Högupplöst Wide Swath SAR-avbildning

High Resolution Wide Swath (HRWS) avbildning är en viktig gren inom Synthetic Aperture Radar (SAR), en fjärravkänningsteknik som kan ge högupplösta bilder oberoende av väderförhållanden och solljus. Detta gör SAR mycket attraktivt för systematisk observation av dynamiska processer på jordens yta, vilket är användbart för miljöövervakning, kartläggning av jordresurser och militära system.

SAR-tekniken har tillhandahållit terrängstrukturinformation till geologer för mineralutforskning, oljeutsläppsgränser på vatten till miljöaktivister, kartor över sjötillstånd och isfaror till navigatörer och underrättelse-, övervaknings-, spanings- och detekteringsinformation till militära operationer.

Konventionella SAR-system är begränsade genom att en bred sträng endast kan uppnås på bekostnad av en försämrad azimutupplösning . Eftersom breda täckningssträckor och högupplöst utdata båda är viktiga, ställer detta till utmaningar och motstridiga krav på utformningen av rymdburna SAR-system och relaterade nya algoritmer.

Problembeskrivning och grunder

Problemformulering

State-of-the-art högupplösta SAR-system är ganska begränsade med avseende på deras förvärvsförmåga.

Krav för rymdburen SAR

Ett exempel är TerraSAR-X , som är en tysk jordobservationssatellit. Dess huvudsakliga nyttolast är en X-bands (3,1 cm) radarsensor, med olika driftlägen, vilket gör att den kan tillhandahålla flera bildlägen för inspelning av bilder med olika strängbredd, upplösning och polarisationer, se figuren för mer information. I stripmap-läge (spatial upplösning på 3m) behöver det 10 veckor för att kartlägga jordens globala landmassa. Denna begränsning utgjorde också en utmaning i utformningen av TanDEM-X , som är tvillingsatellitten till TerraSAR-X. De två satelliterna flyger i nära formation bara några hundra meter från varandra och avbildar terrängen under dem samtidigt men från olika vinklar. Det tar ett år att uppnå ett globalt interferometriskt förvärv av jordens landmassa för TanDEM-X.

För att övervinna detta föreslår vissa forskare Tandem-L-uppdrag, vilket är ett framträdande exempel. Tandem-L-uppdragskonceptet bygger på användningen av två satelliter som opererar i L-band (24 cm våglängd), som har mycket längre våglängd jämfört med X-band. Längre våglängd gör att den uppfyller kraven för en tomografisk mätning av den tredimensionella strukturen av vegetation och isregioner, även för storskalig undersökning av deformationer med millimeters noggrannhet.

De framtida SAR-uppdragen kan kräva en kartläggningskapacitet som är en eller till och med två storleksordningar bättre än Tandem-L, vars mål är att undersöka dynamiska processer på jordens yta. För detta krävs ett extremt kraftfullt SAR-instrument som kan kartlägga hela jordens yta två gånger i veckan, i full polarisation och med en rumslig upplösning långt under 10 m. Å andra sidan kräver vissa andra uppdrag en mycket högre rumslig upplösning.

Grunderna

Med en enda satellit kan frekvent och sömlös täckning endast uppnås om en bred sträng avbildas.

Spårbredden begränsar pulsrepetitionsintervallet (PRI) eller motsvarande pulsrepetitionsfrekvens (PRF), som är lika med 1/PRI på följande sätt.

Om SAR-sensorn flyger med hastighet $v$ och det finns två mål P och Q på marken, beräknas azimutvinkeln som $\Delta \phi =\phi P-\phi Q$ . För SAR med liten bandbredd beskrivs det vanliga linjära förhållandet mellan azimutfrekvens och vinkel med våglängden ${\displaystyle \lambda } enligt följande:$

$PRF=(-2v/\lambda )*sin\phi =(-2v/\lambda ) *\phi$

För att optimera prestanda och kontrollera omfånget av oklarheter, måste PRI vara större än den tid det tar att samla in returer från hela den upplysta strängen. Men å andra sidan, för att undvika enorma azimut-ambiguitetsnivåer, innebär en stor PRI antagandet av en liten dopplerbandbredd och begränsar den uppnåbara azimutupplösningen.

ScanSAR Med flera azimutkanaler

Ett exempel är kombinationen av förskjutna fascentra i azimut med lågupplöst ScanSAR eller terrängobservation genom progressiv avsökning (TOPS).

Liksom i klassisk ScanSAR används azimutskurar för att kartlägga flera strängar. Innovativ drift av flerkanaliga SAR-system i burst-lägen visas i den andra bilden, där flerkanalskonfigurationer med en enda sändningsantenn ("Tx") och flera mottagande ("Rx") antenner beaktas, Tx och Rx kan realiseras på separata plattformar såväl som separat på samma plattform eller till och med integrerad i samma antenn med sänd-och-mottagning (T/R) modulteknik.

