Bewegungskompensation und Autofokussierung von SAR-Rohdaten mit großem Schielwinkel

摘要

Two-dimensional images of the surface of the Earth can be generated from the raw data of a synthetic aperture radar (SAR). Here, the radar motion errors must be fully compensated. In this work, three new algorithms for SAR image generation of an airborne pulsed SAR system in highly squinted spotlight mode are developed and presented. The standard Omega-K algorithm is for the first time modified in order to separately process the range cell migration correction and the azimuth compression without approximations even with large squint angles of up to 60°. The proposed approach for motion compensation consists of two components. The refined first-order motion compensation is characterized by a decoupled calculation and compensation of the effects of the phase error and the run-time error. It yields reliable results for SAR systems with a very large squint angle (up to 60°). The second-order motion compensation calculates and compensates the existing residual phase error in consideration of the squint angle for individual pixels in the spot. The estimation method for autofocus developed in this thesis calculates the phase error of the SAR data after the range cell migration correction in the two-dimensional spatial domain. Its first step is the extraction of the azimuth signals of strong reflectors from the SAR data. Strong reflectors are distinguished from their adjacent neighborhood. To minimize the estimation error, for their evaluation and selection, quality parameters are introduced. In the second step, the corresponding phase errors of the individual strong reflectors are estimated. The third and final step is the calculation of the total phase error of the estimated phase errors of every single strong reflector. It is shown that based on synthetic and real SAR raw data, image generation with the developed methods yields the optimal image quality for a X-band SAR system at a squint angle of 15°. With the developed system, the azimuth resolution measured by using a corner reflector is improved by a factor of 2.5 compared to the reference system and reaches the technical limit of 0.24 m of the real SAR system.%Aus den Rohdaten eines Radars mit synthetischer Apertur (SAR) lassen sich zweidimensionale Abbildungen der Erdoberfläche erzeugen. Dabei müssen die Bewegungsfehler des Radarträgers möglichst genau kompensiert werden. In der vorliegenden Arbeit werden drei neue Algorithmen für die Bildgenerierung von SAR-Rohdaten eines luftgestützten, gepulsten SAR-Systems im Spotmodus mit großem Schielwinkel entwickelt und vorgestellt. Der klassische Omega-K-Algorithmus wird erstmals so modifiziert, dass es möglich ist, die Rangemigration-Korrektur und die Azimutkompression auch bei großem Schielwinkel bis 60° approximationsfrei und separat zu verarbeiten. Die entwickelte Bewegungskompensation setzt sich aus zwei Komponenten zusammen. Die verfeinerte erste Bewegungskompensation zeichnet sich durch eine entkoppelte Berechnung der Effekte des Phasenfehlers und des Laufzeitfehlers aus und liefert bei SAR-Systemen mit sehr großem Schielwinkel (bis 60°) zuverlässige Ergebnisse. Bestehende Restphasenfehler berechnet und korrigiert die zweite Bewegungskompensation unter Berücksichtigung des Schielwinkels für die individuellen Bildpunkte im Spot. Das im Rahmen dieser Dissertation entwickelte Schätzverfahren für die Autofokussie-rung ermittelt den Phasenfehlerverlauf aus den rangemigration-korrigierten SAR-Daten im zweidimensionalen Ortsbereich. Dafür werden im ersten Schritt die Azimutsignale starker Reflektoren, die sich aus ihrer unmittelbaren Umgebung besonders hervorheben, aus den SAR-Daten extrahiert. Für die Bewertung und Auswahl der starken Reflektoren werden Gütemaße eingeführt, welche den Schätzfehler minimieren. Im zweiten Schritt der Schätzung werden die zugehörigen Phasenfehlerverläufe der einzelnen starken Reflektoren geschätzt sowie deren Gültigkeitsbereiche bestimmt. Der dritte und letzte Schritt der Schätzung ist die Berechnung des Gesarntphasenfehlerverlaufs aus den geschätzten Pha-senfehlerverläufen der einzelnen starken Reflektoren. Anhand synthetischer und realer SAR-Rohdaten im X-Band wird gezeigt, dass mit Hilfe der entwickelten Verfahren die systemtechnisch optimale Bildqualität bei einem Schielwinkel des Beispiels von 15° erreicht wird. Die mit Hilfe eines Winkelreflektors gemessene Azimutauflösung im realen SAR-Bild wird im Vergleich zum Referenzsystem auf das 2,5-Fache verbessert und erreicht den systemtechnischen Grenzwert von 0,24 m.