DE19723685C1

DE19723685C1 - Verfahren zur Erzeugung einer im Mikrowellenbereich stattfindenden Abbildung bewegter Objekte mittels Inversen-Synthetik-Apertur-Radars

Info

Publication number: DE19723685C1
Application number: DE19723685A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr Sauer
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1997-06-05
Filing date: 1997-06-05
Publication date: 1999-04-08
Anticipated expiration: 2017-06-06
Also published as: GB2326042B; GB2326042A; US6023235A; GB9812158D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer im Mikrowellenbereich stattfindenden Abbildung bewegter Objekte mittels des sogenannten Inversen-Synthetik-Apertur-Radars (ISAR), mit dem die zweidimensionale Ortsverteilung der Rück streuzentren des jeweiligen Objekts ermittelt wird, insbeson dere zur Überwachung des Bodenverkehrs auf Flughäfen, wobei eine Vielzahl von Entfernungszeilen vorgesehen ist, in denen jeweils zur Dopplerverschiebungsauswertung eine Spektralana lyse vorgenommen wird, so daß bei einer Ausführung für alle Entfernungszeilen eine zweidimensionale Kartierung der Re flektivitätsfunktion des Objekts erhalten wird.

Aus DE 44 06 907 A1 ist ein solches Verfahren zur Klassifizie rung eines Gegenstandes unter Verwendung eines Inversen-Syn thetik-Apertur-Radars (ISAR) bekannt.

Mit Hilfe des Prinzips des Inversen-Synthetik-Apertur-Radars (ISAR) kann ein feststehendes Radar mit einem bewegten Objekt eine Abbildung erzeugen, die als eine Art Photographie be trachtet werden kann, jedoch nicht im optischen Spektralbe reich, sondern im Mikrowellenbereich. Diese Mikrowellenabbil dung kann als Grundlage für eine nicht-kooperative Objekter kennung verwendet werden.

Ein solcher Klassifikator, der auf den Mikrowellenabbildungen der lokalisierten Objekte basiert, ist Bestandteil eines von der Anmelderin entwickelten Nahbereichsradarnetzes (NRN), das zur Überwachung des Bodenverkehrs auf Flughäfen eingesetzt wird.

Das ISAR-Abbildungsprinzip zielt darauf ab, die zweidimensio nale Ortsverteilung in Rückstreuzentren des Objekts zu ermit teln. Bei geradlinig bewegten Zielen wird die Abbildungsebene von der Radarsichtlinie und dem Geschwindigkeitsvektor des Ziels aufgespannt. Längs der Radarsichtlinie erfolgt die Trennung der Streuzentren durch das Entfernungsauflösungsver mögen des Radars, was beispielsweise durch ein Kurzpuls- oder Phasenmodulationsverfahren erfolgen kann.

Liegen mehrere Streuer innerhalb einer Entfernungszelle mit verschiedenen Querablagen zu der Radarsichtlinie, so setzt sich das aus dieser Entfernungszelle zurückgestreute Radarsi gnal aus mehreren Anteilen zusammen, die eine unterschiedliche Dopplerverschiebung gemäß der Querablage der Streuer aufwei sen. Deshalb können durch eine Spektralanalyse zeitlich auf einanderfolgender Empfangssignale aus einer bestimmten Entfer nung die Querablagen der betreffenden Streuer ermittelt wer den. Wird dies für alle Entfernungszeilen ausgeführt, so wird eine zweidimensionale Kartierung der Reflektivitätsfunktion des Objekts erhalten.

Dies gilt jedoch nur für ein starres Objekt. Bei Flugzeugen führen Turbinenblätter, Rotoren oder Fahrwerke zusätzliche Be wegungen aus, so daß es zu weiteren Dopplerverschiebungen des Empfangssignals kommt, die aber in keiner Weise mit der Quer ablage dieser Strukturen korreliert sind und damit zu Bildstö rungen führen.

Zur Unterdrückung der störenden Anteile bieten sich folgende Ansätze an. Gerade bei schnell rotierenden Rotoren ist damit zu rechnen, daß der damit verbundene Spektralanteil weit ober halb des Dopplerspektrums der Objektbewegung liegt. Eine Tief paßfilterung könnte somit diesen Störanteil unterdrücken. Dies würde aber voraussetzen, daß das Empfangssignal in allen Ent fernungszellen mit einer Rate in der Größenordnung von etwa 10 kHz abgetastet wird. In realistischen Systemen liegt diese Abtastrate bei maximal 300 Hz. Zwar wird damit auch das Spek trum eines Objekts mit einer reinen geradlinigen Bewegung un terabgetastet. Solange aber die Abtastfrequenz noch doppelt so groß wie die Bandbreite des Empfangssignals ist, spielt dies für die Abbildung keine Rolle. Lediglich die Information über den Schwerpunkt des Spektrums geht verloren.

