setting [1], [2]. In SAR systems, the signal, which is in principle not band-limited, is sampled in azimuth at the pulse repetition frequency (PRF). In this case, signals from directions which do not correspond to azimuth frequencies within the PRF band are also mirrored by refolding into the PRF band. Through selective selection of the PRF used, the positioning of an undesired controlled or refolded main maximum can now be set relative to a desired controlled or refolded main maximum. Diverging PRF setting now means to set the position of the desired and undesired main maxima as far apart as possible from each other. Then as much of the unwanted main maximum can be removed with a bandpass filtering. 2 shows in a thick, solid line a desired main maximum centered in the middle of the PRF band, left with two undesired main maxima in a thin dashed line in Converging PRF setting, ie with a centering of these also in the middle of the PRF band. In the right panel, the unwanted major maxima are in diverging PRF setting.

Die konventionelle SAR-Prozessierung in der azimutalen Dimension führt unter anderem eine Korrektur des Azimut-Antennen-Diagramms im Azimut-Spektrum durch und danach eine Gewichtung eines jeden Looks in Azimut zur Kontrolle bzw. Unterdrückung der Nebenzipfel der Impulsantwort. Die Nebenzipfelunterdrückung kann auch im Azimut-Spektrum verortet werden. Für die Verarbeitung von Daten des beispielhaften TSX-Systems wird im Folgenden ein ”General Cosine Window” [1] mit einem α-Parameter von 0,6 angenommen. Dies reduziert die geometrische Auflösung im Vergleich zur Prozessierung ohne Nebenzipfelunterdrückung um den Faktor 1,3. Die bisher für das beispielhafte TSX-System maximale geometrische Azimutauflösung im Staring Spotlight Abbildungsmodus, die sich aus dem Azimut-Schwenkwinkelbereich von 4,4° ergibt, beträgt 0,165 m ohne spektrale Gewichtung zur Nebenzipfelunterdrückung und 0,225 m mit Nebenzipfelunterdrückung [1]. Das größte Nebenzipfelverhältnis bezogen auf das Maximum der Impulsantwort (engl.: Peak Sidelobe Ratio – PSLR) ist –13,2 dB ohne Nebenzipfelunterdrückung und –31,6 dB mit Unterdrückung. The conventional SAR processing in the azimuthal dimension performs, among other things, a correction of the azimuth antenna diagram in the azimuth spectrum and then a weighting of each look in azimuth to control or suppress the sidelobes of the impulse response. The sidelobe suppression can also be located in the azimuth spectrum. For the processing of data of the exemplary TSX system, a "General Cosine Window" [1] with an α-parameter of 0.6 is assumed below. This reduces the geometric resolution by a factor of 1.3 compared to processing without sidelobe suppression. The maximum geometrical azimuth resolution in Staring Spotlight imaging mode so far resulting from the azimuth slewing angle range of 4.4 ° for the exemplary TSX system is 0.165 m without spectral weighting for sidelobe suppression and 0.225 m with sidelobe suppression [1]. The maximum sidelobe ratio with respect to the Peak Sidelobe Ratio (PSLR) is -13.2 dB with no sidelobe suppression and -31.6 dB with suppression.

Es gibt zwei prinzipielle Möglichkeiten die zur Verfügung stehende azimutale Bandbreite bildhaft darzustellen: in maximaler geometrischer Auflösung oder durch Aufteilen der Bandbreite in mehrere Sichten (engl. ”Looks”) und inkohärente Addition dieser, was eine Darstellung mit reduziertem Speckle und verschlechterter geometrischer Auflösung ergibt. Speckle ist eine Fluktuation der Helligkeit, die allen SAR-Bildern inhärent ist und welche die Detektion von Zielen erschwert. Looks werden in SAR-Bildern häufig überlappend generiert und ein verbreitetes Maß zur Quantifizierung der Reduktion von Speckle ist die ”Äquivalente Anzahl von Looks” (engl.: ”Equivalent Number of Looks – ENL”).There are two principal ways to graphically represent the available azimuthal bandwidth: in maximum geometric resolution, or by dividing the bandwidth into multiple views ("looks") and incoherently adding them, giving a representation with reduced speckle and degraded geometric resolution. Speckle is a fluctuation in brightness that is inherent in all SAR images and that makes it difficult to detect targets. Looks are often overlapped in SAR images, and a common measure used to quantify the reduction of Speckle is the Equivalent Number of Looks (ENL).

Ein weiterer wichtiger Qualitätsparameter von SAR-Bildern ist der Anteil von Rauschen im Signal, welcher durch das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (engl.: Signal to Noise Ratio – SNR) beschrieben werden kann. Der dominante Anteil des Rauschens ist in der Regel das thermische Rauschen am Radarempfänger. Ein hoher Rauschanteil im SAR-Signal erscheint im SAR-Bild wie ein Grauschleier, der sich über das Bild legt. Ein hoher Rauschanteil reduziert ebenfalls die Detektierbarkeit von Zielen.Another important quality parameter of SAR images is the amount of noise in the signal, which can be described by the signal-to-noise ratio (SNR). The dominant part of the noise is usually the thermal noise at the radar receiver. A high amount of noise in the SAR signal appears in the SAR image like a gray haze over the image. High noise also reduces the detectability of targets.

Sowohl Speckle als auch thermisches Rauschen fluktuieren den gemessenen Radar-Rückstreuquerschnitt. Für Flächenziele kann man ENL und SNR in einen Qualitätsparameter zusammenfassen und die Detektierbarkeit im SAR-Bild durch die ”Radiometrische Auflösung (engl.: radiometric resolution RR)” beschreiben als

Figure DE102016209803B3_0002
Both speckle and thermal noise fluctuate the measured radar backscatter cross section. For area targets, one can summarize ENL and SNR into a quality parameter and describe the detectability in the SAR image by the "radiometric resolution RR" as
Figure DE102016209803B3_0002

Der Kontrast ist eine hilfreiche Messgröße zum Vergleich von unterschiedlich dargestellten SAR-Bildern. Er liefert Rückschlüsse auf eine Veränderung des Rauschanteils und beschreibt die Detektierbarkeit von Szenen mit heterogenem Rückstreuquerschnitt (engl.: ”Backscatter”), wie er zum Beispiel in urbanen Gebieten auftritt. Es gibt für SAR keine einheitliche Definition des Kontrasts. Im Folgenden wird nachstehende Definition des ”Root Mean Square Contrast” Crms verwendet, die ähnlich für optische Bilder definiert ist:

Figure DE102016209803B3_0003
wobei Np die Anzahl von Bildpixeln mit Grauwerten von 0 bis 255 ist und gp der Grauwert eines Pixels. Je kleiner Crms ist, umso ähnlicher ist das Bild einem einzigen, idealen, das ganze Bild ausfüllende Flächenziel ohne Speckle und ohne Rauschen. Je größer Crms für eine Szene mit gemischten Zielen, also Flächenzielen, urbane Gebieten und Punktzielen ist, umso weniger Rauschanteil ist vorhanden. Der maximale Kontrast ergibt sich, wenn die Hälfte der Pixel maximale und die andere Hälfte minimale Graustufe aufzeigen. Der maximale Kontrast entspricht der Hälfte der höchsten Graustufe, also 127,5 in Gleichung (1). Die Darstellung der zurückgestreuten Radarleistung erfolgt wegen des günstigeren Dynamikbereiches oft in der Wurzel der Intensität, also in Amplitude. Im Folgenden wird der Grauwert Null der Amplitude Null zugeordnet und der Grauwert 255 der Wurzel des 95. Perzentils der Intensität.The contrast is a helpful measure for comparing differently displayed SAR images. It provides conclusions about a change in the noise component and describes the detectability of scenes with heterogeneous backscatter cross-section (English: "Backscatter"), such as occurs in urban areas. There is no uniform definition of contrast for SAR. The following is the definition of the "Root Mean Square Contrast" rms , which is defined similarly for optical images:
Figure DE102016209803B3_0003
where N p is the number of gray-scale image pixels from 0 to 255 and g p is the gray value of a pixel. The smaller C rms is, the more similar the image is to a single, ideal, full-frame area target without speckle and noise. The larger C rms is for a scene with mixed targets, ie area targets, urban areas, and point targets, the less noise there is. The maximum contrast is obtained when half of the pixels show maximum gray scale and the other half. The maximum contrast is half of the highest gray level, which is 127.5 in Equation (1). The representation of the backscattered radar power is often due to the favorable dynamic range in the root of the intensity, ie in amplitude. In the following, the gray value zero is assigned to the amplitude zero and the gray value 255 to the root of the 95th percentile of the intensity.

Die Darstellung der Amplitude in 3 vom Wert 0 bis zur Wurzel des 95. Perzentils aller Intensitätswerte entspricht linear den Grauwerten von 0 bis 255. In Tabelle 1 ist der Wert der Wurzel mit 11,76 angegeben. Der gemessene Kontrast des Ganzen in 3 dargestellten Bereichs ist 56,5 und für den Bereich D der urbanen Fläche 75,2. Ein Flächenziel sollte idealerweise einen möglichst geringen Kontrast zeigen, also geringes Speckle und thermisches Rauschen. Für die drei Flächenziele A, B und C ist der Kontrast in Tabelle 1 gegeben, ebenso wie die gemessenen ENL-Werte und das mittlere SNR. Aus den letzten beiden ergibt sich laut Gleichung (1) die radiometrische Auflösung zu ungefähr 2,3 für die drei Flächenziele.The representation of the amplitude in 3 from the value 0 to the root of the 95th percentile of all intensity values corresponds linearly to the gray values from 0 to 255. In Table 1, the value of the root is given as 11.76. The measured contrast of the whole in 3 The area shown is 56.5 and for the area D of the urban area 75.2. An area target should ideally show the lowest possible contrast, ie low speckle and thermal noise. For the three area targets A, B and C, the contrast is in the table 1, as well as the measured ENL values and the mean SNR. From the last two results according to equation (1) the radiometric resolution to about 2.3 for the three surface targets.

Figure DE102016209803B3_0004
Tabelle 1: Bildqualitätsparameter für den Ausschnitt aus einem Staring Spotlight Bild des TerraSAR-X Systems.
Figure DE102016209803B3_0004
Table 1: Image quality parameter for the section from a staring spotlight image of the TerraSAR-X system.

  • a) In Staring Spotlight SAR ist entweder der azimutale Steuerwinkelbereich oder die Quantisierung der Steuerwinkel durch den verfügbaren On-board-Speicher begrenzt. Durch den bei Beibehaltung der Quantisierung begrenzten Steuerwinkelbereich ist die maximal mögliche geometrische Auflösung begrenzt. Bei Beibehaltung einer geometrischen Auflösung ist die radiometrische Auflösung begrenzt.a) In Staring Spotlight SAR, either the azimuthal control angle range or the quantization of the control angles is limited by the available on-board memory. Due to the limited control angle range while maintaining the quantization, the maximum possible geometric resolution is limited. Maintaining geometric resolution limits radiometric resolution.
  • b) Wird bei SAR-Akquisitionen der Winkelbereich so weit ausgedehnt, dass auch Winkel in die synthetische Apertur eingehen, unter denen der Antennengewinn schlecht ist, dann erhöht sich das thermische Rauschen bei konventioneller SAR-Prozessierung stark und das SNR im SAR-Bild ist schlecht. Daher werden diese Winkelbereiche nicht verarbeitet und deren Informationspotential bleibt ungenutzt.b) In SAR acquisitions, when the angle range is extended to include angles in the synthetic aperture where the antenna gain is poor, the thermal noise in conventional SAR processing increases greatly and the SNR in the SAR image is poor , Therefore, these angular ranges are not processed and their information potential remains unused.

