DE3783060T2

DE3783060T2 - Verbesserte darstellung bei einem radar mit synthetischer apertur zur schiffsklassifizierung.

Info

Publication number: DE3783060T2
Application number: DE8787104104T
Authority: DE
Inventors: Sol Boles
Original assignee: Grumman Aerospace Corp
Current assignee: Grumman Corp
Priority date: 1986-03-21
Filing date: 1987-03-20
Publication date: 1993-05-19
Anticipated expiration: 2007-03-21
Also published as: NO871159L; JPS62231188A; AU7013687A; IL81946A0; NO170786B; EP0239022A2; DE3783060D1; NO170786C; NO871159D0; EP0239022A3; US4723124A; IL81946A; GR870438B; CA1269155A; EP0239022B1; CA1269155C

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Technik eines SAR-Radars (Radar mit künstlicher/generierter Apertur) und betrifft spezieller gesehen ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung hochauflösender SAR-Bilder in Echtzeit eines unter dem Einfluß von von der See hervorgerufener rotierender bzw. wechselnder Bewegungen fahrenden Schiffes.
Bekannte Flugzeug-SAR-Radarsysteme haben die Fähigkeit, ein hochauflösendes Bild eines stationären Bodenziels mit Hilfe der Rotationsbewegung zu erzeugen, die das SAR in Bezug auf das Zielfeld ausführt. Hohe Auflösung sowohl hinsichtlich des Zielabstandes als auch hinsichtlich der Azimuth-Richtungen werden erreicht mit der Technik kurzer Radarimpulse für die Abstandsauflösung und mittels digitaler Dopplersignal-Verarbeitung für die Azimuth-Auflösung, nämlich um ein zweidimensionales Bild zu gewinnen. Die Anwendung einer solchen bekannten SAR-Verarbeitungstechnik hinsichtlich eines auf See befindlichen Schiffes kann jedoch zu störungsbehafteter und unzulänglich fokussierter Abbildung des Schiffes führen, vorzugsweise betreffend die Schiffserkennung, weil rotierende bzw. wechselnde Bewegungen des Schiffes vorliegen, die dieses auf See ausführt.
Systeme zur Beseitigung einiger solcher nachteiliger Effekte, die auf Schiffsbewegungen auf See beruhen, sind in der Europäischen Patentanmeldung EP-A-0097491 mit dem Titel "Range/Azimuth Angle Ship Imaging For Ordnance Control", EP-A-0097490 mit dem Titel "Range/Azimuth Elevation Angle Ship Imaging For Ordnance Control" und EP-A-0100141 mit dem Titel "Range/Doppler Ship Image For Ordnance Control", alle eingereicht am 17. Juni 1982, beschrieben und die Beschreibungen dieser Druckschriften gelten als Bestandteil der vorliegenden Erfindungsbeschreibung.
Die obigen Boles-Patente und Anmeldung beschreiben alle Methoden und Vorrichtungen zur Erzeugung hoch-auflösender SAR-Bilder in Echtzeit eines unter dem Einfluß von Roll-, Stampf- und Gierbewegungen auf See fahrenden Schiffes von einer in einem Flugzeug befindlichen Plattform aus aufgenommen. Diese Verfahren und Apparate dienen der Schiffsbestimmung und der nachfolgenden Aussendung von kommandogeführten Waffen aus entsprechenden Abständen. Das EP-A-0097491-Patent sieht eine ungestörte zweidimensionale Abbildung des Schiffes als Kennlinienbild des Abstandes gegenüber dem interferometrisch bestimmten Azimuth-Winkel aller wesentlichen Streuobjekte, die das Schiff umfaßt, vor. Die EP-A-100141-Anmeldung liefert andererseits eine Verbesserung der Abbildungsdefinition und hat höhere Leistungsfähigkeit bezüglich größerer Abstände durch Darstellung des Abstandes über dem Doppler, und zwar dies nach Beseitigung der "Isodop"-Störungen, die der erzeugten Abstands-/Doppler-Abbildung inhärent sind. (Diese Störungen beruhen auf der Nicht-Orthogonalität konstanter Dopplerkonturen mit Bezug auf konstante Abstandskonturen.) Das EP-A-0097490-Patent beschreibt einen einzigartigen Verarbeitungsfortschritt, mit dem jegliche Beschränkungen beseitigt sind, die auf dem Einfluß der Schiffs-Streu- Elevation auf die Bildung eines skalierten, hochaufgelösten Bildes beruhen. Der Vorteil ist dadurch erzielt, daß man interferometrische Technik mit sowohl dem Elevationswinkel als auch dem Azimuth-Winkel in Verbindung mit SAR-Signalverarbeitungstechnik anwendet.
Das EP-0097490-Patent sieht dreifach maßstäbliche, hochauflösende, orthogonale Bildprojektionen eines Schiffes in generalisierter Form ohne Beschränkungen vor. Es besteht aber die Notwendigkeit, den nutzbaren Bereich solcher Abbildung wesentlich auszudehnen. Dies ist wünschenswert, um die Bild-Degradation zu umgehen, die direkt unter der Plotter-Aufzeichnung der Winkelmeßwerte leidet, wenn man diejenige Technik benutzt, die dem EP-0097490-System zugrundeliegt. Von dem ist bekannt, daß die Ortsgenauigkeit mit größerem Abstand rapid abnimmt, und zwar aufgrund hoher Signal-zu-Rausch-Anforderungen.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zur Erzeugung von hohe Auflösung aufweisenden SAR-Bildern eines Schiffszieles vor, das dem Einfluß der Bedingungen der See unterliegt. Die Erfindung umfaßt die Schritte:
(a) Verarbeiten der Signale, die von streuenden Objekten des Schiffes zu empfangen sind, um Schätzwerte zu erhalten, von 1. dem Abstand, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung der Streuobjekte des Schiffes und 2. der Rotationsgeschwindigkeiten und Rotationsgeschwindigkeitsraten bzw. -änderungen des Schiffes;
(b) aus diesen geschätzten Bewegungsparametern der Streuobjekte des Schiffes die Koordinatenwerte der Zentren der Streuobjekte des Schiffes zu bestimmen, um ein hochaufgelöstes Bild des Schiffszieles zu bilden; und
(c) Darstellen des erzeugten Bildes des Schiffszieles, eingeschlossen eine Abstands/Azimuth-Projektion, eine Elevations/Azimuth-Profilprojektion und eine Abstands/Elevations-Profilprojektion.
Außerdem sieht die Erfindung ein luftgestütztes SAR-System zur Bildung eines hohe Auflösung aufweisenden SAR-Bildes eines Schiffszieles vor, das unter dem Einfluß der auf See herrschenden Bedingungen steht, wobei dieses System umfaßt:
(a) Mittel zur Verarbeitung der über die Antenne empfangenen Signale der Streuobjekte des Schiffes um bezüglich des Schiffszieles Schätzwerte zu erhalten von 1. dem Abstand, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung der Streuobjekte des Schiffes und 2. der Schiffs- Rotationsgeschwindigkeiten und Rotationsgeschwindigkeitsraten bzw. -änderungen;