Liegt jedoch noch ein zusätzlicher Spektralbereich vor, der beispielsweise durch die Turbinen verursacht wird, so kommt es durch die Unterabtastung zu einer Überlappung beider Spek tralanteile. Eine Unterdrückung der Störanfälle in den Rohda ten ist nicht mehr möglich. Werden diese Daten gemäß dem ISAR-Algorithmus prozessiert, so treten in den resultierenden Mikrowellenabbildungen Artefakte, d. h. Störanteile auf. In den Entfernungszeilen mit rotierenden Objektstrukturen werden Rückstreuzentren angezeigt, die will kürlich in Querrichtung verteilt sind.

Aufgrund dieser willkürlichen Verteilung wird angenommen, daß die Artefakte nicht stabil sind und in zeitlich kurz aufeinan derfolgenden Bildern stark schwanken sollten, während sich die übrigen Reflektivitätswerte nicht verändern. Jedoch zeigten die Artefakte das gleiche Verhalten bezüglich ihrer Querablage und ihres Reflektivitätswertes, und zwar sowohl im Betrag als auch in der Phase, wie die eigentlichen Objektanteile, so daß weder eine inkohärente noch eine kohärente Mittelung von zeit lich aufeinanderfolgenden Mikrowellenabbildungen die Artefakte unterdrücken konnte.

Aufgrund der vorstehend geschilderten Schwierigkeit erscheint eine Lösung des vorstehend skizzierten Problems mit herkömmli chen Signalverarbeitungsverfahren nicht möglich. Sollen Mikro wellenabbildungen als Ausgangspunkt für eine Klassifikation verwendet werden, so ist bei entsprechenden Aspektwinkeln, wenn das Radar in die Triebwerke oder auf die Fahrwerke blickt, mit Fehlklassifikationen zu rechnen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem angegebe nen Verfahren zur Erzeugung einer im Mikrowellenbereich statt findenden Abbildung bewegter Objekte mittels des sogenannten Inversen-Synthetik-Apertur-Radars (ISAR) Maßnahmen anzugeben, durch welche Abbildungsstörungen unterdrückt werden, die auf grund weiterer, beispielsweise durch Turbinenblätter, Rotoren oder Fahrwerke bedingter Dopplerverschiebungen entstehen. Bei der Anwendung auf Flughäfen zur Überwachung des dortigen Bo denverkehrs sollen durch das Verfahren nach der Erfindung Feh leinschätzungen vermieden werden, insbesondere sollen Fehl klassifikationen ausgeschlossen werden, die dann auftreten würden, wenn bei einem entsprechenden Aspektwinkel das Radar in die Triebwerke oder auf die Fahrwerke gerichtet ist.

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe bei einem Verfahren zur Erzeugung einer im Mikrowellenbereich stattfindenden Abbildung bewegter Objekte mittels des Inversen-Synthetik-Apertur-Radars (ISAR) nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale in dessen kennzeichnenden Teil gelöst. Vorteilhafte Weiterbil dungen sind Gegenstand der auf den Anspruch 1 unmittelbar oder mittelbar rückbezogenen Ansprüche.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen im ein zelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a und 1b ein Szenarium aus einer größeren, zusammenhän genden Struktur, einer linienhaften Struktur und einem einzelnen Pixel, bei welchem eine soge nannte Erosion angewandt ist;

Fig. 2a und 2b ein Anwenden der sogenannten Dilatation, wobei das Ausgangsbild in Fig. 2a demjenigen von Fig. 1b entspricht;

Fig. 3 verschiedene Meßpositionen auf dem Flughafen München;

Fig. 4a und 4b Mikrowellenabbildungen einer auf Position E (Fig. 3) vermessenen Fokker 50, und zwar Fig. 4a vor dem Unterdrückungsverfahren und Fig. 4b nach dem Unterdrückungsverfahren;

Fig. 5a und 5b Mikrowellenabbildungen einer auf Position E (Fig. 3) vermessenen B757, und zwar Fig. 5a vor dem Unterdrückungsverfahren und Fig. 5b nach dem Unterdrückungsverfahren;

Fig. 6a und 6b jeweils Mikrowellenabbildungen einer auf Posi tion A (Fig. 3) vermessenen Fokker 100, und zwar Fig. 6a vor dem Unterdrückungsverfahren und Fig. 6b nach dem Unterdrückungsverfahren, und

Fig. 7a und 7b jeweils Mikrowellenabbildungen einer auf Posi tion D (Fig. 3) vermessenen B757, und zwar Fig. 7a vor dem Unterdrückungsverfahren und Fig. 7b nach dem Unterdrückungsverfahren.