Aufgabe der Erfindung ist die Verbesserung der Auflösung und der Bildqualität bei SAR-Systemen.The object of the invention is to improve the resolution and image quality in SAR systems.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren vorgeschlagen zur Erstellung eines Erdbeobachtungsbildes einer Region mittels eines Radars mit synthetischer Apertur (SAR) und einer phasengesteuerten, aus Einzelantennen zusammengesetzten Gruppenantenne mit einem durch einen Steuerwinkel erzielbaren azimutalen Schwenkwinkelbereich, wobei jede Einzelantenne einen die Einzelantennenverstärkung in Abhängigkeit vom Raumwinkel beschreibenden Elementfaktor und die Gruppenantenne einen Arrayfaktor aufweist, der die sich aus der Anordnung und Anzahl der Einzelantennen ergebende Gruppenantennenverstärkung in Abhängigkeit vom Raumwinkel beschreibt, wobei die Gruppenantennenverstärkung mehrere Hauptmaxima aufweist, die im Wesentlichen gleich groß sind und die jedoch im Hinblick auf die Gesamtverstärkung, die sich aus dem Elementfaktor und der Gruppenantennenverstärkung ergibt, zu größer werdenden Steuerwinkeln hin abgeschwächt sind, wobei bei dem Verfahren

  • – der nutzbare azimutale Schwenkwinkelbereich bei der Erfassung einer Region erweitert wird durch mehrmaliges Einstellen des gleichen Steuerwinkels innerhalb des eindeutigen, durch die geometrische Anordnung der Einzelantennen gegebenen Steuerwinkelbereichs, und durch Herausfiltern desjenigen mehrdeutigen Hauptmaximums, das in die jeweils gewünschte Steuerrichtung zeigt, wodurch die geometrische und/oder radiometrische Auflösung des SAR verbessert wird, wobei die Pulswiederholfrequenz, mit der die Radarpulse gesendet werden, so gewählt wird, dass die jeweils gewünschten und die ungewünschten Hauptmaxima zur Reduzierung der ungewünschten Hauptmaxima separtiert sind und somit ein Herausfiltern dieser Hauptmaxima möglich ist, und
  • – mindestens eine Aufnahme der Region zur Erstellung eines Erdbeobachtungsbilds verarbeitet wird.
To solve this problem, the invention proposes a method for generating an earth observation image of a region by means of a synthetic aperture radar (SAR) and a phased array antenna composed of individual antennas with an achievable by a control angle azimuthal swivel angle range, each individual antenna in a single antenna gain in Dependent on the spatial angle descriptive element factor and the array antenna has an array factor that describes the resulting from the arrangement and number of individual antennas group antenna gain as a function of solid angle, the array antenna gain has several main maxima, which are substantially equal and which, however, with regard to Overall gain resulting from the element factor and the array antenna gain are attenuated toward increasing steering angles, with the method
  • - The usable azimuthal swivel angle range in the detection of a region is extended by repeatedly setting the same control angle within the unique, given by the geometric arrangement of the individual control angle control range, and by filtering out that ambiguous main maximum pointing in the respective desired direction of control, whereby the geometric and / or radiometric resolution of the SAR is improved, the pulse repetition frequency with which the Radar pulses are sent, is selected so that the respective desired and the unwanted main maxima to reduce the unwanted main maxima are separtiert and thus filtering out these main maxima is possible, and
  • - At least one image of the region is processed to create an Earth observation image.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt neben der Erweiterung des nutzbaren azimutalen Schwenkwinkelbereichs die Verarbeitung des Erdbeobachtungsbildes anhand einer Multi-Look-Verarbeitung, d. h. anhand der Verarbeitung einer Gesamtaufnahme einer Region erstellt wird, die zusammengesetzt ist aus mehreren Teilaufnahmen (sogenannte Looks) der Region durch Beleuchten über jeweils unterschiedliche Blickwinkelbereiche hinweg, wobei die Teilaufnahmen jeweils aus der Gesamtaufnahme herausgefiltert werden, wobeiAccording to one embodiment of the invention, in addition to the expansion of the usable azimuthal swivel angle range, the processing of the earth observation image takes place on the basis of multi-look processing, ie. H. is created by processing a total image of a region, which is composed of several partial shots (so-called looks) of the region by illuminating across different viewing angle ranges, the partial images are filtered out of the total recording, where

  • – Anteile der synthetischen Apertur, die bei bestimmten Blickwinkeln ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis aufweisen, das kleiner ist als ein vorgebbarer Grenzwert und damit ”schlecht” ist, weshalb diese Anteile der synthetischen Apertur bei bisherigen Verfahren nicht genutzt wurden, nutzbar gemacht werden durch eine Signal-zu-Rausch-abhängige Aufsummierung der einzelnen Looks, wobei die Aufsummierung entwederPortions of the synthetic aperture which, at certain angles, have a signal-to-noise ratio which is less than a predeterminable limit and is therefore "poor", so that these portions of the synthetic aperture have not been used in previous methods through a signal-to-noise-dependent summation of the individual looks, with the summation either
  • – ortsunabhängig direkt aus dem Azimut-Antennendiagramm abgeleitet wird durch eine normalisierte Korrektur des Antennendiagramms in den einzelnen Looks (LNPC), wobei zunächst das Antennendiagramm korrigiert und danach in jedem Look eine Normierung so durchgeführt wird, dass bei einem bestimmten Azimutwinkel oder, falls die Operation im Spektrum durchgeführt wird, bei einer bestimmten, für jeden Look spezifischen Azimutfrequenz das Produkt aus inversem Antennendiagramm und Normierung in jedem Look einen Wert von eins ergibt, oderDerived directly from the azimuth antenna diagram, is derived by a normalized correction of the antenna pattern in the individual looks (LNPC), first of all correcting the antenna pattern and then normalizing each look in such a way that at a certain azimuth angle or, if the operation in the spectrum, at a certain azimuth frequency specific to each look, the product of inverse antenna pattern and normalization gives a value of one in each look, or
  • – ortabhängig durch eine an jeder Pixelposition unterschiedliche Signal-zu-Rausch-abhängige Gewichtung der Looks (Ω-Weighting) durchgeführt wird, wobei die Gewichtungsfunktion nach gewünschten Optimierungskriterien erstellt wird.Depending on the location, a signal-to-noise-dependent weighting of the looks (Ω-weighting), which is different at each pixel position, is performed, wherein the weighting function is created according to desired optimization criteria.

Weitere mögliche Varianten der Erfindung betreffen bei ortsabhängiger Gewichtung der Looks, indem es sich bei den Optimierungskriterium für die Erstellung der Gewichtungsfunktion um

  • – eine möglichst gute radiometrische Auflösung und/oder
  • – eine möglichst gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis im Multi-Look-Bild und/oder
  • – eine möglichst hohe Anzahl Equivalent Number of Looks handelt/handeln kann.
Further possible variants of the invention relate to a location-dependent weighting of the looks, by changing the optimization criterion for the creation of the weighting function
  • - The best possible radiometric resolution and / or
  • A best possible signal-to-noise ratio in the multi-look image and / or
  • - can trade / trade as high as possible Equivalent Number of Looks.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Aufnahme im Spotlight-Modus und damit durch Verlängerung der Beleuchtung der aufzunehmenden Region infolge der Erweiterung des azimutalen Schwenkwinkelbereichs, oder im TOPSAR-Modus durch Ausdehnung des azimutalen Schwenkwinkelbereichs, oder im Bi-Directional-SAR-Modus oder im Forward/Backward-Looking-SAR-Modus durchgeführt wird.A further aspect of the invention can be seen in that the recording in the spotlight mode and thus by extending the illumination of the region to be recorded as a result of the expansion of the azimuthal swivel angle range, or in TOPSAR mode by extending the azimuthal swivel angle range, or bi-directional SAR mode or in forward / backward looking SAR mode.

Die verschiedenen Aspekte der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:The various aspects of the invention are explained below with reference to the drawing. In detail, they show:

1 eine grafische Darstellung des bekannten Staring Spotlight Modus mit den maximalen azimutalen Steuerwinkeln des TerraSAR-X Systems (TSX), 1 a graphical representation of the well-known Staring Spotlight mode with the maximum azimuthal control angles of the TerraSAR-X system (TSX),

2 eine grafische Darstellung des Converging PRF-Setting (links) und Diverging PRF-Setting (rechts), 2 a graphic representation of the Converging PRF setting (left) and Diverging PRF setting (right),

3 ein beispielhafter Ausschnitt aus einem Staring-Spotlight-Bild des TerraSAR-X Systems (TSX), wobei drei Flächenziele (A, B und C) und eine urbane Fläche (D) mit Bebauung markiert sind, 3 an exemplary excerpt from a staring spotlight image of the TerraSAR-X system (TSX), where three area targets (A, B and C) and one urban area (D) are marked with buildings,

4 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Staring Spotlight Modus mit erweitertem azimutalen Steuerwinkelbereich durch Ausnutzen der Hauptmaxima am Beispiel des TerraSAR-X Systems (TSX), 4 a schematic representation of the invention Staring Spotlight mode with extended azimuthal control angle range by exploiting the main maxima using the example of the TerraSAR-X system (TSX),

5 eine Auswahl der gewünschten Signalanteile bzw. die Unterdrückung der unerwünschten Signalanteile, durch zeitabhängige Bandpass-Filterung und Diverging PRF-Setting, wobei die angegebenen Winkel beispielhaft für das TerraSAR-X System (TSX) sind, 5 a selection of the desired signal components or the suppression of the unwanted signal components, by time-dependent band-pass filtering and diverging PRF setting, the given angles being exemplary for the TerraSAR-X system (TSX),

6 das prinzipielle Blockschaltbild der erfindungsgemäßen LNPC Multilook-Verarbeitung anhand des range komprimierten und Azimut phasenkorrigierten vollständigen Azimut-Spektrums, 6 the basic block diagram of the inventive LNPC multilook processing on the range compressed and azimuth phase corrected full azimuth spectrum,

7 das prinzipielle Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Ω-Weighting-Multilook-Verarbeitung anhand des range komprimierten und Azimut phasenkorrigierten vollständigen Azimut-Spektrums, 7 the basic block diagram of the Ω-weighting multilook processing according to the invention on the basis of the range compressed and azimuth phase-corrected complete azimuth spectrum,

8 eine grafische Darstellung des Steuerwinkels der linken TerraSAR-X Wrapped-Staring-Spotlight-Aufnahme gemäß 9, wobei in dünner Linie der kommandierte, sich wiederholende, also ”gewrappte” Steuerwinkel, und in dicker Linie der ”unwrappte” Steuerwinkel, also der durch Filterung und Diverging-PRF-Setting nutzbar gemachte und letztendlich prozessierte Steuerwinkel dargestellt ist, 8th a graphical representation of the control angle of the left TerraSAR-X Wrapped-Staring-Spotlight-Aufnahme according to 9 , where in thin line the commanded, repetitive, so "wrapped" control angle, and in thick line the "unwrapped" control angle, that is made available by filtering and diverging PRF setting and ultimately processed control angle is shown,

9 beispielhafte Wrapped-Staring-Spotlight-Bilder des TerraSAR-X Systems, wobei links eine Szene mit urbanen Gebieten und Flächenzielen gezeigt und ein Ausschnitt für eine in der Figurenbeschreibung beschriebene Auswertung markiert ist und wobei rechts eine Szene mit einem markierten Punktziel gezeigt ist, das in der Figurenbeschreibung genauer analysiert wird, 9 Exemplary Wrapped Staring Spotlight images of the TerraSAR-X system, where on the left a scene with urban areas and area targets is shown and a section for an evaluation described in the description of the figure is marked and on the right a scene with a marked point target is shown in the figure description is analyzed in more detail,

10 links die Azimutauflösung, gemessen für das in 9 ausgewählte Punktziel, wobei in gestrichelt die Messwerte für Element Pattern Weighting (EPW), als durchgezogene Linie die theoretischen/simulierten Werte und gepunktet dazu im Vergleich die theoretischen/simulierten Auflösungswerte für eine vollständige Korrektur des Antennendiagramms gezeigt sind und wobei rechts die gemessenen und simulierten Werte für das höchste Nebenzipfelverhältnis der Impulsantwort gezeigt sind, 10 on the left the azimuth resolution, measured for the in 9 selected point target, where in dashed lines the measurements for Element Pattern Weighting (EPW), as a solid line the theoretical / simulated values and dotted in comparison the theoretical / simulated resolution values for a complete correction of the antenna diagram are shown and where on the right the measured and simulated values are shown for the highest sidelobe ratio of the impulse response,