(b) Mittel, um aus diesen geschätzten Bewegungsparametern die Koordinatenwerte der Streuzentren des Schiffes zu bestimmen, um ein hochaufgelöstes Bild des Schiffsziel es zu erzeugen und
(c) Mittel zur Darstellung der erzeugten Bilder des Schiffszieles, eingeschlossen eine Abstands/Azimuth- Projektion, eine Elevations/Azimuth-Profil-Projektion und eine Abstands/Elevation-Profil-Projektion.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist die Möglichkeit vorgesehen, kohärente SAR-Technik anzuwenden, um die nutzbare Reichweite zur Erzeugung von drei maßstäblichen hochaufgelösten orthogonalen Bildprojektionen eines Schiffes auf einer Kathodenstrahlröhre zu verbessern, wobei das fahrende Schiff unter dem Einfluß der Rotationsbewegungen steht, die aus der Bewegung der See resultieren. Dies dient der Schiffsklassifikation und der Waffenaussendung von einer luftgestützten Plattform bei weiten Entfernungsbereichen. Dieser Vorteil ist erzielt durch die Bestimmung der Bildkoordinaten auf der Basis von Abstands-Doppler- und Doppleränderungs-Messungen von individuellen Streuobjekten und von Winkelrotationsgeschwindigkeiten des Schiffes, die abgeleitet sind aus einer gewichteten vielfach variierten Regressionslösung von doppler-verarbeiteten interferometrischen Azimuth- und Elevations-Winkelmessungen von allen signifikanten Streuobjekten des Schiffes. In dieser Weise ist die Bilddegradation bzw. -verschlechterung umgangen, die auf direkter Plotterdarstellung der Winkelmessungen beruht, von denen bekannt ist, daß ihre Ortsgenauigkeit mit steigendem Abstand aufgrund hoher Signal/Rausch-Erfordernissen sich rasch verschlechtert.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von dreiorthogonalen, hochaufgelösten SAR-Bildern schließt die Benutzung des Abstandes, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung der Streuobjekte des Schiffes und Schätzungen von Rotationsgeschwindigkeiten und Rotationsgeschwindigkeitsraten des Schiffes ein, um die Koordinaten der Streuer zu bestimmen. Der Abstand, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung der Streuer sind durch eine Polynomkurve bestimmt, passend zu quantisiertem Streuer-Abstand und doppler-verarbeiteten Frequenzmessungen, die über ein vorgegebenes Nachführ-Zeitintervall ermittelt sind. Zusätzlich sind geglättete Abschätzungen der Schiffs- Rotationsgeschwindigkeiten und Rotationsgeschwindigkeitsraten mittels Polynomkurve bestimmt, die zu den Regressions- Abschätzungen, ausgeführt über ein vorgegebenes Nachführintervall passen.
Mehr ins einzelne gehend wird die Erfindung nachfolgend in Verbindung mit den Figuren beschrieben, wobei Fig. 1 die orthogonalen Netto-Rotationsgeschwindigkeitskomponenten in einem Drei-Koordinaten-Rahmen zeigt und Fig. 2 in der x-y-Koordinatenebene das Abfragen einer planaren Lösung der Gleichung für die Rotationsgeschwindigkeitskomponenten zeigt, die von den Dopplerfrequenz-, Elevationswinkel- und Azimuth-Winkel-Messungen abhängt. Die Fig. 3 zeigt die Formatierung der Datenglättung. Die Fig. 4 ist ein Blockdiagramm, das die physikalischen Verkörperungen der vorliegenden Erfindung zeigt und Fig. 5 gibt die Abbildungssimulation eines aufgeteilten Bildschirms einer Kathodenstrahlröhre wieder, auf der drei-orthogonale Prolektionen des Schiffszieles gezeigt sind.
Fig. 1 zeigt mit zz, yy und WLOS die orthogonalen Netto- Rotationsgeschwindigkeitskomponenten in Bezug auf einen Koordinatenrahmen, der sowohl die Sichtlinie (LOS) als auch die Azimuth- und Elevations-Winkelmeßrichtungen einschließt. Die Sichtlinie ist gezogen vom Phasenzentrum der Flugzeugantenne zum Zentrum der Schiffsrotation. Für ein jedes punktförmiges Streuobjekt P (x, y, z) ist die Netto Dopplerverschiebung f, die aus den angezeigten relativen Rotationen herrührt, gegeben durch:
f = 2/λ (y zz - z yy) (1)
wobei λ die Wellenlänge der Strahlung ist.
Die beobachtete Veränderung df der Dopplerfrequenz des Streuers df nach einem begrenzten Zeitintervall dt ergibt sich aus der Gleichung (1) mit:
λ/2 df = y (d zz) + ( zz) dy - z (d yy) - ( yy) dz (2)
in der d zz und d yy die Differentiale der Rotationsgeschwindigkeiten zz und yy sind und in der die differentiellen Koordinatenwerte dz und dy sich ergeben aus:
dz = yy x dt + WLOS y dt (3)
dy = x zz dt + zWLOS dt (4).
Bringt man die Gleichungen (1), (2), (3) und (4) zusammen, ergeben sich die Koordinaten xj, yj und zj des j-ten Streuers aus
worin
Rj ist der Abstand der Streuer, bezogen auf den Koordinatenursprung, und Vj und Aj sind Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerte der Streuobjekte, die aus den Frequenz- und Frequenzrate-Messungen gewonnen sind:
Vj = -λ/2 fj (8)
Aj = -λ/2 j (9).
Entsprechend werden die Orte der Streuobjekte nach den Rotationsparametern yy, zz, WLOS bestimmt und die Zeitableitungen zz und yy sind bekannt.
In der Anmeldung von Boles mit dem Titel "Range/Azimuth/- Elevation Angle Ship Imaging For Ordnance Control", ist gezeigt, daß die Dopplerverschiebung f, die zu dem Streuobjekt eines Schiffes gehört, mit Bezug auf das Koordinatensystem der Fig. 1 gegeben ist durch
Darin ist Ev'xx der Rest-Geschwindigkeitsfehler nach der Kompensation der Bewegung der relativen Ortsänderung zwischen dem Schiff und dem Flugzeug entlang der Richtung der Sichtlinie, und sind Azimuths- und Elevations-Winkel, die in positiver Richtung entlang der y-Richtung und der -z-Richtung jeweils gemessen sind und V'yy = zz Pc, V'zz = yy R&sub0; und R&sub0; sind die schrägen Abstände entlang der Visierlinie zum Fokuspunkt (Zentrum der Rotation des Schiffes).
Die Gleichung (10) läßt vermuten, daß die Komponenten yy und zz der Rotationsgeschwindigkeit (und auch der Fehler der Bewegungskompensation Ev'xx) zur Verwendung in dem Auflösen der Koordinaten x und z des Streuobjekts (wie in den Gleichungen (6) und (7) ausgedrückt) ermittelt werden können aus dem überbestimmten Satz von Meßpunkten, ein jeder derselben umfassend Doppler-, Azimuth-Winkel- und Elevations-Winkel-Messungen. Die Gleichung (10) geordnet ergibt:
Es sei darauf hingewiesen, daß die Frequenz des Streuers, der Azimuth- und der Elevations-Winkel aus Signal-Nachverarbeitung (Fouriertransformation) bestimmt sind, basierend auf standardmäßigen interferometrischen oder Phasen-Monopuls-Antennenanordnungen. Zum Beispiel gilt für eine interferometrische Durchführung:
worin da und de Interferometer-Grundlinienabstände für Azimuth und Elevation sind und ø a und ø e Messungen der Azimuth- und der Elevations-Phasenverschiebung sind.
Die Gleichung (11) ist eine solche der Form:
y = cz + bx + a (14)
in der c, b und a direkt in Bezug zu bringen sind mit den gesuchten Grüßen (Ev'xx, V'yy, V'zz). Diese sind zu lösen mittels Durchführung einer multivariierten Regression der kleinsten Quadrate (least squares multivariate regression), die angepaßt ist auf den überbestimmten Satz von Frequenz-, Azimuth-Winkel- und Elevations-Winkel- Koordinaten. Bei der Durchführung dieses Prozesses ist auf den Umstand zu achten, daß die Azimuth- und Elevations- Winkel mit Rauschen belastete Variablen sind, andererseits sich erhebliche systematische Fehler hinsichtlich der geschätzten Parameter ergeben können. Obgleich die Frequenz quantisiert ist, ist die Regressionslösung nicht signifikant verändert durch die Annahme fehlerfreier Frequenzmessungen. Fig. 2 zeigt die Erfassung der planaren Lösung der Gleichung (14) in der x-y-Koordinatenebene für einen angenommenen Wert der Frequenz z und einen Meßpunkt P (x, y, z). Für die planare Lösung y = cz + bx + a muß eine Richtung in geeigneter Weise gewählt werden, um eine Minimierung zu erreichen. Es ist dies die Minimierung der kleinsten Quadrate der Summe der gewichteten Quadrate der Residuen bzw. Reste, die für alle Datenpunkte der Lösungsebene errechnet sind. Aus Fig. 2 kann der Abstand h vom Meßpunkt P (x, y, z) zu seinem justierten Ort Q, der in der x-y-Koordinatenebene und auf der Lösungskurve liegt, ausgedrückt werden durch:
Die Summe der gewichteten (Residuen-)Quadrate F (a, b, c), die auf den Fehlern der beiden Messungen der Azimuth-Winkel und Elevations-Winkel beruhen, ist ausgedrückt durch:
worin Azimuth- und Elevations-Restwichtungen durch die Symbole bezeichnet sind 1/δ²az und 1/δ²el. δ²az und δ²el sind variierende Größen, die mit den jeweiligen Meßfehlern zusammenhängen. Um die Summe der gewichteten Quadrate zu minimieren, gelten
Durch Differentiation ergeben sich die folgenden Gleichungen:
in denen w die relative Wichtung ist, die proportional der Leistung des Streusignals ist und gilt:
r = y sinΨ + x cosΨ (20).
(In Gleichung (16) sind nur diejenigen Ausdrücke enthalten, die linear in a, b und c sind, wobei dies kein Verlust der Allgemeingültigkeit ist.)
Der Winkel Ψ ist ebenfalls entsprechend der Minimierung der gewichteten Quadrate bestimmt, was erfordert, daß δF/δΨ= 0 ist. Die Differentiation ergibt:
Die Lösung der Gleichungen (17), (18) und (19) ergibt:
worin
und xi, yi, zi der Azimuth-Winkel, der Elevations-Winkel und die Frequenzkoordinaten der i-ten Meßpunktes sind und wi ein Wichtungsfaktor ist, der proportional der Signalleistung ist.
Entsprechend ergibt sich aus den Gleichungen (11) und (14):
Es sei darauf hingewiesen, daß die Gleichung (21), das ist das Verhältnis der Azimuth- und Elevations-Varianzen, δ²az/δ²el, eine Größe ist, die ausschließlich auf der Basis von Hardware-Betrachtungen präzise bestimmbar ist. Die Gleichungen (20) und (21) lassen auch vermuten, daß bevor die Regressionslösung der Gleichungen (22) bis (24) für â, und erhalten werden kann, eine Abschätzung der Variablen "b" (in Gleichung (21) gemacht werden muß. Am besten wird dies dadurch erledigt, daß man sie genügend oft iterativ um seinen in etwa erwarteten Wert herum variiert, wobei man bei jeder Iteration â, und aus den Gleichungen (22) bis (24) erhält. Man macht eine Computer-Berechnung für eine jede Iteration der Summe der Quadrate der Restwerte der Gleichungen (15) und (16) und wählt diejenige Regressionslösung aus, bei der die quadrierte Restsumme ein Minimum ist. Aus den Abschätzungen 'zz, 'yy und Ev'xx aus den Gleichungen (26) bis (28), zz und yy, benutzt in den Gleichungen (6) und (7) für die y- und z-Koordinaten des Streuobjekts, sind jeweils 'yy/R&sub0; und 'zz/R&sub0; und Ev'xx der Geschwindigkeitsfehler in der Sichtlinie, der zu verwenden ist für die Bewegungskompensations-Geschwindigkeitskorrektur. Die abgeschätzten Rotation erzeugenden Geschwindigkeiten 'yy und 'zz sind auch voraussagend benutzt, um die Dopplerfilter-Bandbreite und Filter-Frequenzselektion sowie die kohärente Integrationszeit für die Bildung der nächsten Apertur vorgegebener Auflösung anzugeben. (Siehe auch Boles-Patent EP-A-0097490 "Range/Azimuth/Elevation Ship Imaging For Ordnance Control".)
Um die Abbildungsmöglichkeit des Systems auf eine so groß wie mögliche Entfernung zu realisieren ist vorteilhaft Datenglättung der abgeleiteten Parameter Wyy und Wzz vorzunehmen. Dies erfolgt in der Weise, daß man die Polynomkurve der kleinsten Quadrate an die letzten sechs Sekunden der abgeleiteten Daten für Wyy und Wzz anpaßt in der Form:
Y = a&sub0;+a&sub1;t+a&sub2;t²+a&sub3;t³ (29)
worin t die Zeit ist und a&sub0;, a&sub1;, a&sub2; und a&sub3; von der Regression der kleinsten Quadrate abgeleitet ist. Da die Genauigkeit der Anpassung der Kurve im allgemeinen nahe dem Zentrum des glättenden (Zeit-)Fensters größer ist als an den Enden des Intervalls, wendet man die Gleichungen (5) bis (7) auf eine gespeicherte Apertur an, die angenähert dem Zentrum dieses 6 Sekunden-Fensters entspricht. Sowie die Zeit und die kohärenten künstlichen/generierten Aperturen fortschreiten, so schreitet die Bildapertur entsprechend voran.
Die Zeitableitungen yy und zz in den Gleichungen (6) und (7) erhält man aus der Gleichung (29):
= a&sub1;+2a&sub2;t-3a&sub3;t² (30).
