Top Banner
Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer Flygteknik 2010 18-19/10 Patrik Dammert, Hans Hellsten, Anders Åhlander (Saab EDS) Annelie Wyholt, Lars Ulander (Inst. för Rymd- och Geovetenskap, Chalmers Tekniska Högskola)
24

Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer - Dokumentationflygteknik.mcistockholm.se/filer/mandag/SessionE-Rum356kl.13.00/E1... · Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer Flygteknik

Apr 29, 2019

Download

Documents

leliem
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer - Dokumentationflygteknik.mcistockholm.se/filer/mandag/SessionE-Rum356kl.13.00/E1... · Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer Flygteknik

Markavbildning med adaptivaSAR-algoritmer

Flygteknik 2010 18-19/10

Patrik Dammert, Hans Hellsten, Anders Åhlander (Saab EDS)

Annelie Wyholt, Lars Ulander (Inst. för Rymd- och Geovetenskap, Chalmers Tekniska Högskola)

Page 2: Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer - Dokumentationflygteknik.mcistockholm.se/filer/mandag/SessionE-Rum356kl.13.00/E1... · Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer Flygteknik

Rev AINTERN

Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer

Syntetisk Apertur Radar

Inversionstransform och SAR fokuseringsalgoritmer

Nya möjligheter• Högpresterande autofokus• Rörliga mål• Underjordskartering

Sammanfattning

Page 3: Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer - Dokumentationflygteknik.mcistockholm.se/filer/mandag/SessionE-Rum356kl.13.00/E1... · Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer Flygteknik

Rev AINTERN

Ingen diskriminering av objektinom radarantennens huvudlob

Upplösning begränsad avantennens fysiska utsträckning

Antenn-lob

Avbildning med radar –Real Real beambeam mappingmapping

Page 4: Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer - Dokumentationflygteknik.mcistockholm.se/filer/mandag/SessionE-Rum356kl.13.00/E1... · Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer Flygteknik

Rev AINTERN

Avbildning med radar –Syntetisk aperturradar (SAR)Syntetisk aperturradar (SAR)

Diskriminering av objektinom radarantennens huvudlob

Upplösning begränsad avden syntetiska antennensutsträckning

Syntetiskantennlob

Syntetisk apertur

Page 5: Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer - Dokumentationflygteknik.mcistockholm.se/filer/mandag/SessionE-Rum356kl.13.00/E1... · Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer Flygteknik

Rev AINTERN

Syntetisk apertur

Avbildning med radar –Syntetisk aperturradar (SAR)Syntetisk aperturradar (SAR)

Diskriminering av objektinom radarantennens huvudlob

Upplösning begränsad avden syntetiska antennensutsträckning

SyntetiskantennlobSAR-bilden innebär en

transform av registrerade radarekonEn stor mängd

fokuseringsalgoritmer existerar

Puls

eko

nr

Avstånd

Azi

mut

Transform

Fokusering,processning,kompressionetc...

Radarekon SAR-bild

Avstånd

Page 6: Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer - Dokumentationflygteknik.mcistockholm.se/filer/mandag/SessionE-Rum356kl.13.00/E1... · Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer Flygteknik

Rev AINTERN

Avbildning med radar –Syntetisk aperturradar (SAR)Syntetisk aperturradar (SAR)

Diskriminering av objektinom radarantennens huvudlob

Upplösning begränsad avden syntetiska antennensutsträckning

Syntetiskantennlob

Generellaalgoritmkrav

1. Avvikelse från rakbana inget hinder2. Beräkningseffektiva3. Kompakt beskrivning av

algoritmapproximationer

SAR-bilden innebär en transform av registrerade radarekon

En stor mängd fokuseringsalgoritmer existerar

Page 7: Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer - Dokumentationflygteknik.mcistockholm.se/filer/mandag/SessionE-Rum356kl.13.00/E1... · Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer Flygteknik

Rev AINTERN

SAR: FokuseringsalgoritmerSAR: Fokuseringsalgoritmer

1951SAR

Tomografi

Seismik

Krokigabanor

Inversions-teori

~1980 ~1990 ~2000

Våtfi

lm+

linse

r

DopplerRange

MigrationFourierHankel

BP GBP FFB

Four

ier

Tid

Polär

Hög upplösning+ stor täckning

M1M2

M3

M4

Page 8: Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer - Dokumentationflygteknik.mcistockholm.se/filer/mandag/SessionE-Rum356kl.13.00/E1... · Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer Flygteknik

Rev AINTERN

SAR: Inversion vid ideal rakbana

Rak flygbana

Algoritmer: Fourier-Hankel,Range migration etc.

