ES2353073T3 - Procedimiento para el procesamiento de datos brutos de tops (observación del terreno por barrido progresivo) - sar (radar de apertura sintética). - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para el procesamiento de datos brutos de TOPS (observación del terreno por barrido progresivo)-SAR (radar de apertura sintética) en datos de imagen de alta precisión, caracterizado por un procesamiento bidimensional de los datos brutos de TOPS-SAR mediante un procedimiento de escalado de frecuencias y un procedimiento de escalado en el acimut en la banda de base, usando los siguientes pasos sucesivos: a) división de los datos brutos de TOPS-SAR en datos de subapertura asociados al acimut (3.1); b) realización de una FFT de corto tiempo asociada al acimut (3.2); c) multiplicación de la señal por una función de escalada de frecuencias HCS, definida por **(Ver fórmula)** en la que fa es la frecuencia asociada al acimut, r0 la distancia más corta de un blanco, rref una distancia de referencia, τ el tiempo en la dirección del alcance, denominado también dirección "range", es decir, el tiempo de transmisión del eco, el factor a(fa) describe la dependencia de frecuencia de la migración de las células en la dirección del alcance conforme a, **(Ver fórmula)** λ es una longitud de onda, v designa la velocidad en el suelo, Keff(fa; rref) la tasa de modulación dependiente de la frecuencia asociada al acimut fa y de la distancia de referencia rref en la dirección del alcance y τref(fa) significa un tiempo de transmisión del eco de referencia dependiente de la frecuencia asociada al acimut fa (3.3, 3.4); d) realización de una FFT asociada al alcance para obtener la señal en el intervalo de frecuencias bidimensional (3.5); e) multiplicación de la señal por la función de fase Hrcmc, definida por **(Ver fórmula)** para realizar la corrección de la migración de las células en la dirección del alcance, la compresión en la dirección del alcance y la compresión secundaria en la dirección del alcance, en la que fr es la frecuencia asociada al alcance y c la velocidad de la luz (3.6, 3.7); f) realización de una IFFT asociada al alcance para incorporar la señal en el intervalo Doppler asociado al alcance (3.8); g) multiplicación de la señal por una función de corrección de fase Hcorr, definida por **(Ver fórmula)** en la que r0 es la distancia más corta a un objeto puntual (3.9, 3.10); h) multiplicación de los datos bidimensionales recibidos en el intervalo Doppler asociado al alcance (= "range") y tras realizar los pasos principales de una compresión en la dirección del alcance y una corrección de la migración de las células en la dirección del alcance de un blanco por una función de fase Ha(fa; r0), definida por **(Ver fórmula)** en la que **(Ver fórmula)** y en la que r es el vector distancia, Kscl(r) una tasa Doppler independiente del alcance, rrot0 una distancia de rotación como consecuencia de la geometría de TOPS, rscl0 un alcance de escalado seleccionado en función de la distancia definitiva deseada de la imagen, rscl(r) un vector distancia de escalado, por lo que los valores del alcance de escalado se encuentran dentro de una dimensión de alcance de una imagen y por lo que rrot(r) es un vector de distancia de rotación dependiente del alcance (3.11, 3.12); i) transformación de los datos de subapertura mediante IFFT de corto tiempo asociadas al acimut de vuelta al intervalo de tiempo asociado al acimut y al alcance (3.13); j) combinación de las subaperturas en la dirección del acimut (3.14); k) multiplicación de los datos bidimensionales por una función de desrotación Hderot(t,r), definida por **(Ver fórmula)** **(Ver fórmula)** en la que t es el vector de tiempo en la dirección del acimut y tmid el tiempo medio de la ráfaga de pulsos (3.15, 3.16); l) transformación de los datos desrotados mediante FFT de largo tiempo asociadas al acimut en el intervalo Doppler asociado al alcance (3.17); m) seguidamente, multiplicación de los datos bidimensionales por una función de compresión en la dirección del acimut Hcomp(fa,r), definida por **(Ver fórmula)** en la que **(Ver fórmula)** es la tasa de modulación en frecuencia efectiva después de las operaciones de escalado y desrotación, W(fa) la función de ponderación para la supresión de los lóbulos laterales y fDC el centroide Doppler medio de la adquisición de datos, siendo éste el único punto óptimo en el modo TOPS en el que la aplicación de la función de ponderación para la supresión de los lóbulos laterales proporciona resultados correctos, puesto que todos los blancos se encuentran en la banda de base (3.18, 3.19); n) transformación de los datos mediante una IFFT de largo tiempo asociada al acimut en los datos de imagen (3.20); y o) multiplicación de los datos de imagen bidimensionales por una función de fase Hfase(t,r), definida por **(Ver fórmula)** en la que **(Ver fórmula)** para lograr una conservación de fase (3.21, 3.22).
Description
Procedimiento para el procesamiento de datos
brutos de TOPS (observación del terreno por barrido progresivo) -
SAR (radar de apertura sintética).
La invención se refiere a un procedimiento para
el procesamiento de datos brutos de TOPS (Terrain Observation by
Progressive Scan, observación del terreno por barrido
progresivo)-SAR (Synthetic Aperture Radar, radar de
apertura sintética) en datos de imagen de alta precisión.
A continuación se proporcionará en primer lugar
una breve introducción a SAR y TOPS-SAR. Un radar
con apertura sintética, abreviado SAR (Synthetic Aperture Radar), es
un instrumento para la teledetección que se usa crecientemente en la
representación, vigilancia y estudio de la superficie terrestre. Un
sistema de este tipo se compone de una plataforma de soporte que se
desplaza por la superficie terrestre a una velocidad constante, una
antena orientada en dirección ortogonal respecto a la dirección del
movimiento y un sistema de radar coherente que emite periódicamente
pulsos de ondas electromagnéticas de alta frecuencia con una
frecuencia de repetición de pulsos PRF.