Sie wird ausgewertet zur Zeit der bestimmten Apertur, die dem Zentrum des glättenden Fensters entspricht.
Die Gleichungen (5) bis (7) erfordern akkurate Abschätzungen des Abstandes Rj, der Dopplerfrequenz fj und der Zeitrate der Änderung der Dopplerfrequenz j (siehe auch die Gleichungen (8) und (9) für alle bildlich wiederzugebenden Streuobjekte (des Schiffes)). Die Filterausgangssignale eines jeden Abstandsbereiches werden einer akkuraten Frequenzmessung unterworfen. Dabei wird das Verhältnis der Amplituden von zwei abhängigen Filtern, die das Antwortsignal enthalten, an einen vorbestimmten Aufwärtssichttisch (relative Amplitude gegen Frequenz) gegeben, von dem eine akkurate Frequenzinterpolation zu erhalten ist. Die Amplituden und Frequenzen all der Antwortsignale über alle Abstandsabschnitte werden für eine feste Anzahl von Aperturen (vielleicht 2 bis 3 Sekunden der Daten) um einen zentralen Punkt in der Zeit der Bildgabe gespeichert. Um eindeutige und akkurate Messungen sicherzustellen, werden Antwortsignale, die zueinander näher sind als zwei Doppler-Filterbandbreiten, mittels geeigneter Logik gesperrt.
An dieser Stelle werden Assoziationen über die gespeicherten Aperturen gemacht, um vorangegangene Messungen eindeutig identifizierter Streu-Antwortsignale der Zeitspanne auszusortieren, so daß eine Kurvenanpassung jedesmal ausgeführt werden kann. Dies erfolgt dadurch, daß man abhängige Antwortsignale zwischen allen benachbarten Aperturen über das Intervall hinweg vergleicht. Dabei wird ein solches Paar vorgegebener Akzeptanzlimits im Hinblick auf Abstand, Frequenz und Amplitude unterworfen. Die sich ergebenden Ensembles akzeptierte Punkte sind Polynomkurven (dritten Grades), die angepaßt sind, die Frequenz im Zentrum der Spanne zu bestimmen. Die Beschleunigung wird aus der Zeitableitung des sich ergebenden Polynoms beim selben zentralen Zeitpunkt abgeleitet. Quantisierter Abstand für ein jedes Streuobjekt bzw. einen jeden Streupunkt am selben zentralen Punkt der Zeit wurde als genügend genau befunden.
Die Fig. 3 gibt die Formatierung für die oben beschriebene Datenglättung an.
Um WLOS für die Gleichungen (6) und (7) zu erhalten, wird die Gleichung (3) umgestellt, daß sie lautet:
Es wird auf Fig. 1 Bezug genommen. Darin ist x der Abstand des Streuobjekts (bezogen auf den Schiffs-Koordinatenursprung). Mit y ist die Schrägentfernung R&sub0; mal Azimuth-Winkel und d ist die Schrägentfernung R&sub0; mal Minus die Zeitrate der Veränderung des Elevations-Winkels des Streuobjekts bezeichnet (sic). WLOS kann aus der Gleichung (31) für einige der helleren Streuobjekte des Schiffszieles bestimmt werden. Dementsprechend werden Azimuth- und Elevations-Meßwerte gespeichert und geglättet für 3 Sekunden der Zeitapertur, bestimmt zur Bilddarstellung, wobei eine Polynomkurve zweiten Grades der kleinsten Quadrate verwendet wird, der zu der Form paßt:
Y = a&sub0; + a&sub1;t-a&sub2;t² (32)
und womit die Zeitänderung des Elevationswinkels zu erhalten ist aus
= a&sub1; + 2a&sub2;t (33).
Es wird nunmehr auf die Fig. 4 Bezug genommen. Sie zeigt ein Blockdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Systems, das zur Ausübung der vorliegenden Erfindung dient. Die Hardware und die Systembeschreibung ist identisch derjenigen in Boles "Range/Azimuth/Elevation Angle Ship Imaging For Ordnance Control" bis auf den Koordinaten-Computer (27), der in der Fig. 4 gezeigt ist. Die Systembeschreibung zu diesem Punkt wird hier der Bequemlichkeit halber wie folgt wiederholt: Wie in Fig. 4 gezeigt, werden Impulse elektromagnetischer Energie in dem Kohärenz-Transmitter 11 erzeugt. Erzeugt werden sie aus Referenzsignalen, die vom Exciter/Frequenz-Synthesizer 12 abgeleitet sind. Die Impulse werden mittels der Sendeantenne 9 derart abgestrahlt, daß sie in optimaler Weise ein Schiffsziel auf See anstrahlen. Von dem Schiffsziel reflektierte Signale werden mittels einer Interferometer- Antenne 10 empfangen. Sie hat vier separate Empfangselemente, deren gemeinsame Visierlinien-Richtung der Sendeantenne 9 entspricht. Es werden Schaltsignale mit der Puls-Wiederholungsfrequenz des Systems in einem Computer 17 allgemeiner Verwendungsart erzeugt. Sie werden der Azimuth- und Elevations-Array-Schalteinheit 8 zugeführt.
Dies dient dazu, die von den vier Antennenaperturen empfangenen Signale miteinander zu vereinigen. Damit werden verschachtelte Azimuth- und Elevations-Signalpaare in zwei Empfangskanälen (Empfänger 13 und 14) gebildet. Dies dient nachfolgender interferometrischer Winkelverarbeitung.
Bei ungradzahligen Impulswiederholungsintervallen (pri's) werden die Signale der Antennen-Arrays 1 und 2 in einer hybriden Mikrowellen-Summationsschaltung kohärent addiert. Diese befindet sich in der Azimuth- und Elevations-Array Schalteinheit 8. Die Signale der Antennen-Arrays 3 und 4 repräsentieren, nachdem die zwei Summen separat den Empfängern 13 und 14 jeweils zugeführt worden sind, Eingangssignale für zwei separate künstliche/generierte Arrays für den interferometrischen Elevations-Phasenvergleich. In gleicher Weise werden bei geradzahligen pri's Signale der Antennen-Arrays 1 und 4 sowie der Arrays 2 und 3 separat addiert und den Empfängern 13 und 14 zugeführt. Sie repräsentieren Eingangssignale für zwei separate künstliche/generierte Arrays für den interferometrischen Azimuth-Phasenvergleich.