11 Azimut-Antennendiagramme und Spektren, und zwar links für LNPC und rechts für Ω-Weighting, wobei die unterschiedliche Skalierung der dargestellten Amplituden zu beachten ist, und in den Diagrammen (a) das Profil des Azimutspektrums in durchgezogener und das gerechnete Antennendiagramm in gestrichelter Linie gezeigt ist, in den Diagrammen (b) die Azimut-Antennendiagramm-Korrektur spezifisch für jeden der neun Looks gezeigt ist, die abwechselnd in durchgezogener und in gestrichelter Linie gezeigt sind, in den Diagrammen (c) das Profil des Azimutspektrums nach der Antennendiagramm-Korrektur gezeigt ist und in den Diagrammen (d) das Profil des Azimutspektrums nach Korrektur des Antennendiagramms und Gewichtung zur Nebenzipfelunterdrückung gezeigt sind, 11 Azimuth antenna diagrams and spectra, left for LNPC and right for Ω weighting, taking into account the different scaling of the amplitudes shown, and in the diagrams (a) the profile of the azimuth spectrum in solid and the calculated antenna diagram shown in dashed line is shown in the diagrams (b) the azimuth antenna pattern correction specific for each of the nine looks shown alternately in solid and dashed lines, in the diagrams (c) the profile of the azimuth spectrum after the antenna pattern correction shown and in the diagrams (d) the profile of the azimuth spectrum after correction of the antenna pattern and weighting for sidelobe suppression are shown,

12 links ein optisches Google Earth Bild des Ausschnitts gemäß 9 links und rechts das Amplitudenbild der SAR-Aufnahme bei klassischer Prozessierung von 9LFPC, wobei die neun Looks hinsichtlich des Azimut-Antennendiagramms vollständig korrigiert sind und wobei links und rechts verschiedene Flächenziele und Zielgebiete mit gemischtem Kontext durch weiße Rahmen markiert sind, 12 To the left, a cutout optical Google Earth image 9 Left and right, the amplitude image of the SAR image in classic processing of 9L FPC , where the nine looks are completely corrected in terms of the azimuth antenna diagram and where on the left and on the right, different area targets and mixed context destination areas are marked by white frames.

13. eine grafische Darstellung der optimierten Ω-Gewichte für M = 32 Klassen und ein SNRML,min von 0 dB, wobei die X-Achse die Look-Nummer und die Y-Achse das SNR des zentralen Looks der Klassen zeigen, 13 , a plot of the optimized Ω weights for M = 32 classes and a SNR ML, min of 0 dB, where the X-axis shows the look number and the Y-axis the SNR of the central look of the classes,

14 ENL, SNR und radiometrische Auflösung für die optimierten Klassen des Ausführungsbeispiels, in dicker gestrichelter Linie für ein SNRML,min von 0 dB und in dünner durchgezogener Line für 3 dB und 14 ENL, SNR and radiometric resolution for the optimized classes of the embodiment, in thick dashed line for a SNR ML, min of 0 dB and in a thin solid line for 3dB and

15 markierte Ausschnitte der in 9 links gezeigten SAR-Akquisition, wobei 3LFPC für drei Looks mit voller Antennendiagramm-Korrektur – dies entspricht in guter Näherung dem operationell implementierten Staring-Spotlight-Modus des TerraSAR-X Systems – steht, 9LLNPC für neun Looks mit LNPC-Multilooking steht und 9LΩ,0dB, 9LΩ,3dB für Ω-Weighting-Multilooking in den Varianten 0 dB und 3 dB minimal gewünschtem SNR im Multilook-Bild stehen. 15 marked excerpts of the in 9 SAR acquisition shown on the left, with 3L FPC standing for three looks with full antenna pattern correction - this is very close to the operationally implemented staring spotlight mode of the TerraSAR-X system -, 9L LNPC stands for nine looks with LNPC multilooking and 9L Ω, 0dB , 9L Ω, 3dB for Ω weighting multilooking in the variants 0 dB and 3 dB minimum desired SNR in the multi-look image.

Bei einem bestehenden SAR-System mit phasengesteuerter Gruppenantenne dehnt der erfindungsgemäße Aufnahmemodus (nachfolgend mit Wrapped-Staring-Spotlight-Modus bezeichnet) den Schwenkwinkelbereich gegenüber dem herkömmlichen Staring-Spotlight Aufnahmemodus wesentlich aus, und zwar ohne zusätzlichen On-board-Speicherplatz-Bedarf und ohne eine Verschlechterung der Quantisierung der Steuerwinkel. Vorbedingung ist, dass der Winkelabstand ΔθGL zwischen den Hauptmaxima in ausreichender Quantisierung der Steuerwinkel abgedeckt ist. Die Ausdehnung erfolgt dann durch wiederholtes Einstellen der Steuerwinkel innerhalb ΔθGL, wobei aber nicht die Signalanteile der eigentlich durch die Anregungskoeffizienten eingestellten Steuerrichtung der synthetischen Apertur sondern diejenigen Signalanteile hinzugefügt werden, die aus der gewünschten Richtung eines anderen Hauptmaximums des Antennendiagramms kommen.In an existing phased array SAR system, the capture mode of the present invention (hereafter referred to as wrapped staring spotlight mode) substantially extends the slew angle range over the conventional staring spotlight capture mode, without additional on-board space requirements and without a deterioration of the quantization of the control angle. Prerequisite is that the angular distance Δθ GL between the main maxima is covered in sufficient quantization of the control angle. The expansion then takes place by repeatedly setting the control angles within Δθ GL , but not adding the signal components of the control direction of the synthetic aperture actually set by the excitation coefficients, but those signal components coming from the desired direction of another principal maximum of the antenna pattern.

4 zeigt erneut die Aufnahmegeometrie des beispielhaften TSX-Systems, allerdings für eine Wrapped-Staring-Spotlight-Aufnahme. Die mittleren drei Antenenpositionen sind bereits in 1 für den Staring-Spotlight-Modus gezeigt. Die beiden äußeren Antennenpositionen in 4 zeigen nun die Erweiterung des Schwenkwinkelbereichs. Um Signale aus den Richtungen ±4,4° aufzuzeichnen, werden an den beiden Positionen erneut die Anregungskoeffizienten für 0° Steuerwinkel eingestellt. Durch Diverging PRF Setting und entsprechende Filterung in der Prozessierung werden dann die gewünschten Steuerwinkel nutzbar gemacht. Für Punktziele bringt der erweiterte Steuerwinkelbereich direkt eine Verbesserung der geometrischen Auflösung. 4 again shows the acquisition geometry of the exemplary TSX system, but for a wrapped staring spotlight image. The middle three antenna positions are already in 1 shown for the staring spotlight mode. The two outer antenna positions in 4 now show the extension of the swivel angle range. In order to record signals from the directions ± 4,4 °, at the two Positions again set the excitation coefficients for 0 ° control angle. By diverging PRF setting and corresponding filtering in the processing then the desired control angle can be used. For point targets, the extended control angle range directly improves the geometric resolution.

Die Auswahl der gewünschten Signalanteile bzw. die Unterdrückung der unerwünschten erfolgt durch eine zeitabhängige Bandpass-Filterung. Dieser Vorgang ist in 5 veranschaulicht. Während der Akquisition wird zu jedem Zeitpunkt der gewünschte Steuerwinkel direkt, oder durch Ausnutzen eines mehrdeutigen (engl.: ”gewrappten”) Hauptmaximums eingestellt. Dies ist in 5 durch die dicke in Strich-Punkten gezogene Linie gezeigt, die über der Azimutzeit ta, d. h. der Aufnahmezeit, stetig von +4,4° Steuerwinkel zu –4,4° Steuerwinkel abfällt. Die vertikale Ausdehnung des um diese Linie in dünner durchgezogener Line gezeichneten Bandes um diesen Steuerwinkel ist der sogenannte Szenenwinkel, der die Ausdehnung der prozessierten Szene in Azimutrichtung angibt. Er wird entweder durch einen azimutzeitabhängigen Bandpassfilter in der Prozessierung eingestellt, oder äquivalent nach der Prozessierung durch Auswahl der Szenenausdehnung im fertig prozessierten Bild. Konkret kann der azimutzeitabhängige Filter zum Beispiel durch eine Subaperturverarbeitung mit unterschiedlichen Mittenfrequenzen in den Subaperturen realisiert werden [3]. Die Variation des gewünschten Steuerwinkels über der Azimutaufnahmezeit bestimmt die maximale geometrische Auflösung und wird als abgewickelter (engl.: unwrapped) Auflösungswinkel bezeichnet. Die im rechten oberen und im unteren linken Teil der Darstellung in gestrichelten Linien gezeigten Hauptmaxima sind von den gewünschten um den Winkel ΔθGL verschoben. Die dargestellten Gain-Verhältnisse entsprechen qualitativ denen des beispielhaften TerraSAR-X Systems. Die untere Reihe von Diagrammen stellt die relative Positionierung der gewünschten und stärksten ungewünschten Hauptmaxima im PRF-Band für Diverging PRF-Setting dar. Für die Steuerwinkel von ±2,2° sind das gewünschte und das ungewünschte Hauptmaxima gleich groß, aber wegen des Diverging PRF-Setting voneinander separiert. Das ungewünschte Hauptmaxima kann durch den einem Bandpass entsprechenden Szenenwinkel unterdrückt werden. Für die im beispielhaften TerraSAR-X System sehr große Steuerung bis zu ±4,4° sind die Gain-Werte aus den gewünschten Steuerwinkel-Richtungen wesentlich geringer als die aus ungewünschten Richtungen. Sogar bei Anwendung von Diverging PRF-Setting ist der verbleibende Gain aus diesen Richtungen größer als derjenige aus den gewünschten Richtungen.The selection of the desired signal components or the suppression of unwanted is done by a time-dependent bandpass filtering. This process is in 5 illustrated. During the acquisition, the desired control angle is set directly at any time, or by taking advantage of an ambiguous main maximum. This is in 5 shown by the thick line drawn in dashed lines, which decreases over the azimuth time t a , ie the recording time, steadily from + 4,4 ° steering angle to -4,4 ° steering angle. The vertical extent of the band drawn around this line in a thin solid line around this control angle is the so-called scene angle, which indicates the extent of the processed scene in the azimuth direction. It is set either by an azimuth time-dependent bandpass filter in the processing, or equivalent after processing by selecting the scene extent in the finished processed image. Specifically, the azimuth time-dependent filter can be realized, for example, by sub-aperture processing with different center frequencies in the sub-apertures [3]. The variation of the desired control angle over the azimuth acquisition time determines the maximum geometric resolution and is referred to as the unwrapped resolution angle. The main maxima shown in dotted lines in the upper right and lower left parts of the illustration are shifted from the desired one by the angle Δθ GL . The illustrated gain ratios are qualitatively similar to those of the exemplary TerraSAR-X system. The bottom row of plots represents the relative positioning of the desired and strongest unwanted major maxima in the PRF band for diverging PRF setting. For the ± 2.2 ° control angles, the desired and unwanted major maxima are equal but due to diverging PRF -Setting separated from each other. The unwanted main maxima can be suppressed by the scene angle corresponding to a band pass. For the very large control in the exemplary TerraSAR-X system up to ± 4.4 °, the gain values from the desired control angle directions are substantially lower than those from undesired directions. Even with diverging PRF setting, the remaining gain from these directions is larger than that from the desired directions.