La dirección del movimiento de la plataforma de
soporte se denomina dirección del acimut, y la dirección ortogonal
que se dirige en diagonal hacia abajo se denomina dirección del
alcance o también dirección "range". En el modo de
funcionamiento SAR normal, que se denomina modo de imagen o también
modo "Stripmap", se representa durante el vuelo sobre un
territorio que se ha de observar una franja con la longitud del
trayecto sobrevolado. El ancho de la franja depende, entre otras
cosas, de la longitud de la ventana temporal en la que se reciben
los ecos del radar retroreflejados de los pulsos emitidos. Los ecos
recibidos se convierten en frecuencia (mezclan), se desmodulan, se
digitalizan y se depositan en forma de los denominados datos brutos
en una memoria de señales de eco bidimensional.
Cada procesamiento SAR comprende esencialmente
una compresión en la dirección del alcance, una corrección de la
migración de las células en la dirección del alcance, conocida
también como migración en profundidad, y una compresión en dirección
del acimut. La resolución geométrica en la dirección del alcance es
una función del ancho de banda de los pulsos de radar emitidos. Para
mejorar esta resolución se modulan previamente los pulsos emitidos,
para lo cual se usa en la mayoría de los casos una modulación de
frecuencia lineal, que también se presupondrá en lo sucesivo. La
compresión en la dirección del alcance significa la filtración de
las señales recibidas en la dirección del alcance según la teoría
del filtro adaptado ("matched filter"), por medio de lo cual se
comprimen en pulsos las señales expandidas en el tiempo.
La migración de las células en la dirección del
alcance (migración en profundidad) es consecuencia del cambio de la
distancia entre la antena y el objeto puntual durante la formación
de la apertura sintética. La corrección de la migración en
profundidad corrige la migración en la dirección del alcance de los
ecos pertenecientes a un objeto puntual en la memoria de datos
brutos bidimensional de señales de eco.
La compresión de pulsos en la dirección del
acimut según la teoría del filtro adaptado equivale a la formación
de la apertura sintética. La modulación en la dirección del acimut
es igualmente consecuencia de la variación de la distancia entre la
antena y el objeto al paso de la plataforma de soporte. El filtrado
adaptado significa la suma coherente de todos los ecos que
pertenecen a una posición asociada al acimut. Cuando la migración de
las células en la dirección del alcance se corrige antes de la
compresión en la dirección del acimut, la compresión en la dirección
del acimut se puede realizar mediante una función de filtro
unidimensional.
El SAR de haz concentrado y el SAR de haz
concentrado deslizante ("sliding") son modos de funcionamiento
de los sistemas SAR que permiten obtener una resolución geométrica
significativamente mayor. En el modo de haz concentrado, la antena
se dirige durante todo el vuelo, es decir, se gira de forma
correspondiente en la dirección del acimut, de manera que ilumine
una misma área de la escena (punto; "spot"). De esta manera se
puede mejorar la resolución en la dirección del acimut en
comparación con el modo de imagen habitual. Las dimensiones
observadas de la escena, sin embargo, se reducen drásticamente. En
el modo de haz concentrado deslizante el centro de rotación no está
en el centro de la antena, sino más apartado de la escena iluminada,
de manera que se puede cubrir una región más grande que en el caso
del haz concentrado.
Otro modo de registro SAR es el denominado modo
ScanSAR. En el modo ScanSAR se modifica periódicamente el haz de la
antena para iluminar diferentes subfranjas ("subswaths") en la
dirección del alcance, es decir, franjas dispuestas a diferentes
distancias de la trayectoria de vuelo. Esto permite incrementar el
ancho de la franja a costa de la resolución en la dirección del
acimut. Este modo también se conoce por el nombre de "modo de
franja ancha".
A continuación se proporciona una descripción
detallada del modo ScanSAR. La cobertura de franja ancha se logra
por conmutación periódica de la elevación del haz de la antena de
manera que el haz de la antena esté dirigido, dependiendo del ángulo
de elevación conectado, a una subfranja diferente en la dirección
del alcance. La conmutación del haz de la antena tiene como
consecuencia que el sensor registra una secuencia finita de ecos, es
decir, una ráfaga de pulsos, para cada una de las subfranjas
representadas. En cada subfranja el explorador registra cíclicamente
ráfagas de pulsos para un tiempo de mantenimiento T_{D} que se
repite con un periodo T_{R} ("duración del ciclo").
La relación T_{F}/T_{R} (T_{F} es el
tiempo de recepción de la antena) redondeada al número entero más
bajo indica el número de observaciones representadas. El
funcionamiento en modo de ráfagas de pulsos, necesario para lograr
una cobertura de franja ancha, limita el registro Doppler para cada
blanco a una relación T_{D}/T_{F} en comparación con una
adquisición SAR en modo de imagen ("stripmap") equivalente.
Como consecuencia de ello, el ancho de banda registrado en el acimut
para cada blanco se reduce por el mismo valor y la resolución en la
dirección del acimut empeora de forma correspondiente.
El modo ScanSAR presenta algunos inconvenientes.
Se genera un efecto de festón ("scalloping"), es decir, una
modulación periódica de la amplitud en la imagen enfocada, así como
una relación de ambigüedad variable asociada al acimut y un
sigma-cero (\sigma_{0}) equivalente al ruido.
Estos fenómenos son consecuencia del hecho de que se observan
diferentes blancos con diferentes intervalos del diagrama de
radiación de la antena en la dirección del acimut.
En un artículo de F. De Zan, A. Monti Guarnieri:
"TOPSAR: Terrain observation by progressive scan", IEEE Trans.
on Geosci. and Remote Sensing, vol. 44, nº 9, páginas
2352-2360, septiembre de 2006, se ha propuesto un
nuevo modo de adquisición de franja ancha, denominado
TOPS-SAR. Éste supera los inconvenientes principales
del modo ScanSAR antes descrito con la ayuda de una orientación de
la antena en dirección del vuelo.
