Diese Arbeit befasst sich mit der Modellierung eines interferometrischen Synthetischen Aperature Radar INSAR. Da der Betrieb eines INSAR, insbesondere in Hinsicht auf die Kosten, mit relativ großem Aufwand verbunden ist, stellt die Modellierung eine Möglichkeit dar, das INSAR simulativ zu betreiben.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde dazu eine Simulationsumgebung entwickelt, welche die Prozesse des INSAR - angefangen von der Aufzeichnung von Radardaten, so genannter Rohdaten, bis zur Erstellung des Höhenmodells - simuliert. Die durch die Simulation gewonnenen Ergebnisse können dann weiter verwendet werden, um aufbauend auf den INSAR-Daten eine Navigationslösung zu entwickeln.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 SAR Grundlagen
2.1 Die synthetische Apertur
2.1.1 Squintwinkel
2.1.2 Auflösung in Azimutrichtung
2.1.3 Auflösung in Entfernungsrichtung
2.2 SAR Betriebsmodi
2.3 Aufnahmeverhalten von Punktzielen
2.3.1 Entfernungsvariation
2.3.2 Dopplerschwerpunkt
2.3.3 Systemantwort
2.3.4 Impulsantwort
2.4 Multilook-Verarbeitung
3 SAR Verarbeitung
3.1 Grundsätzliches zur SAR-Verarbeitung
3.2 Range-Doppler-Verfahren
3.3 Wavenumber Verfahren
3.4 Extended Chirp Scaling Verfahren
3.4.1 Chirp Scaling
3.4.2 Entfernungskompression
3.4.3 Phasenkorrektur
3.4.4 Azimutkompression
3.4.5 Bewegungskompensation
4 Interferometrisches SAR
4.1 INSAR Betriebsmodi
4.2 Across-Track-Interferometrie
4.2.1 Aufnahmegeometrie
4.2.1.1 Kohärenz
4.2.1.2 Speckle-Rauschen
4.2.2 Koregistrierung
4.2.3 Geländemodellberechnung
5 Phase Unwrapping
5.1 Branch-cut Ansatz
5.2 Least-Squares Ansatz
6 Simulationsprogramm
6.1 Aufbau und Komponenten
6.2 Testergebnisse
6.2.1 Rohdatengenerierung und SAR Verarbeitung
6.2.2 Phase Unwrapping
6.2.3 Gesamtsystem
6.3 Grenzen
6.3.1 Speckle-Rauschen
6.3.2 Least-Squares Methode - Störanfälligkeit
7 Zusammenfassung und Ausblick
A Fourier Transformation
A.1 Schnelle Fourier-Transformation (FFT)
A.2 Rechenregeln der Fourier Transformation
A.2.1 Faltung
A.2.2 Verschiebung im Zeitbereich
Zielsetzung & Themen
Diese Arbeit widmet sich der Entwicklung eines Simulationsprogramms für ein interferometrisches Synthetisches Apertur Radar (INSAR), um die notwendigen Prozesse für eine terrainbasierte Flugzeugnavigation mittels Höhenmodellierung abzubilden und zu evaluieren.
- Grundlagen des Synthetischen Apertur Radars (SAR) und verschiedener Betriebsmodi
- Prozessierung von SAR-Rohdaten mittels Extended Chirp Scaling Verfahren
- Methoden der interferometrischen Radar-Signalverarbeitung (INSAR)
- Ansätze zur Phasenauflösung (Phase Unwrapping)
- Implementierung eines Simulationssystems und dessen Validierung anhand von Testdaten
Auszug aus dem Buch
2.1 Die synthetische Apertur
Um die Bildung der synthetischen Apertur im Stripmap Modus zu erklären soll nun zunächst die Aufnahmegeometrie der synthetischen Apertur an einem Beispiel näher erläutert werden. Hierzu wird angenommen, dass das Flugzeug in Abbildung 2.1 entlang einer geraden Trajektorie mit konstanter Geschwindigkeit in x- Richtung fliegt. Die Flugrichtung wird auch als Azimutrichtung bezeichnet. Das Radar, welches hier seitlich am Flugzeug montiert sein soll, sendet und empfängt mit einer festgelegten Wiederholrate, der Radarpulsfrequenz P RF.
Als Abstrahlrichtung des Hauptmaximums der Radarkeule wird üblicherweise die Richtung gewählt, die im rechten Winkel zur Azimutrichtung steht. Durch den durch die Antenne gegebenen Öffnungswinkel wird mit jedem Radarpuls das jeweilige Zielgebiet beleuchtet. Auf diese Weise wird im Vorbeiflug mit mehreren Radarpulsen ein Streifen der Breite S beleuchtet (daher der Name Stripmap Modus).