Die bei der Bildung der synthetischen Apertur unter Einbeziehung von Steuerwinkelbereichen mit schlechtem SNR entstehenden SAR-Bilder können bezüglich der beiden Qualitätsparameter ”Kontrast” und ”radiometrische Auflösung” gegenüber einer konventionellen SAR-Verarbeitung durch eine neuartige, vom SNR der einzelnen Looks abhängige, gewichtete Multi-Look-Prozessierung wesentlich verbessert werden. Zwei Hauptvarianten der neuartigen Multi-Look-Prozessierung werden nachfolgend als Ausführungsbeispiel angeführt, nämlich Look Normalisierte Antennendiagramm Korrektur (engl.: Look Normalized Pattern Correction – LNPC) mit einer über die Pixel konstanten und damit ortsunabhängigen Gewichtung der einzelnen Look-Bilder, und Ω-Gewichtung (engl.: Ω-Weighting) mit einer pixelabhängigen und damit ortsvarianten Gewichtung der Look-Bilder. LNPC ist einfacher zu implementieren. Ω-Weighting ist flexibler und kann besser auf die Detektion von bestimmten Zielen abgestimmt werden.The SAR images resulting from the formation of the synthetic aperture involving poor SNR control angle regions can be compared to conventional SAR processing by a new single weighted SNR based on the two quality parameters "contrast" and "radiometric resolution" Look-process can be significantly improved. Two main variants of the novel multi-look processing are cited below as an exemplary embodiment, namely Look Normalized Pattern Correction (LNPC) with a constant weighting of the individual look images, which is constant over the pixels and thus location-independent. Weighting (English: Ω-weighting) with a pixel-dependent and thus location-weighted weighting of the look images. LNPC is easier to implement. Ω weighting is more flexible and can be better tuned to the detection of specific goals.

LNPC-VarianteLNPC variant

LNPC gewichtet die einzelnen Azimut-Look-Bilder unterschiedlich stark in der Addition zum Multi-Look-Bild (engl.: Multilook Image). Die unterschiedliche Gewichtung ergibt sich durch eine normalisierte Korrektur des Azimut-Antennendiagramms. Die Normalisierung kann zum Beispiel in jedem Look auf die mittlere Azimutfrequenz des Looks bezogen werden, d. h. bei den mittleren Azimutfrequenzen der Looks wäre dann die Korrektur jeweils 1. Jedes Pixel im resultierenden Multi-Look-Bild besitzt genau gleich gewichtete Anteile der einzelnen Looks. LNPC ist damit ortsinvariant.LNPC weights the individual azimuth look images differently in the addition to the multi-look image. The different weighting results from a normalized correction of the azimuth antenna diagram. For example, in each look, the normalization may be related to the mean azimuth frequency of the look, i. H. at the mean azimuth frequencies of the looks, the correction would be 1. Each pixel in the resulting multi-look image has exactly equal weighted portions of each look. LNPC is thus location-invariant.

6 zeigt das prinzipielle Blockschaltbild des LNPC-Multi-Looking. Der Ausgangspunkt ist das komplette Azimutspektrum, das in Entfernungsrichtung (engl.: Range) komprimiert und in Azimut vollständig phasenkorrigiert ist, einschließlich der Korrektur der Azimutmodulation. 6 shows the principal block diagram of LNPC Multi-Looking. The starting point is the complete azimuth spectrum, which is compressed in the range direction and completely corrected in azimuth, including the correction of the azimuth modulation.

Wichtig für das LNPC-Multi-Looking ist die spektrale Korrektur des Antennendiagramms durch die von der Azimutfrequenz fa und der Nummer des Looks abhängige Amplitudengewichtungsfunktion ALNPC,k(fa) in Gleichung (3). Die Amplitude des Zweiweg-Azimut-Antennendiagramms des Gesamtspektrums ist mit AAP2W(fa) bezeichnet. Die zentrale Dopplerfrequenz (engl.: Doppler centroid) des Looks k ist mit fc , k bezeichnet. Die Rechteckfunktion rect wählt für jeden Look k aus dem Gesamtsprektrum die Look-Bandbreite BL zentriert um fc,k aus. Das Antennendiagramm wird für alle Frequenzen fa korrigiert aber durch die Multiplikation mit AAP2W(fc,k) auf den Wert 1 bei der zentralen Dopplerfrequenz normiert.Important for the LNPC multi-looking is the spectral correction of the antenna diagram by the amplitude weighting function A LNPC, k (f a ) in equation (3), which depends on the azimuth frequency f a and the number of the look. The amplitude of the two-way azimuth antenna diagram of the total spectrum is designated AAP 2W (f a ). The central Doppler centroid (Doppler centroid) of the look k is denoted by f c , k . The rectangle function rect selects for each look k from the total spectrum the look bandwidth B L centered around f c, k . The antenna diagram is corrected for all frequencies f a but standardized by the multiplication with AAP 2W (f c, k ) to the value 1 at the central Doppler frequency.

Figure DE102016209803B3_0005
Figure DE102016209803B3_0005

An der gleichen Stelle im Ablauf von 6, an der die Multiplikation mit ALNPC,k(fa) erfolgt, wird auch die gewünschte Gewichtung zur Nebenzipfelunterdrückung durch eine Multiplikation mit ML , k(fa) durchgeführt. Diese Gewichtungsfunktion erstreckt sich über die Bandbreite BL und wird für jeden Look so verschoben, dass sie um fc,k zentriert ist. Nach der inversen Fast-Fourier-Transformation (IFFT) in 6 ergeben sich für jeden Bildpixel p jeweils k Look-Pixels mit den Intensitäten Ip,k. Diese werden dann gemäß der Vorschrift in Gleichung (4) zur Multi-Look-Pixel-Intensität Ip,ML summiert.At the same place in the expiration of 6 where the multiplication by A LNPC, k (f a ) occurs, the desired balance for sidelobe suppression is also performed by multiplication by M L , k (f a ). This weighting function extends over the bandwidth B L and is shifted for each look to be centered around f c, k . After the inverse Fast Fourier Transformation (IFFT) in 6 For each image pixel p, there are respectively k look pixels with the intensities I p, k . These are then summed according to the rule in equation (4) to the multi-look pixel intensity I p, ML .

Figure DE102016209803B3_0006
Figure DE102016209803B3_0006

Ccal ist eine beliebige Kalibrierkonstante, zu der alle notwendigen, aber für die Beschreibung des Verfahrens nicht erforderlichen Konstanten zusammengefasst sind. Wegen der unterschiedlichen Gewichtung der Look-Pixel in der Summation zum Multi-Look-Pixel ist eine Normierung der Summe durch den Nenner in Gleichung (4) erforderlich. Dabei ist WI,S[k] ein in Gleichung (5) definierter Faktor für Look k, der das Verhältnis der Intensität eines Look-Pixels vor und nach der spektralen LNPC-Gewichtung und der Gewichtung zur Nebenzipfelunterdrückung beschreibt. Das Integral über die Look-Bandbreite BL ist um fc,k zentriert, und beinhaltet die Gewichtung der Intensität durch das Azimut-Antennendiagramm, das über der Bandbreite des Looks k auf diesen wirksam ist.C cal is an arbitrary calibration constant to which all necessary, but not required for the description of the method constants are summarized. Because of the different weighting of the look pixels in the summation to the multi-look pixel, a normalization of the sum by the denominator in equation (4) is required. Here, W I, S [k] is a factor for look k defined in equation (5), which describes the ratio of the intensity of a look pixel before and after the spectral LNPC weighting and the weighting for sidelobe suppression. The integral over the look bandwidth B L is centered around f c, k , and includes the weighting of the intensity through the azimuth antenna pattern, which is effective over the bandwidth of the look k on it.

Figure DE102016209803B3_0007
Figure DE102016209803B3_0007

Ω-Weighting-VarianteΩ Weighting variant

Der Name Ω-Weighting soll verdeutlichen, dass diese Gewichtung die letzte ist, die auf die einzelnen Looks angewendet wird, und zwar erst im Look-Bildbereich. Wie in 7 gezeigt, erfolgen die Korrektur des Antennendiagramms und die Gewichtung zur Nebenzipfel-Unterdrückung davor, noch im Azimut-Spektralbereich. Die Korrektur des Azimut-Antennendiagramms erfolgt, wie in Gleichung (6) gezeigt, vollständig durch Multiplikation der Amplitudenfunktion AFPC,k(fa) auf das Amplitudenspekturm. Der Index FPC steht für vollständige Korrektur des Antennendiagramms (engl.: Full Pattern Correction).The name Ω-Weighting should make it clear that this weighting is the last one that will be applied to the individual looks, and only in the look screen area. As in 7 shown, the correction of the antenna pattern and the weighting for sidelobe suppression before done, still in the azimuth spectral range. The correction of the azimuth antenna diagram is done completely by multiplying the amplitude function A FPC, k (f a ) to the amplitude spectrum m , as shown in equation (6). The index FPC stands for complete correction of the antenna pattern (English: Full Pattern Correction).

Figure DE102016209803B3_0008
Figure DE102016209803B3_0008

Beim Ω-Weighting erfolgt die Multi-Look-Summation der Intensitäten der einzelnen Look-Pixel Ip,k,FPC wie in Gleichung (7) beschrieben unterschiedlich für jedes Pixel p über die Looks k. Die Bestimmung der einzelnen Gewichte Ωp,k erfolgt abhängig vom SNR der einzelnen Look-Pixel und wird weiter unten beschrieben.In Ω weighting, the multi-look summation of the intensities of the individual look pixels I p, k, FPC is done differently for each pixel p over the looks k as described in equation (7). The determination of the individual weights Ω p, k is dependent on the SNR of the individual look pixels and will be described below.

Figure DE102016209803B3_0009
Figure DE102016209803B3_0009

WI,S,FPC[k] ist der in Gleichung (8) definierte Faktor für Look k, der das Verhältnis der Intensität eines Look-Pixels vor und nach der spektralen vollständigen Korrektur des Antennendiagramms und der Gewichtung zur Nebenzipfelunterdrückung beschreibt.W I, S, FPC [k] is the factor for look k defined in equation (8), which describes the ratio of the intensity of a look pixel before and after the complete spectral correction of the antenna pattern and the weighting for sidelobe suppression.

Figure DE102016209803B3_0010
Figure DE102016209803B3_0010

Bestimmung der Gewichte Ωp,k Determination of the weights Ω p, k

Die Zielsetzung bei der Optimierung der Gewichte ist es, ein Multi-Look-Bild unter Einbeziehung von Looks mit schlechtem SNR zu generieren,

  • i) dass gegenüber einer konventionellen SAR-Verarbeitung eine verbesserte radiometrische Auflösung zeigt und
  • ii) bei dem sich der Bildkontrast durch die Erhöhung des thermischen Rauschens nicht verschlechtert bzw. sogar verbessert.
The goal in optimizing weights is to generate a multi-look image that includes poor SNR looks,
  • i) that shows improved radiometric resolution compared to conventional SAR processing, and
  • ii) in which the image contrast does not deteriorate or even improve by the increase of the thermal noise.

Eine einfache Lösung wäre, das Gewicht Ωp,k direkt vom gemessenen SNR des Pixels p im Look k, also direkt von S ~NRp,FPC[k] abzuleiten. Die Tilde zeigt einen Messwert an. Der Nachteil dabei ist, dass Look-Pixel mit großer gemessener Intensität immer stark gewichtet und Pixel niedriger Intensität immer schwach gewichtet werden, was die vom Speckle induzierten Intensitätsschwankungen verstärkt, also das Speckle erhöht. Diese Lösung scheidet daher aus.A simple solution would be to derive the weight Ω p, k directly from the measured SNR of the pixel p in the look k, ie directly from S ~ NR p, FPC [k]. The tilde displays a reading. The downside of this is that look pixels with large measured intensity are always heavily weighted and pixels low intensity are always weighted weakly, which increases the speckle-induced intensity fluctuations, ie increases the speckle. This solution is therefore eliminated.