La solución propuesta en el artículo antes
mencionado para lograr la misma cobertura de franja evitando al
mismo tiempo los efectos no deseados consiste, a diferencia del caso
del haz concentrado, en el giro opuesto de la antena durante la
adquisición, es decir, en la dirección de giro opuesta desde atrás
hacia delante, con una velocidad de rotación constante
\omega_{r} (véase la fig. 1), lo que produce un efecto
contrario, es decir, un empeoramiento de la resolución en la
dirección del acimut.
No obstante, todos los blancos se observan bajo
el mismo diagrama de radiación de la antena en la dirección del
acimut y por ello desaparece el efecto de festón
("scalloping"), y las ambigüedades en acimut y el
sigma-cero equivalente al ruido se vuelven
constantes en la dirección del acimut. Al final de una ráfaga de
pulsos (duración de la ráfaga de pulsos T_{B1}, T_{B2}, ...), el
ángulo de visibilidad de la antena A, que se desplaza con la
velocidad v en dirección del acimut, se dirige para iluminar una
subfranja siguiente, es decir, se modifica de nuevo hacia atrás
desde la dirección a la primera subfranja (subfranja 1), para
iluminar la segunda subfranja (subfranja 2). Una vez representada la
última subfranja, la antena se vuelve a dirigir a la primera
subfranja (subfranja 1), de manera que no quedan huecos entre las
ráfagas de pulsos de la misma subfranja.
En lo que a la señal de datos brutos de TOPS en
una ráfaga de pulsos se refiere, presenta similitud tanto con la del
ScanSAR como con la del haz concentrado. La señal de TOPS se asemeja
a la señal del haz concentrado en el sentido de que el ancho de
banda de la escena es mayor que la frecuencia de repetición de
pulsos PRF. También presenta similitudes con la señal del modo
ScanSAR en el sentido de que la duración de las ráfagas de pulsos es
menor que la ráfaga de pulsos inicial enfocada. Las propiedades de
la señal de SAR se pueden visualizar claramente mediante un diagrama
de tiempo-frecuencia.
El registro Doppler de tres blancos situados en
la misma posición en la dirección del alcance (dirección
"range") pero en posiciones diferentes en la dirección del
acimut se representa en forma de líneas continuas gruesas (fig. 2).
La abscisa corresponde al tiempo del acimut t y la ordenada a la
frecuencia actual f_{a}. El blanco al comienzo de la ráfaga de
pulsos se observa bajo un ángulo de estrabismo negativo, de lo cual
resultan frecuencias Doppler negativas. Por otra parte, el blanco
presenta al final de la ráfaga de pulsos frecuencias Doppler
positivas.
En general, el ancho de banda total de la escena
abarca varias PRF, de forma similar a como ocurre en el modo de haz
concentrado. Por consiguiente, se requiere un procedimiento para
tener en cuenta este muestreo insuficiente de la señal del acimut.
En lo que a las similitudes con el ScanSAR se refiere, debe
observarse el primer blanco representado (fig. 2). Se observa en el
tiempo t_{c}, que se denomina tiempo medio de haz t_{mid}; sin
embargo, el blanco debería aparecer después del enfoque en la
posición Doppler cero t_{0}. Por lo tanto, la ráfaga de pulsos
inicial enfocada es mayor que la duración real de la ráfaga de
pulsos.
En el artículo antes mencionado, en el que se
presenta el modo TOPS, también se propone un procesador funcional.
Para la adaptación a un ancho de banda en la dirección del acimut
mayor que la frecuencia de repetición de impulsos PRF, este
procesador usa un paso de procesamiento previo como el que se
describe en el artículo de C. Prati, A. Monti Guarnieri, F. Rocca:
"SPOT mode SAR focusing with the \omega-k
technique", Proc. IEEE Geoscience and Remote Sensing Symposium
(IGARSS), Espoo, Finlandia, 3 a 6 de junio de 1991, páginas
631-634.
En este paso se despliegan los datos en el
intervalo espectral para incorporar un mayor ancho de banda de la
escena. Después se puede usar un procesador de imagen de número de
onda convencional o cualquier otro procesador de imagen SAR para
enfocar los datos.
Para efectuar finalmente una adaptación a la
mayor ráfaga de pulsos inicial enfocada se aplica una solución de
procesamiento posterior, como la que se propone en el artículo de A.
Monti Guarnieri, C. Prati: "ScanSAR focusing and
interferometry", IEEE Transactions on Geoscience and Remote
Sensing, vol. 34, páginas 1029-1038, julio de 1996.
En este paso, los datos se despliegan en el intervalo temporal de
forma similar a como se realiza en el paso de procesamiento previo.
Un banco de filtros de tasa múltiple permite aplicar un filtrado
dependiente del acimut.
Aparte del procesador antes comentado no existen
en la bibliografía procesadores explícitos para el procesamiento de
datos adquiridos en el modo TOPS. Una solución posible podría
consistir en la combinación del procedimiento de escalado de
frecuencias con subaperturas y el procedimiento SPECAN mejorado por
escalado en el acimut, que se usa en el modo de haz concentrado
deslizante conocido por el artículo de J. Mittermayer, R. Lord, E.
Börner: "Sliding spotlight SAR processing for
TerraSAR-X using a new formulation of the extended
chirp scaling algorithm", Proc. IEEE Geoscience and Remote
Sensing Symposium (IGARSS), Toulouse, Francia, 21 a 25 de julio de
2003. En este caso se usa una combinación del procedimiento SPECAN
mejorado por escalado en acimut, como se propone en el documento EP
0795762 B1, junto con una solución de subapertura, conocida por el
documento EP 0924534 B1, para la corrección de la migración de las
células en la dirección del alcance.
La corrección de la migración de las células en
la dirección del alcance se realiza mediante el uso del algoritmo de
escalado de frecuencias, que se describe en el artículo de A.