Ett av nyckelstegen är flerkanalig azimutbehandling. En flerkanalig SAR i azimut kan tolkas som ett linjärt system av filterfunktioner som karakteriserar de individuella aperturernas impulssvar i amplitud och fas i beroende av Dopplerfrekvensen f {\ $f}$ . En generell systemmodell visas till vänster.

$U_{s}(f)$ kännetecknar scenen, medan $H_{s}(f)$ är azimutimpulssvaret för ett system med en öppning, vilket ger efter $U(f)$ som ger motsvarande monostatisk SAR-signal. Funktionerna $H_{s}(f)$ representerar kanalen mellan sändaren (Tx) och varje mottagare $j$ (Rx $j$ ) med avseende på den monostatiska impulssvar, vilket resulterar i den respektive flerkanaliga SAR-signalen ${\displaystyle U_{j}(f)$ . Om man antar en enda sändare och flera mottagarkanaler, så ges det fysiska avståndet längs spåret mellan Rx $j$ och $T_{x}$ av Δx, medan λ representerar bärvågsvåglängden, $R_{0}$ representerar lutningsintervallet, och $v_{s}$ och $v_{g}$ representerar hastigheterna för sensorn respektive strålen på marken.

Efter mottagning samplas varje signal i azimut av PRF, och följaktligen är den maximala signalbandbredden N⋅PRF enligt den effektiva samplingshastigheten. En kompakt karaktärisering av hela systemet ges då av matrisen $H(f)$ , där man bör notera beroendet av parametern PRF.

Enligt ett generaliserat samplingsteorem tillåter N oberoende representationer av en signal, var och en subsamplad vid 1/N av signalens Nyquist-frekvens, den entydiga "rekonstruktionen" av den ursprungliga signalen från de aliaserade Doppler-spektra av N-representationerna. Detta betyder att varje bandbegränsad signal $U(f$ bestäms unikt i termer av svaren $U_{j}(f)$ eller, ekvivalent, av respektive funktioner $H_{j}(f)$ . Detta är giltigt oberoende av den rumsliga sampelfördelningen så länge samplen inte sammanfaller i rymden. Sedan, inversionen av $H(f ) )$ ger en matris $P(f)$ som i sina rader innehåller N funktioner $P_{j}(f)$ som var och en representerar filtret för flerkanalsbehandling av kanal $j$

$P(f)=H^{-1}(f)$

Den ursprungliga signalen $U(f)$ återvinns sedan genom att filtrera varje kanal $j$ med dess lämpliga "rekonstruktions"-filter $P_{j}(f)$ och efterföljande koherent kombination av alla viktade mottagarkanaler. Den associerade upplösningsförlusten från att dela den syntetiska aperturen mellan olika strängar kompenseras genom att samla in radarekon med flera förskjutna azimutöppningar.

En möjlig nackdel med flerkanals ScanSAR- eller TOPS-tillvägagångssätt är den ganska höga Doppler-tyngdpunkten, som är en av de viktigaste parametrarna som måste uppskattas vid beräkning av SAR-bilder. För några av de avbildade målen, om hög upplösning önskas. Dessutom kan höga kisvinklar också utmana samregistrering i interferometriska applikationer.

Enkanalig SAR med flera höjdstrålar

Förutom flerkanals ScanSAR är koncept baserade på samtidig inspelning av ekon av olika pulser, sända av en bredstrålebelysning och som kommer från olika håll, av stort intresse.

Schematisk över en flerkanalsmottagare. Signalen från varje delöppningselement förstärks oberoende av varandra, nedkonverteras och digitaliseras i A/D ( analog-till-digital-omvandlaren) . Den digitala behandlingen möjliggör flexibel och adaptiv strålformning i efterhand till signalmottagning.

Eftersom det har följande fördelar: Flera öppningar som är förskjutna längs spåret kan få ytterligare prover längs den syntetiska öppningen och under tiden möjliggör de en effektiv undertryckning av azimuttvetydigheter. Dessutom, genom att styra en mycket riktad mottagarstråle som följer radarpulsen när den färdas på marken, kan flera kanaler i höjd förbättra SNR (signalbrusförhållande) utan att minska strängbredden. Dessutom kan avancerade flerkanals SAR-arkitekturer undvika användningen av separata Tx- och Rx-antenner och möjliggöra en ökning av täckningsområdet utan att behöva antingen förlänga antennen eller använda burst-lägen.

För att uppnå dessa fördelar är den mottagande antennen vanligtvis uppdelad i flera underöppningar, och var och en är ansluten till sina individuella mottagarkanaler. Sedan kombineras de digitalt registrerade sub-apertursignalerna i en spatiotemporal processor för att samtidigt bilda flera oberoende strålar och för att samla in ytterligare information om riktningen för de spridda radarekon.

Ett alternativ till en plan array är en reflektorantenn i kombination med en digital matningsgrupp, som är av speciellt intresse för lågfrekventa radarsystem som arbetar i L- och P-band (1 m), kombinerar kapaciteten hos digital strålformning med den höga riktning för en stor reflektorantenn.