Werden Mikrowellenabbildungen betrachtet, in denen Artefakte auftreten, so läßt sich feststellen, daß sich die Störungen in ihrer Gestalt von den eigentlichen Objektanteilen unterschei den. Letztere bilden meist zusammenhängende Gebilde, während Störungen mehr punktuell auftreten.

An dieser Stelle können nun morphologische Operationen aus der digitalen Bildverarbeitung eingesetzt werden. Dies wird zu nächst anhand eines Binärbildes erläutert. Als Ausgangspunkt wurde ein Szenarium gewählt, das aus einer größeren, zusammen hängenden Struktur, einer linienhaften Struktur und einem ein zelnen Pixel besteht. Und ein derartiges Szenarium ist bei spielsweise in Fig. 1a dargestellt.

Auf das in Fig. 1a dargestellte Szenarium wurde eine sogenannte Erosion angewandt. Bei dieser Operation werden alle Pixel ge löscht, in deren Vierer-Nachbarschaft, d. h. links, rechts, oben oder unten, ein inaktives Pixel vorkommt. Dadurch wird der Rand der größeren Struktur abgetragen, die kleineren Pixel verschwinden völlig, wie Fig. 1b zu entnehmen ist.

Dieses Resultat (siehe Fig. 2a) wird nun als ein Ausgangsbild für eine sogenannte Dilatation verwendet, die ebenfalls zu den morphologischen Operationen gehört. Hier werden bei einem ak tiven Pixel alle Pixel seiner Vierer-Nachbarschaft aktiviert. Dadurch wird der Rand der Struktur vergrößert, was in Fig. 2b wiedergegeben ist.

An diesem Beispiel wird zweierlei deutlich; erstens ist die Dilatation nicht die Umkehroperation zur Erosion. Zweitens führt eine von einer Dilatation gefolgte Erosion zur Unter drückung kleiner Bildstrukturen, während größere nahezu unbe einflußt bleiben. Diese Vorgehensweise wird auch als Öffnen eines Bildes bezeichnet.

Das Verfahren zum Öffnen eines Bildes wurde gemäß der Erfin dung mit einer Reihe von Modifikationen und Erweiterungen auf die Mikrowellenabbildungen übertragen. Da Mikrowellenabbildun gen Grauwertbilder mit einer kontinuierlichen Intensitätsver teilung darstellen, ist ein Schwellenwert erforderlich, der eine Entscheidung in "aktives oder inaktives" Pixel zuläßt.

Ferner soll das sogenannte Öffnen eines Bildes nur in den ge störten Bildbereichen eingesetzt werden, die sich meist in der Mitte des Flugzeugs befinden. Damit ist gewährleistet, daß einzelne Objektstreuer, wie beispielsweise am Bug oder an Flü gelspitzen nicht zerstört werden. Da sich in den gestörten Entfernungszeilen mehr aktive Pixels befinden als in den rest lichen, können diese Pixel durch ein Abzählungsverfahren auto matisch erkannt werden.

Danach wird in diesem Bereich das Bild geöffnet, wobei die An zahl der Erosions- und der Dilatationsschritte auch größer als eins sein kann; jedoch sollte die Anzahl der Schritte in bei den Stufen gleich sein. Bei der Erosion wird das Löschen eines Pixels durch ein Nullsetzen des Intensitätswertes erreicht. Bei der Dilatation wird die Reaktivierung eines Pixels durch die Restaurierung der ursprünglichen Intensität erreicht; dies bedeutet, daß das Ausgangsbild zwischengespeichert werden muß.

