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Multi-channel azimuth processing for high-resolution wide-swath SAR imaging [Elektronische Ressource] / Nicolas Gebert

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219 pages
Ajouté le : 01 janvier 2009
Lecture(s) : 11
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Forschungsbericht 2009-13Forschungsbericht 2005-02
Multi-Channel Azimuth Processing
for High-Resolution Wide-Swath
SAR Imaging
Nicolas Gebert
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
Institut für Hochfrequentechnik und
Radarsysteme
Oberpfaffenhofen
Herausgeber Deutsches Zentrum
für Luft- und Raumfahrt e.V.
Bibliotheks- und
Informationswesen
D-51170 Köln
Porz-Wahnheide
Linder Höhe
D-51147 Köln
Telefon (0 22 03) 6 01- 32 01
Telefax (0 22 03) 6 01- 47 47
Als Manuskript gedruckt.
Abdruck oder sonstige Verwendung
nur nach Absprache mit dem DLR gestattet.
ISSN 1434-8454

Forschungsbericht 2009-13





Multi-Channel Azimuth Processing
for High-Resolution Wide-Swath
SAR Imaging


Nicolas Gebert



Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
Institut für Hochfrequenztechnik und
Radarsysteme
Oberpfaffenhofen





215 Seiten
132 Bilder
15 Tabellen
99 Literaturstellen











Multi-Channel Azimuth Processing for
High-Resolution Wide-Swath SAR Imaging






Zur Erlangung des akademischen Grades eines

DOKTOR-INGENIEURS

von der Fakultät für
Elektrotechnik und Informationstechnik
der Universität Fridericiana Karlsruhe (TH)

genehmigte

DISSERTATION

von

Dipl.-Ing. Nicolas Gebert
geb. in München





Tag der mündlichen Prüfung: 04.06.2009
Hauptreferent: Prof. Dr.-Ing. habil. Alberto Moreira
Korreferent: Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Dr.-Ing. E.h. Werner Wiesbeck
Vorwort
Die vorliegende Dissertation enstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mit-
arbeiter am Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme des Deutschen Zentrums für
Luft- und Raumfahrt (DLR) in Oberpfaffenhofen. Mein Dank gilt besonders Institutsdirektor
Prof. Dr.-Ing. Alberto Moreira, ohne dessen Unterstützung als Referent die vorliegende Arbeit
nicht möglich gewesen wäre, sowie Prof. Dr.-Ing. Werner Wiesbeck vom Institut für Höchstfre-
quenztechnik und Elektronik (IHE) der Universität Karlsruhe (TH) für die Übernahme des Kor-
referats.

Von den jederzeit hilfsbereiten Kollegen am DLR gilt es, meine Abteilungs- und Fachgrup-
penleiter Marian Werner, Dr.-Ing. Gerhard Krieger und Dr.-Ing. Marwan Younis hervorzuheben.
Ihnen möchte ich vor allem für ein stets angenehmes Arbeitsklima und für die immer gerne ge-
währte fachliche Unterstützung danken. Erst die zahlreichen anregenden Diskussionen mit
Dr.-Ing. Gerhard Krieger, in denen ich von seinem großen technischen Fachwissen und seiner
großen Erfahrung profitieren konnte, haben diese Dissertation in der vorliegenden Form ermög-
licht. In Bezug auf die kritische Durchsicht der Arbeit und den damit verbundenen wertvollen
Anregungen und Verbesserungen, möchte ich Dr.-Ing. Gerhard Krieger und besonders Dr.-Ing.
Marwan Younis erwähnen. Vielen Dank an die zahlreichen hier ungenannten Kollegen, die mir
mit ihren Kommentaren, Korrekturen und Ideen ebenso eine große Hilfe waren.

Nicht zuletzt bedanke ich mich bei meinen Kollegen Marc Rodrìguez Cassolà sowie
Dr. Federica Bordoni, die immer zur guten Atmosphäre im Büro 081 beigetragen haben und stets
zur Diskussion technischer Probleme bereit waren; insbesondere Marc, der sich immer die Zeit
genommen hat, mir zu helfen.