Das Trägersignal wird nach dem Senden im Zielgebiet zurückgestreut und nach einer bestimmten Signallaufzeit, die von der Zielentfernung r abhängt, wieder empfangen. Hierzu schaltet das Radar nach dem Senden des Pulses auf Empfang um. Häufig verwendete Trägersignalwellenlängen für Radar befinden sich im Bereich von 3cm bis 30cm. Die Zielentfernung r selbst variiert bei einem geraden Vorbeiflug in Azimutrichtung (bzw. x) nach Gleichung 2.1. r0 ist als kürzeste Entfernung zwischen Ziel und Sender während des Vorbeifluges zu verstehen.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung stellt die Motivation für ein INSAR-gestütztes Navigationssystem dar und gibt einen Überblick über den Aufbau der Arbeit.
2 SAR Grundlagen: In diesem Kapitel werden die physikalischen Prinzipien des SAR, die Betriebsmodi sowie das Aufnahmeverhalten von Punktzielen erläutert.
3 SAR Verarbeitung: Dieser Abschnitt beschreibt Algorithmen zur SAR-Rohdatenverarbeitung, insbesondere das Extended Chirp Scaling Verfahren.
4 Interferometrisches SAR: Hier werden die Grundlagen der Radar-Interferometrie, der Prozesskette zur Geländemodellberechnung und die Rolle der Baseline behandelt.
5 Phase Unwrapping: Es werden Methoden zur Auflösung der Phasenmehrdeutigkeit, speziell der Branch-cut und der Least-Squares Ansatz, diskutiert.
6 Simulationsprogramm: Dieses Kapitel stellt das implementierte C++ Simulationsprogramm vor und präsentiert die Evaluierung der Testergebnisse.
7 Zusammenfassung und Ausblick: Diese Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung der Ergebnisse und Vorschlägen zur Verbesserung des Simulationssystems ab.
Schlüsselwörter
Synthetisches Apertur Radar, SAR, Interferometrie, INSAR, Terrainnavigation, Signalverarbeitung, Extended Chirp Scaling, Phase Unwrapping, Least-Squares, Speckle-Rauschen, Rohdatengenerierung, Simulationsprogramm, Geländemodell, Radarpulsfrequenz, Dopplerbandbreite.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Diplomarbeit befasst sich mit der Simulation eines interferometrischen Synthetischen Apertur Radars (INSAR) für die Nutzung in der Flugzeugnavigation.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Die zentralen Themen umfassen SAR-Grundlagen, frequenzbasierte SAR-Verarbeitungsalgorithmen (wie das Extended Chirp Scaling Verfahren), INSAR-Prozessketten und Phase-Unwrapping-Methoden.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Hauptziel ist die Entwicklung und Evaluierung eines Simulationsprogramms, das Radardaten generiert und prozessiert, um daraus topografische Geländemodelle für die Navigation zu erstellen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit nutzt mathematische Modellierung und Simulation der SAR-Signalwege, wobei für die Datenverarbeitung insbesondere das Extended Chirp Scaling Verfahren sowie der Least-Squares Ansatz für das Phase Unwrapping zum Einsatz kommen.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Herleitung der SAR- und INSAR-Verfahren, die detaillierte Beschreibung der Signalverarbeitungsschritte und die Vorstellung eines in C++ entwickelten Simulationsprogramms.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind SAR, INSAR, Extended Chirp Scaling, Phase Unwrapping, Least-Squares, Speckle-Rauschen, Bildverarbeitung und Simulationsmodellierung.
Was unterscheidet das Extended Chirp Scaling von anderen Verfahren?
Es bietet den Vorteil einer linearen Skalierungsmethode, die keine zeitaufwändige Interpolation im Frequenzbereich erfordert und eine hohe Phasengenauigkeit erreicht.
Warum ist das "Phase Unwrapping" für die INSAR-Prozessierung so wichtig?
Da Radardaten die Phase nur modulo 2π liefern, ist ein Phase Unwrapping notwendig, um die tatsächliche absolute Phase zu rekonstruieren, die für die Berechnung des Geländemodells unerlässlich ist.
Welche Rolle spielt das Speckle-Rauschen bei der Simulation?
Speckle-Rauschen beeinträchtigt die Qualität der SAR-Bilder und stellt eine Herausforderung für die Genauigkeit der Geländeabbildung dar, weshalb es im Simulationsmodell gezielt analysiert wird.
- Quote paper
- Bastian Hartmann (Author), 2007, Modellierung eines Interferometrischen Synthetischen Aperature Radars für die Navigation, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/176748