Zur Einschränkung des Einflusses von Speckle auf die Gewichte wird beim Ω-Weighting die Information aller Looks eines Bildpixels verwendet. Wie im prinzipiellen Blockschaltbild von 7 gezeigt, definiert das erfindungsgemäße Verfahren mit Hilfe des Antennendiagramms AAP2W(fa) und den gemessenen SNR-Werten aller Pixel und Looks S ~NRp,FPC[k] Klassen von Pixel-SNR-Verläufen über den Looks. Dann werden die Gewichte Ωm[k] für jede Klasse m so optimiert, dass für ein vorgegebenes minimal gefordertes SNR im Multi-Look-Bild SNRML,min die radiometrische Auflösung möglichst klein wird. Falls SNRML,min für eine Klasse nicht erreicht wird, werden alle Gewichte dieser Klasse zu Null gesetzt. Schließlich wird für jedes zu bildende Multi-Look-Bildpixel mit dem SNR-Verlauf der gemessenen Look-Pixel S ~NRp,FPC[k] die zugehörige Klasse m bestimmt und die Gewichtung Ωm[k] dieser Klasse in der Multi-Look-Summation von Gleichung (7) verwendet, d. h. es wird Ωp,k[k] zu Ωm[k] gesetzt.To limit the influence of speckle on the weights, Ω weighting uses the information of all the looks of an image pixel. As in the basic block diagram of 7 1, the method according to the invention uses the antenna pattern AAP 2W (f a ) and the measured SNR values of all pixels and looks S ~ NR p, FPC [k] to define classes of pixel SNR curves over the looks. Then the weights Ω m [k] are optimized for each class m so that the radiometric resolution becomes as small as possible for a given minimum required SNR in the multi-look image SNR ML, min . If SNR ML, min is not reached for a class, all weights of that class are set to zero. Finally, for each multi-look image pixel to be formed with the SNR curve of the measured look pixels S ~ NR p, FPC [k], the associated class m is determined and the weight Ω m [k] of this class in the multi-look -Summation of equation (7), ie, Ω p, k [k] is set to Ω m [k].

Für Ω-Weighting ist das thermische Rauschen für Gebiete mit niedrigem Rückstreuquerschnitt (engl.: Backscatter) reduziert, d. h. genau in den Gebieten, in denen das thermische Rauschen am meisten stört. Für höheren Rückstreuquerschnitt ist mehr Rauschen toleriert, da damit die Anzahl der Looks und letztendlich die radiometrische Auflösung verbessert ist.For Ω weighting, the thermal noise is reduced for areas with low backscatter, ie. H. exactly in the areas where the thermal noise disturbs the most. Higher backscatter cross-section tolerates more noise because it improves the number of looks and ultimately the radiometric resolution.

Ohne Verlust der Allgemeinheit wird jeweils eine Möglichkeit für die Definition der Klassen, für die Optimierung der Gewichte der Klassen und für die Zuordnung des SNR-Verlaufs eines Pixels über den Looks zu einer Klasse im Ausführungsbeispiel unten gezeigt.Without loss of generality, one possibility for defining the classes, for optimizing the weights of the classes, and for assigning the SNR profile of a pixel over the looks to a class in the exemplary embodiment is shown below.

Zusammenfassend lassen sich die erfindungswesentlichen Aspekte wie folgt beschreiben.In summary, the aspects essential to the invention can be described as follows.

Der Wrapped-Staring-Spotlight-Aufnahmemodus dehnt bei einem bestehenden SAR-System mit phasengesteuerter Gruppenantenne sowie einem Abstand der durch Anregungskoeffizienten ansprechbaren Einzelantennen größer als die halbe Wellenlänge und On-board gespeicherten Anregungskoeffizienten zur Antennensteuerung in Azimut den Schwenkwinkelbereich gegenüber dem herkömmlichen Staring-Spotlight Aufnahmemodus wesentlich aus. Dies geschieht durch eine zusätzliche Ausnutzung von Hauptmaxima, welche sich neben dem Hauptmaximum in der eigentlich eingestellten Hauptmaximum-Richtung ausbilden, und zwar ohne zusätzlichen On-board-Speicherplatz-Bedarf und ohne eine Verschlechterung der Quantisierung der Steuerwinkel. Diverging PRF-Setting während der Daten-Akquisition unterstützt die Auswahl der gewünschten Signalanteile bzw. die Unterdrückung der unerwünschten Signal-Anteile, was durch eine zeitabhängige Bandpass-Filterung erfolgt. Der Mehrwert für Punktziele ist die mit der Ausdehnung des Schwenkwinkelbereichs einhergehende Verbesserung der geometrischen Auflösung. Der Mehrwert für Flächenziele und gemischte Bildinhalte ist eine verbesserte radiometrische Auflösung und ein verbesserter Kontrast in Multi-Look-Bildern.In an existing SAR system with phased array antenna and a distance of excitation coefficient responsive single antennas greater than half the wavelength and on-board stored excitation coefficients for azimuth antenna control, the wrapped-spotlight spotlighting mode will extend the pan angle range over the conventional staring spotlight recording mode essential. This is done by an additional utilization of main maxima, which form next to the main maximum in the actually set main maximum direction, without additional on-board storage space requirement and without a deterioration of the quantization of the control angle. Diverging PRF setting during data acquisition supports the selection of the desired signal components or the suppression of unwanted signal components, which is achieved by time-dependent band-pass filtering. The added value for dot targets is the improvement in geometric resolution associated with the expansion of the pan angle range. The added value for area targets and mixed image content is improved radiometric resolution and improved contrast in multi-look images.

Der Kern der Wrapped-Staring-Spotlight-Methode kann auch für andere SAR-Moden, wie zum Beispiel Bi-directional SAR oder Forward/Backward-Looking SAR eingesetzt werden, d. h. es können bei bestehenden SAR-Systemen Azimut-Blickrichtungen ausgewertet werden, die nicht im ursprünglich ausgelegten Bereich der Steuerwinkel liegen.The core of the Wrapped Staring Spotlight method can also be used for other SAR modes, such as bi-directional SAR or forward / backward-looking SAR, ie existing ones can be used SAR systems azimuth viewing directions are evaluated, which are not in the originally designed range of control angles.

Die Variante der LNPC – Look Normalisierte Antennendiagramm-Korrektur (engl.: Look Normalized Pattern Correction) verbessert bei der Bildung der synthetischen Apertur unter Einbeziehung von Steuerwinkelbereichen mit schlechtem SNR die resultierenden Multi-Look-SAR-Bilder bezüglich der Qualitätsparameter ”Kontrast” und ”radiometrische Auflösung” gegenüber einer konventionellen, dem Stand der Technik entsprechenden SAR-Verarbeitung durch eine neuartige vom SNR der einzelnen Looks abhängige, gewichtete Multi-Look-Prozessierung. Bei LNPC erfolgt eine über die Pixelpositionen konstante und damit ortsunabhängige Gewichtung der einzelnen Look-Bilder.The LNPC-Look Normalized Pattern Correction option improves the resulting multi-look SAR images with respect to the "contrast" and "quality" quality parameters in the formation of the synthetic aperture, including control angle ranges with poor SNR. radiometric resolution "over conventional state-of-the-art SAR processing through a novel one-shot SNR-based weighted multi-look processing. With LNPC, a weighting of the individual look images is constant over the pixel positions and thus independent of location.

LNPC kann auch für andere SAR-Moden mit ortsvariantem SNR in Azimutrichtung angewendet werden, wie zum Beispiel ScanSAR, TOPSAR, Staring Spotlight und Sliding Spotlight.LNPC can also be used for other SAR modes with azimuthal location-varying SNR, such as ScanSAR, TOPSAR, Staring Spotlight, and Sliding Spotlight.

Die Ω-Gewichtung (engl.: Ω-Weighting) verbessert bei der Bildung der synthetischen Apertur unter Einbeziehung von Steuerwinkelbereichen mit schlechtem SNR die resultierenden Multi-Look-SAR-Bilder bezüglich der Qualitätsparameter ”Kontrast” und ”radiometrische Auflösung” gegenüber einer konventionellen dem Stand der Technik entsprechenden SAR-Verarbeitung durch eine neuartige vom SNR der einzelnen Looks abhängige gewichtete Multi-Look-Prozessierung. Bei der Ω-Gewichtung erfolgt eine vom Ort der Pixel abhängige und damit Ortsvariante Gewichtung der Look-Bilder.The Ω weighting improves the resulting multi-look SAR images with respect to the quality parameters "contrast" and "radiometric resolution" in comparison to a conventional one in the formation of the synthetic aperture including control angle ranges with poor SNR State of the art SAR processing by a novel SNR of the individual looks dependent weighted multi-look processing. With the Ω weighting, the weighting of the look images is dependent on the location of the pixels and thus on the location.

Die Ω-Gewichtung kann auch für andere SAR-Moden mit ortsvariantem SNR in Azimutrichtung angewendet werden, wie zum Beispiel ScanSAR, TOPSAR, Staring Spotlight und Sliding Spotlight.The Ω weighting can also be applied to other SAR modes with azimuthal location-variant SNR, such as ScanSAR, TOPSAR, Staring Spotlight, and Sliding Spotlight.

Wie oben beschrieben, wurden mit dem TerraSAR-X System zwei Akquisitionen im Wrapped-Starring-Spotlight-Aufnahmemodus durchgeführt. Die dabei über der Akquisitionszeit kommandierten Winkel für die links in 9 gezeigte Aufnahme sind in 8 in dünner Linie gezeigt. Dabei ist das wiederholte Einstellen der Steuerwinkels innerhalb ΔθGL = 4,4° deutlich zu sehen. Der durch Ausnutzen der Gitterkeulen erzielte große Steuerwinkelbereich von 8,8° ist in dicker schwarzer Linie geplottet, welche im mittleren Bereich von ca. 3,5 s bis 10 s die dünne Linie überplottet.As described above, with the TerraSAR-X system, two acquisitions were made in Wrapped Starring Spotlight Capture mode. The commanded over the acquisition time angle for the left in 9 Shown are in 8th shown in a thin line. The repeated setting of the control angle within Δθ GL = 4.4 ° is clearly visible. The achieved by exploiting the grating lobes wide control angle range of 8.8 ° is plotted in thick black line, which overplotted the thin line in the central region of about 3.5 s to 10 s.

9 zeigt die beiden Wrapped-Staring-Spotlight Bilder in einer Überblicksdarstellung mit mehreren Looks. Die Azimutverarbeitung wurde mit dem vollen akquirierten Azimut-Steuerwinkelbereich von 8,8° durchgeführt. Teile aus den beiden Bildern werden im Folgenden näher betrachtet, um die Vorteile des Wrapped-Staring-Spotlight-Aufnahmeverfahrens sowie der LNPC-Multi-Look-Verarbeitung und der Ω-Weighting-Multi-Look-Verarbeitung darzustellen. 9 shows the two Wrapped-Staring-Spotlight images in an overview with several looks. The azimuth processing was performed with the full acquired azimuth control angle range of 8.8 °. Parts of the two images are reviewed below to demonstrate the benefits of the Wrapped Staring Spotlight acquisition process, as well as LNPC multi-look processing and Ω weighting multi-look processing.

Die Ausdehnung der Wrapped-Staring-Spotlight Bilder in 9 entspricht in Azimutrichtung einem Szenen-Winkel in der Größe des Azimut-3dB-Öffnungswinkels der Antenne, d. h. der Projektion des Öffnungswinkels auf die Erdoberfläche in der Entfernung des Szenenzentrums. Der markierte Ausschnitt in der linken Aufnahme in 9 ist in 3 in einer Multi-Look-Darstellung gezeigt. 3 entspricht in etwa der Darstellung des dem Stand der Technik entsprechenden Staring-Spotlight-Abbildungsmodus des beispielhaften TSX-Systems. Der markierte Ausschnitt in der rechten Aufnahme von 9 enthält einen dreiflächigen Reflektor (engl.: Corner Reflector), welcher im Bild als Punktziel erscheint. Beide in 9 markierten Ausschnitte werden im Folgenden analysiert und damit wird der Nachweis der Vorteile der Erfindung geführt.The extent of wrapped staring spotlight images in 9 corresponds in azimuth direction to a scene angle in the size of the azimuth 3dB opening angle of the antenna, ie the projection of the opening angle to the earth's surface at the distance of the scene center. The marked section in the left picture in 9 is in 3 shown in a multi-look presentation. 3 is approximately the same as the prior art staring spotlight imaging mode of the exemplary TSX system. The marked section in the right shot of 9 contains a three-way reflector (English: Corner Reflector), which appears in the picture as a point target. Both in 9 marked sections are analyzed below and thus the proof of the advantages of the invention is led.