Vom Exciter/Frequenz-Synthesizer 12 kommende Signale, die kohärent mit dem gesendeten Signal sind, werden an die Empfänger 13 und 14 gegeben, um die alternierenden Azimuth- und Elevations-Interferometersummen zu demodulieren, um 90º-phasenverschobene I- und Q Doppler-verschobene Komponenten zu erhalten. Diese repräsentieren die Real- und Imaginär-Komponenten der augenblicklichen analogen Signalvektoren des Ausgangs des Empfängers. Diese analogen Signalkomponenten werden in den A/D Wandlern 15 und 16 mit einer Abtastrate digitalisiert, die durch die geforderte Abstandsauflösung bestimmt ist. Diese sich ergebenden digitalisierten Abtastwerte werden abwechselnd auf einer Puls-zu-Puls-Basis sortiert und in einem Bulk-Speicher 19 gespeichert. Dies dient der nachfolgenden Verarbeitung von vier Abstands-/Dopplermatrizen. Zwei von diesen dienen der Bestimmung des Elevations-Winkels auf der Basis von Raumelement zu Raumelement (Zelle zu Zelle). Zwei davon dienen dem Azimuth. Korrekturen zur Bewegungskompensation des Phasenzentrums der Antenne bezüglich Translation und Rotation sowie für Translationsbewegung des Schiffes werden vom Computer errechnet und in der Bewegungs- Kompensationseinheit 20 gespeichert. Dies erfolgt in einer zeitsequenten Ordnung auf der Basis der Computerberechnungen, die in dem Computer 17 allgemeiner Anwendungsart ausgeführt ist. Es erfolgt dies entsprechend der Doppelweg- Ortsänderung in der Sichtlinie zwischen den Phasenzentren der Antenne und dem nachgeführten Schwerpunktzentrum des Schiffes. Vorausgesagt wird dies aus der Regressionslösung, die man für den Fehler Ev'xx der Geschwindigkeit in der Sichtlinie erhält, was vom Koordinaten-Computer 27 ausgeführt wird.
Am Ende des kohärenten Integrationsintervalls, in dem die Daten gesammelt worden sind, werden in der Bewegungs- Kompensationseinheit 20 gespeicherte Korrekturen auf die Zeitfolgen angewendet, die im Bulk-Speicher 19 gespeichert sind. Dies erfolgt in der Form von Vektorrotationen. Sie geben die Doppelweg-Bewegungskompensation als Phasenkorrektur an jeden Abstands-Abtastwert eines jeden Impulses der (vier) Sequenzen, die in dem Bulk-Speicher 19 gespeichert sind. Nach erfolgter Korrektur der Bewegungskompensation werden die Daten aus dem Bulk-Speicher 19 ausgelesen (sowie neue Daten eingegeben werden), um die Fourier-transformierte digitale Signalverarbeitung durchzuführen. Dies dient der notwendigen Filterung und dazu, in Übereinstimmung mit den Gleichungen (27) und (26), die gewünschte Auflösung entlang der doppler-sensitiven Richtung und für jeden Abstandsbereich zu erreichen, wobei die Auflösungen für 'yy und 'zz vom Koordinaten-Computer 27 zu erhalten sind. Das Filtern wird mit Hilfe der FFT-Prozessoren 21 bis 24 ausgeführt. Diese führen digitale bit-parallele Fouriertransformierte Signalverarbeitung durch. Sie erzeugen doppler-korrigierte kohärente integrierte Vektorsummen in einem jeden Filter eines jeden Abstandsbereiches.
Die verarbeiteten Ausgangssignale der FFT-Prozessoren 21 bis 24 repräsentieren Abstands-/Doppler-korrigierte Vektoren. Sie repräsentieren jeweils die Netto-Signalleistung in den oberen (Array 1 und 2), unteren (Array 3 und 4), linken (Array 1 und 4) und rechten (Array 2 und 3) Antennensektionen, die in den jeweiligen Abtastintervallen auftreten. Die Abstands-Doppler-korrigierten Vektoren der FFT-Prozessoren 21 und 22 gehen an den Abstands-/Elevations-Map-Generator 25. Dort erfolgt ein Phasenvergleich zwischen korrespondierenden Abstands/Doppler-Raumelement- Ausgangssignalen auf der Basis Raumelementzu-Raumelement, und zwar für jedes Raumauflösungselement. Dies liefert den interferometrischen Elevationswinkel des Signals, das in einem jedem Auflösungsraumelement entsprechend bekannter interferometrischer Prinzipien zu erhalten ist und wie dies Gleichung (13) angibt. In der schon oben angegebenen Gleichung ist Δη der Elevations-Winkel in Bezug auf die Visierlinie der Antenne, de die interferometrische Elevations-Basislinie und ø die gemessene elektrische Phasenverschiebung, die zwischen den Sensorelementen der Antenne auftritt. Gleichzeitig werden in einer identischen Weise die Ausgangssignale der FFT-Prozessoren 23 und 24 in den Abstands-Azimuth-Map-Generator 26 eingelesen. Dieser erzeugt den interferometrischen räumlichen Azimuthwinkel der entsprechend der Gleichung (12) einem jeden korrigierten Abstands-/Doppler-Raumelement zugeordnet ist.
Darin sind da und ø a die interferometrische Azimuth-Basislänge und die gemessene Phasenverschiebung, die jeweils einem jeden Auflösungsraumelement zugeordnet sind.
Die Abstands-/Doppler-/Elevations-Winkel-Koordinaten des Abstands-/Elevations-Map-Generators 25 und die Abstands-/- Doppler-/Azimut-Winkel-Koordinaten des Abstands-/Azimuth- Map-Generators 26 (für ein jedes korrigiertes Abstands-/- Doppler-Auflösungsraumelement) werden in den Koordinaten- Computer 27 eingelesen. Dort erfolgt eine gewichtete multivariierte Regressionslösung. Benutzt werden dazu Doppler-, Elevations- und Azimut-Winkel-Variable. Ausgeführt wird sie zum Gewinnen der Regressionskonstanten â, und , und zwar in Übereinstimmung mit den Gleichungen (22) bis (25). Aus diesen werden die Geschwindigkeitskonstanten Ev'xx, 'yy und 'zz (nach den Gleichungen (26) bis (28)) im Koordinaten-Computer 27 errechnet. Die Gewichte wi, die einer jeden Koordinate xi, yi und zi zugegeben werden, werden in den Koordinaten-Computer 27 eingegeben. Diese Koordinaten gehen in die Regressionslösung ein. Das Einlesen in den Koordinaten-Computer 27 erfolgt von jedem der FFT-Prozessoren 21 bis 24 über entweder den Generator 25 oder den Generator 26.
Die Regressionslösung für Ev'xx im Koordinaten-Computer 27 dient als eine Korrektur von -Ev'xx zur Sichtlinien- Geschwindigkeits-Abschätzung. Geänderte Sichtlinien- Geschwindigkeit wird der Bewegungskompensations-Einheit 20 zugeführt. Diese liefert die Phasenkorrektur der Bewegungskompensation an Daten, die im Bulk-Speicher 19 gespeichert sind. Dies dient der Bildfokussierung und dazu, den Rest- Doppler (sic) in der Richtung der Visierlinie auf Null zu bringen, angenommen es liegt Zentrierung auf das Zentrum der Rotation des Schiffes vor. Auf diese Weise lassen sich mögliche Doppler-Geisterbilder vermeiden, die einen störenden Einfluß die Doppler-/Azimuth-/Elevations-Koordinatendaten haben könnten, die für den Koordinaten-Computer 27 zur Regressionsanalyse vorgesehen sind. Die verbleibenden zwei Geschwindigkeitsabschätzungen 'yy und 'zz werden im Computer 17 dazu benutzt, die Doppler-Bandbreite und die Integrationszeit für die Bildung der nächsten Apertur zu errechnen. Damit erreicht man eine vorgegebene Auflösung dres entlang der doppler-sensitiven Richtung.
