präambel - ZESS - Universität Siegen

Transcrição

- PRÄAMBEL Zentrum für
Sensorsysteme
Universität Siegen
Paul-Bonatz-Str. 9-11
D-57068 Siegen
www.zess.uni-siegen.de
Prof. Dr. O. Loffeld
[email protected]
BISTATIC
EXPLORATION
Forschungsinstitut für
Hochfrequenzphysik und
Radartechnik
FGAN
Neuenahrer Straße 20
D-53343 Wachtberg
www.fhr.fgan.de/fhr
Prof. Dr. J. Ender
[email protected]
Tel. 0271 / 740 3125
FAX: 0271 / 740 4018
Tel.: 0228 / 9435 227
Fax: 0228 / 9435 627
Forschungszentrum für Multidisziplinäre Analysen
und Angewandte Systemoptimierung
Universität Siegen
Am Eichenhang 50
D-57068 Siegen
www.fomaas.de
Prof. Dr. W. Wiechert
[email protected]
Tel.: 0271 / 740 4727
Fax: 0271 / 740 2756
Stichworte
Bi- und multistatisches SAR (Synthetic Aperture Radar), mathematische
Modellbildung, Signalverarbeitung für bistatische SAR-Systeme, Algorithmen zur
SAR-Bilderzeugung für bistatische Geometrien, optimierte bistatische SARProzessoren,
Rohdatensimulation,
Parameterestimation,
Positionsund
Lagebestimmung durch Fusion von GPS- und INS-Daten, Simulation von Flugbahnen,
adaptive kooperative Diagrammsteuerung, Synchronisation in bi- und multistatischen
Systemen, Missionsdurchführung zur Gewinnung experimenteller bistatischer
Rohdaten (TerraSAR-X Unterfliegung), interaktive Visualisierung von 2D- und 3DSAR-Bildern
- PRÄAMBEL BISTATIC EXPLORATION Inhalt
1 ANTRAG AUF GEWÄHRUNG EINER SACHBEIHILFE – PRÄAMBEL DES
PAKETES..................................................................................................................... 4
1.1
2
Antragsteller...............................................................................................................................................4
ÜBERSICHTSTEIL ............................................................................................... 6
2.1
Arbeitsgebiete der Antragsteller und ihrer Arbeitsgruppen .................................................................6
2.2
Gesamtdauer ..............................................................................................................................................6
2.3
Antragszeitraum ........................................................................................................................................6
2.4
Gewünschter Beginn der Förderung........................................................................................................6
2.5
Zusammenfassende Darstellung der Teilprojekte ..................................................................................6
2.6
Bi- und multistatisches Radar mit synthetischer Apertur (SAR)..........................................................7
2.6.1
Konzept des bi- und multistatischen SAR...............................................................................................7
2.6.2
Operationelle Gesichtspunkte .................................................................................................................7
2.6.3
Anwendungswissenschaftliche Aspekte bi- und multistatischer Fernerkundung ...................................7
2.6.4
Konstellationen von Sende- und Empfangsplattformen..........................................................................9
2.6.5
Realisierungsaspekte bistatischer SAR-Systeme ..................................................................................10
2.6.6
Planung, operationelle Durchführung, Betrieb und Signalverarbeitung bistatischer SAR-Missionen..10
2.7
Ziele des Antragspakets...........................................................................................................................11
2.7.1
Einzel-Bestandteile des Pakets und adressierte Problemkreise:............................................................14
2.7.2
Zusammenfassungen der Einzelvorhaben.............................................................................................14
2.8
Bezüge .......................................................................................................................................................17
2.8.1
TerraSAR-X Mission (ab 2006), Announcement of Opportunity Mai 2005.........................................17
2.8.2
Scientific Lead Bistatic Operations in der Tandem TerraSAR-X Mission ...........................................18
2.8.3
Interferometric Cartwheel .....................................................................................................................19
2.8.4
Aktuelles Umfeld ..................................................................................................................................20
3
3.1
ANHANG: KURZER ÜBERBLICK ZUM STAND DER FORSCHUNG ............... 22
Orbitgetragene Multistatische SAR-Systeme ........................................................................................22
3.2
Flugzeuggetragene bi- oder multistatische Systeme .............................................................................23
3.2.1
Bistatisches SAR-Experiment FGAN-FHR ..........................................................................................23
3.2.2
Bistatisches SAR-Experiment DLR/Onera ...........................................................................................23
3.2.3
Hybride Systeme...................................................................................................................................23
3.3
Orbitmodellierung ...................................................................................................................................24
3.4
Bestimmung von Lage- und Position der SAR-Antenne ......................................................................24
3.5
Raum- und Zeitsynchronisation .............................................................................................................25
3.6
SAR-Signalverarbeitung: Parameterestimation und Prozessierung...................................................25
3.7
Entwicklung von Modellierungs- und Simulationswerkzeugen...........................................................26
3.8
Verarbeitung und Visualisierung massiver 2D- und 3D-Daten ...........................................................27
-2-
- PRÄAMBEL BISTATIC EXPLORATION 3.9
Einige Literaturangaben zum Stand der Forschung ............................................................................27
-3-
- PRÄAMBEL BISTATIC EXPLORATION -
1 Antrag auf Gewährung einer Sachbeihilfe – Präambel des
Paketes
6 Neuanträge als zusammenhängendes Antragspaket
1.1
Antragsteller
Prof. Dr.-Ing. O. Loffeld
Prof. Dr.-Ing. A. Kolb
Dr.-Ing. S. Knedlik
Prof. Dr.-Ing. J. Ender
Dr.-Ing. A. Brenner
Prof. Dr. rer. nat.
W. Wiechert
In dem Antragspaket Bistatic Exploration wollen die Antragsteller aus drei
verschiedenen, eng miteinander kooperierenden Forschungszentren gemeinsam die
zukunftsweisende Problemstellung der Fernerkundung mit bistatischem SAR
(synthetic aperture radar) bearbeiten.
ZESS und FHR kooperieren sehr intensiv auf den Gebieten:
•
SAR-Signalverarbeitung zur Generierung von Radarbildern, insbesondere
für Daten von bi- und multistatischen SAR-Konstellationen,
•
SAR-Interferometrie,
•
Navigation und Lokalisierung bewegter Sensoren,
•
Synchronisation und Kommunikation bewegter Sensoren,
•
Ko-Registrierung und Fusion mehrdimensionaler Daten.
Im Jahr 2004 haben sie über diese Kooperation einen Vertrag geschlossen und bilden
darüber hinaus die Kernzelle eines geplanten NRW-Exzellenzclusters „Environmental
Exploration NRW“ (E2N).
Das FHR ist das größte deutsche Forschungsinstitut auf dem Gebiet der Radarsensorik und der Radarsignalverarbeitung. Unter den flugzeuggetragenen Sensoren,
die im FHR entwickelt, aufgebaut und betrieben werden, sind für das geplante
Programm die Experimentalsysteme AER-II und PAMIR von Bedeutung.
ZESS und FOMAAS sind zentrale wissenschaftliche Forschungseinrichtungen der
Universität Siegen und tragen den hochschulweiten Forschungsschwerpunkt
Multidimensionale Sensorik / Bildgebende Systeme. Dieser Forschungsschwerpunkt
wird von der Universität gezielt durch ihre Neuberufungspolitik und vom Ministerium
für Wissenschaft und Forschung NRW durch spezielle, den Universitäten für den
Aufbau
der
Forschungsschwerpunkte
zugewiesene
Zielvereinbarungsmittel
unterstützt.
Darüber hinaus arbeiten alle Antragsteller intensiv im International Postgraduate
Programme (IPP) Multi Sensorics der Universität Siegen (www.multisensorics.de/phd/) zusammen, wo sie insgesamt z. Zt. 10 Dissertationen auf dem
Gebiet der Radarsensorik, der Synthetic Aperture Radar Sensorik sowie der
zugehörigen optimalen Signalverarbeitung betreuen.
-4-
Otmar Loffeld, Dr.-Ing. habil.
Universitätsprofessor, Projektbereichsleiter
Zentrum für Sensorsysteme (ZESS), Projektbereich 2,
und Institut für Nachrichtenverarbeitung
[email protected]
www.nv.et-inf.uni-siegen.de/pb2/
Tel.: 0271 / 740 3125
Joachim Ender, Prof. Dr.-Ing.
Institutsdirektor
Forschungsinstitut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik (FHR) in der
Forschungsgesellschaft für Angewandte Naturwissenschaften (FGAN)
Honorarprofessor an der Universität Bochung
[email protected]
http://www.fhr.fgan.de/fhr
Tel.: 0228 / 9435 226
Andreas R. Brenner, Dr.-Ing.
Abteilungsleiter Array-gestützte Radarbildgebung (ARB) am
Forschungsinstitut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik (FHR) in der
Forschungsgesellschaft für Angewandte Naturwissenschaften (FGAN)
[email protected]
www.fgan.de/fhr
Tel.: 0228 / 9435 531
Wolfgang Wiechert, Dr. rer. nat. habil.
Universitätsprofessor, Sprecher des FOMAAS
Forschungszentrum für Multidisziplinäre Analysen und Angewandte Systemoptimierung
(FOMAAS) und Institut für Systemtechnik
[email protected]
www.fomaas.de
Tel. 0271 / 740 4727
Andreas Kolb, Dr.-Ing.
Universiätsprofessor
Zentrum für Sensorsysteme und
Lehrstuhl für Computergraphik und Multimediasysteme
[email protected]
www.cg.informatik.uni-siegen.de/
Tel. 0271 / 740 2404
Stefan Knedlik, Dr.-Ing.