Abschließend möchte ich mich bei EADS Defence Electronics in Ulm bedanken, die meine
Arbeit im Rahmen einer Kooperation mit dem DLR finanziell unterstützt hat.

München, Juni 2009

Nicolas Gebert
Contents
Zusammenfassung v
Abstract vii
Acronyms and Symbols ix
1 Introduction 1
1.1 State-of-the-Art: Synthetic Aperture Radar Remote Sensing ................................................2
1.2 Motivation, Scope, and Structure of this Work......................................................................5
2 Conventional SAR Systems – Fundamentals and Constraints 9
2.1 Geometry and Principle..........................................................................................................9
2.2 SAR Signal Model ...............................................................................................................12
2.3 Pulsed Signal Acquisition ....................................................................................................17
2.3.1 Azimuth Ambiguities ..............................................................................................17
2.3.2 Range Ambiguities..................................................................................................19
2.4 Constraints............................................................................................................................20
3 Multi-Channel SAR – An Overview 23
3.1 Multiple Aperture Reception................................................................................................23
3.2 Overview of Historical Developments.................................................................................24
3.3 First System Concepts..........................................................................................................26
3.3.1 Multiple Apertures in Elevation ..............................................................................26
3.3.2 Displaced Phase Center Antenna in Azimuth .........................................................26
3.3.3 Quad Array Antenna ...............................................................................................27
3.4 Processing Strategies..27
3.4.1 Scan-on-Receive in Elevation (SCORE).................................................................28 ii Contents

3.4.2 Multi-Channel Reconstruction Algorithm in Azimuth............................................28
3.4.3 Multi-Channel Phase Correction in Azimuth ..........................................................29
3.4.4 Minimum Variance Distortionless Beamformer .....................................................29
3.5 Alternative Approaches........................................................................................................29
3.5.1 Multiple Beam SAR ................................................................................................30
3.5.2 Spread Spectrum Waveforms ..................................................................................31
3.5.3 Sparse Array SAR Constellations............................................................................31
4 Multi-Channel SAR in Azimuth 33
4.1 Multi-Channel Reception in Azimuth33
4.2 Multi-Channel Impulse Response and Quadratic Approximation .......................................35
4.3 Spatial Sampling...................................................................................................................38
4.3.1 Effective Phase Center, Virtual Sample Position and Spatial Sampling .................38
4.3.2 Uniform Sampling...................................................................................................40
4.3.3 Special Sampling Scenarios.....................................................................................41
5 Multi-Channel Azimuth Processing: Reconstruction Algorithm 43
5.1 Theoretical Background .......................................................................................................44
5.2 Illustration of Principle.........................................................................................................47
5.3 Multi-Channel Reconstruction in the Framework of STAP.................................................49
5.4 Two-Dimensional Reconstruction and Processing...............................................................50
5.4.1 Multi-Channel Range Cell Migration......................................................................50
5.4.2 Reconstruction Filter Mismatch ..............................................................................52
5.4.3 Two-Dimensional Multi-Channel Reconstruction ..................................................53
5.5 Signal Power ........................................................................................................................54
5.6 Residual Reconstruction Error and Azimuth Ambiguities: AASR ......................................56 N
5.7 SNR Scaling in Digital Beamforming Networks: Φ ...........................................................60 bf
5.8 Noise Equivalent Sigma Zero (NESZ) in Multi-Channel SAR ............................................66
6 Demonstration With Airborne Measured Data 69
6.1 Reconstruction of E-SAR Measured Data............................................................................69
6.2 Reconstruction of F-SAR Measured Data73
6.2.1 System Setup ...........................................................................................................74
6.2.2 Processing Results ...................................................................................................76
7 System Design Example 83
7.1 Requirements and Timing ....................................................................................................83