Den reflektorbaserade arkitekturen erbjuder potentialen att använda alla arrayelement samtidigt för överföring av en bred stråle utan spill-over som önskat för bred strängbelysning.

För en paraboloidreflektor med en mataruppsättning nära brännpunkten, motsvarar signalerna som kommer från en given riktning vanligtvis endast en eller en mycket liten delmängd av aktiverade matningselement. Och den här egenskapen kan minska implementeringskomplexiteten och kostnaderna för en digital strålformande radar.

Denna metod har dock också sin nackdel, nämligen att det finns blinda avstånd över strängen, eftersom radarn inte kan ta emot medan den sänder.

Digital strålformning med reflektorantenn

Ett intressant alternativ till en plan antenn är en reflektor, matad av en flerkanalsmatris. En parabolisk reflektor fokuserar en ankommande plan våg på en eller en liten delmängd av matningselement. När strängekonen anländer som plana vågor från ökande blickvinklar behöver man därför bara läsa ut det ena matningselementet efter det andra för att styra en högförstärkningsstråle i samklang med de ankommande ekona. En nackdel med multi-beam-läget är närvaron av blinda avstånd över strängen, eftersom radarn inte kan ta emot medan den sänder.

Flera innovativa tekniker som använder flera mottagaröppningar ('Rx') har föreslagits för att övervinna de inneboende begränsningarna hos konventionell SAR för att utföra HRWS-avbildning. För optimal prestanda måste förhållandet mellan sensorhastigheten $v$ och offseten längs spåret $\Delta x$ för $N$ -delöppningarna resultera i lika fördelade effektiva fascentra, sålunda vilket leder till en enhetlig sampling av den mottagna signalen. Detta kräver att optimal PRF är lika med $2v/N\Delta x$ .

Om en icke-optimal PRF väljs, fördelas de insamlade proverna olikformigt. Detta kräver ett ytterligare bearbetningssteg efter nedkonvertering och kvantisering av azimutsignalen med flera öppningar innan konventionella monostatiska algoritmer (såsom Range Doppler Algorithm (RDA) och Chirp Scaling Algorithm (CSA)) kan tillämpas. För detta betraktas de individuella bländarsignalerna som oberoende Rx-kanaler (se nedre bilden, A/D står för Analog to Digital Converter). Syftet med azimutbehandlingen är att kombinera $N$ kanaler, var och en har en bandbredd på ${\displaystyle N*PRF} ,$ subsamplade med $PRF$ för att erhålla en signal samplade effektivt med ${\displaystyle N*PRF=PRF_{eff}} ,$ som uppnår Nyquist-kriteriet genom att beräkna medelvärde efter bearbetningen. Så utsignalen är fri från alias i det optimala fallet.

Staggered-SAR

Som nämnts i föregående avsnitt, att för multi-beam-lägen har den en nackdel som är närvaron av blinda avstånd över strängen, eftersom radarn inte kan ta emot medan den sänder. Den förskjutna-SAR kan övervinna denna nackdel genom att kontinuerligt variera PRI på ett cykliskt sätt, vilket möjliggör avbildning av ett brett kontinuerligt sträng utan behov av en lång antenn med flera öppningar.

Varför kommer detta att fungera? Eftersom vid satellit-SAR-bildbehandling sätter antennlängden och den erforderliga azimutupplösningen en övre gräns för den valda PRI . PRI kommer i sin tur att begränsa den maximala kontinuerliga strängbredden i lutningsområdet, vilket endast påverkas något av den okomprimerade sända pulslängden $\displaystyle \tau }$ { . Det kontinuerliga tidsintervallet som radarekot kan tas emot är övre gränsat av tidsintervallet mellan slutet av en sänd puls och början av nästa, säg $PRI-\tau$ . Men när radarn sänder kan enheten inte ta emot radareko, så radarn kan bara ta emot en signal från mål som ingår i $PRI-2\tau$ . Skillnaden mellan dessa två tidsintervall $\tau$ orsakar det blinda området som ges av $c_{0}*\tau$ , där $c_{0}$ är ljusets hastighet i fritt utrymme.

Om PRI är enhetlig kommer blinda intervall att förbli oförändrade längs azimut, och efter komprimering i azimut, skulle bilden ha blinda remsor med bredden $c_{0}*\tau$ . Om PRI varierar, finns dock blindområdena fortfarande, men positionen för dessa blindområden varierar också och kommer att vara olika för varje sänd puls, eftersom sända pulser endast är relaterade till de föregående sända pulserna. Så när man tar hänsyn till den totala syntetiska bländaren visar det sig att vid varje lutningsintervall saknas endast några av de överförda pulserna, så det är möjligt att få en SAR-bild över ett brett kontinuerligt sträng. Bilden till höger visar placeringen av blinda räckvidden för både fast PRI och varierad PRI .