Wissenschaftlicher Assistent, Geschäftsführer IPP Multi Sensorics
Zentrum für Sensorsysteme (ZESS)
und Institut für Nachrichtenverarbeitung
[email protected]
www.multi-sensorics.de/phd/
Tel. 0271 / 740 2759
-5-
2 Übersichtsteil
2.1 Arbeitsgebiete der Antragsteller und ihrer Arbeitsgruppen
Prof. Dr. Loffeld: Optimale Signalverarbeitung, Estimationstheorie, Multi-Sensordatenfusion - Remote Sensing, SAR, Modellbildung und Simulation
Prof. Dr. Ender: Signalverarbeitung für Sensoren und Sensorgruppen, Estimationsund Testtheorie, phasengesteuerter Gruppenantennen, abbildende Radarverfahren
(SAR,
ISAR),
Multibaseline-Interferometrie,
Raum-Zeit-Verarbeitung
zur
Bewegungserkennung
Dr. Brenner: Array-gestützte Radarbildgebung, SAR-Bildgebung höchster Auflösung,
Kalibration, Bewegungskompensation, Autofokus-Methoden, bi- und multistatische
SAR-Bildgebung
Prof. Dr. Wiechert: Modellbildung und Simulation, Simulationswerkzeuge, Optimierung komplexer Systeme, nichtlineare Parameterschätzung, Versuchsplanung, Modellvalidierung
Prof. Dr. Kolb: Computergraphik, Bildverarbeitung, Geometrische Modellierung, Modelloptimierung, Visualisierung, Virtual Environments
Dr. Knedlik: Nachrichtentechnik und –verarbeitung, Estimationstheorie, Fernerkundung, SAR (Synthetic Aperture Radar), Mobile drahtlose Multisensornetzwerke
(Kommunikation und Navigation)
2.2
Gesamtdauer
4 Jahre
2.3
Antragszeitraum
24 Monate
2.4
Gewünschter Beginn der Förderung
01.07.2005
2.5
Zusammenfassende Darstellung der Teilprojekte
Die Ausführungen dieser Präambel vermitteln einen Überblick über den im
Gesamtpaket adressierten Problemkreis. Der Stand von Forschung und Entwicklung
auf diesem Gebiet wird lediglich allgemein und im Anhang dargestellt. Die für die
Teilprojekte spezifischen Ausführungen zum Stand der Forschung und der
Vorarbeiten der Antragsteller erfolgen dann im jeweiligen Teilantrag. Dies gilt in
gleicher Weise für die Literaturangaben.
-6-
2.6
Bi- und multistatisches Radar mit synthetischer Apertur (SAR)
2.6.1 Konzept des bi- und multistatischen SAR
Bi- oder multistatische Systeme, z. B. /L4/, gelten aktuell als das vielversprechendste
neue Konzept auf dem Gebiet der SAR-Sensorik, SAR-Signalverarbeitung und SARInterferometrie. Im Gegensatz zum klassischen SAR werden Sender und Empfänger
auf unterschiedlichen Plattformen (Luftfahrzeuge und/oder Satelliten) betrieben, was
eine Vielzahl neuer Anwendungsmöglichkeiten erschließt, aber auch neue, noch zu
lösende Probleme in der Technologie und Signalverarbeitung mit sich bringt.
Simultane Radarbilder unterschiedlicher Aufnahmegeometrie können durch ein kooperierendes, synchronisiertes Netz aus passiven Empfängern erzeugt und miteinander kohärent verarbeitet werden, so dass über die zu explorierende Szene eine Information neuer Qualität gewonnen werden kann.
2.6.2 Operationelle Gesichtspunkte
Neben den im nächsten Abschnitt besprochenen Vorteilen des Informationsgehaltes
bi- und multistatischer SAR-Aufnahmen gibt es zwei gewichtige operationelle innovative Aspekte, die an den Anfang gestellt werden sollen:
Autarkes Empfangssystem
Empfänger und SAR-Bildprozessor bieten beim bistatischen Ansatz eine in sich abgeschlossene Einheit. Eine solche Einheit ist potentiell in Zukunft preisgünstig, da keine
teure Senderhardware erforderlich ist, und benötigt auch keine (oft schwierig zu erhaltende) Zuteilung einer Sendefrequenz, da sie rein passiv arbeitet. Diese beiden
Argumente sprechen dafür, dass es in Zukunft selbst Privatleuten möglich sein sollte,
ein solches ‚BISAR’-Gerät zu besitzen und einzusetzen - so wie heute einen GPSEmpfänger. Ähnlich wie hier könnte ein satellitengestützter Sender Gebiete als
Dienstleistung beleuchten, die dann von jedem auch kleinen Flugzeug aus mit einem
‚BISAR’ abgebildet werden können.
Abbildung nach vorn
Bei klassischen monostatischen SAR-Systemen ist eine Abbildung nur in einem gewissen Winkelbereich quer zur Flugrichtung möglich, jedoch nicht nach vorn oder
hinten. Diese Einschränkung wird bei bistatischen Systemen aufgehoben. In Abhängigkeit von den Fluggeometrien von Sender und Empfänger können auch günstige
Abbildungseigenschaften nach vorn oder hinten erzielt werden. Dies wäre insbesondere für die Flugsicherheit von Vorteil, da mit einem ‚BISAR’ auch durch Nebel und
Wolken hindurch der in Flugrichtung liegende Bereich (etwa die Landebahn) abgebildet werden könnte.
2.6.3 Anwendungswissenschaftliche Aspekte bi- und multistatischer
Fernerkundung
Der Einsatz des synthetischen Apertur Radars revolutionierte die Methoden der Fernerkundung: Bei Tag und Nacht, ohne wesentliche Beeinflussung durch Wetter und
Wolken, konnten jetzt in kurzer Zeit große Areale der Erdoberfläche abgebildet werden. Die kohärenten Radarbilder tragen – im Vergleich zu optischen Bildern erweiterte
- Information in sich, die z. B. zur Erstellung von Karten, zur Klassifizierung von Bewuchs und Flächennutzung, und zur Analyse geophysikalischer und biologischer Vor-7-
- PRÄAMBEL BISTATIC EXPLORATION gänge sowie der Erkennung von Umweltschäden einsetzbar ist. Polarimetrie und Interferometrie halfen, das Spektrum der Möglichkeiten zu erweitern und damit die
Leistungsfähigkeit der SAR-Fernerkundung zu steigern.
Der Einsatz bi- und multistatischer Verfahren wird einen weiteren Quantensprung der
Informationsgewinnung mit sich bringen. Viele Autoren, (z. B. in /L30, L31/, /L32/) erwarten völlig neue Erkenntnisse hinsichtlich der Modellierung und Klassifikation realer
Szeneninhalte.
Nutzung bistatischer Rückstreueigenschaften zur Szeneninterpretation und
Klassifizierung
Bistatische Systeme erfassen die Radarrückstreueigenschaften von Szenarien in einem bistatischen Winkelbereich, der in weiten Grenzen variiert werden kann
(Abbildung 2-1). Die Anzahl der Freiheitsgrade bei der Wahl des Aspektes wird von
zwei (im monostatischen Fall) auf vier (im bistatischen Fall) erhöht, so dass über die
Variation des bistatischen Winkels eine neue Mannigfaltigkeit von Aufnahmen der
gleichen Szene eröffnet wird. Die Reflexionseigenschaften z. B. des Bewuchses hängen charakteristisch von den Einfalls- und Betrachtungswinkeln ab, so dass sich
– ebenso wie beim Einsatz der Polarimetrie – der Informationsgehalt von SAR-Fernerkundungsdaten im Hinblick auf Szeneninterpretation und Klassifizierung vervielfachen wird.
Radar-Rückstreuquerschnitt und Reflektivität von Flächen
Es ist zu erwarten, dass für Fälle, in denen der monostatische Rückstreuquerschnitt
von Objekten bzw. die Reflektivität von Flächen (rauschäquivalentes σ0) in Folge ungünstiger monostatischer Reflexionseigenschaften klein ist, bistatische Winkelpaare
existieren, für die eine deutliche Erhöhung der bistatischen Rückstreuung auftritt, so
dass diese Objekte oder Flächen im SAR-Bild sichtbar werden. Insbesondere aus
dem Vergleich mit den monostatischen Bildern ergeben sich interessante neue Möglichkeiten.
Urbane Szenen
Umgekehrt wird durch die bistatische Reflexion der „Eckenreflektoreffekt“ verhindert,
der in urbanen Szenen häufig zu Überstrahlungen führt und andere Details überdeckt.
Schattenwurf
Bei bistatischen Bildern tritt der Effekt auf, dass Objekte wie Bäume, Masten usw.
zwei Schatten entsprechend der Richtungen zum Empfänger und Sender werfen. In
der modellgestützten SAR-Bildanalyse werden Schatteneffekte als Informationsquelle
mit Rückschlussmöglichkeiten auf 3D-Szeneninhalte betrachtet. Aus der Analyse beider Schatten ergibt sich ein höherer Informationswert.
Interferometrie, Bewegungsmessung
Bi- und multistatische Systeme können große Basislinien zum Zwecke der bahnorthogonalen und bahnparallelen Interferometrie aufspannen und erlauben somit eine
hochgenaue Vermessung der dritten Dimension bzw. der Geschwindigkeit bewegter
Streuer (Meeresströmungen, Magma, Fahrzeuge, ...). Bei einer steigenden Zahl von
Sendern und Empfängern erhöht sich die Anzahl unabhängiger Basislinien multiplikativ und bietet hiermit ein Mittel zur Auflösung der Mehrdeutigkeiten in Höhe oder Geschwindigkeit. Dies ist besonders attraktiv für die dreidimensionale Abbildung künstli-
-8-
- PRÄAMBEL BISTATIC EXPLORATION cher Objekte, die sich bisher sehr schwierig, wenn nicht unmöglich, gestaltet, aber
auch zur Ermittlung echter Geschwindigkeitsvektoren bewegter Objekte.
Bedeutung für verschiedene Gebiete der Fernerkundung
Die bi- und multistatische SAR-Bildgewinnung wird Gebiete der Fernerkundung, wie
Kartographie, Ozeanographie, Glaziologie, Erforschung von Umweltschäden, des globalen Biosystems usw. bereichern. Neben einer allgemeinen Erhöhung des Informationsgehaltes der SAR-Bilder erschließen sich auch qualitativ neue Merkmale, wie die
Abhängigkeit der Reflektivität vom bistatischen Winkel oder die vektorielle Vermessung von Meeresströmungen.
Gewinnung von SAR-Aufnahmen in Krisengebieten
Bistatische passive SAR-Empfänger besitzen enorme Vorteile hinsichtlich der Aufklärung in Krisengebieten. Während klassische monostatische Systeme zwar gegenüber
optischen Fernerkundungsverfahren die für eine Aufklärung wichtige Allwettertauglichkeit und Tageszeitunabhängigkeit aufweisen, sind sie aufgrund ihrer aktiven Betriebsweise in Krisengebieten mit militärischen Auseinandersetzungen nur bedingt
geeignet. Dieser Mangel kann mit einem bistatischen System mit abgesetztem Sender
behoben werden.
