Quellenangabe 1 Institut für Hochfrequenztechnk und Radarsysteme Quellenangabe 1 Institut für Hochfrequenztechnk und Radar 2.1 Synthetic Aperture Radar (SAR), Grundlagen Vorlesung: Hochauflösende Radarsysteme WS 2007/08, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen Nürnberg Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik Wolfgang Keydel DLR Oberpfaffenhofen, Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme e-mail: [email protected], Web: http://www.keydel.com
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1Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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1Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
2.1 Synthetic Aperture Radar (SAR), Grundlagen
Vorlesung: Hochauflösende Radarsysteme
WS 2007/08,
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen Nürnberg
Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik
Wolfgang Keydel
DLR Oberpfaffenhofen, Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme
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Pulse Repetition Frequency
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Pulse Repetition Frequency (PRF)Dominating Factor in SAR Design
Principal Limitations:Ú Azimuth & Range AmbiguitiesÚ Swath Coverage- & Extension RequirementsÚ Forbidden PRF Bands due to
h Altitude Line Echo (ALE)h Altitude Variationsh Earth Curvature & Orbit Excentricities
Lower Limit: 2vd-1 < PRFTransmitter must be pulsed before platform moves ½ the Antenna Length d
Upper Limitdefined by Range Ambiguity Requirements Impulse needs for crossing the Swath along rgmax the Time tgmax= c (2 rgmax)-1
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vd
PRF crg
≤ ≤max
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Pulse Spectrum Scheme Moving Pulse Doppler Radar
Single Spectral Line Fine Structure
Pulse Spectrumwith
Ambiguities
Single Spectral Lines
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PRF Limitations due to Altitude VariationsAllowed PRF Bands for X-Band Satellite
Ambiguity Limit1064 HZ
m = Number of allowed
Range Ambiguities
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PRF choice for X-SAR/SRTMTransmit & Nadir Interference Limitations
Objective: A fixed combination of PRF and Off-nadir angle• takes into account the historical development and restrictions,• avoids transmit and preferably nadir interferences and• yields a good interferometric performance.
1200 1400 1600 1800PRF / Hz
10
20
30
40
50
60DLR
nadir interference
transmit interference
Orbit height = 233 km
Off-
nadi
r ang
le /
deg
Off-
nadi
r ang
le /
deg
Orbit height = 249 km
1200 1400 1600 1800PRF / Hz
10
20
30
40
50
60DLR
nadir interference
transmit interference
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System Parameters of the X-SAR Instrument
• Orbit height from 233 km to 249 km (coverage requirement of C-Radar)
• PRF limited to eleven fixed values ranging from 1240 Hz up to 1736 Hz
• Off-nadir angle > 51° to avoid interference with Attitude and Orbit Determination Avionics (AODA)
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Ambiguities
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X-SAR Ambiguities
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27Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Airport Zürich Klothen with & without Ambiguitiescaused by 6,8° Antenna Squint Angle
Ambiguities E-SAR, X-VV, θHH= 12°, v = 70 msec-1
Near Range 2805m, Far Range 5355mCourtesy Alberto Moreira, DLR
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Ambiguities due to Multipath Reflection (Bridge)
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Μυλτι−Φρεθυενχψ Ε−ΣΑΡ−Ιμαγε (Λ, Χ, ανδ Ξ−βανδ)
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31Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Azimuth Signal
V = 70 msec-1, λ = 5,6 cm, r0 = 5000 m
Phase/Degree
Frequency/Hz
Normalized Anplitude
Courtesy Alberto Moreira, DLR
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Phase ReferencePhase contents all Target Information required. Quadratic Demodulation provides Phase Information with INPHASE (I) & QUADRATURE (Q) Component.
Target Position at t=0 where fD = 0
Further Information by Correlation with Reference Function for Point Target Sref(t) = Ssig (t)
So(t) at Correlator Output
I (t) A v tr
t Q t A v tr
t
S (t) I t jQt j v tr
t A
o o
sigo
= =
= + = =
cos sin
exp
2 2
2 1
2 2
2
πλ
πλ
πλ
&
with
S (t) = S (t)S (t - )dt = exp expcor sig ref* τ π τ
λπ τ
λ−
+
−
+
− −∫TD
TD
o oTD
TD
j vr
j vr
t dt
2
2 2 2
2
22 2
S ( ) = expcor τ π τλ
πλ
τ− j vr
c v Tro
D
o2
2 2 2sin
∫
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33Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
RAR – SAR Point Target Signal Comparision
Courtesy Alberto Moreira, DLR
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SAR Processing uses Pulse Response Function in bothAzimuth and Range Impulse Response Function
s x B T cB x x
v
s r B T cB r r
c
az az Daz
rg rg rgrg
=−
=−
sin
sin
π
π
0
02
( )
( )
Courtesy Alberto Moreira, DLR
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Influence of Weighting
Impulse response function with Hamming weighting (= 0.54) w ( t ) =
Courtesy Alberto Moreira, DLR
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36Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Quality MeasuresPeak Sidelobe Ratio & Integrated Sidelobe Ratio
PSLR =Power within Sidelobes
Power within Main BeamISLR =
Power within Sidelobes
Power within Diagram
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37Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Characteristics of Impuls Response Function
Courtesy Alberto Moreira, DLR
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38Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
SAR, Measured I- & Q-Signals
Point Target, Frequency Modulated Signals
L-Band, H = 400m, r0 = 1590m, v = 60m sec-1
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Raw Data
SAR Image
Courtesy Alberto Moreira, DLR
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Unfocussed SAR
T rvD =λδ az
z
x
Δrr0
re
Vt=x
r
LS = vTD
θHθ
Focussed SAR needs Phase Compensation during Dwell Time
Unfocussed SAR ignores Δr ≤ λ/16
Required Dwell Time for Specified δaz
θH= d/r0
Δr ≤ λ/16 ==> Maximum Apertur Length for Unfocussed SAR
(LS/2)2 = ro2 - ro
2 ≈ 2ro(re - ro )
L r dSunmax ≤ 0
2Resolution obtainable for Unfocussed SAR
δ azunfoc= 2λr1
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Depth of Focus (DOF) Defines Nr. of Reference Functions required over the Whole Swath
x = vt
S
θH
yGround Range
δrg
δaz
DefinitionDoF = 2Δr0
Required Accuracy to match a given quadratic Phase Reference Function to the considered Range
Maximum allowed Phase Error IΔr - Δr0I =λ/8
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Depth of Focus (DOF) Defines Nr. of Reference Functions required over the Whole Swath
Definition: DoF = 2Δr0
Required Accuracy to match a given quadratic Phase Reference Function to the considered Range for
Maximum allowed Phase Error IΔr - Δr0I =λ/8
r r L drdr
r drdr
r rr
r
r L
Lr
r r r Lr
s
o s
202
2
00
0
0
02
2
2
02
0 0
2
02
22 2
2
1 18
2 2 8
= + → = = → =
+
≈ −
− = =
ΔΔ
Δ Δ Δ λ
λδλ
2
2
20
0 822 az
LrrDOF ==Δ=
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43Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
λδ 2
az8
Depth of Focus (2):
DOF =
The depth of focus becomes smaller as δaz is made smaller.
Example:X = 5 cm, δaz = 3 m DOF ≈ 1.44 km
Processing of a 4.3 km swath requires 3 different reference functions.
If δaz = 50 cm under the same conditions: DOF ≈ 40 m 10 references are required increasing the processing complexity.
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