DE3430749A1 - Swath widening and data reduction in synthetic aperture reconnaissance radar (SAR) - Google Patents

Abstract

Until today, SAR was considerably restricted in its swath width, owing to the requirement that, for a desired geometrical resolution in the direction of flight, a minimum pulse repetition frequency had to be chosen, automatically fixing the maximum swath width previously possible. The method described here allows this swath width to be expanded n times without substantially increasing the data rate in the transmission of the SAR raw data to the ground. This is significant since, without this increase in swath width, the transmission rate of the SAR raw data is at the limit of current technology with the systems which can be realised today. The method utilises the fact that the Doppler history for targets from different distance ranges has slight differences. It allows the echoes from different distance ranges (ambiguity zones) to be temporarily interfolded and transmitted to the ground as just an echo. On the ground, this method allows the one echo to be broken down again into the echoes from the various distance ranges, it being possible to achieve a good signal-to-noise ratio.

Description

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BESCHREIBUNG
EinleitungDESCRIPTION
introduction

Satellitengetragene Aufklärungs- oder Frühwarnsysteme der kommenden Generation werden in bestimmten Anwendungsfällen neben anderen Sensoren ein Radar mit synthetischer Apertur (Synthetic Aperture Radar) SAR tragen.Satellite-borne reconnaissance or early warning systems of the next generation will be in certain use cases Carrying a synthetic aperture radar (SAR) in addition to other sensors.

10Die grundsätzlichen technischen Eigenschaften von SAR-Sensoren sind bereits aus dem zivilen Bereich der Erderkundung (SEASAT-A.) und die technischen Engpässe von in der Entwicklung (ERS-1) und .Planung befindlichen, fortgeschrittenen Systemen der zivilen Nachfolgegeneration bekannt,10The basic technical properties of SAR sensors are already from the civil area of earth exploration (SEASAT-A.) and the technical bottlenecks of advanced systems of the civil successor generation that are in development (ERS-1) and known,

Weiterzuentwickelnde zivile Systeme zielen in ihren technischen Merkmalen u.a. aufgrund der bahnmechanischen Einschränkungen der Trägerplattform (Bedeckung,, Wiederholrate) auf eine substantielle Erweiterung der Streifenbreite ab. Das technisch nächstliegendeCivil systems to be further developed aim in terms of their technical characteristics due to the railway mechanical limitations of the Carrier platform (covering, repetition rate) on a substantial Expansion of the stripe width. The technically closest

20Mittel zu diesem Zweck ist die Verwendung einer in Flugrichtung langen Antenne, die jedoch die Azimutauflösung auf Werte begrenzt, die für hochauflösende militärische Systeme nicht ausreicht. Prinzipien zur Erweiterung des Abbildungsstreifens unter Umgehung der Auflösungsbegrenzung und Echo-Mehrdeutigkeiten durch Anwendung mehrerer kurzer Antennen und mehrerer geschachtelter Pulswiederholfrequenzen erfordern einen erheblichen technischen Aufwand und demzufolge entsprechende Mehrkosten.20 The means for this purpose is to use one in the direction of flight long antenna, which, however, limits the azimuth resolution to values that are not sufficient for high-resolution military systems. Principles to expand the mapping strip while circumventing the resolution limitation and echo ambiguities through application several short antennas and several nested pulse repetition frequencies require a considerable technical effort and consequently corresponding additional costs.

Eine (z.B.) Verdoppelung der'Streifenbreite führt in erster Näherung auch zu einer Verdoppelung der ohnehin schon hohen zum Boden oder zu einem Relais-Satelliten (z.B. TDRS) zu übertragenden Datenraten. Die Aktualität der zu übertragenden Information spielt bei zivilen Systemen eine nachgeordnete Rolle.A (e.g.) doubling of the strip width leads to a first approximation also to a doubling of the already high data rates to be transmitted to the ground or to a relay satellite (e.g. TDRS). The topicality of the information to be transmitted plays a subordinate role in civil systems.

Bei militärischen Systemen zur überwachung einer geographisch abgegrenzten Region spielen die Aktualität der Information, die im Wiederholzyklus" des Einzelsensors erfaßbare Streifenbreite und die Kosten einer durch die Komplexität des Einzelsensors oder ggf. durch Anwendung eines Mehrsatellitensystems herbeigeführten Verbreiterung des Streifens eine exorbitante Rolle.In military systems for monitoring a geographically delimited region play the topicality of the information, the strip width detectable in the repetition cycle "of the individual sensor and the costs of one brought about by the complexity of the single sensor or possibly by using a multi-satellite system Widening the strip played an exorbitant role.

Zugleich wachsen die sowohl durch die erhöhte Auflösung als auch durch die Streifenverbreiterung bedingten Datenraten weit über die Kapazität bekannter Telemetrie-Übertragungsstrecken hinaus.At the same time, the data rates caused by both the increased resolution and the widening of the stripes grow far beyond the Capacity of known telemetry transmission links.

Während bei zivilen Projekten bislang Datenraten von etwa 100 MB/s bei einer Streifenbreite von etwa 100 KM und einer Auflösung vonWhile data rates of around 100 MB / s have so far been used in civil projects with a stripe width of about 100 KM and a resolution of

• ?5 it. akzeptiert werden, sind für militärische. Systeme mit einer St.?;«5.iienbreite von z.B. 360 KM mit einer Auflösung von etwa 2_r5 m Datenraten von etwa 2,2 Gigabit/sec zu erwarten.• ? 5 it. are accepted are for military. Sec expected systems with a St.?;«5.iienbreite of, for example 360 km with a resolution of about 2 _r 5 m data rates of about 2.2 Gigabit /.

Die übertragung von Datenraten dieser Größenordnung, ohne Reduktion an Bord des SatelTiten durch Relevanzfilterung und/oder andere Maßnahmen zu insbesondere kleineren beweglichen Empfangs/Führungs-Einheiten (NATO E3A, mobile Empfangsstationen am Boden) wäre ein nur schwer zu lösendes technisches Problem.The transmission of data rates of this order of magnitude without any reduction on board the SatelTite by relevance filtering and / or other measures, in particular for smaller mobile reception / guidance units (NATO E3A, mobile receiving stations on the ground) would be a difficult technical problem to solve.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine substantielle Reduktion der Rohdaten an Bord eines Einzelsensors mit hoher Auflösung und sehr großer Streifenbreite unter den speziellen Randbedingungen eines militärischen, satellitengetragenen SAR-Aufklärungs- und Frühwarnsystems.The aim of the present invention is a substantial reduction in the raw data on board a single sensor with high resolution and very large stripe width under the special boundary conditions of a military, satellite-borne SAR reconnaissance and Early warning system.