Es existieren aus der Krisenregion Sarajewo SAR-Fernerkundungsdaten, die während
der Bosnienkrise gewonnen wurden und sich für die Waffenstillstandsverhandlungen
als ausgesprochen nützlich erwiesen. Sie stammen aber ausschließlich aus den
ERS1/ERS2-Satellitendaten der ESA. Eine aktive Befliegung mit flugzeuggetragenen
aktiven SAR-Systemen mit flexibler Szenenwahl und Aspektwinkel wäre in vergleichbaren Situationen nicht möglich gewesen.
2.6.4 Konstellationen von Sende- und Empfangsplattformen
In einem bistatischen SAR-System /L8/ bewegen sich Sender (Beleuchter) und
Empfänger auf getrennten
Trägern mit i.a. unterschiedlichen
Geschwindigkeitsvektoren.
Als Trägerplattformen kommen Satelliten (spaceborne
SAR) in Frage, wie in
Abbildung 2-1 dargestellt,
oder Flugzeuge (airborne
SAR). Auch Kombinationen
von
satellitengetragenem
Beleuchter (Sender) und
flugzeuggetragenem
Empfänger sind möglich. Als
Beleuchter können dabei
bereits existierende, im
Orbit befindliche SAR-Satelliten eingesetzt werden.
Theoretisch könnten sogar
Abbildung 2-1: Bistatisches SAR-Prinzip
die existierenden - nicht für
SAR konstruierten - digitalen DBS- oder DAB- Satelliten als solche Beleuchter
verwendet werden, man spricht dann von „parasitärem“ SAR. Zukünftig, abhängig
-9-
- PRÄAMBEL BISTATIC EXPLORATION vom technologischen Fortschritt und der Steigerung der verfügbaren Sendeleistung,
können aber auch spezielle SAR-Beleuchter ohne eigene Empfänger in
geostationären Orbits positioniert werden, die bedarfsabhängig die „Mikrowellenbeleuchtung“ für eine durchzuführende Fernerkundungsmission oder für den
Gebrauch in der Luftfahrt „einschalten“.
2.6.5 Realisierungsaspekte bistatischer SAR-Systeme
Gerade solche Kombinationen, die einen schon existierenden Beleuchter in Form
eines operationellen SAR-Satelliten verwenden, nutzen den Vorteil bereits
bestehender (kostenintensiver) Infrastruktur und erreichen nicht unbeträchtliche
Kostenvorteile, da der SAR-Empfänger rein passiv aufgebaut werden kann. Damit
entfallen in einer solchen Mission die Entwicklungs-, Realisierungs- und
Betriebskosten für die gesamte Sendeelektronik und die (i.d.R. aktive) Sendeantenne.
Aufgrund des weit geringeren Energiebudgets eines passiven Empfängers lassen sich
weitere Kostenvorteile realisieren. Umgekehrt lassen sich bei Berücksichtigung einer
Mehrfachnutzung durch passive, quasi parasitäre bistatische Missionen auch
zukünftige monostatische SAR-Fernerkundungssatelliten, vergleichbar mit Envisat,
aber auch TerraSAR-X deutliche Kosten/Nutzenverbesserungen darstellen. Diese
Punkte bilden z.B. einen wichtigen Argumentationszweig in der französischen
Interferometric Cartwheel-Mission /L4/, in der u.a. der deutsche TerraSAR-X Satellit
als Beleuchter im Gespräch ist.
2.6.6 Planung,
operationelle
Durchführung,
Signalverarbeitung bistatischer SAR-Missionen
Betrieb
und
Alle genannten Punkte sind wissenschaftliches und technologisches Neuland (siehe
auch Stand der Forschung (Anhang) dieser Darstellung und in den Einzelanträgen).
Aufgrund der Novität des Themas (Aufkommen der Thematik in dieser aktuellen Form
und Relevanz etwa 20031) sind sowohl die Missionsplanung, Missionsdurchführung,
die Sensorhardware und nicht zuletzt die eigentliche bistatische Bildgewinnung
Gegenstand intensiver Forschung. Erste dokumentierte bistatische SAR-Experimente
datieren zwar schon auf das Jahr 1994 (siehe Stand der Forschung), haben aber
aufgrund fehlender wissenschaftlicher Methoden nie den Reifegrad präoperationeller
oder gar operationeller Techniken erlangt. Aktuelle Missionen wurden im rein
experimentellen Maßstab unter Verwendung vorhandener monostatischer Hardware
ab 2003 durchgeführt. Die Lage- und Positionskontrolle der Trägerplattformen wurde,
ebenso wie die Synchronisierung durch adhoc-Ansätze gelöst, so dass solche
Experimente kaum reproduzierbare Rahmenbedingungen aufweisen. Auch erste
systematische Verarbeitungsansätze in dokumentierter Form finden sich im Jahr
2003. Alle diese Ansätze sind noch nicht operationell.
1
International Geoscience and Remote Sensing Symposium IGARSS03, Toulouse, Frankreich 2003
- 10 -
2.7
Ziele des Antragspakets
Zur Ermöglichung einer bistatischen Fernerkundung müssen vier grundsätzliche Hürden genommen werden: Erstens müssen theoretische Grundlagen geschaffen werden, die die zu erwartende Performance bei gegebenen Geometrie- und Radarparametern abschätzbar machen und eine Systemoptimierung erlauben. Zweitens müssen
Algorithmen zur bistatischen Bilderzeugung entworfen werden. Drittens müssen technische Voraussetzungen zur Gewinnung bi- und multistatischer Daten geschaffen
werden und viertens müssen experimentelle Aufnahmen und Auswertungen zur Verifikation durchgeführt werden. Das Antragspaket deckt dieses gesamte Problemspektrum ab:
• Auf der Basis von zwei im FHR und ZESS entwickelten, wissenschaftlich
miteinander konkurrierenden Verarbeitungsansätzen werden parallel die
bistatischen SAR-Bildgewinnungsverfahren erforscht, weiter entwickelt und
miteinander verglichen.
• Die bestehende Sensorik für monostatisches SAR wird zunächst für den bistatischen Betrieb angepasst und um Synchronisationsmechanismen erweitert. Weiter
sollen hochgenaue Lage- und Positionsbestimmungsverfahren entwickelt und
implementiert werden, die im Missionsbetrieb die Ausrichtung und Nachführung
der Antennen gestatten, so dass sich die ‚Antenna-Footprints’ von Sende- und
Empfangsantenne unabhängig von den individuellen Flugtrajektorien ständig überdecken.
• Die Bestimmung der bistatischen Verarbeitungsparameter aus den geometrischen
Szenenparametern sowie die direkte Bestimmung aus den vorliegenden Rohdaten
sind weitere Forschungsschwerpunkte.
• Simulation dient einer ersten Verifikation der Algorithmen in verschiedenen exakt
parametrierbaren und reproduzierbaren Einsatzszenarien sowie der Unterstützung
der Missionsplanung für reale bistatische Experimente. Hierzu wird in einer parallel
verlaufenden Forschungs- und Entwicklungslinie ein modularer bistatischer Rohund Referenzdatensimulator realisiert. Die Modularität dieses Simulators ist dabei
eine sich aus der Vielzahl der möglichen bistatischen Konstellationen ergebende
zwingende Notwendigkeit.
• Visualisierung und Simulation besitzen erfahrungsgemäß für alle Arbeitsschritte
eine integrative Funktion und sind insbesondere für die Entwicklung, Verifikation
und Validierung unverzichtbar.
• Die endgültige Verifikation geschieht durch Experimente unter kontrollierten
Bedingungen, von denen die geplante bistatische Unterfliegung des TerraSAR-X
Satelliten mit dem PAMIR-System des FHR die größte Herausforderung darstellen
dürfte.
Zusammenfassend besteht das Antragspaket zum Zeitpunkt des Einreichens aus
sechs Teilanträgen, die eng miteinander gekoppelt sind und gemeinsam, aber in Federführung jeweils eines Institutes bearbeitet werden. Tabelle 1 gibt einen Überblick
über die Teilanträge, das jeweils antragstellende Institut und über die Federführung
sowie über die beteiligten Institute in der Reihenfolge der Größe ihres Arbeitsanteils.
Im Zentrum des Gesamtpaketes steht die Bildgewinnung (Fokussierung) aus bistatischen Rohdaten (BiFOCUS). Das Teilvorhaben ModSAR-Sim liefert unter Einbeziehung realer Trägerplattformdynamik simulierte und annotierte bi- und monostatische
Rohdaten und Referenzdaten zum Test der Algorithmen unter genau definierten und
reproduzierbaren Randbedingungen. Ferner liefert der Simulator verschiedene Sensormess- und Referenzdaten zum Test der in AtPos und BiSARSynch entwickelten
- 11 -
- PRÄAMBEL BISTATIC EXPLORATION Verfahren zur Positions- und Lagebestimmung der bistatischen Sensoren. Das Teilvorhaben TerraPAMIR deckt die Planung, Durchführung und damit den Einsatz der
gesamten bistatischen Verarbeitungskette in der sehr anspruchsvollen bistatischen
TerraSAR-X Unterfliegung ab. Im Teilvorhaben SARVis werden Algorithmen und Verarbeitungstechniken zur interaktiven Visualisierung und Analyse massiver SAR-Daten
entwickelt, die zur Verifikation, Visualisierung und Validierung in allen Teilschritten der
gesamten bistatischen Verarbeitungskette eingesetzt werden können.
