ISAR-Abbildung bewegter Landfahrzeuge

Motivation und Hintergrund

Radar mit synthetischer Apertur (SAR) hat in den letzten Jahren einen Entwicklungsstand erreicht, der einen operationellen Einsatz im Rahmen der Erdfernerkundung und militärischen Aufklärung möglich macht. Aktuell liefert beispielsweise TerraSAR-X Produkte für die Fernerkundung sowie wissenschaftliche Anwendungen und SAR-Lupe unterstützt das Militär im Rahmen der weltweiten Aufklärung.
Um in Flugrichtung eine feine Auflösung zu erzielen, nutzt das SAR-Prinzip die Relativbewegung zwischen dem Radarsensor und den abzubildenden Objekten aus, setzt dabei jedoch voraus, dass die beobachtete Szene selbst regungslos ist. Daher werden bewegte Objekte in der Szene, z. B. Landfahrzeuge, im SAR-Bild unscharf, an falscher Position oder gar nicht abgebildet. Beim Einsatz im Rahmen der taktischen Aufklärung erwächst die Forderung, einen Betriebsmodus zu entwickeln, der die Abbildung bewegter Landfahrzeuge mit hoher Auflösung ermöglicht. Die angestrebte Auflösung sollte dabei so fein sein, dass sie die Klassifikation abgebildeter Objekte gestattet.
Historisch betrachtet, wurde das hierbei anzuwendende inverse SAR-Verfahren (ISAR) zunächst mit einem feststehenden Radarsensor und einem bewegten Ziel erprobt, was die Bezeichnung ISAR erklärt. Dabei stellt die Tatsache, dass die Bewegung des abzubildenden Fahrzeugs unbekannt ist, ein großes Problem dar. Sie muss aus den aufgezeichneten Radarechos selbst ermittelt werden.


Ziele der Arbeiten

Die Abbildung nichtkooperativer Landfahrzeuge mit höchster Auflösung bringt eine Reihe von Problemen mit sich, die im Rahmen der Bearbeitung dieses Themas zu lösen sind. Die Zielvorgaben werden dabei durch Bedürfnisse der Nutzer bestimmt. Entsprechend der dabei geforderten Auflösung im Subdezimeterbereich betreibt die Abteilung ARB das flugzeuggetragene Experimentalsystems PAMIR [1], welches 1,8 GHz Signalbandbreite erzeugen und verarbeiten kann.
Die zu lösenden Probleme reichen von der Beantwortung einfacher technischer Fragestellungen bis hin zur Entwicklung aufwändiger Schätzverfahren für die Bestimmung der unbekannten Fahrzeugbewegung. Robustheit und Stabilität der entwickelten Verfahren stellen dabei zusätzliche Randbedingungen dar.


Kurzbeschreibung und Stand der Arbeiten

Um die ISAR-Abbildung eines bewegten Fahrzeugs erfolgreich durchführen zu können, sind grundlegende Forderungen an seine Bewegung zu stellen, die sich daraus ergeben, dass die Auflösung quer zur Entfernungsrichtung eine Aspektwinkeländerung der Radarblickrichtung zum abzubildenden Objekt voraussetzt. Um die Dauer der Aufnahme kurz zu halten, und so einerseits Störungen zu vermeiden und andererseits das Radarsystem für andere Aufgaben verfügbar zu machen, erfolgt die ISAR-Datenaufnahme im Idealfall während das Fahrzeug eine Kurve passiert.
Die gesamte Datenverarbeitung umfasst Arbeitsschritte, die grob in drei Teilbereiche eingruppiert werden können: Rangeverarbeitung, kohärente Pulsverarbeitung und Bewegungsschätzung. Diese funktionale Trennung spiegelt sich jedoch im Ablauf der Verarbeitung wie sie Abbildung 1 zeigt nicht direkt wieder, sondern die einzelnen Bereiche wirken verzahnt zusammen.
Die Rangeverarbeitung beinhaltet die Kalibration sowie die Kompression der Rohdaten in Entfernungsrichtung. Dabei ist anzumerken, dass die gesamte Bandbreite wegen technischer Beschränkungen auf fünf aufeinander folgende Sendepulse verteilt wird. Falls verfügbar, kann die Kalibration mit einer gemessenen Systemübertragungsfunktion erfolgen. Alternativ muss sie aus den Radardaten geschätzt werden.  Die Kombination der Teilbänder erfolgt in einem späteren Verarbeitungsschritt. Eine weitere Aufgabe der Rangeverarbeitung stellt die Kompensation bekannter und im Laufe der Verarbeitung geschätzter Bewegungen dar. Dabei behandelt die Bewegungskompensation lediglich die translatorischen Bewegungsanteile, während rotatorische Komponenten für die spätere Bilderzeugung erhalten bleiben.
Die kohärente Pulsverarbeitung tritt zunächst zur Berechnung der Range-Doppler-Segmente auf, die die Basis für die Bewegungsschätzung bilden. Ebenso gehört die Bilderzeugung in diese Kategorie von Verarbeitungsschritten. Welches Verfahren für die Bildrekonstruktion zum Einsatz kommt, ist dabei von untergeordneter Bedeutung, da die Anforderung an das Rekonstruktionsverfahren aufgrund der kleinen Szenenausdehnung gering ist.
Die Schätzung der Bewegung erfolgt in zwei Schritten. Als erstes wird das abzubildende Objekt im Range-Doppler-Bereich verfolgt, woraus sich im Wesentlichen die Entfernung und Relativgeschwindigkeit in Antennenblickrichtung ergeben. Die grafische Oberfläche zur Auswahl und Verfolgung eines Objekts zeigt Abbildung 2. Anschließend werden genauere Informationen über die Objektbewegung, insbesondere auch die für die Abbildung erforderliche Kenntnis der Objektrotation, mit Hilfe eines Kalman-Filters ermittelt. Verfügbare Zusatzinformationen können hier mitverarbeitet werden. Alternativ zu diesem Ansatz kann auch die Lage des Objekts im Range-Doppler-Bereich für die Schätzung der Objektrotation ausgewertet werden [2].
Das rekonstruierte ISAR-Bild eines Lkw stellt Abbildung 3 dar. Die Beleuchtungsrichtung ist auf dem Blatt von oben nach unten.


Weiterer Arbeitsablauf

Der Ablauf für die Verarbeitung von ISAR-Daten bewegter Landfahrzeuge steht fest und für wesentliche Schritte sind Lösungen erarbeitet. Die geschätzten Informationen über die translatorische und die rotatorische Bewegung erlauben die Berechnung von Bildern mit hoher Auflösung. Um die Einsatzfähigkeit weiter zu verbessern, müssen die entwickelten Verfahren jedoch weiter robustifiziert werden. Die nächsten Arbeitsschritte werden sich daher mit Verfahren beschäftigen, die ausgehend von suboptimalen ISAR-Bildern Verbesserungen erzielen. Im Hinblick auf eine Verbesserung in Entfernungsrichtung wird dazu mit Hilfe von entropie- oder kontrastbasierter Optimierung eine Kalibration ausgehend von Radardaten entwickelt. Ein entsprechendes Verfahren soll anschließend auch zur Kompensation von Restfehlern der translatorischen Bewegungskompensation eingesetzt werden.


Literatur

[1] P. Berens, A. Brenner, J. Ender, C. Kirchner, L. Rößing, U. Skupin, “Mehrkanaliges SAR mit phasengesteuerter Gruppenantenne”, FHR-Bericht Nr. 33.
[2] P. Berens, J. Ender, “Motion Estimation for ISAR Imaging of Ground Moving Targets”, EUSAR 2006, Dresden

 

 

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