Beschreibung des Prinzips der Datenreduktion.Description of the principle of data reduction.

Abbildende/kartographierende SAR-Systeme wenden zur Wiedergabe von Vegetation und der geologischen und Infrastruktur eine hohe, clutter-reproduzierende radiometrische Auflösung und in entsprechendem Maße einen hohen Aufwand zur Unterdrückung von Zielmehrdeutigkeiten (Ambiguities) an.Imaging / mapping SAR systems use a high, Clutter-reproducing radiometric resolution and, correspondingly, a high level of effort to suppress ambiguities (Ambiguities).

Verzichtet man auf die hohe radiometrische Auflösung, insbesondere 10durch Aufgabe des unteren Teils des Dynamikbereiches durch (z.B.) Anwendung kompressiver Verstärker, so kann auch der Mehrdeutigkeitsabstand für harte Punktziele, die hier im Vordergrund der Aufklärung stehen, reduziert werden.If the high radiometric resolution is dispensed with , in particular by abandoning the lower part of the dynamic range by (e.g.) using compressive amplifiers, the ambiguity distance for hard point targets, which are the focus of the investigation, can also be reduced.

Akzeptiert man weiterhin für die hier beabsichtigte Aufklärung die durch die Pulswiederholfrequenz bedingten schmalen "weißen" Streifen* im abzubildenden Gesamtstreifen, so ergeben sich für einen gewissen Bereich der Betriebsfrequenz und der geometrischen Azimut-Auflösung Bedingungen, die das im folgenden zu begründende PrinzipIf one continues to accept the for the enlightenment intended here Narrow "white" stripes * in the overall stripe to be imaged due to the pulse repetition frequency result for a certain Range of the operating frequency and the geometric azimuth resolution conditions that the principle to be justified in the following

20der Rohdaten-Reduktion anzuwenden gestatten. Dieses Prinzip, sein Gültigkeitsbereich und die damit erreichbare Datenreduktion seien an den Ergebnissen eines rechnergestützten Systementwurfes beispielhaft erläutert.Allow the raw data reduction to be used. This principle, be The range of validity and the data reduction that can be achieved with it are exemplary based on the results of a computer-aided system design explained.

Ein auf einer (sonnensynchronen) Bahn von 465 KM Höhe umlaufendes SAR mit einer Antennenlänge (parallel zum Flugvektor) von 5 m hat eine geometrische Azimut-Auflösung von 2.8 m und arbeitet mit einer Betriebsfrequenz von 1 GHz und einer auf die 3 dB-Azimut-Keulenbreite und die Bahngeschwindigkeit angepaßten Pulswiederholfrequenz von 3.42 KHz.An SAR revolving on a (sun-synchronous) orbit at an altitude of 465 KM with an antenna length (parallel to the flight vector) of 5 m has a geometric azimuth resolution of 2.8 m and works with an operating frequency of 1 GHz and an azimuth lobe width of 3 dB and the pulse repetition frequency of 3.42 KHz adapted to the path speed.

*Diese Streifen sind entweder nicht einsehbar, durch die Maßnahme hoher Sende/Empfangs-Übersprechdämpfung in der Empfindlichkeit reduziert oder durch Schrägstellen der Antennenkeule in Azimut und den dazugehörigen Aufwand im Bodenprozessor (unsyrn. Dopplerhistorie und Zielwanderung) in der Azimutauflösung leicht degradiert,* These stripes are either not visible due to the measure of high transmit / receive crosstalk attenuation in sensitivity reduced or by inclining the antenna lobe in azimuth and the associated effort in the ground processor (unsyrn. Doppler history and destination hike) slightly degraded in azimuth resolution,

Die vertikale Halbwertsbreite der Antenne ist auf die Erfassung des Nadir-Winkelbereiches von 27 bis 5Ί Grad angepaßt. Somit erfaßt das System anstelle eines einzelnen, nicht-mehrdeutigen Echobereiches sechs zueinander mehrdeutige Teilstreifen mit den Pulsindizes (rank of ambiguity) 12 bis 17 und am Boden einen Gesamtstreifen von 2 46 bis 612 KM (gemessen im Abstand von der Subsatellitenspur SS₇ also eine Streifenbreite von WS=366 KM. Dies ist in Abb. 1 dargestellt.The vertical half width of the antenna is adapted to the coverage of the nadir angle range of 27 to 5Ί degrees. Thus, instead of a single, non-ambiguous echo area, the system detects six ambiguous partial stripes with the pulse indices (rank of ambiguity) 12 to 17 and a total _{stripe of 2 46 to 612 KM on the ground (measured at a distance from the sub-satellite track SS 7,} i.e. one stripe width) from WS = 366 KM. This is shown in Fig. 1.

SATELLIT MIT SARSATELLITE WITH SAR

Blinde ZonenBlind zones

Teilstreifen PulsindizesPartial strip pulse indices

mitwith

Abb. 1Fig. 1

ERDE/ HORIZONTEARTH / HORIZON

Die Breiten der fünf "weißen" Zonen Z betragen in diesem Beispiel bei einem Sende-Puls/Pausen-Verhältnis von 7,5 % 13.6 bis 10.2 KM zum Horizont hin abfallend und somit insgesamt 16 % des abgebil-30deten Streifens. Bei kürzeren Sendepulsen sinkt dieser Anteil entsprechend .In this example, the widths of the five “white” zones Z are 13.6 to 10.2 KM with a transmit pulse / pause ratio of 7.5% sloping towards the horizon and thus a total of 16% of the depicted Strip. With shorter transmission pulses, this proportion decreases accordingly.

Die 3 dB-Azimut-Spurlinie der Durchdringung des Antennendiagramms mit der Erdorberflache weitet sich zum Horizont hin auf. Dies ist in Abb. 2 dargestellt.The 3 dB azimuth track line of the penetration of the antenna diagram with the surface of the earth widens towards the horizon. This is shown in Fig. 2.