Projektkürzel
Projektname
Antragsteller
Organisatorische
Federführung
ModSAR-Sim
Modulare
lation
TerraPAMIR
Bistatische
gung des TerraSAR-X
Satelliten
mit dem flugzeuggetragenen SAR-System
PAMIR
Positions- und Lagebestimmung für bistatische Missionen
Raum- und Zeitsynchronisation
bistatischer Plattformen
AtPos
BiSARSynch
BiFOCUS
SARVis
SAR-Simu-
FOMAAS,
ZESS
Unterflie- FHR
Bildgewinnung
bistatischen
Rohdaten
aus
SAR-
Interaktive
Verarbeitung und Visualisierung von SAR-Daten
FOMAAS
FHR
Beteiligte
Institute in der
Reihenfolge der
Arbeitsanteile
FOMAAS, ZESS,
FHR
FHR, ZESS,
FOMAAS
ZESS
ZESS
ZESS, FHR,
FOMAAS
FHR
FHR
FHR, ZESS,
FOMAAS
ZESS, FHR
ZESS
ZESS
ZESS
ZESS, FHR,
FOMAAS
ZESS, FOMAAS,
FHR
Tabelle 1: Übersicht über die Teilanträge des Pakets
Das thematische Zusammenwirken der Teilanträge im Gesamtpaket wird in Abbildung
2-2 veranschaulicht. Teilanträge des Pakets sind mit Rechtecken dargestellt und gelb
hinterlegt. Die Interaktionen zwischen den Teilvorhaben sind vielfältig und werden
durch blaue Pfeile dargestellt, die zum einen den Datenfluss zwischen den
Teilprojekten kennzeichnen, zum anderen den Know-How-Fluss in Form von
Modellkenntnissen, Austausch von entwickelten Werkzeugen und Verfahren
beschreiben.
Am Beispiel der bistatischen Bildgewinnung (BiFOCUS) soll diese Interaktion erläutert
werden: Folgende Datenprodukte werden zur Verarbeitung benötigt:
• Rohdaten (diese können von einem Simulator stammen (ModSAR-Sim) oder
aus einem Experiment (TerraPAMIR, BiSARSynch))
• Positions- und Lagedaten, Kenntnisse des Abstandes zwischen den Sensoren
(Baseline). Diese werden von den Teilvorhaben AtPos und BiSARSynch oder
aber in Referenzform vom Simulator (ModSAR-Sim) geliefert.
• Visualisierung der Ergebnisse aller Verarbeitungszwischenschritte und
Vergleich mit Referenzwerten. Diese Funktionalität wird von SARVis erbracht.
- 12 -
- PRÄAMBEL BISTATIC EXPLORATION Umgekehrt ist die bistatische Modellbildung von BiFOCUS zentral für alle anderen
Teilprojekte. Dieser Austausch ist so selbstverständlich, dass er zur Wahrung der
Übersichtlichkeit nicht eigens durch Pfeile zu allen anderen Teilvorhaben dargestellt
wurde.
Rohdaten
Positions- u.
Lagewerte
Sensordaten
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Sz mula
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Parameterestimation
Parameterestimation
Bildgewinnung
Bildgewinnung
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Qualitätsprüfung
Positions/LagePositions/LageEstimation
Estimation
AtPos
AtPos
synthetische
Sensordaten
Mission
Mission
TerraPAMIR
TerraPAMIR
INS
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Synchronisation
Synchronisation
BiSARSynch
BiSARSynch
Visualisierung
Visualisierung
annotierte
und
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Analyse
SARVis
Sensordaten SARVis
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Simulation
R
eti R-D
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ModSar-Sim
ModSar-Sim
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Abbildung 2-2: Funktionales und thematisches Zusammenwirken der Teilanträge
Abbildung 2-3 gibt eine Übersicht über die Arbeitsteilung in den einzelnen Teilprojekten sowie über das Zusammenwirken der einzelnen Teilprojekte. Die Teilprojekte sind
nicht nur sehr eng miteinander verzahnt, sondern die Kooperation findet, wie deutlich
sichtbar, bereits innerhalb der Teilprojekte statt und ermöglicht einen optimalen Synergiegewinn.
Teilanträge und Arbeitsverteilung
100%
80%
60%
FGAN/FHR
FOMAAS/SIMTEK
ZESS/IPP
40%
20%
0%
ModSARSim = 1
TerraPAMIR
=2
AtPos=3
BISARSynch BiFOCUS = SARVis=6
=4
5
Abbildung 2-3: Teilanträge des Pakets und Arbeitsverteilung2 in den Teilanträgen
2
inkl. des Eigenanteils der antragstellenden Gruppen
- 13 -
2.7.1 Einzel-Bestandteile des Pakets und adressierte Problemkreise:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Geometrische und mathematische Signalmodellierung bi-, bzw. multistatischer
SAR-Anordnungen (ZESS, FHR, FOMAAS)
Trajektorien-Modellierung (Flugzeuggetragene Plattformen) und Orbit-Modellierung
(satellitengetragene Plattformen) multistatischer SAR-Sensoren unter Einbeziehung realistischer Störmodelle (FOMAAS, ZESS, FHR)
Simulation und Rohdatenerzeugung bi-, bzw. multistatischer SAR-Anordnungen
(FOMAAS, ZESS, FHR)
Positions- und Lagebestimmung bi- und multistatischer Konfiguration - modellgestützte Kalibrierung multistatischer, interferometrischer SAR-Anordnungen – Parameterestimation – dezentrale Trajektorien und Orbitestimation (FHR, ZESS,
FOMAAS)
Synchronisation bi- und multistatischer Anordnungen (FHR, ZESS)
Entwicklung und Implementierung von bistatischen SAR-Verarbeitungsalgorithmen
(ZESS, FHR)
Bistatische SAR-System-Spezifikation, Bi- und Multistatische Missionsplanung –
Durchführung eines bistatischen Experiments (FHR, ZESS, FOMAAS)
Verifikation der bistatischen Verarbeitungsalgorithmen mit simulierten und realen
Daten (ZESS, FHR, FOMAAS)
Dynamische Visualierung der zeit- und ortsvarianten mehrdimensionalen Signale
(FOMAAS, ZESS, FHR)
2.7.2 Zusammenfassungen der Einzelvorhaben
ModSAR-Sim (Teilprojekt 1)
Die Planung bi- und multistatischer SAR-Missionen, die Entwicklung von Algorithmen
für die hochgenaue Positions- bzw. Lage-Schätzung der einzelnen Flugkörper und die
Entwicklung bistatischer SAR-Prozessoren erfordert zwingend den Einsatz von Simulationsmethoden. Oft liegen reale Daten noch gar nicht vor. Zudem können am realen
System aus Kostengründen keine alternativen Konfigurationen der Sensorik getestet
werden.
Die in diesem Projekt behandelten Missionen finden unter Beteiligung mehrerer
Flugzeuge, Satelliten, und/oder stationärer Sender statt. Neben den SAR-Sendern
und -Empfängern erfordern sie zudem den Einsatz zusätzlicher Sensoren zur
Positions- und Lageschätzung der Flugkörper. Damit ist eine Vielzahl von Szenarien,
Systemkonfigurationen, Sensoranordnungen und Missionsparametrierungen denkbar,
die mit einem einzigen monolithisch implementierten Simulator nicht mehr
systematisch abgebildet werden können. Für den Aufbau komplexer SAR-Szenarien
muss daher ein universelles, flexibles und leistungsfähiges Werkzeug entwickelt
werden, das durch seine modulare Architektur die Simulation beliebiger SARSzenarien mit geringem Aufwand erlaubt. Dazu wird ein entsprechend
leistungsfähiges objektorientiertes Konzept entwickelt. Umgekehrt schafft die
gegebene Problematik ein ideales Testumfeld für moderne Methoden und Ansätze der
Simulationstechnik.
Der hinsichtlich der beteiligten Flugobjekte, Sensoren, SAR-Sender und -Empfänger
frei konfigurierbare Simulator berechnet alle für die Missionsplanung benötigten
geometrischen Maßzahlen und erzeugt synthetische Sensor-Messsignale sowie
Radar-Rohdaten. Durch die Kopplung an eine Visualisierungskomponente wird eine
- 14 -
- PRÄAMBEL BISTATIC EXPLORATION rasche Verifikation der Szenarien und Ergebnisse ermöglicht. Rechenaufwändige
Operationen wie z.B. die Generierung synthetischer Rohdaten werden mit Hilfe von
Methoden des High Performance Computing (z.B. Codegenerierung, Parallelisierung)
effizient implementiert.
Der Simulator wird anhand einer Reihe konkreter Szenarien (monostatisch, TerraSAR-X, Interferometric Cartwheel, geostationärer und terrestrischer Sender) in enger
Kooperation mit den Projektpartnern getestet. Anhand dieser Szenarien werden dann
Fragestellungen der Missionsplanung, Positions/Lageschätzung und SARSignalprozessierung bearbeitet bzw. deren Bearbeitung unterstützt.
TerraPAMIR (Teilprojekt 2)
Sowohl für die Erschließung geeigneter bistatischer Algorithmen als auch für die Entwicklung der notwendigen Technologie bistatischer SAR-Aufnahmen sind richtungsweisende Experimente unabdingbar. Ziel dieses Projektes ist die Durchführung eines
zukunftsweisenden Schlüsselexperiments, bei dem der leistungsfähige SAR-Satellit
(TerraSAR-X) mit einem der modernsten flugzeuggetragenen SAR-Systeme (PAMIR)
in verschiedenen bistatischen Konstellationen unterflogen wird. Hierbei handelt es
sich um das erste nicht-amerikanische Experiment dieser Art. Für die Durchführung
des bistatischen Experiments muss eine umfangreiche Erweiterung und Anpassung
der Hardware für das PAMIR-System durchgeführt werden. Außerdem ist es notwendig die Radarbetriebssteuerung von PAMIR auf die Bedürfnisse der bistatischen Datenakquisition anzupassen. Durch den etwa 70fachen Geschwindigkeitsunterschied
zwischen TerraSAR-X und PAMIR ist eine hochpräzise Raum- Zeitplanung notwendig.
Hierzu müssen geeignete Konzepte zur Missionsplanung entwickelt werden, die eine
Überlappung der Antennenfußabdrücke gewährleisten. Zur Problemlösung ist ein intensiver wissenschaftlicher Austausch mit den beiden Teilprojekten AtPos und BiSARSynch notwendig. Ein weiterer wichtiger Aspekts dieses Antrags ist die Entwicklung bistatischer Kalibrationsmethoden. Nur durch eine hinreichend gute Kalibration
kann das volle Potential bistatischer Radarbildgebung ausgeschöpft und eine gute
Fokussierungsqualität
erreicht
werden.
Zusammengefasst
wird
dieses
herausfordernde Experiment die Forschung auf dem Gebiet des bistatischen SAR
wesentlich voranbringen, da einerseits neue technologische und methodische Felder
erschlossen werden und andererseits die Gewinnung bistatischer Rohdaten für die
Entwicklung bistatischer Algorithmen (Teilprojekt BIFOCUS) unabdingbar ist.