Moreira, J. Mittermayer y R. Scheiber: "Extended Chirp Scaling
Algorithm for Air- and Spaceborne SAR Data Processing in Stripmap
and Scan SAR Imaging Modes", IEEE Transactions on Geoscience and
Remote Sensing, vol. 34, nº 5, 1996, páginas
1123-1136.
El mayor ancho de banda de la escena en el
acimut se puede tener en cuenta usando subaperturas en el intervalo
temporal, de manera que el ancho de banda momentáneo dentro de una
subapertura es menor que la frecuencia de repetición de pulsos PRF.
El procedimiento SPECAN mejorado por escalado en acimut se puede
aplicar entonces a la señal del acimut para considerar la ráfaga de
pulsos inicial enfocada, que es mayor que la ráfaga de pulsos
registrado.
registrado.
El procesador funcional para el modo TOPS antes
explicado presenta el inconveniente de que requiere pasos de
procesamiento previos y posteriores para manejar las peculiaridades
de la señal TOPS, lo que complica el cálculo. Además, se requiere la
transformación de Stolt, que constituye una interpolación, para
completar la corrección de la migración en profundidad. El banco de
filtros de tasa múltiple exige que los datos se procesen en pequeños
bloques en el tiempo asociado al acimut con un cierto solapamiento,
por lo que se vuelve ineficaz e impreciso cuando se realiza el
procesamiento en la dirección del acimut.
El uso de subaperturas para la consideración del
mayor ancho de banda de la escena junto con el procedimiento SPECAN
mejorado por escalado de frecuencias presenta en el caso del TOPS
algunos inconvenientes. En particular, el procedimiento SPECAN
mejorado por escalado de frecuencias es ineficaz por el hecho de que
la imagen enfocada se obtiene según una transformación de Fourier
directa (se enfoca en el intervalo Doppler del alcance). Por lo
tanto, siempre que las señales senoidales presentan frecuencias
superiores a la frecuencia de repetición de pulsos PRF se produce
una distorsión por repliegue del espectro ("aliasing"). La
frecuencia de estas señales depende de la velocidad del sensor v, de
la longitud de onda \lambda, del intervalo de escalado
seleccionado y de la posición temporal del blanco en la dirección
del acimut.
Los dos primeros no se pueden modificar durante
el procesamiento, y la distancia de escalado debería encontrarse
normalmente dentro de la franja representada para minimizar las
dimensiones necesarias de la subapertura para la corrección de la
migración de las células en la dirección del alcance. De lo
contrario, el procesamiento se vuelve ineficaz. El tamaño de la
escena limita el uso eficaz del procedimiento SPECAN mejorado por
escalado en el acimut. Para escenas de pequeñas dimensiones, como
ocurre en el modo de haz concentrado o de haz concentrado
deslizante, o para ráfagas de pulsos de poca longitud, como los que
aparecen en el modo ScanSAR, no se produce esta distorsión por
repliegue del espectro y el procesamiento se vuelve eficaz.
Sin embargo, en el caso del TOPS, la distorsión
por repliegue del espectro aparecerá con toda seguridad, puesto que
las dimensiones de la escena habitualmente son bastante grandes para
una ráfaga de pulsos. El procesamiento en bloques en la dirección
del acimut podría ser una opción para enfocar las imágenes con la
ayuda del procedimiento SPECAN mejorado por escalado en el acimut;
sin embargo, esta solución es ineficaz. Otra posibilidad residiría
en incrementar el muestreo PRF antes de la operación de escalado en
el acimut mediante relleno con ceros; sin embargo, también en este
caso se complican los cálculos y el procesamiento es ineficaz.
La solución de escalado en el acimut original no
proporciona una solución eficaz que se pudiera aplicar al modo TOPS
y al modo de haz concentrado deslizante para suprimir los lóbulos
laterales en la dirección del acimut. Esto es consecuencia de la
variación de la frecuencia en la dirección del acimut y de la
posición temporal en la dirección del acimut de la función de
referencia del acimut necesaria. Conforme al artículo de A. Moreira,
R. Scheiber, J. Mittermayer: "Azimut and Range Scaling for SAR and
ScanSAR Processing", Proc. IEEE Geosciences and Remote Sensing
Symposium (IGARSS), Lincoln, Nebraska, EE.UU., 1996, se puede
modificar la exploración de la imagen en la dirección del acimut.
Esto exige, sin embargo, que todos los blancos se encuentren en la
banda de base, por lo que no constituye una opción para el modo TOPS
y el modo de haz concentrado deslizante.
El objetivo de la presente invención es
realizar, en un procedimiento para el procesamiento de datos brutos
de TOPS-SAR en datos de imagen, este procesamiento
de manera muy eficaz, altamente precisa y sin interpolación,
evitando el repliegue en la dirección del acimut y otros
inconvenientes que aparecen en el procesamiento de señales brutas de
TOPS.
De acuerdo con la presente invención, este
objetivo se alcanza con un procedimiento para el procesamiento de
datos brutos de TOPS (observación del terreno por barrido
progresivo)-SAR (radar de apertura sintética) en
datos de imagen exactos mediante las características indicadas en la
parte caracterizadora de la reivindicación 1 adjunta.
En el procedimiento según la invención se
realiza un procesamiento de subaperturas para evitar el repliegue en
la dirección del acimut. En cada subapertura se realiza una
compresión en dirección del alcance y una corrección de la migración
de las células en la dirección del alcance, usándose una nueva
solución de escalado en el acimut, denominada escalado de banda de
base en el acimut, para el procesamiento de la señal asociada al
acimut.
Durante el procesamiento asociado al alcance se
produce una división en subaperturas en la dirección del acimut. En
consecuencia, se puede usar una frecuencia de repetición de pulsos
PRF más baja, puesto que el teorema de muestreo solo ha de cumplirse
en las subaperturas en la dirección del acimut. Por eso es adecuado
en este paso cualquier procesador en modo de imagen para realizar
los pasos de la compresión en la dirección del alcance, la
corrección de la migración de las células en la dirección del
alcance y la compresión secundaria en la dirección del alcance.