1 Flugvektor1 flight vector

-Azimut-Breite-Azimuth latitude

PunktzielePoint targets

Abb.Fig.

Daher ergeben sich für die Teilstreifen 12 bis 17 bei einer für alle gemeinsamen Dopplerbandbreite von 2.75 KHz (Konstante Azimut-Auflösung) die folgenden unterschiedlichen Integrations-20zeiten und Doppler-Steigungen für Punktziele, die z.B. in der Mitte eines jeden Teilstreifens das Azimut-Diagramm durchlaufen:This results in a Doppler bandwidth of 2.75 KHz (constant Azimuth resolution) the following different integration times and Doppler slopes for point targets, e.g. Run through the azimuth diagram in the middle of each sub-strip:

Indexindex 1212th 1313th 1414th 1515th 1616 1717th Integr.-Zeit
²⁵SeCIntegration time
²⁵ sec 4.164.16 4.54.5 4.844.84 5.175.17 5.515.51 5.865.86 Doppler-Steig.
Hz/secDoppler climb.
Hz / sec 660660 611611 568568 531531 498498 470470

Der Verlauf der Doppler-Historien ist im Zeit/Frequenz-Diagrainm der Fig. 3 graphisch aufgetragen. Abb. 3 beschreibt somit auch die Verläufe der sechs Referenzfunktionen, die in einem Bild-Prozessor benötigt werden, um die Azimut-Kompression für Signale aus den Teilstreifen 12 bis 17 zu bewirken.The course of the Doppler histories is in the time / frequency diagram 3 plotted graphically. Fig. 3 thus also describes the progression of the six reference functions in an image processor are required to effect the azimuth compression for signals from the sub-strips 12 to 17.

17 Index 1217 index 12

DopplerhubDoppler stroke

-- + 1.375 KHZ- + 1,375 KHZ

Integrationszei t + 2.39 seeIntegration time + 2.39 see

-- - 1.375 KHZ- - 1.375 KHZ

Abb. 3Fig. 3

Die Eigenschaften der Pulskkompression brauchen an dieser Stelle nicht erörtert werden, da sie die hier betrachteten Zusammenhänge nicht beeinflussen.The properties of pulse compression do not need to be discussed here, as they relate to the relationships considered here not affect.

Das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip beruht nun darauf, daß die Echos aus den Teilstreifen zeitlich im Empfänger des SAR 30ineinanderfalten, und gemeinsam mit der geringen Datenrate, die nur einem der Echos entspricht, zum Boden übertragen werden. Dort werden die Einzelechos aufgrund ihrer unterschiedlichen Dopplerhistorien durch eine geeignete Datenverarbeitung mit unter bestimmten Bedingungen ausreichender Entkopplung getrennt.The principle on which the invention is based is based on the fact that the echoes from the partial strips are temporally in the receiver of the SAR 30 fold into each other, and together with the low data rate, the corresponds to only one of the echoes, are transmitted to the ground. The individual echoes are there due to their different Doppler histories separated by suitable data processing with adequate decoupling under certain conditions.

-X--X-

* 9 * 9

Die Trennbarkeit (H_1n^_n ), oder der wechselseitige Mehrdeutigkeitsabstand in Dezibel wird berechnet nach Gleichung (1) und ist in nachfolgender Matrix tabellarisch zusammengestellt.The separability (H _1n ^ _n ), or the mutual ambiguity distance in decibels, is calculated according to equation (1) and is summarized in the following matrix.

(g)(G)

(1)(1)

m' 2m '2

Worin:Wherein:

λ: =λ: =

10 c: = η: = m: =10 c: = η: = m: =

Wellenlänge, D = SAR Antennenlänge in Flugrichtung Lichtgeschwindxg, v:= Fluggeschwindigkeit Ordnungszahl des Nutzechos (Rank of Ambiguity) Ordnungszahl des jeweils zu unterdrückenden EchosWavelength, D = SAR antenna length in the direction of flight speed of lightxg, v: = airspeed Ordinal number of the useful echo (Rank of Ambiguity) Ordinal number of the echo to be suppressed

Teil-
strejL*.
fenlPart-
strejL *.
fenl 11 1212th 11 1313th 1414th 1515th 1616 1717th 1212th 22 XX 22 33 44th 55 66th 1313th 33 29,929.9 28,528.5 30,930.9 32,132.1 32,832.8 33,233.2 1414th 44th 33,633.6 XX 28,628.6 31,031.0 32,232.2 32,932.9 1515th 55 34,134.1 29,929.9 XX 28,628.6 31,131.1 32,332.3 1616 66th 37,737.7 32,032.0 29,829.8 XX 28,728.7 31,231.2 1717th 39,239.2 35,835.8 33,433.4 2S,82S, 8 XX 28,728.7 37,637.6 35,735.7 33,333.3 29,829.8 XX

Mehrdeutigkeitsabstand η · zwischen Signalen aus dem Teilstreifen in dB.Ambiguity distance η between signals from the partial strip in dB.

-X--X-

/ιθ-/ ιθ-

Die für den beispielhaften Systementwurf ermittelten Mehrdeutigkeitsabstände ergeben durchweg solche Werte, daß für die ungünstigen Kombinationen ein Dynamikbereich von z. B. 20 dB mit einem noch verbleibenden Mehrdeutigkeitsabstand von 8,5 dB unter der Detektionsschwelle verarbeitet werden kann.The ambiguity distances determined for the exemplary system design consistently result in such values that a dynamic range of z. B. 20 dB with a any remaining ambiguity distance of 8.5 dB below the detection threshold can be processed.

Eine allgemeingültige Aussage über den parametrischen Bereich, in dem ähnliche Bedingungen herbeigeführt werden können, ergibt sich aus einer Analyse der Gleichung (1).A general statement about the parametric range in which similar conditions can be brought about results results from an analysis of equation (1).