Der gemäß der Erfindung entwickelte Unterdrückungsalgorithmus lautet daher folgendermaßen:

a) Es wird ein Intensitätsschwellenwert S_I = f_II_max ein Bruchteil der maximalen Pixelintensität I_max ermttelt, wo bei mit f_I der Schwellenwertkoeffizient bezeichnet ist. Hierbei gelten alle Pixel mit einer Intensität I < S_I als ak tiv.
b) Zur Ermittlung des gestörten Entfernungsbereichs wird ab der ersten Entfernungszeile nach einer Zeile gesucht, de ren Anteil an aktiven Pixel eine Schwelle S_Z überschreitet; dies stellt den Beginn eines gestörten Bereichs dar.
c) Ab der letzten Entfernungszeile wird nunmehr nach einer Zeile gesucht, deren Anteil an aktiven Pixel eine Schwelle S_Z überschreitet; dies wiederum stellt dann das Ende des gestörten Bereichs dar.
d) Der gestörte Bereich wird jeweils um zwei (2) Zeilen nach oben und unten vergrößert.
e) Der sogenannte Öffnungsalgorithmus im gestörten Bereich wird dadurch ausgeführt, daß die Erosion N-mal wiederholt wird und eine modifizierte Dilatation N-mal wiederholt wird.

Dieses Verfahren wurde auf einer Reihe von Mikrowellenabbil dungen von Verkehrsflugzeugen angewandt, die aus einer Meßkam pagne stammen, die im Sommer 1995 auf dem Münchner Flughafen durchgeführt wurde. Hierbei wurden die Rohdaten jeweils mit einem Kurzpulsradar "RANTEC" aufgezeichnet, das bei einer Sen defrequenz von 9 GHz mit einer horizontalen Polarisation für Sender und Empfänger betrieben wurde. Die Länge der Sendeim pulse betrug jeweils 14 ns, was eine Auflösung in der Entfer nungsrichtung von 2,1 m ergab. Damit wurden Profile des inter essierenden Entfernungsbereichs erstellt, durch den die Flug zeuge rollten. Die Wiederholrate dieser Entfernungsprofile lag zwischen 50 Hz und 200 Hz. Die verwendeten, stark bündelnden Parabolantennen wurden während der Meßdauer (30 s) manuell dem rollenden Flugzeug nachgeführt. Festziele wurden durch eine Hochpaßfilterung in zeitlich aufeinanderfolgenden Entfernungs zellen unterdrückt. Um auch in Querrichtung eine Auflösung zu erzielen, wurden jeweils 256 aufeinanderfolgende Entfernungs profile gemäß dem eingangs beschriebenen Prinzip des Inversen- Synthetik-Apertur-Radars (ISAR) für geradlinig bewegte Objek te prozessiert. Die vom Radar aus gesehenen scheinbaren Ob jektrotationen lagen im Bereich von 1° bis 4,5°.

Da bei den ausgewählten Aspektwinkeln das Radar während der Messung in die Turbinen bzw. auf die Fahrwerke blickte, kam es zu zusätzlichen Dopplerverschiebungen, die sich in den Mikro wellenabbildungen als Artefakte bemerkbar machen. Die ver schiedenen bei der Meßkampagne im Sommer 1995 eingenommenen Meßpositionen A, B1, B2, C, D, E und H sind in Fig. 3 wiederge geben, wobei jedoch nachstehend (Fig. 4a bis 7b) nur Mikrowel lenabbildungen von Flugzeugen an den Positionen A, D und E wiedergegeben sind. Für das oben angeführte Unterdrückungsver fahren wurden die folgenden Parameter verwendet: f = 0,01; S_Z = 0,1 und N = 1.

In Fig. 4a und 4b handelt es sich um eine Propellermaschine des Typs Fokker 50, die in einem Abstand von 350 m vom Radar auf der Position E in Richtung Vorfeld rollte. Würde bei diesem Beispiel der Öffnungsalgorithmus auf das komplette Bild ange wendet, so würde auch der Einzelstreuer an der linken Flügel spitze durch die Erosion vernichtet. Beschränkt man sich je doch auf den automatisch detektierten Störungsbereich, so bleibt diese Struktur erhalten.

Entsprechende Ergebnisse wurden auch bei Mikrowellenabbildun gen von auf den Positionen D und E vermessenen Flugzeugen er halten. Hierbei zeigen Fig. 5a ein Mikrowellenbild eines auf der Position E vermessen Flugzeugs des Typs B757, und zwar in Fig. 5a, bevor das Unterdrückungsverfahren angewendet worden ist, und in Fig. 5b, nachdem das Unterdrückungsverfahren ange wendet worden ist. Fig. 6a und 6b zeigen jeweils Mikrowellenab bildungen eines auf der Position A vermessenen Flugzeugs des Typs Fokker 100, und zwar in Fig. 6a vor dem Anwenden des Un terdrückungsverfahrens und in Fig. 6b nach dem Unterdrückungs verfahren. Schließlich sind in Fig. 7a und 7b Mikrowellenabbil dungen eines auf der Position D vermessen Flugzeugs des Typs B757 dargestellt, und zwar in Fig. 7a vor einem Anwenden des Unterdrückungsverfahrens und in Fig. 7b nach dem Anwenden eines Unterdrückungsverfahrens.