En un ejemplo preferido se usa el algoritmo de
escalado de frecuencias ampliado descrito en el artículo de A.
Moreira, J. Mittermayer y R. Scheiber: "Extended Chirp Scaling
Algorithm for Air- and Spaceborne SAR Data Processing in Stripmap
and ScanSAR Imaging Modes", IEEE, Transactions on Geoscience and
Remote Sensing, vol. 34, nº 5, páginas 1123-1136,
1996. Este algoritmo permite realizar los pasos indicados sin usar
ningún tipo de interpolación, por lo que la solución es más eficaz y
precisa.
De acuerdo con la presente invención, el
procesamiento en la dirección del acimut se realiza con un
procedimiento mejorado del escalado en el acimut, por medio del cual
se evitan una larga función de referencia en la dirección del acimut
y, con ello, unas grandes dimensiones del acimut durante el
procesamiento. El alcance del escalado no es constante sino que
depende de la distancia. No es igual al vector distancia original.
Se calcula de manera que en combinación con el paso de desrotación
posterior se logre un muestreo constante en la dirección del acimut
para todas las distancias.
Las ventajas del escalado en el acimut original
para el modo ScanSAR y el modo de haz concentrado se mantienen con
el escalado de banda de base en el acimut según la presente
invención. El escalado en el acimut considera, por lo tanto, la
modulación hiperbólica del acimut, de manera que el procesamiento en
la dirección del acimut es altamente preciso para todas las
distancias y no se requiere ningún muestreo nuevo con interpolación
para la corrección geométrica en la dirección del acimut. El
intervalo de muestreo deseado en la imagen procesada se puede
ajustar mediante la selección de un alcance de escalado de
referencia, facilitándose de este modo la recombinación de
diferentes subfranjas.
La función de desrotación seleccionada que se
aplica en el intervalo temporal del acimut permite que todos los
blancos se encuentren en la banda de base, modificándose de este
modo la tasa de modulación en frecuencia efectiva. Puesto que como
consecuencia del paso de escalado en el acimut la fase es puramente
cuadrática, se puede usar un filtro adaptado
("matched-filter") que tenga en cuenta la tasa
de modulación en frecuencia efectiva. En este paso se puede incluir
una función de ponderación durante el filtrado adaptado para reducir
eficazmente los lóbulos laterales en la dirección del acimut. Una
transformación rápida inversa de Fourier (IFFT) adicional
proporciona una imagen enfocada, y una función de fase final en el
intervalo de tiempo permite conservar fielmente la fase. El
procedimiento de acuerdo con la presente invención presenta, por lo
tanto, una elevada precisión de fase.
Con el procedimiento según la invención se
obtienen en conjunto las ventajas siguientes:
Con el procesamiento de subaperturas se puede
usar una menor frecuencia de repetición de pulsos PRF en el
procesamiento, y también se puede usar la transformación rápida de
Fourier (FFT) de corto tiempo, lo que simplifica los cálculos.
La solución de escalado de banda de base en el
acimut según la invención permite al mismo tiempo establecer el
intervalo de muestreo deseado y el tratamiento de banda de base de
todos los blancos sin la necesidad de realizar pasos adicionales.
Durante el filtrado adaptado también se pueden reducir eficazmente
los lóbulos laterales a lo largo de la dimensión del acimut mediante
una ponderación. El nuevo procesamiento asociado al acimut se
realiza entonces únicamente con el uso de multiplicadores y
transformadas de Fourier, evitando las interpolaciones. Como
consecuencia se logra un procesamiento de alta precisión con
conservación de fase.
La reivindicación 2 comprende una posibilidad de
uso ventajosa del procedimiento indicado en la reivindicación 1 para
el procesamiento de datos brutos de TOPS (observación del terreno
por barrido progresivo)-SAR (radar de apertura
sintética).
La invención se explica con más detalle a
continuación mediante formas de realización preferidas y haciendo
referencia a los dibujos adjuntos. Muestran:
La Fig. 1 una geometría de adquisición, ya
descrita anteriormente, para el modo de imagen TOPS,
la Fig. 2 un diagrama de
tiempo-frecuencia, también descrito ya
anteriormente, característico del modo de imagen TOPS,
la Fig. 3 un diagrama de flujo esquemático de
una realización preferida del procedimiento según la presente
invención,
la Fig. 4 un esquema que muestra el lugar del
centro de rotación y la distancia de rotación en el modo de imagen
TOPS,
la Fig. 5 un esquema que muestra cómo se realiza
la conversión a la banda de base por multiplicación con una función
chirp (línea discontinua larga) en el intervalo de tiempo de manera
que se puedan suprimir eficazmente los lóbulos laterales en la
dirección del acimut,
la Fig. 6 un diagrama de
tiempo-frecuencia que muestra cómo la operación de
escalado modifica la distancia de rotación necesaria para incorporar
las señales para los blancos en la banda de base a un alcance
diferente del alcance de escalado, en el que las líneas discontinuas
representan el estado del diagrama antes de la operación de escalado
y las líneas continuas el estado posterior a la operación de
escalado, y
la Fig. 7 representaciones de contorno que
muestran el resultado del procesamiento obtenido con el
procedimiento de acuerdo con la invención de nueve objetos puntuales
a corta distancia (arriba), a media distancia (centro) y a gran
distancia (abajo).
La Fig. 3 muestra en un diagrama de flujo
esquemático los diferentes pasos de proceso de una realización
preferida del procedimiento según la presente invención. En las
ecuaciones relativas a la Fig. 3, t es el vector de tiempo en la
dirección del acimut (es decir, el tiempo "slow"), \tau el
tiempo en la dirección del alcance, denominado también dirección
"range" (es decir, el tiempo de transmisión del eco), f_{a}
el vector de frecuencia en la dirección del acimut (es decir, la
frecuencia Doppler), f_{r} la frecuencia asociada al alcance,
r_{0} la distancia a un objeto puntual, r el vector distancia,
\lambda la longitud de onda, c la velocidad de la luz y v la
velocidad en el suelo.