Legt man von der Entkopplung π 10 dB als Störabstand für das Kleinste zu verarbeitende Signal fest,:so ergeben die Näherungsgleichung (2) und die damit errechneten Werte der nachfolgenden Tabelle für verschiedene Antennenlängen und Frequenzen ein Maß für die erreichbaren ungestörten Dynamikbereiche:If one defines π 10 dB from the decoupling as the signal-to-noise ratio for the smallest signal to be processed, the approximation equation (2) and the values calculated with it result in the following Table for different antenna lengths and frequencies a measure of the achievable undisturbed dynamic ranges:

Dynamikbereich BD = 33 - 10 Ig-Dynamic range BD = 33 - 10 Ig-

DHDH

dBdB

Dynamikbereiche in dBDynamic ranges in dB

3030th ,6, 6 2222nd ,9, 9 1919th ,0, 0 0.0. 5 GHz5 GHz Frequenzfrequency ff 2727 ,6, 6 1919th ,9, 9 1616 ,1,1 11 GHzGHz 2020th ,7, 7 1212th ,9, 9 99 ,1,1 55 GHzGHz 11 mm 55 mm 1010 mm Antennenlängen DHAntenna lengths DH

Die Tabelle zeigt, daß die Kombination von Kurzen Antennen (hohe Azimutauflösung) mit niedrigen Betriebsfrequenzen die höheren Dynamikbereiche ergibt. Niedrige Betriebsfrequenzen sind vorteilhaft zur Durchdringung von Belaubung und Radartarnung und für eine niedrige Sendeleistungsbilanz des SAR-Systems.The table shows that the combination of short antennas (high azimuth resolution) with low operating frequencies die results in higher dynamic ranges. Low operating frequencies are beneficial for penetrating foliage and radar camouflage and for a low transmission power balance of the SAR system.

3A307493A30749

Die nach dem N+12 bis N+17-ten Sendepuls zum Empfänger des SAR zurückkehrenden sechs Echos überlagern sich vom N+17-ten Sendepuls ab im gleichen Pulswiederholintervall PRI, wie in Abb. 4 dargestellt.The after the N + 12 to N + 17-th transmit pulse to the receiver of the SAR Returning six echoes are superimposed from the N + 17-th transmission pulse in the same pulse repetition interval PRI, as in Fig. 4 shown.

Echo 12 3 4 5 6Echo 12 3 4 5 6

PRlPRl

Abb. 4: EmpfangssignalFig. 4: Received signal

Dieses Signalgemisch wird im Sensor am Quadratur-Detektor synchron ins Basisband abgemischt und darauf am I- und Q-Ausgang von zwei parallelen Analog/Digital-Konvertern (in diesem Beispiel) mit je 3 Bit (6-Bit-Quantisierung) digitalisiert. Die I- und Q-Datenströme können nun z. B. in QPSK-Modulation einem Downlink-Träger aufmoduliert werden.This composite signal is synchronized in the sensor on the quadrature detector mixed into baseband and then at the I and Q outputs of two parallel analog / digital converters (in this example) digitized with 3 bits each (6-bit quantization). The I and Q data streams can now e.g. B. in QPSK modulation one Downlink carriers are modulated.

Eine Schrägentfernungsauflösung von 2.8 m, angepaßt an die gewählte Azimut-Auflösung, erfordert eine Bandbreite von 63 MHz und ergibt mit der angegebenen Quantisierung nach Pufferung des Datenstromes eine I+Q-Datenrate von 185 MB/s.A slant range resolution of 2.8 m, adapted to the selected one Azimuth resolution, requires a bandwidth of 63 MHz and results with the specified quantization after buffering the Data stream has an I + Q data rate of 185 MB / s.

Bei der Anwendung des diesem Patent zugrundeliegenden Prinzips ist zu beachten, daß sich bei gleichbleibender Bandbreite der zu berücksichtigende Dynamikbereich mit der Anzahl der zu überlagernden Echos (N) erhöht. Um die Bildqualität unabhängig von dieser Anzahl konstant zu halten, muß dies durch eine Erhöhung der Quantisierung (Q) abgefangen werden.When applying the principle on which this patent is based, it should be noted that the bandwidth of the Dynamic range to be taken into account increases with the number of echoes to be superimposed (N). To see the image quality regardless of To keep this number constant, this must be done by increasing it the quantization (Q) can be intercepted.

Q =2 log_o < N . 2
neu ²IQ = 2 log _o < N. 2
new ² I.

Daher erhöht sich die Datenrate bei der Überlagerung von N Streifen um den Faktor. K (bezogen auf die Datenrate eines einzelnen Streifens).Therefore, the data rate increases when N strips are superimposed by the factor. K (based on the data rate of a single strip).

(q .. + 6.73 log_1r. Ni
K ^ l_alt 10 /(q .. + 6.73 log _1r . Ni
K ^ l_alt 10 /

Q
^yaltQ
^y old

Dies bedeutet beispielsweise bei Q ,..= (3+3) Bit und N = 6 Streifen eine Erhöhung der Datenrate von 185 Mb/s auf 346.5 Mb/s nach der überlagerung.This means, for example, with Q, .. = (3 + 3) bits and N = 6 stripes an increase in the data rate from 185 Mb / s to 346.5 Mb / s after the overlay.

Bei herkömmlicher Datenübertragung wären 6 χ 185 Mb/s = 1.11 Gb/s 20Datenrate notwendig.With conventional data transmission 6 185 Mb / s = 1.11 Gb / s 20 data rate required.

In dem angeführten Beispiel wurden bisher SAR Streifen betrachtet, die auf einer Seite der Satellitenbahn liegen. Um jedoch die Möglichkeiten von Aufklärungssatelliten voll ausschöpfen zu können, werden diese beidseitig simultan messen und dadurch die doppelte Streifenbreite erzielen. Die bei herkömmlicher Datenübertragung auch dabei auftretende Verdopplung der Datenrate kann vermieden werden, indem man für die Pulsexpansion/Pulskompression im Sendetrakt auf beiden Seiten orthogonale Codes verwendet und die analogen, nochIn the example given, SAR strips have been considered so far, which are on one side of the satellite orbit. However, in order to fully exploit the possibilities of reconnaissance satellites, will measure them simultaneously on both sides and thus achieve double the width of the strip. The one with conventional data transmission The resulting doubling of the data rate can also be avoided by setting the pulse expansion / compression in the transmission tract orthogonal codes are used on both sides and the analog ones, still

30nicht komprimierten Echosignale zusammenführt, wobei sie zeitlich ineinander fallen. Die Bandbreite des Kombinationsechos entspricht dabei der Bandbreite eines Einzelechos und der Dynamikbereich verdoppelt sich. Das bedeutet, daß sich bei der Überlagerung die Datenrate um einen Betrag erhöht, der sich durch die bereits angegebenen30 merges uncompressed echo signals, whereby they are temporally fall into each other. The bandwidth of the combination echo corresponds to thereby the bandwidth of a single echo and the dynamic range doubles. This means that the data rate changes when the data is superimposed increased by an amount that differs from those already specified

- fib-- fib-

Formeln ermitteln läßt. Am Boden werden die Echos von beiden Seiten wieder aus dem Kombinationsecho extrahiert; wobei die bekannten Verfahren der Pulskompression/Dekodierung zur Anwendung kommen.Can determine formulas. On the ground, the echoes come from both sides extracted again from the combination echo; the known methods of pulse compression / decoding being used.