AtPos (Teilprojekt 3)
Die Bestimmung des vektoriellen Abstandes zwischen den Phasenzentren von zwei
SAR-Sensoren ist – aufgrund der sehr hohen Anforderung an die Genauigkeit - bei
der SAR-Interferometrie als auch im Hinblick auf bistatische Konstellationen generell
von herausragender Bedeutung.
Im Falle bi- und multistatischer Konfigurationen besteht nun eine zusätzliche, bisher
ungelöste, Herausforderung darin, die Position und Lage von Empfangs- bzw.
Sendeantenne so genau und mit so geringen Zeitverzögerungen zu bestimmen, daß
es mit einer darauf basierenden Ausrichtung und Nachführung der Empfangsantenne
möglich wird, daß sich die Footprints3 von Sende- und Empfangsantenne trotz
unterschiedlicher Trägerflugbahnen und –Geschwindigkeiten fortwährend überdecken.
Zur Lösung der Problematik wird im Rahmen dieses Projekts ein Netzwerk von
verteilten Sensoren – GPS-Empfänger und Low-Cost-Kreiselsysteme und/oder
3
Footprint = Antenna Footprint = Bereich auf der Erdoberfläche, der beleuchtet wird, bzw. den die Empfangsantenne sieht
- 15 -
- PRÄAMBEL BISTATIC EXPLORATION -Beschleunigungssensoren – betrachtet. Ausgehend von den vom GPS abgeleiteten
Primärbeobachtungen (Rohdaten) und Verarbeitungsstrategien wird – unter
Berücksichtigung derzeit stattfindender Modernisierungen/Verbesserungen des GPS
und verbesserter Dienste und Erweiterungen – ein auf dynamischer Modellierung
basierender Datenfusionsansatz entwickelt, der die optimale Integration zusätzlich zur
Verfügung stehender redundanter Positions- und Lageinformation (auch aus dem
zukünftigen europäischen System GALILEO und/oder anderen Quellen
(Baselinemessungen, Pseudolites)) gestattet.
Das zu findende Verfahren soll sich insbesondere durch geringe Kosten bei
hinreichend hoher Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Echtzeitfähigkeit auszeichnen.
Die Eignung zur relativen als auch der absoluten Positions- und Lagebestimmung wird
mit synthetischen Daten als aus experimentell (Flugzeug/Flugzeug - BistatikKampagne und anvisiertes hybrides bistatisches Experiment (Unterfliegung von
TerraSAR-X)) überprüft.
BiSARSynch (Teilprojekt 4)
Bei bi-/ multistatischen Radarsystemen besteht ein erheblicher Bedarf an Koordination
der Sensoren untereinander. Besonders bei bildgebenden Radarsystemen, auch
Synthetic Aperture Radar (SAR) genannt, ist die präzise Positions- und
Lagebestimmung der Plattformen ein entscheidender Faktor für den Erfolg einer
Messkampagne. Die geforderte Genauigkeit bei der Positionsbestimmung beträgt ein
Achtel der Wellenlänge. Bei einem X-Band SAR beträgt die zulässige Abweichung
somit 3,8 mm. Die Trajektorien einer Trägerplattform können beim Post-processing für
eine monostatische Auswertung der Daten mit hinreichender Genauigkeit und
Dynamik ermittelt werden. Während einer Aufnahme mit einem monostatischen SARSystem haben kleine Fehler in der Position oder Ausrichtung keinen wesentlichen
Einfluss auf die SAR-Bildqualität, sondern wirken sich nur auf die Szenengeometrie
aus. Bei bi- und multistatischen Systemen hingegen müssen während der Aufnahme
Plattformposition und -orientierung mit hoher Aktualisierungsrate und einer
Genauigkeit wie beim post-processing zur Verfügung stehen, um eine optimale
Ausrichtung der Antennenfußpunkte und Aufnahmeparameter (z.B. zeitliches
Empfangstor) zu gewährleisten. Ziel des Projektes ist, eine Navigationseinheit zu
realisieren, die die notwendigen Parameter, wie Abstand und Orientierung der
Trägerplattformen zueinander, mit hoher Genauigkeit bestimmt und dem Empfänger
ständig aktuell zur Verfügung stellt. Hierdurch kann eine automatische Prozessierung
der Daten ohne aufwändige Autofokustechniken erreicht werden.
BiFOCUS (Teilprojekt 5)
Die Trennung von Sender und Empfänger in einem bistatischen System eröffnet eine
Vielzahl neuer Freiheitsgrade, die gerade bei der Fernerkundung von Vorteil sind, wie
z. B. die Gewinnung von zusätzlichen Informationen von Objekten oder die
mehrdimensionale Abbildung mit erhöhter Auflösung. Diese Vorteile werden „erkauft“
durch die enorm steigende Komplexität der eigentlichen Bildgewinnung aus
bistatischen Rohdaten. Diese Verarbeitung bi- und multistatischer Synthetic Aperture
Radar
Daten
ist
signalund
systemtheoretisch
sowie
algorithmisch
implementierungstechnisch bisher unerschlossen. Das wesentliche Ziel der Arbeiten
ist die signalund systemtheoretische Beschreibung des bi- und multistatischen
Bildgebungsprozesses sowie die Entwicklung und Implementierung eines SoftwareProzessors zur Fokussierung bistatisch gewonnener SAR-Rohdaten. Im FHR und im
ZESS existieren zwei verschiedene Verarbeitungsansätze zur Verarbeitung der
- 16 -
- PRÄAMBEL BISTATIC EXPLORATION bistatischen Rohdaten. Diese sollen zur präoperationellen Reife weiter entwickelt,
miteinander verglichen und anschließend mit simulierten und experimentell4
gewonnen Rohdaten verifiziert und validiert werden. Bei der Verwendung realer
Rohdaten muss die Kompensation von Bewegungsfehlern (Motion Compensation)
und der Aspekt der Kalibration unbedingt zur Erreichung einer guten
Fokussierungsqualität berücksichtigt werden.
Die Arbeiten werden sowohl im ZESS als auch im Institut für Hochfrequenzphysik und
Radartechnik (FHR) der Forschungsgesellschaft für Angewandte Naturwissenschaften
(FGAN) durchgeführt.
SARVis (Teilprojekt 6)
Dieses Teilprojekt konzentriert sich auf die interaktive Verarbeitung und Visualisierung
von SAR-Daten. Durch die zu entwickelnden Verfahren soll in dem Teilprojekt
BiFOCUS, aber auch in dem Teilprojekt ModSAR-Sim die direkte Bewertung der
neuen Verfahren zur Fokussierung bistatischer SAR-Daten ermöglicht werden. Der
Forschungsschwerpunkt dieses Teilprojektes ist die interaktive Umsetzung von
Techniken zur Rauschunterdrückung5 und zur Anzeige hochdynamischer SAR-Daten.
Hierbei steht das frei interaktive Navigieren durch die Daten im Vordergrund. Die
Fragestellung ist insbesondere für den direkten Vergleich bi- und monostatisch
gewonnener Bildprodukte zentral, da aufgrund der unterschiedlichen in den
Bildprodukten abgebildeten (mono- und bistatischen) Rückstreumechanismen gleiche
Szenendetails
im
Verhältnis
zum
Hintergrund
zum
Teil
drastische
Darstellungsunterschiede aufweisen können, die jedoch in konventionellen
Graphiksystemen ‚equalisiert’ würden. Auch 3D-SAR-Daten, die aus 2D-SAR-Daten
mittels Interferometrie6 gewonnen werden, können so graphisch aufgearbeitet werden.
Im Gegensatz zur Verwendung kostenintensiver Graphik-Spezialworkstations soll dies
unter Einsatz modernster Visualisierungstechniken basierend auf PC-Graphikkarten
erreicht werden, indem wesentliche Berechnungsaufgaben, die direkt die
Bildverarbeitung und Visualisierung betreffen, soweit als möglich von der CPU auf die
Graphikhardware ausgelagert werden.
2.8
Bezüge
2.8.1 TerraSAR-X Mission (ab 2006), Announcement of Opportunity June
2005
Die Antragsteller bereiten z. Zt. in Erwartung des angekündigten AO (Announcement
of Opportunity) einen Projektvorschlag für die deutsche TerraSAR-X Mission vor, der
die bistatische Unterfliegung von TerraSAR-X mit dem auf einer Transall installierten
PAMIR-System der FGAN vorsieht (Abbildung 2-4, Abbildung 2-5). Das System
PAMIR verfügt prinzipiell über die Voraussetzungen in Form der konzipierten
Empfangskanäle, Empfangsbandbreite und der notwendigen Phased Array Antenna
Technik zur Verfolgung des Antenna-Footprints von Terra SAR-X (Antenna Footprint
Chasing). Es ist im Hinblick auf die Missionsplanung und –durchführung natürlich
noch sehr viel Detailarbeit und umfangreiche Anpassungsarbeit zu leisten, die jedoch
Gegenstand des Teilprojektes TerraPAMIR ist.
4
Anhand der flugzeuggetragenenen PAMIR und AER-II-Systeme des FHR (FGAN). Zusätzlich soll als project proposal in der
Terra SAR-X Mission ein bistatisches Experiment, bestehend aus dem Terra SAR-X Satelliten als Beleuchter und dem
flugzeuggetragenen PAMIR-System als Empfänger durchgeführt werden.
5
z.B. Speckle-Filterung
6
Die Interferometrie bi- und monostatischer Bildprodukte steht zwar nicht im Fokus des Antragspakets, wird aber bei
Verfügbarwerden der ersten bi- und monostatischen Bilder der TerraPAMIR-Mission sofort möglich und stellt eine
wissenschaftlich reizvolle Fragestellung dar.
- 17 -
Transall mit
Pamir
Antenna Footprint
PAMIR
Abbildung 2-4: TerraSAR-X
Antenna Footprint
Terra SAR-X
Abbildung 2-5: Bistatische Unterfliegung
von TerraSAR-X
Ein solches bistatisches Experiment besitzt extreme bistatische Parameter, wie
anhand der Gegenüberstellung von Tabelle 2 deutlich wird.