Die Neuheit der Erfindung geht weiter von diesem Punkt aus und ist wie folgt zu sehen:
Bei der Vervollständigung einer jeden Apertur sind quantisierte Frequenz und Abstand sowie interferometrisch bestimmte Elevations- und Azimuth-Winkel (erzeugt in den Generatoren 25 und 26) im Koordinaten-Computer 27 gespeichert. Um die Regression entsprechend den Gleichungen (22) bis (26) durchzuführen, ist eine Abschätzung des Winkels Ψ (Gleichung 21) durch Gleichung (20) für die Variable r erforderlich. Die Variable r ist erforderlich für die Lösung der Gleichungen (22) bis (26). Da Ψ von einer Schätzung, des Ausgangssignals b, definiert durch -V'yy/V'zz, abhängt und ableitbar ist aus einem geglätteten Verlauf der Ausgangssignaldaten, birgt diese Abhängigkeit des Eingangssignals vom Ausgangssignal die Gefahr von Instabilität und Weglaufen (der Regressions-Fehlerlösung) innerhalb einer kurzen Zeitperiode. Diese Gefahr ist gebannt durch das zu einem genügenden Ausmaß erfolgende Iterieren von Ψ, sowie durch das Gegenüberstellen des Wertes von b, durch Regeln der Daten, die für die gegenwärtige Apertur verwendet sind, durch Durchführung der Regressionslösung für ein jedes solches Ψ, durch Errechnen der Summe der gewichteten Residuen bzw. Restwerte mit Hilfe der Gleichungen (15) und (16) und durch dann erfolgendes Auswählen der Regressionslösung, für die die Summe der gewichteten Residien aus Gleichung (16) ein Minimum ist. Damit ist sichergestellt, daß der korrespondierende Wert von Ψ der geeignete Wert und die optimale Wahl ist und Trennung von jeglicher Abhängigkeit vom Verlauf des Ausgangssignals. Die Rotationsgeschwindigkeiten yy und zz, die so zu erhalten sind, werden in dem Koordinaten-Computer 27 gespeichert. So auch die Aperturwichtung, der Abstand, die Frequenz, Azimuth-Winkel und Elevations-Winkel für alle Streuobjekte, soweit diese Werte über einer vorgegebenen Signalschwelle liegen. Nach einer vorgegebenen Periode solcher Datenansammlung (z. B. 6 sec) wird, wie in Gleichung (29) angegeben, eine gewichtete Polynomkurve dritten Grades der kleinsten Quadrate gebildet, auf der Basis der im Koordinaten-Computer 27 gesammelten Daten yy und zz. Signalantwortfrequenzen werden bestimmt, indem man eine Interpolation benutzt, die in dem Koordinaten-Computer 27 ausgeführt wird. Dem folgt das Aussortieren der Streuobjekte und genaue Frequenzbestimmung, wobei man ähnlich der Gleichung (29) die Polynomkurve dritten Grades benutzt. Die Beschleunigung des Streuobjektes wird abgeleitet, indem man das Frequenzpolynom im Koordinaten-Computer 27 differenziert. Aussortierte Azimuth-Winkel- und Elevations-Winkel-Daten werden in ähnlicher Weise in dem Koordinaten-Computer 27 entsprechend der Gleichung (32) kurvenmäßig angepaßt, so wie dies für die Elevations-Winkel-Zeit gilt, die aus der obigen Gleichung (33) für eine Anzahl der hellsten Streuobjekte (z. B. 10) ableitbar ist. Die Gleichung (31) wird (im Koordinaten-Computer 27) für ein jedes der 10 Streuobjekte angewendet und ein gemittelter Wert WLOS. daraus abgeleitet. Die zeitlichen Ableitungen yy und zz werden mittels der Gleichung (30) und schließlich die Koordinaten xj, yj und zj der Streuobjekte, wie in den Gleichungen (5) bis (9) angegeben, errechnet. Die Koordinaten der Streuer werden vom Koordinaten-Computer 27 auf den Abtastkonverter 28 übertragen, um die in vier Quadranten auf der Kathodenstrahlröhre 29 vorgesehene Display-Darstellung durchzuführen. Es sind dies die Koordinatenwerte Abstand/Azimuth, Azimuth/Elevation und Abstand/Elevation. Sie repräsentieren drei orthogonale Projektionen des Schiffszieles. Eine Wiedergabe solcher Bildprojektionen, die durch Computer- Simulation abgeleitet sind, zeigt die Fig. 5.
Wie in Boles "Range/Azimuth/Elevation Angle Ship Imaging For Ordnance Control" beschrieben, muß entsprechend der translatorischen Bewegung des Schiffes so nachgeführt werden, daß die Visierlinie und der Beginn der (Abstands-)- Schwenkung der Antenne (range swath) eine konstante Beziehung in Bezug auf das Schiff haben. Interferometrische Azimuth-Winkel-Daten von einem jeden Auflösungsraumelement werden gemittelt auf der Basis von Array-zu-Array. Die Auflösung für die Relativgeschwindigkeit vom Flugzeug zum Schiff wird so nachgeführt, daß sie dem Trigger für den Beginn der (Abstands-)Schwenkung vorläuft oder nachläuft entsprechend der Schiffs- als auch der Flugzeugbewegung. Damit korrespondieren die Schiffs-Abstandsinkremente von Impuls-zu-Impuls. Entsprechend werden Abstands- Geschwindigkeits- und Azimuth-Geschwindigkeits-Korrekturen durch den System-Computer (Computer 17) ausgeführt, so daß auch die Antennen-Visierlinie hinsichtlich Azimuth und Elevation entsprechend den translatorischen Bewegungen des Schiffes und des Flugzeugs gesteuert wird. Das ganze Management wie die Datenübertragung, Beginn der Unterprogramm-Folgen usw. wird vom Radar-Daten-Prozessor 30 ausgeführt.
Auf der Basis der oben beschriebenen Computer-Simulation, in der die Technik von Boles "Range/Azimuth/Elevation Angle Ship Imaging For Ordnance Control" und die Technik der vorliegenden Erfindung angewendet werden, läßt sich eine 50%ige Steigerung in der Schiffs-Erkennung mit der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik erreichen. Es sei auch darauf hingewiesen, daß die optimale Zeitdauer, über die die Daten für die Polynomkurve gespeichert werden, dar aktuellen Periodizität der Rotationsbewegung des Schiffes angepaßt werden kann. Die oben angegebenen Größen sind beispielhaft und sind passende Abschätzungen für ein Schiff der Art eines Kreuzers.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung hohe Auflösung aufweisender SAR-Bilder (SAR = Synthetic Aperture Radar-Radar mit künstlicher/generierter Apertur) eines Schiffszieles, das See-bedingten Gegebenheiten unterliegt, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