Es sei noch erwähnt, daß dieses Codemultiplex-Verfahren, das in diesem Beispiel die Echos beider Seiten unterscheidbar macht, auch auf die Streifen einer Seite (z.B. in Kombination mit dem Dopplerhistorie-Verfahren) angewendet werden kann. Dies erhöht jedoch den apparativen Aufbau an Bord unnötigerweise (geschachtelte ortho-It should also be mentioned that this code division multiplexing method, which is used in this example makes the echoes of both sides distinguishable, also on the stripes on one side (e.g. in combination with the Doppler history method) can be applied. However, this unnecessarily increases the equipment structure on board (nested ortho

lOgonale Codes) und wird daher nur bei sehr spezifischen Problemstellungen zu bevorzugen sein.lOgonal codes) and is therefore only used for very specific problems to be preferred.

Summa summarum erlaubt die Anwendung des hier beschriebenen Verfahrens neben.der Erzielung hoher Streifenbreiten (733 km) im ange-15gebenen Beispiel die Reduzierung der Datenübertragungsrate von 12 χ 185 Mb/s = 2220 Mb/s auf 409 Mb/s.All in all, the method described here can be used in addition to achieving high stripes (733 km) in the specified Example of reducing the data transfer rate from 12 χ 185 Mb / s = 2220 Mb / s to 409 Mb / s.

Die Anwendung dieses Verfahrens erfordert an der Bodenstation eine spezielle Verarbeitung der Rohdaten zur Trennung der überlagerten Teilinformationen. Dies wird im folgenden für die Streifen einer Seite beschrieben, die durch die Dopplerhistorien unterschieden werden. Die Datenverarbeitung bei Codemultiplex und Pulskompression wird als hinreichend bekannt vorausgesetzt.The application of this method requires special processing of the raw data at the ground station to separate the superimposed Partial information. This is explained below for the Strip of a page described by the Doppler histories can be distinguished. Data processing with code division multiplexing and pulse compression is assumed to be sufficiently known.

Diese ist in "Fig. 1 zusammengefaßt. Ausgehend von den SAR Rohdaten nach Pulskompression*(A) , welche z. B. in digitaler, komplexer Form vorliegen, wird die synthetische Apertur für die 6 Bildstreifen gebildet. Dies erfolgt durch Hintereinanderfügen der relevanten Echoteile·(Corner Turn, Range Walk Compensation) im Speicher SP(I), Transformieren in den Frequenzbereichen mittels einer "Fast Fourier Transform" FFT (2), Multiplizieren (3, >) mit 6 undThis is summarized in "Fig. 1. Based on the SAR raw data after pulse compression * (A), which z. B. in digital, complex form, the synthetic aperture for the 6 image strips educated. This is done by adding the relevant echo parts one behind the other (corner turn, range walk compensation) in the memory SP (I), transforming in the frequency domains by means of a "Fast Fourier Transform" FFT (2), multiply (3,>) by 6 and

1-01-0

Rücktransformieren in den Zeitbereich (5). An dieser Stelle liegen die SAR Bilder für die 6 Streifen in den Datenkanälen K1-K6 vor. Alle 6 Bildstreifen beinhalten noch Störziele (Ambiguities) aus den anderen Bereichen, welche jedoch bereits um einen beträchtlichen Betrag (Formel 1) unterdrückt sind. Durch zusätzliche Da-Transform back into the time domain (5). Lie at this point the SAR images for the 6 strips in the data channels K1-K6. All 6 image strips still contain ambiguities from the other areas, which, however, are already suppressed by a considerable amount (Formula 1). Through additional data

2Otenverarbeitung ist es möglich, diese Störungen, die von besonders starken Punktzielen der Nachbarstreifen herrühren, noch weiter zu unterdrücken. Ein Schwellwertdetektor (6) extrahiert aus allen 6 Kanälen die harten Punktziele. Nach Umsetzen in den Frequenzbereich (10) wird durch Multiplikation mit speziellen Referenzfunktionen ermittelt, wie sich diese Punktziele in den Nachbarbereichen abbilden. Das Beispiel in Bild 1 zeigt dies für die Punktziele der Kanäle 2-6. Sie werden mit den Referenzfunktionen (12) R 2/1 bis R 6/1 multipliziert (11,__) und dadurch in den Bereich des Kanals2Other processing it is possible to detect these disturbances by especially result from strong point targets of the neighboring strips to suppress even further. A threshold detector (6) extracts from all 6 Channels the hard point targets. After conversion to the frequency range (10), multiplication with special reference functions determines how these point targets are mapped in the neighboring areas. The example in Figure 1 shows this for the point targets of the Channels 2-6. They are multiplied (11, __) with the reference functions (12) R 2/1 to R 6/1 and thus in the range of the channel

*Hier liegen bereits die durch Codemultiplex trennbaren Echos separat vor und werden im folgenden genau gleich verarbeitet.* The echoes that can be separated by code division multiplex are already located here separately and are processed in exactly the same way below.