Parameter
Flug-/Orbit Höhe
Flug-/Orbit
Geschwindigkeit
Antenna Footprint (Range
x Azimut)
TerraSAR-X Transall C 160 mit PAMIR
460 km
4 km
ca. 7.1 km/s
ca.100 m/s
Strip Map Mode: ca. 30 km
x 1650 m
ca. 2000 m x 200 m
45° Einfallswinkel
Tabelle 2: Vergleich einiger Parameter
Der Satellit bewegt sich etwa 70mal schneller als das Flugzeug, dies erfordert zur
Erzeugung eines hinreichend großen gemeinsam ‚abgebildeten’ Streifens mit
genügend großer bistatischer Aperturlänge ein sehr genaues Antenna-Pointing zur
Synchronisierung der Antenna-Footprints. Diese Untersuchung erfolgen im Teilprojekt
TerraPAMIR und werden unterstützt durch das Teilprojekt ModSAR-Sim.
2.8.2 Scientific Lead Bistatic Operations in der Tandem TerraSAR-X
Mission
In dieser zukünftigen Mission wird der Parallelbetrieb von zwei TerraSAR-X Systemen
in verschiedenen Konstellationen im Focus des wissenschaftlichen Interesses stehen.
Auch der bistatische Betrieb der Satelliten ist geplant. In einem Ausschreibungswettbewerb konnte ein Antragstellerkonsortium7, geführt vom Deutschen Zentrum für Luftund Raumfahrt (DLR) den Zustand einer „Phase A Study for the next German Earth
Observation Mission11“ erreichen.
In dieser Studie arbeiten die Antragsteller intensiv an der Erstellung bistatischer Szenarien für die zukünftige Missionsplanung mit. Neben dem orbitgetragenen bistatischen Betrieb der TerraSAR-X 1/2 Satelliten würde die zukünftige Kombination mit
einem flugzeuggetragenen System eine echte multistatische Erweiterung darstellen, in
der zwei bistatische, auf einen gemeinsamen Referenzpunkt prozessierte Bilder multistatisch überlagert werden könnten.
7
DLR, EADS/Astrium, Infoterra mit Beteiligung von FGAN, ZESS, JRC, Polimi, RSL
- 18 -
Abbildung 2-6: Darstellung der Tandem-X-Mission8
Für eine solche Mission würde die geplante TerraSAR-X-Unterfliegung
Machbarkeitsnachweis und Initiativauslöser gleichzeitig sein.
2.8.3 Interferometric Cartwheel
Das vom französichen CNES9 beispielsweise vorgeschlagene interferometrische
Cartwheel /L4/ stellt ein orbitgetragenes multistatisches SAR-System dar. Es setzt
sich zusammen aus einem „Beleuchter“
(Sender) und mehreren (passiven)
Empfänger-Satelliten, die als Mikrosatelliten ausgeführt sein können, vgl.
Abbildung 2-7. Die Empfänger-Satelliten bewegen sich auf elliptischen Bahnen mit gleicher Exzentrizität und großer
Halbachse, so dass die Satelliten identische Umlaufzeiten aufweisen. Bei Verwendung eines bereits im Orbit befindlichen SAR-Satelliten mit annähernd zirkularem Orbit würde man die große
Halbachse der Empfänger-Satelliten
identisch mit dem Radius des Beleuchter-Orbits wählen, so dass Beleuchter
und Empfänger identische Umlaufzeiten
Abbildung 2-7: Cartwheel-Anordnung10
besitzen. Unter Verwendung von drei
Empfängersatelliten werden die Perigäen (erdnächste Punkte) der Satelliten gleichmäßig in Winkelabständen von 360°/3 =120° verteilt. Ebenfalls werden die
zugehörigen Perigäumszeitpunkte um ein Drittel der Umlaufzeit vor oder zurück verschoben, so dass die Satelliten räumlich eng beieinander liegen. Als Beleuchter sind
verschiedene bereits im Orbit befindliche oder zukünftige Satelliten diskutiert worden,
8
TanDEM–X, TerraSAR-X Add-on for Digital Elevation Measurements, Prof. Dr.-Ing.habil. A. Moreira, Institut für
Hochfrequenztechnik und Radarsysteme, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Weßling
9
Centre Nationale d’Etudes Spaciales
10
D. Massonnet, P. Ultré-Guérard (DPI/EOT), E. Thouvenot (DTS/AE/INS/IR), The Interferometric Cartwheel
http://utashima.hp.infoseek.co.jp/Interferometric%20CartWheel.pdf
- 19 -
- PRÄAMBEL BISTATIC EXPLORATION beginnend mit EnviSat (C-Band), TerraSAR-X (X-Band), oder TerraSAR-L (L-Band).
Diese zunächst euphorisch angekündigte Mission stagniert zur Zeit ein wenig: Keine
nationale Einrichtung, weder CNES, noch DLR wird diese Mission alleine tragen
können, Kooperation tut not. Unabhängig von den kurz- bis mittelfristigen
Realisierungschancen dieser interessanten Mission leisten die Arbeiten des
Antragspaketes wertvolle Vorarbeiten für diese Mission.
2.8.4 Aktuelles Umfeld
Eine traurige Aktualität und Bedeutung haben alle Forschungsarbeiten auf dem Gebiet
der Fernerkundung/Environmental Monitoring durch die Tsunami-Tragödie in
Südostasien erfahren. Aktuelle, hochaufgelöste Satellitenbilder der betroffenen
Region stellen, neben vor Ort- oder Insitu-Information für die Hilfswerke und Hilfskräfte
die einzige zuverlässige Informationsquelle im Hinblick auf noch intakte Infrastruktur
(Strassen, Brücken, Transportwege, Gebäude) dar. Die besondere Aktualität der
satellitengestützten Karten und ihre große Flächenabdeckung sind für umfassende
Übersichten der aktuellen Situation sowie für die Schadensabschätzung und
Koordination der Logistik vor Ort von besonderem Nutzen. Im Vergleich zweier
Aufnahmen vor (Abbildung 2-8) und nach der Katastrophe (Abbildung 2-9) lassen sich
unmittelbare Schäden und der sich daraus ergebende mittelbare und unmittelbare
konkrete Hilfebedarf ableiten.
Abbildung 2-8: Ausschnitt einer SatellitenbildKarte der Aceh Region auf Sumatra, Indonesien.
Diese Aufnahme machte der Satellit IKONOS am
10. Januar 2003 (Bild: DLR/Space Imaging)
Abbildung 2-9: Ausschnitt einer SatellitenbildKarte der Aceh Region auf Sumatra, Indonesien.
Diese Aufnahme machte der Satellit IKONOS am
29. Dezember 2004 (Bild: DLR/Space Imaging).
Es handelt sich hier im wesentlichen um optisch gewonnene Satellitenbildinformation
(Ikonos), die im Vergleich zu mikrowellen- und satellitenbasierten SARBildgebungsverfahren (z.B. Envisat) zwar tageszeit- und wetterabhängig ist, aber eine
deutlich höhere Auflösung besitzt. Flugzeuggetragene SAR-Systeme erreichen mit 10
cm bereits heute vergleichbare Auflösungen und bieten bei weitgehender Wetter- und
Tageslichtunabhängigkeit im Vergleich zu satellitengetragenen Systemen eine höhere
Einsatzflexibilität.
- 20 -
- PRÄAMBEL BISTATIC EXPLORATION Ohne die einzelnen Vor- und Nachteile der Systeme in die Tiefe gehend analysieren
zu wollen, kann zusammenfassend festgehalten werden, dass sich mit hochauflösenden satelliten- oder flugzeuggetragenen SAR-Systemen ein leistungsfähiges kohärent
arbeitendes Fernerkundungswerkzeug entwickelt. Die interferometrische Kombination
der kohärenten Bilder erschließt heute schon, ebenso wie die prinzipiell mögliche
bistatische Polarimetrie11, Informationsmehrwerte, die nicht nur die optische
Interpretation sondern auch die automatische Klassifikation der abgebildeten Szenen
ermöglichen.
Die bistatische hybride Kombination satellitengetragener Beleuchter mit flexibel einsetzbaren flugzeuggetragenen Empfängern ermöglicht ein Optimum von Flexibilität
bei Wahrung aller Vorteile kohärenter Aufnahmetechniken. Anders als bei satellitengetragenen monostatischen Aufnahmeverfahren mit weitgehend fixem Einfallswinkel
gestattet die bistatische Kombination selbst bei festem Einfallswinkel des Beleuchters
einen variablen Ausfallswinkel, unter dem der Empfänger die Rückstreuechos aufnimmt.
In einer ähnlichen Weise, wie die anwendungsspezifische Nutzung monostatisch gewonnener Fernerkundungsdaten in den letzten Jahren dramatisch an Bedeutung gewonnen hat, wird sich die Nutzung bistatisch gewonnener Daten etablieren und entwickeln, wobei hier die eingangs beschriebenen Vorteile, wie implizit größere Flexibilität,
Kostenvorteile im operationellen Betrieb, Ausnutzung eines breiteren Rückstreuwinkelspektrums, etc. ein noch deutlich höheres Anwendungspotential erkennen lassen.
11
Bistatische Aufnahmetechniken und Bildgewinnungsverfahren sind wissenschaftliches „Neuland“. Darauf aufbauende
weitergehende Verfahren, wie bistatische Interferometrie und bistatische Polarimetrie sind damit zum heutigen Zeitpunkt
‚Projektionen in die Zukunft’, jedoch keineswegs unrealistisch. TerraSAR-X wird z.B. über verschiedene polarimetrische Moden
verfügen, die im Prinzip jetzt schon bei entsprechendem Aufbau eines bistatischen Empfängers bistatische Polarimetrie zulassen
würden.
- 21 -
3 Anhang: Kurzer Überblick zum Stand der Forschung
Der Anhang vermittelt einen ersten Überblick über den Stand der Forschung hinsichtlich der Einzelvorhaben des Antragspaketes. Er ist bei weitem nicht vollständig und
ersetzt auch nicht die detaillierte Beschreibung der Einzeldarstellungen. Vielmehr soll
auch ohne Kenntnis der Gesamtheit aller Teilanträge eine überschlägige Abschätzung
zum Stand der Forschung und der involvierten Konzepte ermöglicht werden. Ähnliches gilt für das Literaturverzeichnis. Die ersten drei Referenzen /L1 - L3/ enthalten
sehr elementare Einführungen in Prinzip, Wirkungsweise und Signalverarbeitung monostatischer SAR Systeme.
Auf die von den Antragstellern geleisteten Vorarbeiten wird an dieser Stelle überhaupt
nicht eingegangen, hierzu sei auf die Einzelbeschreibungen hingewiesen.