Die an den verschiedenen Positionen aufgenommenen Mikrowellen abbildungen belegen jedoch eindeutig nicht nur die Brauchbar keit, sondern insbesondere die Leistungsfähigkeit der erfin dungsgemäßen Verfahren.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung einer im Mikrowellenbereich statt findenden Abbildung bewegter Objekte mittels Inversen-Synthe tik-Apertur-Radars (ISAR), mit dem die zweidimensionale Orts verteilung der Rückstreuzentren des jeweiligen Objekts ermit telt wird, insbesondere zur Überwachung des Bodenverkehrs auf Flughäfen, wobei eine Vielzahl von Entfernungszellen vorgese hen ist, in denen jeweils zur Dopplerverschiebungsauswertung eine Spektralanalyse vorgenommen wird, so daß bei einer Aus führung für alle Entfernungszellen eine zweidimensionale Kar tierung der Reflektivitätsfunktion des Objekts erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung von auf grund weiterer Dopplerverschiebungen entstehenden Störungen in den in Form von Pixeln gebildeten Mikrowellenabbildungen folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:

a) es werden nur diejenigen der Pixel als aktiv angesehen und damit einer weiteren Verarbeitung zugeführt, die ei nen Intensitätsschwellwert überschreiten, der vorher als festgelegter Bruchteil der maximalen vorliegenden Pixel intensität ermittelt worden ist;
b) es wird ein gestörter Entfernungsbereich mit Hilfe einer Schwellwertüberschreitungsmethode unter Zählung der An zahl aktiver Pixel für die einzelnen aufeinanderfolgenden Entfernungszellen ermittelt,
c) es wird im ermittelten gestörten Entfernungsbereich eine Bildöffnung durchgeführt, die in einer Aufeinanderfolge einer einzigen oder mehrerer sich wiederholender soge nannter Erosionen und einer einzigen oder mehrerer sich wiederholender sogenannter Dilatationen besteht, wobei eine Erosion dadurch gebildet wird, daß alle diejenigen aktiven Pixel gelöscht werden, in deren festgelegter inaktives Pixel vorkommt, und eine Dilatation darin be steht, daß bei einem aktiven Pixel alle Pixel der festge legten Nachbarschaft aktiviert werden, und wobei bei der jeweils einer Erosion nachfolgenden Erosion bzw. bei der einer Dilatation nachfolgenden Dilatation die Nachbarschaft eines jeden Pixels unter Anwendung des gleichen festgeleg ten Nachbarschaftskriteriums wie bei der vorangegangenen Erosion bzw. Dilatation neu bestimmt wird, so daß also der jeweils vorher ausgeführte Bildverarbeitungsschritt keiner lei Einfluß auf die neue Nachbarschaftsbestimmung hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwertüberschreitungsmethode zur Ermittlung des ge störten Entfernungsbereichs darin besteht, daß zuerst zur Be stimmung des Beginns des gestörten Entfernungsbereichs ab der ersten Entfernungszelle nach einer Zeile gesucht wird, deren Anteil an aktiven Pixeln eine festgelegte Schwelle überschrei tet, und daß danach zur Bestimmung des Endes des gestörten Be reichs ab der letzten Entfernungszelle in der entgegengesetz ten Richtung nach einer Zeile gesucht wird, deren Anteil an aktiven Pixeln die festgelegte Schwelle überschreitet.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der so ermittelte gestörte Entfernungsbereich um eine oder mehr Zeilen jeweils nach oben und nach unten ausgedehnt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet um eine Ausdeh nung jeweils um zwei Zeilen nach oben und nach unten.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erosionen und die Dilatationen in jeweils übereinstimmender Anzahl wiederholt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Erosion das Löschen eines Pixels durch ein Nullsetzen des Intensitätswertes erreicht wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Dilatation die Reaktivierung ei nes Pixels durch die Restaurierung der ursprünglichen Intensi tät erreicht wird, was voraussetzt, daß die Ausgangsabbildung zwischengespeichert wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildöffnung, d. h. bei der Erosion und der Dilatation, mit einer so festgelegten Vierer- Nachbarschaft eines aktiven Pixels gearbeitet wird, was bedeu tet, daß bei einem aktiven Pixel diejenigen vier Pixel in Be tracht gezogen werden, die sich dazu links, rechts, oben und unten befinden.