Egenskaper:Oberoende av upplösning,

våglängd, täckningRakbana krav

Page 9: Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer - Dokumentationflygteknik.mcistockholm.se/filer/mandag/SessionE-Rum356kl.13.00/E1... · Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer Flygteknik

Rev AINTERN

SAR: Inversion vid krokig bana

Krokig flygbana

Om rakbana antas defokuseras SAR-bildenRakbana kan användas vid

Måttlig upplösningLiten täckning (+trad. autofokus)

Page 10: Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer - Dokumentationflygteknik.mcistockholm.se/filer/mandag/SessionE-Rum356kl.13.00/E1... · Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer Flygteknik

Rev AINTERN

SAR: Inversion vid krokig bana

Krokig flygbana

Algoritm: Global bakåtprojektion (GBP)

Egenskaper:Oberoende av upplösning,

våglängd, täckningMycket beräkningstung

Page 11: Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer - Dokumentationflygteknik.mcistockholm.se/filer/mandag/SessionE-Rum356kl.13.00/E1... · Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer Flygteknik

Rev AINTERN

SAR: Inversion vid krokig bana

Krokig flygbana

Algoritm: Faktoriserad bakåtprojektion(FFB)

Egenskaper:Oberoende av upplösning,

våglängd, täckningBeräkningsbörda jmfbar

med fouriermetoder

Page 12: Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer - Dokumentationflygteknik.mcistockholm.se/filer/mandag/SessionE-Rum356kl.13.00/E1... · Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer Flygteknik

Rev AINTERN

Fast Factorized Backprojection - base 2 shown

S i

d u

p p

l ös

n i n

ng

I t e

r a

t i o

n e

r

S u b a p e r t u r e r

Page 13: Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer - Dokumentationflygteknik.mcistockholm.se/filer/mandag/SessionE-Rum356kl.13.00/E1... · Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer Flygteknik

Rev AINTERN

FFB egenskaper

Beräkningseffektiv implementering av

1. Högpresterande autofokus2. Avbildning och detektion

av rörliga mål3. Avbildning och kartering

av objekt under markytan

ü

üü

FFB

Generella SARalgoritmkrav

1. Avvikelse från rakbana inget hinder

2. Beräkningseffektiva3. Kompakt beskrivning av

algoritmapproximationer

+

(Inherent)

(N2logN)

(Grad av faktorisering)

Page 14: Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer - Dokumentationflygteknik.mcistockholm.se/filer/mandag/SessionE-Rum356kl.13.00/E1... · Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer Flygteknik

Rev AINTERN

FFB: Högpresterande autofokus

Ny subapertur

Supapertur 1- Fokuserad Subapertur 2

- Fokuserad

A

BSubapertur-sammanslagningBas 2

Vid sammanslagning variera banparametrar (4 : 2 primära, 2 sekundära)som påverkar fokuseringen

Faktoriseringen reducerar kraftigt beräkningskomplexitet hos autofokus !

Grundläggande ide: Rekonstruera flygbanan(trad. algoritmer skattar residualer från bild)

Page 15: Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer - Dokumentationflygteknik.mcistockholm.se/filer/mandag/SessionE-Rum356kl.13.00/E1... · Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer Flygteknik

Rev AINTERN

FFB: Högpresterande autofokus –Operationer vid sammanslagning

FokuseringskriteriumGeometriantagande

Subapertur-bild

Sammanslagning

Nav systemdata

Bildtransform

iterationer

Fokuseringsparametrar:1. Polvinkel2. Medellängd3. Vinkel markplan4. Skillnad i längd

Fokuseringskriterium:1. Entropi2. Koherenskvot3. Bildkorrelation

Prel. konvexaegenskaper

Page 16: Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer - Dokumentationflygteknik.mcistockholm.se/filer/mandag/SessionE-Rum356kl.13.00/E1... · Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer Flygteknik

Rev AINTERN

GPS-data - vanlig FFB Felaktiga GPS-data + FFB autofokus

SAR-data från Carabas-II

FFB: Högpresterande autofokus –Resultat

Page 17: Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer - Dokumentationflygteknik.mcistockholm.se/filer/mandag/SessionE-Rum356kl.13.00/E1... · Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer Flygteknik