-γί--γί-

umgesetzt. Nach der Summierung der 5 Störkanäle (15) und Umsetzung in den Zeitbereich (16) liegt ein SAR-Bild vor, das nur die Hauptstörungen zeigt, wie sie im ersten Bildstreifen existieren. Dieses Störbild wird quadriert (17) um die Beträge der Graustufen zu erhalten. Durch Negierung (18) und anschließende Summation (S₁) wird der Korrekturkanal KKl vom Nutzkanal - welcher vorher auch quadriert wurde (7) subtrahiert. Dies wird in der gleichen Weise für alle 6 Bildstreifen durchgeführt (O_1-6). An dieser Stelle im Bild nicht dargestellt - würde die Bildinformation der anderen Seite, die parallel verarbeitet wurde/ eingefügt und somit liegen die korrigierten SAR-Bilder aller Streifen vor. Es schließt sich derj. bei militärischen Anwendungen bereits übliche, Detektionsprozeß. DP (9) an , der relevante von irrelevanter Bildinformation trennt. Nun können den SAR-Bildern noch geographische Informationen G (19) wie z.B. Karten, Markierungspunkte, die Positionen von bekannten Einheiten und Bewegtzielvektoren BZÜ (20), welche speziell erzeugt werden (13), überlagert werden, bevor die Bilder einer "False Alarm Management" Einheit FAM (21) zugeführt werden. In der FAM Einheit wird entschieden, welche Daten (C ) wohinimplemented. After summing up the 5 interference channels (15) and converting them into the time domain (16), a SAR image is available which only shows the main interference as it exists in the first image strip. This interfering image is squared (17) in order to obtain the absolute values of the gray levels. By negation (18) and subsequent summation (S ₁ ), the correction channel KKl is subtracted from the useful channel - which was previously also squared (7). This is done in the same way for all 6 image strips (O _1-6 ). Not shown in the image at this point - the image information from the other side, which was processed in parallel, would be inserted and the corrected SAR images of all stripes are therefore available. The j. Detection process already common in military applications. DP (9), which separates relevant from irrelevant image information. Geographical information G (19) such as maps, marker points, the positions of known units and moving target vectors BZÜ (20), which are specially generated (13), can now be superimposed on the SAR images before the images are subjected to false alarm management "Unit FAM (21). In the FAM unit it is decided which data (C) should go where

ei XX verteilt werden. ei XX are distributed.

Bei Radarsystemen werden heute Transponder (siehe Patent No S. 424* vom 28.2..$^ )eingesetzt, die sich im, vom Radar überstrahlten Gebiet befinden. Abgesehen von ihrer Verwendung zu Täuschungszwecken, wobei sie Scheinziele in das SAR-Bild einblenden, können sie auch dazu dienen, Geheiminformation aus dem vom SAR überwachten Gebiet via SAR zu übertragen (Freund-/Feinderkennung, g.eheime Nachricht).In radar systems today, transponders (see patent no. P. 424 * dated 28.2 .. $ ^ ) are used, which are located in the area that is overshadowed by the radar. Apart from their use for deceitful purposes, whereby they show fake targets in the SAR image, they can also serve to transmit secret information from the area monitored by the SAR via SAR (friend / foe identification, g.secret message).

Dieses Verfahren hat den Vorteil hoher Abhörsicherheit, da die Transponderausgangssignale von den natürlichen Radarreflexionen des, den Transponder umgebenden, Terrains kaum zu unterscheiden sind und erst durch das SAR und dessen Prozessdatenverarbeitung herausgefiltert werden. Die kurze Betriebszeit des Transponders (~1-5 see) während des SAR Überflugs wirkt sich zudem günstig *?at. Nc. 13.2.2 863 This method has the advantage of high security against eavesdropping, since the transponder output signals can hardly be distinguished from the natural radar reflections of the terrain surrounding the transponder and are only filtered out by the SAR and its process data processing. The short operating time of the transponder (~ 1-5 see) during the SAR overflight is also beneficial *? At. Nc. 13.2.2 863

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auf Abhörsicherheit und Schutz vor Ortung durch feindliche elektronische Maßnahmen aus.to security against eavesdropping and protection against location by hostile electronic Measures.

Solche Transpondersignale werden, wie am Ende dieser Abhandlung beschrieben, in der Transponder-Informationseinheit TI (14) aus den SAR-Rohdaten extrahiert und an die FAM Einheit weitergegeben.Such transponder signals are given at the end of this paper described in the transponder information unit TI (14) the SAR raw data is extracted and passed on to the FAM unit.

Der letzte Schritt in der Datenverarbeitungskette ist die Ausgabe der endgültigen strategischen SAR-Bilder SB(22).The last step in the data processing chain is the output of the final strategic SAR images SB (22).

Erwähnenswert ist noch, daß- zur gesamten Datenverarbeitung zusätzliche Informationen B über aktuelle Meßzeit und.Meßgeometrie des SAR sowie über dessen Momentangeschwindigkeitsvektor benötigt werden. Es wird vorausgesetzt, daß im Zuge der SAR DatenverarbeitungIt is also worth mentioning that additional to the entire data processing Information B about the current measurement time and measurement geometry of the SAR as well as its instantaneous velocity vector are required. It is assumed that in the course of the SAR data processing

■^5 SAR-"typische Korrekturen (z. B. Antennenausrichtungskorrektur, Korrektur der Erdrotation) durchgeführt werden, auf die im einzelnen hier nicht eingegangen wird, da sie Stand der Technik sind.■ ^ 5 SAR- "typical corrections (e.g. antenna alignment correction, Correction of the earth's rotation), which will not be discussed in detail here, since they are state of the art.

• Ein besonderes Problem bei langintegrierenden Radarsystemen zu denen das SAR gehört, ist die Bewegtziel-Analyse BA (13), die in Bild 2 dargestellt ist. Durch die Ortsveränderung während der Integrationszeit verschmiert die Echoenergie des Bewegtziels und verschlechtert dadurch die Zielauflösung im SAR-Bild. Dies geschieht in der Azimut-Richtung bedingt durch die Abweichung von der erwarteten Phasenhistorie und in der Entfernung bedingt durch die somit fehlerhafte "Range Walk"-Kompensation. Phasenhistorie und "Range Walk"-Kompensation können im Prozessor an das Bewegtziel angepasst werden (Referenzfunktionsänderung) wenn der Geschwindigkeitsvektor des Ziels bekannt ist. Eine SAR-Bewegtziel-Analyse kann somit in folgenden Schritten durchgeführt werden.• A particular problem with long-term integrating radar systems to those which belongs to SAR is the moving target analysis BA (13), which is shown in Figure 2. Due to the change of location during the integration period smears the echo energy of the moving target and thereby worsens the target resolution in the SAR image. this happens in the azimuth direction due to the deviation from the expected phase history and in the distance due to the thus incorrect "range walk" compensation. Phase history and "range walk" compensation can be adapted to the moving target in the processor (reference function change) if the speed vector the target is known. A SAR moving target analysis can thus be carried out in the following steps.