(a) Verarbeiten der Signale, die von streuenden Objekten des Schiffes zu empfangen sind, um Schätzwerte zu erhalten, von 1. dem Abstand, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung der Streuobjekte des Schiffes und 2. der Rotationsgeschwindigkeiten und Rotationsgeschwindigkeitsraten bzw. -änderungen des Schiffes;

(b) aus diesen geschätzten Bewegungsparametern der Streuobjekte des Schiffes die Koordinatenwerte der Zentren der Streuobjekte des Schiffes zu bestimmen, um ein hochaufgelöstes Bild des Schiffszieles zu bilden; und

(c) Darstellen des erzeugten Bildes des Schiffszieles, eingeschlossen eine Abstands/Azimuth- Projektion, eine Elevations/Azimuth-Profilprojektion und eine Abstands/ElevationsProfilprojektion.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Verfahrensschritt der Signalverarbeitung der empfangenen Signale einschließt:

(a) Bestimmung der Streuobjekt-Geschwindigkeiten aus Polynomkurve, passend zu interpolierten und sortierten doppler-verarbeiteten Frequenzmessungen, die über ein vorgegebenes Nachführ- Zeitintervall ausgeführt sind und

(b) Bestimmen der Streuobjekt-Beschleunigungen aus den zeitlichen Ableitungen der Polynomkurve, die zu den Frequenzdaten paßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Schritt der Verarbeitung der empfangenen Signale einschließt:

(a) Ausführen einer gewichteten, vielfach variierten Regression, angepaßt den verarbeiteten Doppler-, Azimuth-Winkel- und Elevations-Winkel-Messungen, um Rotationsgeschwindigkeiten des Schiffes hinsichtlich der Sichtlinie (crossline-of-sight) zu erhalten, wobei ein interativer Prozeß zur Minimierung der Fehlerreste benutzt wird, und

(b) Bestimmen der Rotationsgeschwindigkeit des Schiffes, bezogen auf die Sichtlinie, wobei ausgewählte Azimuth- und Elevations-Winkel- Messungen, in Verbindung mit Elevations-Winkel- Raten, die von verschiedenen hellen Streuobjekten bestimmt worden sind und abgeschätzte Schiffs-Rotationsgeschwindigkeit, bezogen auf die Sichtlinie (crossline-of-sight), benutzt werden.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß der Verfahrensschritt der Verarbeitung der empfangenen Signale einschließt:

Gewinnen der Rotationsgeschwindigkeitsraten des Schiffes, bezogen auf die Sichtlinie, aus den zeitlichen Ableitungen der Polynomkurve, die zu gespeicherten Schätzwerten der auf die Sichtlinie bezogenen Rotationsgeschwindigkeiten paßt, die aus Regressions-Lösungen abgeleitet sind.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Doppler-, Azimuth- und Elevations-Winkel-Messung aus Fourier-transformierter Signalverarbeitung unter Verwendung interferometrischer oder Phasen-Monoimpuls- Antennenanordnungen (10) bestimmt sind.

6. Luftgestütztes SAR-Radarsystem (SAR = Synthetic Aperture Radar = Radar mit künstlicher/generierter Apertur) eines Schiffszieles, das seebedingten Gegebenheiten unterliegt, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

(a) Mittel zur Verarbeitung der über die Antenne (10) empfangenen Signale der Streuobjekte des Schiffes um bezüglich des Schiffszieles Schätzwerte zu erhalten von 1. dem Abstand, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung der Streuobjekte des Schiffes und 2. der Schiffs-Rotationsgeschwindigkeiten und Rotationsgeschwindigkeitsraten bzw. -änderungen;

(b) Mittel (27, 28), um aus diesen geschätzten Bewegungsparametern die Koordinatenwerte der Streuzentren des Schiffes zu bestimmen, um ein hochaufgelöstes Bild des Schiffszieles zu erzeugen und

(c) Mittel (29) zur Darstellung der erzeugten Bilder des Schiffszieles, eingeschlossen eine Abstands/- Azimuth-Projektion, eine Elevations/Azimuth- Profil-Projektion und eine Abstands/Elevation- Profil-Projektion.

7. System nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Mittel (27, 28) zur Signalverarbeitung einschließen:

(a) Mittel (21-24) zur Bestimmung der Geschwindigkeiten der Streuobjekte aus der Polynomkurve, passend zu interpolierten und sortierten doppler-verarbeiteten Frequenzmessungen, die über ein vorgegebenes Nachführ-Zeitintervall ausgeführt sind und

(b) Mittel (25, 26) zur Bestimmung der Beschleunigungen der Streuobjekte aus den zeitlichen Ableitungen der Polynomkurve, die zu den Frequenzdaten paßt.

8. System nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet dadurch, daß die Mittel zur Signalverarbeitung einschließen:

(a) Mittel (17, 20) zum Erzeugen einer gewichteten, vielfach variierten Regression, angepaßt den verarbeiteten Doppler-, Azimuth-Winkel- und Elevations-Winkel-Messungen, um Rotationsgeschwindigkeiten des Schiffes hinsichtlich der Sichtlinie (cross-line-of-sight) zu erhalten, wobei ein interativer Prozeß zur Minimierung der Fehlerreste benutzt wird, und

(b) Mittel (17, 20) zur Bestimmung der Rotationsgeschwindigkeit des Schiffes, bezogen auf die Sichtlinie, wobei ausgewählte Azimuth- und Elevations-Winkel-Messungen in Verbindung mit Elevations-Winkel-Raten benutzt werden, die von verschiedenen hellen Streuobjekten bestimmt worden sind und abgeschätzter Schiffs-Rotationsgeschwindigkeit, bezogen auf die Sichtlinie (cross-line-of-sight).

9. System nach Anspruch 6, 7 oder 8, gekennzeichnet dadurch, daß die Signalverarbeitungsmittel (17, 20) Mittel einschließen zum Erhalten der Rotationsgeschwindigkeitsraten des Schiffes, bezogen auf die Sichtlinie, aus den zeitlichen Ableitungen der Polynomkurve, die zu gespeicherten Schätzwerten der auf die Sichtlinie bezogenen Rotationsgeschwindigkeiten paßt, die aus Regressions-Lösungen abgeleitet sind.

10. System nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß es eine Interferometer- Antenne (10) mit vielen Sektionen umfaßt, die mit einem Zwei-Kanal-Empfänger (13, 24) und mit einem Doppler-Verarbeitungs-System (15-26) verbunden ist.