Punktzielepoint targets

Die Impulsantwort auf das Punktziel im rechten Ausschnitt von 9 ist für wachsende prozessierte Bandbreite analysiert worden. Die Bandbreite des TerraSAR-X-Systems im Staring-Spotlight-Modus beträgt 38 kHz. Alle darüber hinausgehenden Bandbreiten sind durch Anwendung des Wrapped-Staring-Spotlight-Modus erzeugt worden. Die gemessene geometrische Azimutauflösung verbessert sich mit zunehmender prozessierter Bandbreite.The impulse response to the point target in the right section of 9 has been analyzed for growing processed bandwidth. The bandwidth of the TerraSAR-X system in the staring spotlight mode is 38 kHz. All other bandwidths have been generated by using the Wrapped Staring Spotlight mode. The measured geometrical azimuth resolution improves with increasing processed bandwidth.

Die Prozessierung wurde ohne Korrektur des Antennendiagramms in Azimut durchgeführt. Dadurch bleibt die Gewichtung des Element-Antennendiagramms bei der Rohdatenaufzeichnung erhalten. Diese Gewichtung wird im Folgenden mit EPW (engl.: Element Pattern Weighting) bezeichnet. Mit zunehmender Bandbreite verändert sich diese Gewichtung von einer Ähnlichkeit zur Rechteckgewichtung hin zu einer Gewichtung mit starker Unterdrückung der Nebenzipfel. Dies zeigt sich in 10 im rechten Diagramm, welches das stärkste Nebenzipfelverhältnis (engl.: Peak-to-Side Lobe Ratio PSLR) der Punktzielantwort über der prozessierten Bandbreite zeigt. Die PSLR Werte einer idealen Simulation sind gestrichelt dargestellt. Die im TerraSAR-X-Wrapped-Staring-Spotlight-Bild für das Punktziel gemessenen Werte sind in durchgezogener Linie dargestellt. Das PSLR fällt ausgehend vom Wert für eine Rechteckgewichtung von –13,2 dB mit zunehmender Bandbreite ab, da sich die effektive Gewichtung hin zu einer stärkeren Nebenzipfelunterdrückung entwickelt. Die gemessenen Werte stimmen sehr gut mit der Simulation überein.The processing was performed without correction of the antenna pattern in azimuth. This preserves the weight of the element antenna pattern in the raw data record. This weighting is referred to below as EPW (Element Pattern Weighting). With increasing bandwidth, this weighting changes from a similarity to the rectangular weighting to a weighting with strong suppression of the sidelobes. This is reflected in 10 in the right diagram, which shows the strongest peak-to-side lobe ratio (PSLR) of the point target response over the Processed bandwidth shows. The PSLR values of an ideal simulation are shown in dashed lines. The values measured in the TerraSAR X Wrapped Staring Spotlight image for the point target are shown in solid lines. The PSLR drops from the value for a rectangular weighting of -13.2 dB with increasing bandwidth, since the effective weighting develops towards a stronger sidelobe suppression. The measured values agree very well with the simulation.

Die geometrische Auflösung links in 10 ist für die EPW-Gewichtung über der Bandbreite des operationell existierenden Staring-Spotlight-Modus des TerraSAR-X-Systems gemessen. Sie stimmt sehr gut mit den theoretischen/simulierten Werten überein. Ab 55 kHz ergibt sich eine kleine Abweichung; für die maximal prozessierte Bandbreite von 76 kHz beträgt sie 5%, die vermutlich auf die hohen Anforderungen an die Höheninformation des Standorts des Punktziels zurückzuführen ist. Dies ist aber eine Anforderung an das Verwendete Verfahren zur Fokussierung in Azimutrichtung. Die zunehmende Verbesserung der gemessenen geometrischen Auflösung zeigt aber die Verbesserung der geometrischen Auflösung gegenüber dem operationell existierenden Staring-Spotlight-Modus des TerraSAR-X-Systems, das bei 38 kHz maximaler Bandbreite und EPW eine Azimutauflösung von 0,19 m liefert. Die zusätzlich durch Wrapped-Staring-Spotlight erschlossenen Steuerwinkelbereiche können also für Punktziele erfolgreich in die synthetische Apertur integriert werden und verlängern diese dadurch bzw. erlauben eine verbesserte geometrische Auflösung in Azimut.The geometric resolution left in 10 is measured over the bandwidth of the existing Staring Spotlight mode of the TerraSAR-X system for EPW weighting. It agrees very well with the theoretical / simulated values. From 55 kHz results in a small deviation; for the maximum processed bandwidth of 76 kHz, it is 5%, presumably due to the high altitude information requirements of the location of the point target. However, this is a requirement of the method used for focusing in the azimuth direction. However, the increasing improvement of the measured geometric resolution shows the improvement of the geometric resolution compared to the operational existing staring spotlight mode of the TerraSAR-X system, which provides an azimuth resolution of 0.19 m at 38 kHz maximum bandwidth and EPW. The additionally opened by Wrapped Staring Spotlight control angle ranges can thus be successfully integrated for point targets in the synthetic aperture and extend it thereby or allow an improved geometric resolution in azimuth.

Zum Vergleich ist auch die simulierte geometrische Auflösung für eine Rechteck-Gewichtung (rect), also für eine vollständige Korrektur des Azimut-Antennendiagramms, angegeben.For comparison, the simulated geometric resolution for a rectangle weighting (rect), ie for a complete correction of the azimuth antenna diagram, is given.

Flächenziele und gemischter BildinhaltArea targets and mixed image content

Um eine Verbesserung der Bildqualität für Flächenziele und für Bildteile mit gemischten Zielgebieten nachzuweisen, wurden über der ganzen Bandbreite der Wrapped-Staring-Spotlight-Aufnahme in 9 links eine Anzahl von neun Looks mit einer Bandbreite von je 15,2 kHz gebildet. Die Looks überlappen um 50% und jeder Look ist mit der oben beschriebenen Gewichtung zur Nebenzipfelunterdrückung gewichtet. 11 zeigt Profile des Azimutspektrums für LNPC (links) und Ω-Weighting (rechts). Die oberen Diagramme (a) sind identisch und zeigen das Profil des Spektrums sowie das berechnete Antennendiagramm in gestrichelter Line. Sowohl Spektrum als auch Antennendiagramm zeigen Schwankungen auf Grund der Quantisierung der Antennensteuerung und der Travelling Pulses (d. h. teilweise unterschiedliche Sende- und Empfangs-Antennendiagramme wegen der langen Signallaufzeit > 1/PRF). Bei den äußeren, also den betragsmäßig größeren Azimutfrequenzen zeigt das im Vergleich zum Antennen-Diagramm (engl.: Pattern) höhere Profil des Spektrums einen stark erhöhten Rauschanteil in den real aufgenommenen Daten an. Das berechnete Antennen-Diagramm enthält keinen Rauschanteil.In order to demonstrate an improvement of the image quality for area targets and for image parts with mixed target areas, over the whole range of wrapped staring spotlight recording in 9 formed a number of nine looks with a bandwidth of 15.2 kHz on the left. Looks overlap by 50% and each look is weighted with the sidelobe suppression weight described above. 11 shows profiles of the azimuth spectrum for LNPC (left) and Ω weighting (right). The upper diagrams (a) are identical and show the profile of the spectrum and the calculated antenna diagram in dashed line. Both the spectrum and the antenna diagram show variations due to the quantization of the antenna control and the traveling pulses (ie partly different transmission and reception antenna diagrams because of the long signal propagation time> 1 / PRF). In the outer, that is the magnitude larger azimuth frequencies that in comparison to the antenna pattern (English: Pattern) higher profile of the spectrum shows a greatly increased noise in the real recorded data. The calculated antenna diagram contains no noise.

Die Diagramme (b) der 11 zeigen die angewendeten Korrekturen des Antennendiagramms. Bei LNPC ist die Amplitude der Korrektur jeweils bei der zentralen Look-Frequenz gleich eins. Bei Ω-Weighting erfolgt eine komplette Korrektur des Antennendiagramms (engl.: Full Pattern Correction FPC). Die Profile der korrigierten Azimutspektren zeigen an den Enden der äußeren Looks stark nach oben, was ein ”Nach-Oben-Ziehen” des Rauschens bedeutet. Dieser Effekt ist beim Ω-Weighting sehr viel stärker ausgeprägt. Man beachte die unterschiedliche Skalierung der Amplituden sowie die Begrenzung der dargestellten Amplitude. Die unteren Plots (d) zeigen die Spektren nach zusätzlicher Gewichtung zur Nebenzipfelunterdrückung.The diagrams (b) of the 11 show the applied corrections of the antenna diagram. For LNPC, the amplitude of the correction is equal to one at the central look frequency. With Ω-weighting, a complete correction of the antenna pattern (English: Full Pattern Correction FPC) takes place. The profiles of the corrected azimuth spectra show strong upward at the ends of the outer looks, which means "dragging up" the noise. This effect is much more pronounced in Ω weighting. Note the different scaling of the amplitudes as well as the limitation of the displayed amplitude. The lower plots (d) show the spectra after additional weighting for sidelobe suppression.

Sowohl LNPC- als auch das Ω-Weighting-Multilooking erzeugen eine gleiche Form der Impulsantworten auf ein Punktziel in allen Looks. D. h. die Signalspektren eines Punktziels sind gleich gewichtet. In 11 sind die Gesamtspektren gezeigt, also Signal und Rauschen. Die Unterschiede in 11(d) entstehen auf Grund des unterschiedlich ”hochgezogenen” Rauschanteils. Dies führt für Punktziele in jedem Look zu gleichen Performance-Werten der Punktzielantwort: geometrische Auflösung und Nebenzipfelverhältnisse.Both LNPC and Ω weighting multilooking produce the same form of impulse responses to a point target in all looks. Ie. the signal spectra of a point target are equally weighted. In 11 the overall spectra are shown, ie signal and noise. The differences in 11 (d) arise due to the different "raised" noise. For point targets in each look, this leads to equal performance values of the point target response: geometric resolution and sidelobe relationships.

12 zeigt links ein optisches Google Earth Bild des Ausschnitts in 9 links. Rechts in 12 ist das Ergebnis einer klassischen Azimutverarbeitung der neun Looks mit vollständiger Korrektur des Azimut-Antennendiagramms und Nebenzipfelunterdrückung zu sehen, im Folgenden mit 9LFPC bezeichnet. Verschiedene Flächenziele und Zielgebiete mit gemischtem Kontext sind durch weiße Rahmen markiert. 12 shows an optical Google Earth image of the clipping in the left 9 Left. Right in 12 is the result of classical azimuth processing of the nine looks with complete correction of the azimuth antenna pattern and sidelobe suppression, hereafter referred to as 9L FPC . Different area targets and target areas with mixed context are marked by white borders.