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1. Erkennen eines Bewegtziels1. Detecting a moving target

Wie in Fig. 2 dargestellt, werden aus den SAR-Rohdaten A pro Streifen je 2 Bilder (Subapertüren) erzeugt, wobei pro Bild jeweils nur die Hälfte der Echos pro Ziel verwendet werden (halbe Integrationszeit) . Die dabei auftretende, geringfügige Verschlechterung der geometrischen Auflösung in Azimut wird in Kauf genommen. Dazu werden die Echos im Speicher SP (23) (Cornier Turn Memory) sortiert und ,in den Frequenzbereich transformiert (24). Durch die Filter (25) werden positiver und negativer Zweig der Dopplerhistorie separiert und mit den normalen Referenzfunktionen der.Bildstreifen R 1-6 (34) multipliziert (26). Die anschließende Rücktransformation in den Zeitbereich (27) und Quadrierung (28) erzeugt zwei SAR Bilder pro Streifen. Diese beiden Bilder unterscheiden sich (Speckle vernachlässigt) nur durch ihren mittleren Meßzeitpunkt, da ein Ziel zeitlich zuerst den positiven Ast und danach den negativen Ast der Dopplerhistorie erzeugt. Subtrahiert man ein Bild vom anderen (29,30) , so verbleiben die Ziele, die während der Integrationszeit ihren Standort verändert haben. Die dafür notwendige Voraussetzung, daß die Eigenbewegung der SAR-Plattform sehr viel schneller sein muß als das Bewegtziel, ist bei Satellitenanwendung (w 25000 km/h) immer gegeben.As shown in FIG. 2, 2 images (sub-apertures) are generated from the SAR raw data A per strip, with per image only half of the echoes per target are used (half the integration time). The minor one that occurs Deterioration of the geometric resolution in azimuth is accepted. For this purpose, the echoes in the memory SP (23) (Cornier Turn Memory) sorted and transformed into the frequency range (24). The filters (25) become more positive and negative branch of the Doppler history separated and with the normal reference functions of the image strips R 1-6 (34) multiplied (26). The subsequent reverse transformation into the time domain (27) and squaring (28) produces two SAR images per strip. These two images differ (speckle neglected) only in their mean measurement time, because a target first generates the positive branch and then the negative branch of the Doppler history. Subtracted if one takes a picture of the other (29,30), the goals remain that have changed their location during the integration period. The prerequisite for this that the SAR platform's own movement must be much faster than the moving target, is always given in satellite applications (w 25,000 km / h).

2. Bestimmen des Geschwindigkeitsvektors2. Determine the speed vector

Jedes verbleibende Bewegtziel bildet ein Doppelziel mit einem positiven und einem negativen Maximum. Die Verbindungslinie vom positiven zum negativen Maximum kann direkt als mittlerer Geschwindigkeitsvektor interpretiert werden. Bei unserem Beispiel würden die Maxima bei einem Fahrzeug mit 40 km/h etwa 20 m bei einem Flugzeug mit 400 km/h etwa 200 m und bei 2-facher Schallgeschwindigkeit etwa 1 km auseinanderliegen.Each remaining moving target forms a double target with a positive and a negative maximum. The connecting line from the positive to the negative maximum can be interpreted directly as an average velocity vector. In our example the maxima would be around 20 m for a vehicle traveling at 40 km / h, approximately 200 m for an aircraft traveling at 400 km / h and twice as much The speed of sound is about 1 km apart.

Diese Bewegtzielvektoren werden im Geschwindigkeits-Detektor GDT (31) ermittelt.These moving target vectors are determined in the speed detector GDT (31).

3. Feinauflösung und Ortsbestimmung3. Fine resolution and location determination

Die detektierten Bewegtziele würden nicht notwendigerweise im richtigen Kanal entdeckt, daher ist es notwendig, alle 6 Referenzfunktionen zu korrigieren (35) und für alle 6 Streifen am vermeindliehen Ort eines Bewegtziels ein SAR Bild zu erzeugen.The detected moving targets would not necessarily be found in the correct channel, so it is necessary to use all 6 reference functions to correct (35) and to generate a SAR image for all 6 stripes at the avoidance location of a moving target.

Das Bewegtziel wird danach nur im richtigen Streifen fokussiert. Um den Rechenaufwand in Grenzen zu halten, werden im SAR Streifen Bewegtziel Sektoren BS (32) bestimmt. Die diesen Sektoren zugehörenden Rohdaten werden durch den Bewegtziel-Rohdaten-Selektor BRS .(36) vom zentralen SAR Rohdatenspeicher ZSP (33) abgerufen und der bereits beschriebenen SAR Bilderzeugung (37, 38, 39.,, 40) zugeführt, die nun mit den korrigierten Referenzfunktionen RB 1-6 (35). arbeitet. Dadurch entstehen am Ausgang der Rüektransformation (40) SAR Teilbilder, in denen nur die entsprechenden Bewegtziele im richtigen Streifen scharf abgebildet sind; Festziele sind verschwommen dargestellt. Der anschließende Ortsdetektor ODT (41) klassifiziert und bewertet (zählen bei Verbänden) die Bewegtziele und stellt ihren Ort fest. Danach werden die Bewegt ziele vektor isiert (42) und als Bewegtzieldaten D an die BewegtZielüberlagerung (Fig. 1: 20) weitergeleitet.The moving target is then only focused in the correct strip. In order to keep the computational effort within limits, moving target sectors BS (32) are determined in the SAR strip. Those belonging to these sectors Raw data are called up by the moving target raw data selector BRS. (36) from the central SAR raw data memory ZSP (33) and the SAR image generation already described (37, 38, 39. ,, 40), which are now supplied with the corrected reference functions RB 1-6 (35). is working. This results in the reverse transformation at the output (40) SAR partial images in which only the corresponding moving targets are shown in focus in the correct stripe; Fixed goals are shown blurred. The subsequent location detector ODT (41) classifies and evaluates (count for associations) the moving targets and determines their location. Then the moving targets are vectorized (42) and sent as moving target data D to the MovedTarget Overlay (Fig. 1:20) forwarded.