Los datos brutos de TOPS primero se dividen, en
el paso 3.1, en subaperturas. Esta división se asemeja a la que se
realiza en el procesamiento de haz concentrado de acuerdo con el
documento de patente EP 0924534 B1 ya mencionado. Durante el
procesamiento debe muestrearse lo suficiente el ancho de banda del
acimut B_{a} de un objeto puntual, que depende del ancho del haz
de la antena. El ancho de banda del acimut total de la escena, sin
embargo, es mayor que el ancho de banda momentáneo máximo B_{a}
porque el posicionamiento de un blanco en la dirección del acimut
provoca un desplazamiento de frecuencia. La frecuencia momentánea
viene dada por la ecuación (1):
en la que r_{rot0} es la
distancia vectorial al centro de rotación dado por la geometría,
como se muestra en la Fig.
4.
\vskip1.000000\baselineskip
Al procesar los datos, la frecuencia de
repetición de pulsos PRF debería ser al menos tan grande como el
ancho de banda total del acimut B_{a, \ total} para evitar
frecuencias ambiguas en la dirección del acimut durante la
corrección de la migración de las células en la dirección del
alcance. Las frecuencias ambiguas en la dirección del acimut
provocan una pérdida de resolución y un empeoramiento de la imagen
enfocada definitiva como consecuencia de la aparición de "ecos
fantasma".
Gracias al uso del procesamiento de subaperturas
es suficiente, por lo tanto, una menor frecuencia de repetición de
pulsos PRF. El cálculo de un tiempo de subapertura T_{sub} se
realiza conforme a la ecuación (2):
Después de la división en subaperturas en el
paso 3.1 se continúa con el procesamiento para cada subapertura i
con el centroide Doppler correspondiente f_{DC, \ i}. Para evitar
obtener un resultado de procesamiento incorrecto como consecuencia
del procesamiento de subaperturas, las subaperturas se forman con
solapamiento reducido.
\newpage
A continuación se entiende por "FFT
(transformada rápida de Fourier) de corto tiempo asociada al
acimut" e "IFFT (transformada rápida inversa de Fourier) de
corto tiempo asociada al acimut" la corta longitud o el pequeño
número de puntos de operaciones FFT o IFFT, respectivamente, en la
dirección del acimut, obtenido por aplicación de un procesamiento de
subaperturas. Tras combinar las subaperturas (como se tratará a
continuación en relación con el paso 3.14) está restablecida la
longitud completa de la señal temporal y las operaciones FFT
siguientes deben ser, por lo tanto, una "FFT de largo tiempo
asociada al acimut" o una "IFFT de largo tiempo asociada al
acimut".
En el paso de procesamiento 3.2 se transforman
los datos en el intervalo Doppler del alcance mediante una FFT de
corto tiempo asociada al acimut. Después se realiza un escalado de
frecuencias, para el cual se multiplica la función de escalado de
frecuencias H_{CS}(f_{a}, \tau, r_{0}) indicada en la
ecuación (5) (recuadro 3.3) con la señal en una primera unidad de
multiplicación 3.4.
El escalado de frecuencias produce una
adaptación de la curvatura de la trayectoria dependiente del alcance
a la curvatura de una trayectoria de referencia para una distancia
de referencia f_{ref}, representando una trayectoria el lugar
geométrico de los centros de fase de todas la señales en la
dirección del alcance que pertenecen a un objeto puntual. La forma
de la trayectoria de referencia se puede describir con t_{a, \
ref}(f_{a}) de la siguiente manera:
en la que el factor de escalada
lineal a(f_{a}) describe la dependencia de frecuencia de la
migración de las células en la dirección del
alcance:
En la función de escalado de frecuencias
H_{CS}, K_{eff} es la tasa de modulación en la dirección del
alcance que depende de la frecuencia asociada al acimut y de la
distancia de referencia, puesto que incluye la compresión secundaria
en la dirección del alcance:
Después del escalado de frecuencias se usa una
FFT asociada al alcance (recuadro 3.5) para la transformación de los
datos en el intervalo de frecuencias bidimensional, realizándose la
compresión en la dirección del alcance, la corrección de la
migración de las células en la dirección del alcance y la compresión
secundaria en la dirección del alcance mediante una multiplicación
por la función de fase H_{rcmc}(f_{a}, f_{r},
r_{ref}) indicada en la ecuación (6) (recuadro 3.6) en una segunda
unidad de multiplicación 3.7:
En la ecuación (6) la primera función de fase
designa la función de filtro para la compresión en la dirección del
alcance. La segunda función de fase realiza la corrección de la
migración de las células en la dirección del alcance. Como
consecuencia del escalado de frecuencias realizado con la ecuación
(5), esta corrección se puede efectuar para todas las distancias
simultáneamente mediante un desplazamiento lineal en la dirección
del alcance, que solo depende de la frecuencia asociada al
acimut.
En el paso siguiente del proceso se usa una IFFT
asociada al alcance (recuadro 3.8) para una retrotransformación al
intervalo Doppler asociado al alcance. Durante el escalado de
frecuencias se introduce en la señal un desplazamiento de fase
adicional en la dirección del acimut dependiente del alcance que se
elimina mediante una multiplicación por una función de corrección
H_{corr}(f_{a}; r_{0}) indicada en la ecuación (7)
(recuadro 3.9) en una tercera unidad de multiplicación 3.10:
En el paso siguiente del proceso se realiza un
nuevo escalado en el acimut. Éste elimina la fase de acimut
hiperbólica y la sustituye por una forma de fase cuadrática mediante
una multiplicación de las señales por una función de fase
H_{a}(f_{a}; r_{0}) (recuadro 3.11) en una cuarta
unidad de multiplicación 3.12:
El registro de fase puramente cuadrático viene
descrito por la tasa de escalado Doppler K_{scl}(r). El
alcance del escalado no es constante y no es igual al vector
distancia original r; depende de la distancia, como se describe en
las ecuaciones (10) a (12). El motivo por el cual se usa este
alcance de escalado dependiente de la distancia se explicará más
adelante.