3.1 Orbitgetragene Multistatische SAR-Systeme
Das vom französichen CNES12 beispielsweise vorgeschlagene interferometrische
Cartwheel /L4, L10/ stellt ein solches orbitgetragenes multistatisches SAR-System
dar. Es setzt sich zusammen aus einem „Beleuchter“ (Sender) und mehreren
(passiven) Empfänger-Satelliten, die als Mikrosatelliten ausgeführt sein können.
Die Empfänger-Satelliten bewegen sich
auf elliptischen Bahnen mit gleicher Exzentrizität und großer Halbachse, so
dass diese Bahnen identische Umlaufzeiten aufweisen. Bei Verwendung eines
bereits im Orbit befindlichen SAR-Satelliten mit annähernd zirkularem Orbit
würde man die große Halbachse der
Empfänger-Satelliten identisch mit dem
Radius des Beleuchter-Orbits wählen, so
dass Beleuchter und Empfänger identische Umlaufzeiten besitzen. Unter Verwendung von drei Empfängersatelliten
werden
die
Perigäen
(erdnächste
Punkte) der Satelliten gleichmäßig in
Winkelabständen von 360°/3=120° verteilt. Ebenfalls werden die zugehörigen
Perigäumszeitpunkte um ein Drittel der
Abbildung 3-1 : Cartwheel-Anordnung
Umlaufzeit vor oder zurück verschoben,
so dass die Satelliten räumlich eng beieinander liegen.
Bei hinreichend klein gewählter Exzentrizität verbleiben die Empfänger-Satelliten während der gesamten Umlaufzeit immer in einer räumlich engen Nachbarschaft mit mittleren Abständen von einigen hundert Metern zueinander. Betrachtet man die Gruppe
der Empfänger-Satelliten in ihrer Relativ-Bewegung auf einem Umlauf, ergibt sich der
Eindruck eines rotierenden Rades (Cartwheels), an dessen Speichenenden sich die
Empfänger-Satelliten befinden.
12
Centre Nationale d’Etudes Spaciales
- 22 -
3.2
Flugzeuggetragene bi- oder multistatische Systeme
Flugzeuggetragene SAR-Systeme weisen gegenüber satellitengetragen Systemen
eindeutige Vorteile im Hinblick auf Kosten und Flexibilität in der Missionsplanung und
Missionsgestaltung auf. Diesen Vorteilen steht der im Vergleich zu satellitengetragenen Plattformen deutlich unstetigere Trajektorien- oder Flugbahnverlauf gegenüber.
Während satellitengetragene SAR Systeme fast durchweg ohne eine Bewegungskompensation auskommen und sogar die Verarbeitungsparameter aus den geometrischen Orbit- und Missionsparameter bestimmen können, verlangen flugzeuggetragene SAR-Missionen zwingend eine Bewegungskompensation, die rechnerisch algorithmisch an verschiedenen Stellen des Gesamtverarbeitungsprozesses durchgeführt
wird. Die Anforderungen einer bistatischen Mission an die Bewegungskompensation
und die Bestimmung der Verarbeitungsparameter verschärfen sich gegenüber monostatischen Konstellationen sogar noch und bestimmen ganz wesentlich die Komplexität des Gesamtverarbeitungsverfahrens.
3.2.1 Bistatisches SAR-Experiment FGAN-FHR
Das Experiment wurde im November 2003 mit den beiden SAR-Systemen der FGAN
geflogen. Als Sender wurde das AER-II-System auf einer Dornier Do-228 eingesetzt.
Als Empfänger fungierte das PAMIR-System, installiert auf einer Transall C-160.
Beide Systeme arbeiten im X-Band, es ergibt sich ein gemeinsames Überlappungsband mit einer Bandbreite von 300 MHz. Es wurden im Wesentlichen translationsinvariate Konstellationen geflogen, in denen Sender- und Empfängerplattform sich mit
gleichen Geschwindigkeitsvektoren bewegen. Variiert wurde der bistatische Winkel β
(vgl. Abbildung 2-1). Dazu wurden Abstand und Höhe der Flugzeuge so variiert, dass
sich bistatische Winkel von 13°, 29°, 51° und 76° ergaben.
3.2.2 Bistatisches SAR-Experiment DLR/Onera
Als Teil eines Kooperationsprojekts zwischen dem Institut für Hochfrequenztechnik
(NeHF) des DLR und der Abteilung DEMR der Onera13 wurden im Februar 2002 zwei
experimentelle Flüge zur Gewinnung bistatischer Rohdaten im X-Band von der französischen Basis in Istres durchgeführt. Als SAR-Systeme wurden das E-SAR des
NeHF und das Ramses-System der Onera eingesetzt, als Trägerplattformen wurden
von Seiten des DLR eine DO-228 und von Seiten der Onera eine Transall C-160 eingesetzt. Die Feinabstimmung der Trägerfrequenzen erfolgte jeweils kurz vor dem
Flug, die Synchronisation der Pulswiederholraten erfolgte auf der Basis des GPS 1pps
Signals. Geflogen wurden im wesentlichen in zwei bistatischen Konstellationen, einer
reinen along track Konfiguration, in der die Transall im Abstand von ca. 100 m der Do228 auf gleicher Trajektorie folgte, und einer reinen across track Konfiguration, bei der
beide Flugzeuge parallel zu einander flogen.
3.2.3 Hybride Systeme
Die Machbarkeit eines hybriden bistatischen Systems, bestehend aus einem Beleuchtersatelliten und einem flugzeuggetragenen, passiven SAR-Empfänger wurde
bereits 1994 /L14/ von R. Goldstein demonstriert, indem er den ERS-1-Satelliten mit
einem Flugzeug „unterflog“. Das Flugzeug war mit einer direkten Empfangsantenne
für das SAR-Sendesignal des ERS-1 ausgestattet, ferner mit einer auf die Erdoberfläche gerichteten SAR-Empfangsantenne, die das zurückgestreute SAR-Signal aufzeichnete. Goldstein war in der Lage, das bistatische SAR-Verarbeitungsprinzip an13
Office Nationale d’Etudes et de Recherches Aerospatiales
- 23 -
- PRÄAMBEL BISTATIC EXPLORATION hand von Bildern von Los Angeles zu demonstrieren, allerdings mit einer gegenüber
der Direktaufnahme des ERS-1 reduzierten Auflösung. FGAN und ZESS planen die
Neuauflage des Experiments mit verbesserten Rahmenbedingungen als Teil der
TerraSAR-X Mission und werden hierzu ein Project Proposal verfassen.
3.3
Orbitmodellierung
Die für den Idealzustand ermittelten Orbitbahnen werden üblicherweise /L6/ unter der
Voraussetzung berechnet, dass keine Störkräfte auf die Satelliten einwirken. Tatsächlich treten aber bei erdnahen Umlaufbahnen (200 – 800 km Bahnhöhe) Kräfte auf, die
nicht zu vernachlässigen sind, so dass die Theorie der ungestörten Keplerbahnen zur
Beschreibung realer Orbits nicht ausreicht. Die wichtigsten Störbeschleunigungen
werden verursacht durch:
• Deformation des Erdgravitationsfeldes,
• Luftwiderstand in der Hochatmosphäre.
Übliche Verfahren lösen entweder die Orbitdifferentialgleichungen mit Einschritt- oder
Mehrschrittlösungsverfahren oder verwenden eine Schar von oskullierenden Kepler’schen Ellipsen, bei dem jeder einzelne Bahnpunkt als Ausgangspunkt einer neuen
Kepler’schen Ellipse interpretiert wird, deren Parameter sich aus den realen Gravitations- und Störkräften ergeben.
3.4
Bestimmung von Lage und Position der SAR-Antenne
Die Bestimmung der Baseline, d.h. des vektoriellen Abstandes der Phasenzentren
zwischen den beiden Empfangsantennen, stellt seit einigen Jahren ein bedeutendes
Forschungsthema in der SAR-Interferometrie dar. Die optimale modellbasierte Schätzung der Baseline aus den typischen Phase Fringes in den SAR-Bildern, aus Co-Registrierungsparametern, aus Referenzhöhendaten und Orbitparametern wurde von
den Antragstellern in den letzten Jahren betrachtet, und optimale Lösungen wurden
für die bisher bekannten SAR-Konstellationen aufgezeigt. Eine detaillierte Beschreibung findet sich im Teilantrag AtPos.
Bei zukünftigen bistatischen Experimenten bzw. Missionen – man denke beispielsweise an die reizvolle Konstellation zwischen aktiver SAR-Antenne, die sich an Bord
eines Satelliten befindet, und passiver SAR-Antenne, die auf einem Flugzeug montiert
ist – ergeben sich neue Herausforderungen bezüglich der Bestimmung von Position
und Lage der Empfangsantenne relativ zur Sendeantenne. Der Abstand der
Phasenzentren der beiden Antennen muss sehr genau bestimmt werden. Neben
diesen Positionen muss aber auch die Lage der Antennen bestimmt werden, da diese
ja fortwährend so ausgerichtet sein müssen, dass die gesendeten und an der
Erdoberfläche reflektierten Mikrowellen empfangen werden können. Neben der
instabilen Flugbahn des Flugzeugs sind die großen Unterschiede in der
Geschwindigkeit der beiden Trägerplattformen (7 km/s zu 100 m/s) zu berücksichtigen. Lösungen dieser Problematik sind bisher nicht bekannt.
Seit einiger Zeit werden in vielen Flugzeugen und Satelliten Position und auch Lage
aus dem amerikanischen Global Positioning System (GPS) und einer inertialen
Messeinrichtung (Inertial Measurement Unit (IMU)) integriert abgeleitet. Verfügbare
Systeme (Beispiel Flugzeug: CCNS/AEROcontrol-II von IGI oder POS/AV510 von
Applanix) sind aber sehr teuer oder arbeiten nicht mit der hier geforderten
Genauigkeit. Auch nur auf GPS basierende Systeme sind seit kurzem erhältlich
(JNSGyro-4 von Firma Javad Navigation Systems) und ebenfalls sehr teuer (ab ca.
30.000€).
- 24 -
In der Forschung beschäftigt man sich seit ca. 10 Jahren intensiv mit der Positionsund Lagebestimmung mittels GPS und auch der Integration von Inertialnavigationssystemen.