Im Vorangegangenen wird unter anderem der Einsatz eines transparenten SAR Transponders beschrieben. Solch ein Transponder kann gezielt die Dopplerhistorie durch Dopplermodulation des Echos verfremden. Um diese Transponderinformation zu extrahieren werden, wie in Fig. 3 gezeigt, die SAR Rohdateri A sortiert (43) , in die Fre·In the foregoing, among other things, the use of a transparent SAR transponders described. Such a transponder can target the Doppler history by Doppler modulation of the echo alienate. To extract this transponder information, As shown in Fig. 3, the SAR raw data A sorts (43), into which

quenzebene transformiert (44) und mit einer sogenannten Transponder-Referenzfunktion TR (49) multipliziert, welche sich aus äer normalen SAR Referenzfunktion,die zum Standort des Transponders gehört, und der Transponder Dopplermodulation zusammensetzt. Die Rücktransformation (46) in den Zeitbereich, Detektion DT (47) und Dekodierung DK (48) beenden den Extraktionsprozess der Information.sequence level transformed (44) and with a so-called transponder reference function TR (49) multiplied, which results from the normal SAR reference function for the location of the transponder heard, and the transponder composes Doppler modulation. The reverse transformation (46) in the time domain, detection DT (47) and decoding DK (48) terminate the information extraction process.

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Claims (5)

STREIFENVERBREITERUNG UND DATENREDUKTION BEI AUFKLÄRUNGSRADARS MIT SYNTHETISCHER APERTUR (SAR)
PATENTANSPRÜCHESTRIP WIDENING AND DATA REDUCTION IN RESOLUTION RADARS WITH SYNTHETIC APERTURE (SAR)
PATENT CLAIMS 1 . Verfahren zur Streifenverbreiterung und Datenreduktion bei Synthetik Apertur Radars (SAR) dadurch gekennzeichnet, daß bei einem abbildenden Radarsystem auf einer bewegten Plattform, das nach dem Prinzip der synthetischen Apertur arbeitet, die Echos von Zielen aus mehreren Entfernungsbereichen (Ambiguity-Zonen) gleichzeitig in einem gemeinsamen Empfangskanal empfangen, gemeinsam zum Boden übertragen und dort durch Ausnützung der jedem einzelnen Bereich eigenen Dopplerhistorie wieder getrennt werden, wobei für die Übertragung der SAR-Rohdaten zum Boden eine Übertragungskapazität nötig ist, die deutlich unter der. Kapazität liegt, die. nötig ist, wenn die Echos aus den Entfernungsberexchen separat zum Boden übertragen werden.1 . Procedure for strip broadening and data reduction Synthetic aperture radars (SAR) characterized in that in the case of an imaging radar system on a moving platform, which works on the principle of synthetic aperture, the echoes of targets from several distance ranges (Ambiguity zones) received simultaneously in a common receiving channel, transmitted together to the ground and through there Utilization of the Doppler history specific to each individual area can be separated again, whereby for the transmission of the SAR raw data a transmission capacity is required to the ground that is well below the. Capacity is that. is necessary if the Echoes from the distance range are transmitted separately to the ground. 2. Ein Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß, nach Erzeugung der SAR Bilder, Ambiguity-Störungen aus den Nachbarbereichen dadurch zusätzlich unterdrückt werden, daß starke Ziele in den SAR Bildern der Nachbarbereiche detektiert, deren Ambiguity-Wirkungen durch Ausnutzung des a priory Wissens über die Ambiguity-Funktion analysiert und diese Ergebnisse zur Korrektur der Bilder verwendet werden.2. A method according to claim 1, characterized in that, after generating the SAR images, ambiguity disturbances from the Neighboring areas are additionally suppressed by detecting strong targets in the SAR images of the neighboring areas, analyze their ambiguity effects by using the a priory knowledge about the ambiguity function and analyze these results can be used to correct the images. 3. Ein Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß durch Unterteilen der SAR Bilder in Subaperturbilder, Analyse der Unterschiede zwischen den Subaperturbildern und erneuter Erzeugung voll aufgelöster SAR Bilder des gleichen Gebietes mit, auf der Basis des Analyseresultats, geänderter Referenzfunktionen Bewegtziele detektiert, voll aufgelöst und vektorisiert werden.3. A method according to claims 1 and 2, characterized in that that by dividing the SAR images into sub-aperture images, analyzing the differences between the sub-aperture images and renewed generation of fully resolved SAR images of the same area with modified ones on the basis of the analysis result Reference functions moving targets can be detected, fully resolved and vectorized. - ΙΑ. Ein Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß von einem am Boden oder in einem Bewegtziel angeordneten transparenten SAR Transponder eine bildfremde Nachricht dadurch übertragen wird, daß der Transponder dem SAR Echo eine spezielr Ie, im System sonst nicht vorkommende Dopplerhistorie aufmoduliert, die erlaubt, im Rahmen des SAR Processings die Transpondersignale wieder von den natürlichen Echos zu trennen.- ΙΑ. A method according to claim 1, characterized in that a transparent SAR transponder arranged on the ground or in a moving target transmits a non-image message in that the transponder modulates a special Doppler history, which otherwise does not occur in the system, on the SAR echo, which allows the To separate the transponder signals from the natural echoes again as part of SAR processing. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1-4 dadurch gekennzeichnet, daß das angegebene Verfahren mit den bekannten Verfahren des Codemultiplex bei der Pulserzeugung/Pulsexpansion derart kombiniert wird,.daß zusätzlich gleichzeitig einlaufende Echos im Empfänger zusammengeführt, zum Boden übertragen und dort bei der Pulskompression/Dekodierung wieder getrennt werden, wobei eine Übertragungskapazität nötig ist, die deutlich unter der Kapazität liegt, die nötig ist, wenn diese Echos separat zum Boden übertragen werden.5. The method according to claims 1-4, characterized in that the specified method with the known method of code division multiplex is combined in the pulse generation / pulse expansion in such a way that additional echoes arriving at the same time in the receiver merged, transmitted to the ground and there during the pulse compression / decoding be separated again, whereby a transmission capacity is required that is well below the capacity which is necessary if these echoes are transmitted separately to the ground.