Aus 12 wird sofort klar, dass das SNR im Multilook-Bild bei klassischer Prozessierung 9LFPC auf Grund des schlechten SNR der äußeren Looks völlig ungenügend für eine Bildauswertung ist. 15 zeigt die Ergebnisse für LNPC-Multilooking (9LLNPC) und Ω-Weighting-Multilooking in den Varianten 0 dB minimales gewünschtes SNR im Multi-Look-Bild (9LΩ,0dB) und 3 dB (9LΩ,3dB). Zum Vergleich ist auch die Variante mit drei Looks und voller Azimut-Antennendiagramm-Korrektur (3LFPC) gezeigt, die in guter Näherung dem operationell implementierten Staring-Spotlight-Modus des TerraSAR-X Systems entspricht. Die Darstellung der Amplitude ist in allen gezeigten Amplitudenbildern in 15 so, wie oben beschrieben. Die Azimutauflösung beträgt in allen Looks und im Multi-Look-Bild 0,55 m bei einer Abtastung von 0,26 m. In der Entfernungsdimension (hier Schrägsicht-Darstellung) beträgt die geometrische Auflösung 0,58 m bei einer Abtastung von 0,22 m.Out 12 It immediately becomes clear that the SNR in the multilook picture with classical processing 9L FPC is completely insufficient for image evaluation due to the poor SNR of the outer looks. 15 shows the results for LNPC Multilooking (9L LNPC ) and Ω weighting multilooking in the variants 0 dB minimum desired SNR in the multi-look image (9L Ω, 0dB ) and 3 dB (9L Ω, 3dB ). For comparison, the variant with three looks and full azimuth-antenna-pattern-correction (3L FPC ) is shown, which is close to operational implemented staring spotlight mode of the TerraSAR-X system. The representation of the amplitude is in all the amplitude images shown in FIG 15 as described above. The azimuth resolution in all looks and in the multi-look image is 0.55 m with a scan of 0.26 m. In the distance dimension (here oblique view), the geometric resolution is 0.58 m for a sample of 0.22 m.

Die Einstellung der einzelnen Gewichte des Ω-Weightings erfolgte in diesem Ausführungsbeispiel wie folgt.

  • i) Das SNR wird in jedem Look für jeden Pixel gemessen. Um den Einfluss des Speckle zu verringern, wird dabei eine gleitende Mittelwertbildung unter Einbeziehung der acht benachbarten Pixel angewendet.
  • ii) Für den zentralen Look wird ein Histogramm erstellt und M Klassen werden so definiert, dass jede Klasse m in etwa gleich viele SNR-Werte enthält.
  • iii) Die SNR-Werte der anderen Looks werden ausgehend vom SNR-Wert des zentralen Looks mit Hilfe des Azimut-Antennendiagramms ergänzt.
  • iv) Die Optimierung wird für jede Klasse durchgeführt, so wie oben beschrieben. Es wird also für ein vorgegebenes gewünschtes minimales SNR eines Pixels des Multi-Look-Bildes SNRML,min eine Optimierung der Ω-Gewichte Ωm[k] der einzelnen Looks k so durchgeführt, dass eine öglichst gute radiometrische Auflösung erzielt wird.
  • v) An jeder Pixelposition wird dem Verlauf der SNR-Werte (ohne gleitende Mittelwertbildung) über den einzelnen Looks eine Klasse zugeordnet. Dies erfolgt über den minimalen Gesamtabstand zwischen dem Verlauf der gemessenen SNR-Werte und der SNR-Werte der Klassen.
  • vi) Die für die Klasse optimierten Ω-Gewichte werden in der Multi-Look-Summation für die jeweilige Pixelposition laut Gleichung (7) verwendet.
The adjustment of the individual weights of the Ω weighting was carried out in this embodiment as follows.
  • i) The SNR is measured in each look for each pixel. In order to reduce the influence of speckle, a moving averaging with the eight neighboring pixels is used.
  • ii) A histogram is created for the central look and M classes are defined so that each class m contains approximately equal numbers of SNR values.
  • iii) The SNR values of the other looks are supplemented from the SNR value of the central look using the azimuth antenna diagram.
  • iv) Optimization is performed for each class as described above. Thus, for a given desired minimum SNR of a pixel of the multi-look image SNR ML, min an optimization of the Ω weights Ω m [k] of the individual looks k is performed in such a way that the best possible radiometric resolution is achieved.
  • v) At each pixel location, a class is assigned to the history of SNR values (without moving averaging) across each look. This is done via the minimum total distance between the course of the measured SNR values and the SNR values of the classes.
  • vi) The Ω weights optimized for the class are used in the multi-look summation for the respective pixel position according to equation (7).

13 zeigt die optimierten Gewichte für M = 32 Klassen und ein minimal gewünschtes SNR von 0 dB in jedem Pixel des Mutli-Look-Bildes. Die Y-Achse zeigt nicht direkt die Nummer der Klasse, sondern das SNR des zentralen Looks der Klasse. 14 zeigt das Ergebnis der Optimierung der Ω-Gewichte für die Klassen, und zwar die Equivalent Number of Looks (ENL), das SNR und die radiometrische Auflösung (RR). 13 shows the optimized weights for M = 32 classes and a minimum desired SNR of 0 dB in each pixel of the multi-look image. The y-axis does not directly show the number of the class, but the SNR of the central look of the class. 14 shows the result of optimizing the Ω weights for the classes, namely the Equivalent Number of Looks (ENL), the SNR and the Radiometric Resolution (RR).

Vergleich der Bildergebnisse für das ganze Teilbild, Flächenziele und gemischten BildinhaltComparison of the image results for the entire drawing file, surface targets and mixed image content

Tabelle 2 fasst überblicksmäßig das für das jeweilige Multilook-Bild in 15 verwendete Multilook-Verfahren zusammen, gibt die für die Darstellung der Grauwerte verwendeten Amplitudengrenzwerte an und gibt Messwerte für verschiedene Bildbereiche an.

Figure DE102016209803B3_0011
Tabelle 2: Messwerte für die in Fig. 15 dargestellten Multi-Look-Bilder, die mit verschiedenen Multi-Look-Methoden generiert wurden. Die Werte für 3LFPC wurden teilweise schon in Tabelle 1 angegeben. Table 2 summarizes the overview for the respective multilook picture in 15 Multilook method used together indicates the amplitude limits used to represent the gray levels and gives measurements for different areas of the image.
Figure DE102016209803B3_0011
Table 2: Measured values for the multi-look images shown in FIG. 15, which were generated with different multi-look methods. The values for 3L FPC have been partially given in Table 1.

Ganze TeilbilderWhole fields

Das Bild 3LFPC enthält wenig Rauschen da nur die inneren 3 Looks mit gutem SNR verwendet wurden, dafür aber ein hohes Speckle, was sich am ENL-Wert von ca. 2 für die Flächenziele zeigt. Obwohl für 9LLNPC ein festes niedriges Gewicht für die äußeren Looks angewendet wird, ist das ENL zu einem Wert von 4 verbessert. Allerdings ist das Rauschen aufgrund der äußeren Looks erhöht, was im Bild durch den Grauschleier sichtbar ist, der beim Vergleich mit 3LFPC zu erkennen ist. Ein weiterer Indikator für das erhöhte thermische Rauschen ist die Verminderung des Kontrasts von 56,5 auf 48,3. Die Verbesserung in Bezug auf Speckle zeigt sich an den verbesserten ENL-Werten. Der Bildkontrast ist verbessert auf 57,1 für Ω-Weighting bei einem gewünschten minimalen Multilook-SNR von SNRML,min = 3 dB.The image 3L FPC contains little noise because only the inner 3 looks with good SNR were used, but a high speckle, which is reflected in the ENL value of about 2 for the surface targets. Although a fixed low weight is used for the outer looks for 9L LNPC , the ENL is improved to a value of 4. However, the noise is increased due to the outer looks, which is visible in the image by the gray haze, which can be seen in the comparison with 3L FPC . Another indicator of the increased thermal noise is the reduction of the contrast from 56.5 to 48.3. The improvement in terms of speckle is reflected in the improved ENL values. Image contrast is improved to 57.1 for Ω weighting at a desired minimum multilook SNR of SNR ML, min = 3 dB.

Flächenzielearea targets

Die Verbesserung des ENL ist für die drei Flächenziele A, B, und C in 15 nachgemessen. Sie besitzen einen moderaten und hohen Radar-Rückstreuquerschnitt. Die Verbesserung im ENL ist am größten für 9LLNPC, da der Anstieg des Rauschens auch zur Verbesserung der ENL-Statistik beiträgt. Die Verbesserung für 9LΩ,0dB und 9LΩ,3dB bewegt sich aber in der gleichen Größenordnung. Für den hohen Radar-Rückstreuquerschnitt von Flächenziel C ist die Verbesserung bei den Ω-Weighting-Bildern höher als bei 9LLNPC, da als Konsequenz des besseren SNR mehr Looks mit höherem Gewicht summiert wurden. Die höhere Gewichtung ist in 13 sichtbar. Das gemessene SNR ist am besten für 3LFPC und niedriger für die anderen drei Bilder. Die radiometrische Auflösung aber, welche aus SNR und ENL hervorgeht, ist für die erfindungsgemäßen Methoden ”LNPC und Ω-Weighting” wesentlich verbessert. Der gemessene Bildkontrast in Tabelle 2 nimmt in den Flächenzielen für beide erfindungsgemäße Methoden durch die verbesserte radiometrische Auflösung wesentlich ab.The improvement of the ENL is for the three area targets A, B, and C in 15 remeasured. They have a moderate and high radar backscatter cross section. The improvement in the ENL is greatest for 9L LNPC as the increase in noise also contributes to the improvement in ENL statistics. The improvement for 9L Ω, 0dB and 9L Ω, 3dB , however, is in the same order of magnitude. For the high radar backscatter cross section of area target C, the improvement in the Ω weighting images is higher than in the 9L LNPC because more looks were summed with higher weight as a consequence of the better SNR. The higher weighting is in 13 visible, noticeable. The measured SNR is best for 3L FPC and lower for the other three images. However, the radiometric resolution, which results from SNR and ENL, is substantially improved for the methods according to the invention "LNPC and Ω-weighting". The measured image contrast in Table 2 substantially decreases in the area targets for both inventive methods due to the improved radiometric resolution.

Gemischter BildinhaltMixed image content

Die Verbesserung in Speckle und Rauschen wird auch in der Szenerie von Flächenzielen und Fahrwegen des Zielgebiets E deutlich. In 3LFPC ist die Detektierbarkeit der Wege eingeschränkt durch das hohe Speckle und in 9LLNPC durch das hohe Rauschen. Die beste Detektierbarkeit für diese Szenerie wird mit 9LΩ,3dB erreicht, also mit Ω-Weighting und einem hohen gewünschten SNR im Multi-Look-Bild. Das verminderte Speckle ist offensichtlich und der gemessene Kontrast ist ähnlich zu 3LFPC.The improvement in speckle and noise is also evident in the scenery of area targets and driveways of the target area E. In 3L FPC the detectability of the paths is limited by the high speckle and in 9L LNPC by the high noise. The best detectability for this scene is achieved with 9L Ω, 3 dB, ie with Ω-weighting and a high SNR required in multi-look image. The diminished speckle is obvious and the measured contrast is similar to 3L FPC .