Puesto que el escalado en el acimut en el
intervalo de tiempo produce un desplazamiento de las señales
asociadas al acimut que no se encuentran en el centro de
iluminación, se precisa de un ligero aumento de la dimensión del
acimut. Este aumento, sin embargo, entra generalmente en el
intervalo que se alcanza aumentando el tamaño de subapertura a la
siguiente potencia de dos. El número de puntos en la dirección del
acimut deberá ser una potencia de dos para minimizar los cálculos de
los pasos FFT/IFFT.
En el paso siguiente del proceso se usa una IFFT
asociada al acimut (recuadro 3.13) para una retrotransformación en
el tiempo del acimut/alcance. A continuación, en el paso 3.14, se
combinan las diferentes subaperturas. Después, el ancho de banda de
la señal sigue cubriendo la frecuencia de repetición de pulsos PRF.
Por lo tanto, se puede realizar una desmodulación en una quinta
unidad de multiplicación 3.16, usando la función de desrotación
H_{derot}(t,r) indicada en la ecuación (13) (recuadro
3.15).
En la Fig. 5 se representa el efecto sobre la
señal como consecuencia de esta función de desrotación. La tasa de
modulación en frecuencia usada en la función de desrotación depende
de la distancia y se indica en la ecuación (14). En este punto se
modifica la tasa de modulación en frecuencia efectiva de la señal
conforme a la ecuación (15).
Por el hecho de que el espectro de datos se
encuentra ahora para todos los blancos en la banda de base, se puede
usar un filtro adaptado. Después de una FFT de largo tiempo asociada
al acimut (recuadro 3.17) se realiza un filtrado adaptado usando la
ecuación (16) (recuadro 3.18) en una sexta unidad de multiplicación
3.19. En este punto también se puede realizar con facilidad una
supresión de los lóbulos laterales en la dirección del acimut
mediante una función de ponderación W(f_{a}). En realidad,
éste es el único punto óptimo en el que la aplicación de la función
de ponderación da resultados correctos en el caso del TOPS.
f_{DC} es en este caso el
centroide Doppler medio de la adquisición de datos. Una IFFT de
largo tiempo (recuadro 3.20) proporciona una señal focalizada. Sin
embargo, los datos deben multiplicarse por la función de fase
H_{fase}(t,r) indicada en la ecuación (17) con el fin de
realizar un procesamiento de conservación de fase, para lo cual se
usa una séptima unidad de multiplicación
3.22.
en la
que
A continuación se explica la necesidad de una
tasa de escalado dependiente del alcance. El muestreo de la imagen
tras usar la solución de escalado en el acimut se indica en la
ecuación (19).
en la que \Deltax_{orig} es el
muestreo original igual a v/PRF. Podría concebirse el uso de un
alcance de escalado constante r'_{scl}, pero entonces cambiaría la
tasa de rotación, como se representa en la Fig. 6 y se expresa
mediante la ecuación
(20):
Cuando se usa la ecuación (20) para tener la
señal correctamente en la banda de base, cuando se usa un alcance de
escalado constante, el muestreo definitivo de la imagen en la
dirección del acimut depende de la distancia, como se constata en la
ecuación (19). Puesto que es deseable tener el mismo muestreo en la
dirección del acimut para todas las distancias y al mismo tiempo
tener todos los blancos correctamente en la banda de base, la
solución consiste, por lo tanto, en usar un vector de escalado y uno
de rotación, indicados en la ecuación (11) y en la ecuación (12),
respectivamente. Si esto se realiza de este modo, entonces el
muestreo en la dirección del acimut viene dado por la ecuación
(21):
en la que r_{scl0} se selecciona
en función del muestreo definitivo deseado en la dirección del
acimut y debe encontrarse dentro del ancho de muestreo para
minimizar el aumento necesario de las subaperturas. Cabe señalar que
en el modo de adquisición TOPS, r_{rot0} es negativa, de manera
que el muestreo nuevo de la imagen es mayor que el muestreo original
de los datos brutos. Esto resulta deseable puesto que la resolución
es peor que en el caso del modo de imagen
(stripmap).
\vskip1.000000\baselineskip
La solución propuesta en la presente invención
permite procesar eficazmente los datos de TOPS, ya que no se
requiere un procesamiento en bloques para el enfoque en la dirección
del acimut. La solución propuesta permite asimismo seleccionar las
distancias definitivas en la dirección del acimut. Esto último
resulta muy útil, puesto que se evita la necesidad de realizar una
interpolación para la recombinación de diferentes subfranjas
(diferentes subfranjas presentan diferentes frecuencias de
repetición de pulsos PRF y, por lo tanto, diferentes muestreos en la
dirección del acimut). El escalado en el acimut a la banda de base
garantiza así que se tienen todos los blancos en la banda de base y
que se selecciona el muestreo deseado en la dirección del
acimut.
La Fig. 7 muestra el resultado del procesamiento
de nueve blancos simulados en la banda X con el procedimiento de
acuerdo con la invención. Puesto que no se usaron funciones de
ponderación durante el procesamiento, la representación de las
líneas de contorno en la Fig. 7 muestra funciones sinc
bidimensionales (sinc x = sin x/x). Los nueve objetos puntuales
presentan diferentes posiciones en la dirección del alcance y en la
del acimut correspondientes a la misma ráfaga de pulsos de TOPS.