Rev AINTERN

FFB: Rörliga mål

Rörliga mål felplacerasoch defokuseras

Korrekt position och fokus i SAR-bild förutsätter stationära objekt

FFB: Introducera kanaler för olika rörelsehypoteser i sådantakt att fokusering behålls för ökande subaperturlängder

vrar

Syntetiskapertur

Faktiskposition

y

Defokuserad skenbarposition i SAR-bild

Page 18: Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer - Dokumentationflygteknik.mcistockholm.se/filer/mandag/SessionE-Rum356kl.13.00/E1... · Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer Flygteknik

Rev AINTERN

v

a

SAR bilder

2802828Summa processade kanaler

25616160.033110

16440.12120.59

1110.48480.258

111≥ 1.9≥ 190≤ 0.1251-7

Totalkan. #

Acc.kan. #

Hast.kan. #

Acc.tole-rans [m/s2]

Hast. tole-rans [m/s]

Integr.tid [s]

FFBiter.nr.

I n t

e g

r a t

i o n

s t

i d

t

Bearbetningstid

Beräkningsbörda är 28ggr större jmf med(1-kanals) normal SARför 256 kanaler.

2 x 2 mover channels

4 x 4 mover channels

Standard SAR channel

Standard SAR channel

FFB: Rörliga mål – Exempel

Page 19: Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer - Dokumentationflygteknik.mcistockholm.se/filer/mandag/SessionE-Rum356kl.13.00/E1... · Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer Flygteknik

Rev AINTERN

A z

i i m

u t

Objekt i rörelse

Ampl

itud

[dB

]

Rörligaobjekt

Ampl

itude

[dB

]

Simulering SAR data

Saab EDS SAR/GMTI X-band Experiment System3 m avst uppl. (20 / 3 / .8 m) 0.5 s integrationstid15 km avstånd (10-100 km)80 m/s plattformsfart

A v s t å n d

FFB: Rörliga mål – Resultat

Page 20: Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer - Dokumentationflygteknik.mcistockholm.se/filer/mandag/SessionE-Rum356kl.13.00/E1... · Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer Flygteknik

Rev AINTERN

A z

i i m

u t

A v s t å n d

Saab EDS SAR/GMTI X-band Experiment System3 m avst uppl. (20 / 3 / .8 m) 0.5 s integrationstid15 km avstånd (10-100 km)80 m/s plattformsfart

11 dB 6 dB

Simulering SAR data

Objekt i rörelse

FFB: Rörliga mål – Resultat

Page 21: Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer - Dokumentationflygteknik.mcistockholm.se/filer/mandag/SessionE-Rum356kl.13.00/E1... · Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer Flygteknik

Rev AINTERN

FFB: Objekt under markytanVåglängd i fri rymd

Våglängd i mark

Vid Brewstervinkelnbryts hela vågen ner i marken

Struktur mindre änvåglängd påverkarinte spridningen(ytan optisk jämn,skrovlighet < λ/8)

Den förändrade vågutbredningen i marken defokuserar objekt under markytan

Page 22: Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer - Dokumentationflygteknik.mcistockholm.se/filer/mandag/SessionE-Rum356kl.13.00/E1... · Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer Flygteknik

Rev AINTERN

FFB: Objekt under markytan

Graden av defokusering beror påaktuell SAR upplösning (subaperturlängd) samtobjektets djup under markytan

FFB Iterationsnivå (= subaperturlängd)

Fokuserat markskikt

Objektets djupunder ytan påverkar fokuseringen

FFB: Introducera kanaler (markskikt) i sådan takt attfokuseringen behålls för ökande subaperturlängder

Page 23: Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer - Dokumentationflygteknik.mcistockholm.se/filer/mandag/SessionE-Rum356kl.13.00/E1... · Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer Flygteknik

Rev AINTERN

Sammanfattning

Faktoriserad bakåtprojektion – FFB – en god grund för beräkningseffektiva algoritmer vid markavbildning

Högpresterande autofokus • Oberoende av dyra (och exportkontrollerade) TN/NAV-system

Rörliga mål• Förbättrad känslighet för rörliga mål

Objekt under markytan• Avbildning och detektion

Ett nära samarbete med Chalmers Tekniska Högskola och FOI(samt med Högskolan i Halmstad och Linköpings Universitet)

Page 24: Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer - Dokumentationflygteknik.mcistockholm.se/filer/mandag/SessionE-Rum356kl.13.00/E1... · Markavbildning med adaptiva SAR-algoritmer Flygteknik