Künstliche Objekte wie Gebäude erzeugen starke Rückstreuung, z. B. an Kanten oder an Flächen die senkrecht zur Richtung des Radars stehen, und extrem niedrige Rückstreuung in abgeschatteten Gebieten. Dies führt zu einem hohen Bildkontrast. Hohes Rauschen bei niedriger Rückstreuung reduziert den Bildkontrast und so die Möglichkeiten zur Detektion und Klassifizierung für urbane Gebiete. Tabelle 2 gibt den gemessenen Kontrast für das Zielgebiet D mit Gebäuden und das Zielgebiet F in 15 an. Der Anstieg von Rauschen von 3LFPC zu 9LLNPC reduziert den Kontrast, da die Flächen mit niedrigem Radar-Rückstreuquerschnitt auf Grund des Rauschanstiegs heller erscheinen. Ω-Weighting verbessert den Bildkontrast erheblich, und zwar durch die hohe Gewichtung der äußeren Looks für starke Ziele und die gleichzeitige niedrige Gewichtung der äußeren Looks für den schwachen Radar-Rückstreuquerschnitt von abgeschatteten Flächen. Zielgebiet F beinhaltet eine Dachstruktur. Die Bilder mit Ω-Weighting zeigen reduziertes Speckle für das Flächenziel um die Dachstruktur. Die Verbesserung des SNR von 9LLNPC über 9LΩ,0dB hin zu 9LΩ,3dB ist gut beobachtbar. Bei 9LΩ,3dB sind mehrere Pixel zu Null gesetzt, da das erwartete minimale Multi-Look SNR weniger als die gewünschten 3 dB beträgt.Artificial objects such as buildings generate strong backscatter, z. B. edges or surfaces perpendicular to the direction of the radar, and extremely low backscatter in shaded areas. This leads to a high image contrast. High noise with low backscatter reduces the image contrast and thus the possibilities for detection and classification for urban areas. Table 2 gives the measured contrast for the target area D with buildings and the target area F in 15 at. The increase in noise from 3L FPC to 9L LNPC reduces the contrast because the areas with low radar backscatter cross section appear brighter due to the noise floor. Ω-weighting significantly improves image contrast through the high weighting of the outer looks for strong targets and the simultaneous low weighting of the outer looks for the weak radar backscatter cross section of shaded areas. Target area F includes a roof structure. The pictures with Ω-weighting show reduced speckle for the area target around the roof structure. The improvement in SNR from 9L LNPC over 9L Ω, 0dB to 9L Ω, 3dB is well observable. For 9L Ω, 3dB , several pixels are set to zero because the expected minimum multi-look SNR is less than the desired 3 dB.

Bestehende SAR-Systeme können durch den Wrapped-Staring-Spotlight-Modus im Schwenkwinkelbereich und damit in der geometrischen Auflösung in Azimut verbessert werden. Beispiele für aktuell im Betrieb befindliche Systeme sind das TerraSAR-X System, das kanadische Radarsat-System, das japanische ALOS 2/PalSAR 2-System oder das italienische Cosmo-Skymed-System. Das kurz vor dem Launch stehende spanische PAZ-System ist auch ein potentielles System, das durch Wrapped-Staring-Spotlight verbessert werden kann. Alle künftigen SAR-Systeme mit Phased Array-Antennen werden vom Wrapped-Staring-Spotlight-Modus profitieren. Auch flugzeuggetragene SAR-Systeme mit in Azimutrichtung steuerbarer, phasengesteuerter Gruppenantenne können durch den Wrapped-Staring-Spotlight-Modus nachträglich verbessert werden in Bezug auf geometrische und/oder radiometrische Auflösung. Der Kern der Wrapped-Staring-Spotlight-Methode kann auch für andere SAR-Moden, wie zum Beispiel Bi-directional SAR oder Forward/Backward-Looking SAR eingesetzt werden, d. h. es können bei bestehenden SAR-Systemen Azimut-Blickrichtungen ausgewertet werden, die nicht im ursprünglich ausgelegten Bereich der Steuerwinkel liegen. Auch der TOPSAR-Modus kann durch eine Ausdehnung des Schwenkwinkelbereichs erweitert werden. Ein Beispiel für ein solches System ist Sentinel-1.Existing SAR systems can be improved by the Wrapped Staring Spotlight mode in the swivel angle range and thus in the geometric resolution in azimuth. Examples of systems currently in operation are the TerraSAR-X system, the Canadian Radarsat system, the Japanese ALOS 2 / PalSAR 2 system or the Italian Cosmo-Skymed system. The Spanish PAZ system, which is about to launch, is also a potential system that can be improved with wrapped staring spotlight. All future SAR systems with phased array antennas will benefit from the Wrapped Staring Spotlight mode. Airborne SAR systems with azimuthally controllable, phased array antenna can be improved by the Wrapped Staring Spotlight mode subsequently with respect to geometric and / or radiometric resolution. The core of the Wrapped Staring Spotlight method can also be used for other SAR modes, such as Bi-directional SAR or Forward / Backward-Looking SAR, i. H. In existing SAR systems, azimuth viewing directions that are not in the originally designed range of the control angles can be evaluated. The TOPSAR mode can also be extended by extending the swivel angle range. An example of such a system is Sentinel-1.

Die Bildqualität kann bei SAR-Akquisitionen mit in Teilen der synthetischen Apertur schlechtem SNR wesentlich verbessert werden durch LNPC oder Ω-Weighting. Beide Methoden können von Anfang an oder nachträglich in SAR-Prozessoren eingebaut werden und ermöglichen eine Verbesserung von Multi-Look-SAR-Bildern bezüglich der Qualitätsparameter Kontrast und radiometrische Auflösung. Beispiele sind wieder die beim Wrapped-Staring-Spotlight-Modus oben genannten SAR-Systeme.Image quality can be significantly improved by LNPC or Ω weighting in SAR acquisitions with parts of the synthetic aperture of poor SNR. Both methods can be incorporated into SAR processors from the beginning or later, and allow for the enhancement of multi-look SAR images in terms of contrast and radiometric resolution quality parameters. Examples are once again the Wrapped Staring Spotlight mode SAR systems mentioned above.

Literaturverzeichnisbibliography

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Claims (4)

Verfahren zur Erstellung eines Erdbeobachtungsbildes einer Region mittels eines Radars mit synthetischer Apertur (SAR) und einer phasengesteuerten, aus Einzelantennen zusammengesetzten Gruppenantenne mit einem durch einen Steuerwinkel erzielbaren azimutalen Schwenkwinkelbereich, wobei jede Einzelantenne einen die Einzelantennenverstärkung in Abhängigkeit vom Raumwinkel beschreibenden Elementfaktor und die Gruppenantenne einen Arrayfaktor aufweist, der die sich aus der Anordnung und Anzahl der Einzelantennen ergebende Gruppenantennenverstärkung in Abhängigkeit vom Raumwinkel beschreibt, wobei die Gruppenantennenverstärkung mehrere Hauptmaxima aufweist, die im Wesentlichen gleich groß sind und die jedoch im Hinblick auf die Gesamtverstärkung, die sich aus dem Elementfaktor und der Gruppenantennenverstärkung ergibt, zu größer werdenden Steuerwinkeln hin abgeschwächt sind, wobei bei dem Verfahren – der nutzbare azimutale Schwenkwinkelbereich bei der Erfassung einer Region erweitert wird durch mehrmaliges Einstellen des gleichen Steuerwinkels innerhalb des eindeutigen, durch die geometrische Anordnung der Einzelantennen gegebenen Steuerwinkelbereichs und durch Herausfiltern desjenigen mehrdeutigen Hauptmaximums, das in die jeweils gewünschte Steuerrichtung zeigt, wodurch die geometrische und/oder radiometrische Auflösung des SAR verbessert wird, wobei die Pulswiederholfrequenz, mit der die Radarpulse gesendet werden, so gewählt wird, dass die jeweils gewünschten und die ungewünschten Hauptmaxima zur Reduzierung der ungewünschten Hauptmaxima separiert sind und somit ein Herausfiltern dieser Hauptmaxima möglich ist, und – mindestens eine Aufnahme der Region zur Erstellung eines Erdbeobachtungsbilds verarbeitet wird.A method for creating an earth observation image of a region by means of a synthetic aperture radar (SAR) and a phased array antenna composed of individual antennas having an azimuthal swivel angle range obtainable by a steering angle, each individual antenna an elementary element gain describing the individual antenna gain as a function of the solid angle, and the array antenna having an array factor describing the group antenna gain as a function of solid angle resulting from the arrangement and number of individual antennas, the array antenna gain having a plurality of main maxima which are substantially equal and which, however with respect to the overall gain resulting from the element factor and the array antenna gain, are attenuated toward increasing control angles, wherein in the method - the useful azimuthal swing angle range is increased upon detection of a region by setting the same control angle multiple times within the unique, by the geometric arrangement of the individual antennas given control angle range and by filtering out that ambiguous main maximum, which points in the respectively desired direction of control, whereby the geometric and / or radiometric resolution of the SAR is improved, wherein the pulse repetition frequency at which the radar pulses are sent, is selected so that the respectively desired and the unwanted main maxima are separated to reduce the unwanted main maxima and thus filtering out these main maxima is possible and - at least one photograph of the region is processed to produce an earth observation image. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erdbeobachtungsbild anhand einer Multi-Look-Verarbeitung, d. h. anhand der Verarbeitung einer Gesamtaufnahme einer Region erstellt wird, die zusammengesetzt ist aus mehreren durch Beleuchten über jeweils unterschiedliche Blickwinkelbereiche hinweg erstellten Teilaufnahmen der Region (sogenannte Looks), wobei die Teilaufnahmen jeweils aus der Gesamtaufnahme herausgefiltert werden, wobei – Anteile der synthetischen Apertur, die bei bestimmten Blickwinkeln ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis aufweisen, das kleiner ist als ein vorgebbarer Grenzwert, nutzbar gemacht werden durch eine Signal-zu-Rausch-abhängige Aufsummierung der einzelnen Looks, wobei die Aufsummierung entweder – ortsunabhängig direkt aus dem Azimut-Antennendiagramm abgeleitet wird durch eine normalisierte Korrektur des Antennendiagramms in den einzelnen Looks, wobei zunächst das Antennendiagramm korrigiert und danach in jedem Look eine Normierung so durchgeführt wird, dass bei einem bestimmten Azimutwinkel oder, falls die Operation im Spektrum durchgeführt wird, bei einer bestimmten, für jeden Look spezifischen Azimutfrequenz das Produkt aus inversem Antennendiagramm und Normierung in jedem Look einen Wert von eins ergibt, oder – ortabhängig durch eine an jeder Pixelposition unterschiedliche Signal-zu-Rausch-abhängige Gewichtung der Looks durchgeführt wird, wobei die Gewichtungsfunktion nach gewünschten Optimierungskriterien erstellt wird.A method according to claim 1, characterized in that the earth observation image is produced on the basis of a multi-look processing, ie on the processing of a total image of a region that is composed of a plurality of partial views of the region created by illuminating over different viewing angle regions. in which the partial recordings are respectively filtered out of the total recording, wherein - proportions of the synthetic aperture which, at certain viewing angles, have a signal-to-noise ratio which is smaller than a predefinable limit value can be utilized by a signal-to-noise dependent summation of the individual looks, wherein the summation is derived either directly from the azimuth antenna diagram, regardless of location, by a normalized correction of the antenna pattern in the individual looks, first of all correcting the antenna pattern and then performing normalization in each look For example, at a certain azimuth angle or, if the operation is performed in the spectrum, at a certain azimuth frequency specific to each look, the product of inverse antenna pattern and normalization will give a value of one in each look, or, depending on location, one at each pixel position different signal-to-noise-dependent weighting of the looks is performed, wherein the weighting function is created according to desired optimization criteria. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei ortsabhängiger Gewichtung der Looks das Optimierungskriterium für die Erstellung der Gewichtungsfunktion – eine möglichst gute radiometrische Auflösung und/oder – eine möglichst gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis im Multi-Look-Bild und/oder – eine möglichst hohe Anzahl Equivalent Number of Looks ist.A method according to claim 2, characterized in that with location-dependent weighting of the looks, the optimization criterion for the creation of the weighting function - the best possible radiometric resolution and / or - the best possible signal-to-noise ratio in the multi-look image and / or - is the highest possible number of Equivalent Number of Looks. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme im Spotlight-Modus und damit durch Verlängerung der Beleuchtung der aufzunehmenden Region infolge der Erweiterung des azimutalen Schwenkwinkelbereichs, oder im TOPSAR-Modus durch Ausdehnung des azimutalen Schwenkwinkelbereichs, oder im Bi-Directional-SAR-Modus oder im Forward/Backward-Looking-SAR-Modus durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the recording in the spotlight mode and thus by extending the illumination of the male region due to the expansion of the azimuthal swivel angle range, or in TOPSAR mode by extending the azimuthal swivel angle range, or bi-directional SAR mode or in forward / backward looking SAR mode.
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