Los blancos están dispuestos de tal manera que
los blancos limiten en las posiciones angulares una escena con las
dimensiones 7.200 m x 24.655 m en la dirección del acimut y en la
dirección del alcance, respectivamente. La geometría simulada
equivale al caso de encontrarse a bordo de vehículos espaciales, y
el alcance de escalado de referencia seleccionado ascendió a
596.091,37 m. Las resoluciones geométricas teóricas posibles
ascienden a aproximadamente 14,16 m x 0,89 m en la dimensión del
acimut y del alcance, respectivamente. Las desviaciones máximas de
las resoluciones medidas de los valores teóricos ascienden al 2% en
el acimut y al 1% en el alcance.
Claims (2)
1. Procedimiento para el procesamiento de datos
brutos de TOPS (observación del terreno por barrido
progresivo)-SAR (radar de apertura sintética) en
datos de imagen de alta precisión, caracterizado por un
procesamiento bidimensional de los datos brutos de
TOPS-SAR mediante un procedimiento de escalado de
frecuencias y un procedimiento de escalado en el acimut en la banda
de base, usando los siguientes pasos sucesivos:
a) división de los datos brutos de
TOPS-SAR en datos de subapertura asociados al acimut
(3.1);
b) realización de una FFT de corto tiempo
asociada al acimut (3.2);
c) multiplicación de la señal por una función de
escalada de frecuencias H_{CS}, definida por
en la que f_{a} es la frecuencia
asociada al acimut, r_{0} la distancia más corta de un blanco,
r_{ref} una distancia de referencia, \tau el tiempo en la
dirección del alcance, denominado también dirección "range", es
decir, el tiempo de transmisión del eco, el factor a(f_{a})
describe la dependencia de frecuencia de la migración de las células
en la dirección del alcance conforme a, 18 \lambda
es una longitud de onda, v designa la velocidad en el suelo,
K_{eff}(f_{a}; r_{ref}) la tasa de modulación
dependiente de la frecuencia asociada al acimut f_{a} y de la
distancia de referencia r_{ref} en la dirección del alcance y
\tau_{ref}(f_{a}) significa un tiempo de transmisión
del eco de referencia dependiente de la frecuencia asociada al
acimut f_{a} (3.3,
3.4);
\vskip1.000000\baselineskip
d) realización de una FFT asociada al alcance
para obtener la señal en el intervalo de frecuencias bidimensional
(3.5);
e) multiplicación de la señal por la función de
fase H_{rcmc}, definida por
para realizar la corrección de la
migración de las células en la dirección del alcance, la compresión
en la dirección del alcance y la compresión secundaria en la
dirección del alcance, en la que f_{r} es la frecuencia asociada
al alcance y c la velocidad de la luz (3.6,
3.7);
\vskip1.000000\baselineskip
f) realización de una IFFT asociada al alcance
para incorporar la señal en el intervalo Doppler asociado al alcance
(3.8);
g) multiplicación de la señal por una función de
corrección de fase H_{corr}, definida por
en la que r_{0} es la distancia
más corta a un objeto puntual (3.9,
3.10);
\vskip1.000000\baselineskip
h) multiplicación de los datos bidimensionales
recibidos en el intervalo Doppler asociado al alcance (=
"range") y tras realizar los pasos principales de una
compresión en la dirección del alcance y una corrección de la
migración de las células en la dirección del alcance de un blanco
por una función de fase H_{a}(f_{a}; r_{0}), definida
por
en la
que
y en la que r es el vector
distancia, K_{scl}(r) una tasa Doppler independiente del
alcance, r_{rot0} una distancia de rotación como consecuencia de
la geometría de TOPS, r_{scl0} un alcance de escalado seleccionado
en función de la distancia definitiva deseada de la imagen,
r_{scl}(r) un vector distancia de escalado, por lo que los
valores del alcance de escalado se encuentran dentro de una
dimensión de alcance de una imagen y por lo que r_{rot}(r)
es un vector de distancia de rotación dependiente del alcance (3.11,
3.12);
\vskip1.000000\baselineskip
i) transformación de los datos de subapertura
mediante IFFT de corto tiempo asociadas al acimut de vuelta al
intervalo de tiempo asociado al acimut y al alcance (3.13);
j) combinación de las subaperturas en la
dirección del acimut (3.14);
k) multiplicación de los datos bidimensionales
por una función de desrotación H_{derot}(t,r), definida
por
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
en la que t es el vector de tiempo
en la dirección del acimut y t_{mid} el tiempo medio de la ráfaga
de pulsos (3.15,
3.16);
\vskip1.000000\baselineskip
l) transformación de los datos desrotados
mediante FFT de largo tiempo asociadas al acimut en el intervalo
Doppler asociado al alcance (3.17);
m) seguidamente, multiplicación de los datos
bidimensionales por una función de compresión en la dirección del
acimut H_{comp}(f_{a},r), definida por
en la
que
es la tasa de modulación en
frecuencia efectiva después de las operaciones de escalado y
desrotación, W(f_{a}) la función de ponderación para la
supresión de los lóbulos laterales y f_{DC} el centroide Doppler
medio de la adquisición de datos, siendo éste el único punto óptimo
en el modo TOPS en el que la aplicación de la función de ponderación
para la supresión de los lóbulos laterales proporciona resultados
correctos, puesto que todos los blancos se encuentran en la banda de
base (3.18,
3.19);
\vskip1.000000\baselineskip
n) transformación de los datos mediante una IFFT
de largo tiempo asociada al acimut en los datos de imagen (3.20);
y
o) multiplicación de los datos de imagen
bidimensionales por una función de fase H_{fase}(t,r),
definida por
en la
que
para lograr una conservación de
fase (3.21,
3.22).
\vskip1.000000\baselineskip
2. Uso del procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1 para un procesamiento bidimensional de datos brutos
de SAR, SONAR y sísmicos en modos de imagen usando un giro mecánico
y/o electrónico del diagrama de la antena en la dirección del acimut
y/o de la elevación.
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