Modellierung eines Interferometrischen Synthetischen Aperature Radars für die Navigation

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

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.