Den meisten der aktuellen Vorschläge gemeinsam ist die Bildung und Verwendung
von Differenzen14 der Primärbeobachtungen zur Genauigkeitserhöhung. Im Falle von
Doppeldifferenzen (double differences) der Trägerphasenmessungen und Abständen
der Empfänger (Baselines) von weniger als ca. 20 km, lassen sich so Genauigkeiten
im Bereich von wenigen cm erzielen. Das Problem der Trägerphasenambiguität ist
nach wie vor Gegenstand der Forschung.
Auch sind bereits erste Vorschläge zu relativ kostengünstigen Systemen vorhanden,
die als Machbarkeitsstudien aufgefaßt werden können und für die hier verfolgte Anwendung noch zu ungenau sind.
Den Anforderungen nach einer hochgenauen, flexibel konfigurierbaren, echtzeittauglichen und dabei mit ‚components of the shelf’ arbeitenden Problemlösungen wird keiner der bisher veröffentlichten Ansätze in vollem Umfang gerecht.
Gleichwohl ist die Forschung an einer GNSS basierten Positions- und Lagebestimmung für bistatische Missionen, die die oben genannten Kriterien erfüllt, vielversprechend. Der weitere Stand der Technik und eigene Vorarbeiten werden im Teilantrag
AtPos detailliert ausgeführt.
3.5
Raum- und Zeitsynchronisation
Bei der Positions- und Lagebestimmung der Plattformen werden zur Zeit bi- und multistatische SAR-Sensoren mit unabhängigen GPS- und DGPS-Empfängern betrieben.
Die ermittelte Position der Trägerplattform erfolgt im WGS84 Koordinatensystem. Die
erreichbare Genauigkeit beim DGPS im Echtzeit-Betrieb beträgt für fliegende Plattformen etwa 10 cm, was für höchstauflösende bistatische SAR-Bilder viel zu ungenau
ist. Bei interferometrischen Aufnahmen mit einem X-Band SAR-System sind Positionen mit einer Genauigkeit von bis zu 0,3 mm zu bestimmen. Bedenkt man, dass 1 ns
etwa 0,3 m entsprechen, ist die DGPS Positionsgenauigkeit zu gering für eine kohärente Signalprozessierung von interferometrischen bistatischen SAR-Daten.
Die Synchronisierung der lokalen Zeitnormale stellt in bi- und multistatischen Anordnungen ein großes Problem dar, für das zwar verschiedenartige Lösungsansätze,
aber noch keine befriedigenden Lösungen existieren. Eine detaillierte Beschreibung
des Forschungsstandes und der Vorarbeiten der Antragsteller findet sich im Teilantrag
BISARSynch.
3.6
SAR-Signalverarbeitung:
Prozessierung
Parameterestimation
und
Die Verarbeitung monostatischer SAR-Daten gehört zum Stand der Technik. Einen
Überblick über die verschiedenen Verarbeitungsansätze findet sich in /L19-L29/. Auch
die Antragsteller haben zu diesem Problemkreis einige Vorarbeiten aufzuweisen.
Die Problematik der Verarbeitung bi- oder multistatischer SAR-Daten als wissenschaftlich neue Problemstellung hielt Einzug in die Fernerkundung mit den Projektvor14
siehe Teilantrag AtPos
- 25 -
- PRÄAMBEL BISTATIC EXPLORATION schlägen des französischen CNES15 zum ‚Interferometric Cartwheel’, /L4, L10/. Während diese Konstellation ursprünglich als orbitmechanisch stabile Satellitenanordnung
ohne mechanische Kopplung gedacht war, die alle Arten von interferometrischer Daten- und Informationsgewinnung ohne die dynamischen Instabilitäten der Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) ermöglichte, fokussierte sich das wissenschaftliche
Interesse der SAR community sehr schnell auf das Kernproblem der bi- und multistatischen SAR-Verarbeitung, und zwar unter der verallgemeinerten Annahme beliebiger
Bewegungstrajektorien für Sende- und Empfängerplattform. Die räumliche Verteilung
des bildgebenden bistatischen SAR Sensors auf zwei unabhängige Plattformen eröffnet dabei neuartige und sehr flexible Beleuchtungs- und Aufnahmegeometrien, die
insbesondere die Nutzung anderer Winkelbereiche des Mikrowellenrückstreuspektrums ermöglichen. Das wissenschaftliche Interesse von Anwendern und ‚Verarbeitern’ kumulierte ab 2003 sehr schnell in eine Vielzahl von speziellen, bi- und multistatischen Sessions, z.B. auf dem IGARSS’0316 und der EUSAR’0417. Das gesamte
Gebiet des bistatischen SAR, beginnend mit der Auslegung der Sensorik, über die
Planung und Durchführung bistatischer Missionen bis hin zur Verarbeitung und Darstellung bistatischer Daten ist zum aktuellen Zeitpunkt wissenschaftliches Neuland.
Eine detaillierte Beschreibung des Standes von Forschung und Technik sowie der
eigenen Vorarbeiten findet sich im Teilprojektantrag BiFOCUS.
3.7
Entwicklung von Modellierungs- und Simulationswerkzeugen
Flexible Simulationswerkzeuge mit einem breiten Einsatzgebiet müssen auf
entsprechenden modularen Modellierungskonzepten aufbauen. Auf diesem Gebiet
wurden in den letzten Jahren einige Fortschritte erzielt, wobei aus dem SoftwareEngineering entlehnte objektorientierte Konzepte eine zentrale Rolle spielen /L33 /. Zu
nennen sind vor allem die hierarchisch strukturierten Konzepte der ereignisdiskreten
Simulation /L44/ sowie aktuelle Bestrebungen im Bereich der zeitkontinuierlichen
Simulation, die in der Entwicklung der universellen Modellierungssprachen Modelica
/L34/ und VHDL-AMS /L35/ mündeten. Durch Zusammensetzung und Parametrierung
der Bausteine können dann konkrete Systeme modelliert werden. Allerdings muss
festgestellt
werden,
dass
hochperformante
Simulatoren
für
spezielle
Anwendungsgebiete immer noch maßgeschneidert werden müssen. Insbesondere bei
Systemen mit einem stark diskret-kontinuierlichen Charakter (wie z.B. der Simulation
von Multisensor-Systemen /L46/) gibt es noch keine universellen und zugleich
performanten Systeme.
Bei der Entwicklung von Simulatoren für die Forschung und speziell für Projekte, in
denen sich der Gegenstand selbst noch verändert, spielen Prototyping-Methoden eine
zentrale Rolle, die eine rasche Konfiguration von Simulationsszenarien unter Verzicht
auf hohen Benutzungskomfort erlauben. Für das Prototyping bieten sich – außer
objektorientierten Ansätzen – der Einsatz von Skriptsprachen wie MATLAB, perl oder
python /L45/, die Verwendung von XML als universeller Datenaustauschsprache /L40/
sowie die Kopplung von Werkzeugen und Sprachen an. Zur Beschleunigung
zeitaufwendiger Passagen kommen der Einsatz hochperformanter numerischer Codes
aus Programmbibliotheken /L47/, die Programm-Parallelisierung unter Verwendung
von PVM oder MPI /L48/, der Einsatz computeralgebraischer Algorithmen zur
Vorverarbeitung von Modellen /L37/ sowie die automatische Generierung optimierten
Codes für kritische Passagen /L38, L39/ in Frage.
15
CNES: Centre Nationale d’Etudes Spatiales
International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Toulouse, 2003: 2 Sessions mit 15 Beiträgen
17
European Conference on Synthetic Aperture Radar, Ulm, 2004: 4 Sessions mit 25 Beiträgen
16
- 26 -
- PRÄAMBEL BISTATIC EXPLORATION Speziell im SAR-Bereich werden seit geraumer Zeit Simulatoren implementiert und
eingesetzt, die sich bisher allerdings vorwiegend auf klassische monostatische
Anordnungen konzentrieren. Diese Simulatoren wurden in der Regel nur für ein
einziges Szenario ad hoc implementiert. Daher sind sie wenig umfangreich und bauen
nicht explizit auf einem softwaretechnischen Grundkonzept auf. Zu nennen sind hier
Entwicklungen auf dem Gebiet der Rohdatengenerierung, z.B. /L49 - L55/, der
Orbitsimulation z.B. /L6, L7/ und der Missionsplanung. Komplexere Anforderungen wie
sie in diesem Projekt vorliegen, findet man in den letzten Jahren vor allem auf dem
Gebiet der multisensorischen Systeme vor, wo derzeit bereits frei konfigurierbare
objektorientierte Konzepte umgesetzt werden /L46/.
3.8
Verarbeitung und Visualisierung massiver 2D- und 3D-Daten
Aktuell ist die Visualisierung von SAR-Daten das letzte Modul in einer stark sequentiell
orientierten Verarbeitungskette. Zur Visualisierung werden entsprechend der
konkreten Vorgehensweise bei der Programmerstellung auf Funktionalitäten einer
Entwicklungsumgebung zurückgegriffen (Beispiel IDL /L59/) oder auf Standard-3DProgrammbibliotheken wie OpenGL /L60/ zurückgegriffen.
Im Kontext der Graphischen Datenverarbeitung bzw. Computergraphik wird in vielen
Anwendungsfeldern die Auslagerung von Verarbeitungsalgorithmen auf die
Graphikhardware untersucht. So wurden Transformationen (z.B. WaveletTransformation /L61/) und Filter (z.B. morphologische Filter /L62/) mit einem
deutlichen Performanzgewinn vollständig auf Graphikhardware umgesetzt. Zur
Visualisierung der hoch-dynamischen SAR-Daten eignen sich Ansätze des ToneMappings aus der Computergraphik um lokal adaptive Intensitätsanpassungen zu
erhalten /L63/.
Die Visualisierung der massiven 3D-Daten wird in der Computergraphik seit vielen
Jahren in der Terrain Visualisierung untersucht. Hierbei ist die schnelle Erzeugung
eines geeigneten Level-of-Detail (LOD), der eine performante Darstellung ermöglicht,
zentral. Neben geeigneten Raumunterteilungsverfahren /L64/ wurden erste Ansätze
zur Umsetzung unter Einsatz programmierbarer Graphikhardware erforscht /L65/,L66/.
3.9
Einige Literaturangaben zum Stand der Forschung
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präambel - ZESS - Universität Siegen

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