NO170786B - Fremgangsmaate og apparatur for forbedret sar-avbildning (syntetisert aperturradar) for skipsklassifisering. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår syntetisert aper-turradarteknikk (SAR) og nærmere bestemt en fremgangsmåte og apparatur for å tilveiebringe sanntids høyoppløsnings SAR-avbildning av et skip i bevegelse og som dessuten utsettes for dreiepåvirkninger som følge av forhold i sjøen.

Tidligere kjente luftbårne syntetiserte apertur-radarsysterner (i det følgende for enkelhets skyld kalt SAR eller SAR-systemer) har vist sin evne til å frembringe høyoppløsningsavbildninger av stasjonære mål på bakken ved hjelp av dreiebevegelse av SAR-systemet i forhold til mål-området. Høy oppløsning i både avstand til målet og sideomfang (asimut) oppnås, nemlig med kortpulsradarteknikk for avstanden til målet og ved digital signaldoppler-prosessering for asi-mutoppløsningen, slik at det frembringes et todimensjonalt bilde med stor detaljrikdom. Anvendelsen av slike kjente prosesseringsteknikker for SAR-systemer innsiktet mot et skip i rom sjø kan imidlertid lett frembringe forvrengte og util-strekkelig fokuserte skipavbildninger som vil vanskeliggjøre klassifisering eller gjenkjenning av skipet, siden et skip i rom sjø er utsatt for dreiebevegelser i flere plan eller om flere akser som følge av sjøens påvirkning.

Systemer for forbedring av noen av disse uheldige effekter som skyldes et skips dreiebevegelser er beskrevet i US-PS 4 546 354 med tittel "Range/Azimuth Ship Imaging For Ordnance Control", US-PS 4 546 355 med tittel "Range/ Azimuth/Elevation Ship Imaging for Ordnance Control", og

US-PS 4 563 686 med tittel ""Range/Doppler Ship Imaging For Ordnance Control", alle med prioritet fra juni 1982. Disse patentskrifter beskriver fremgangsmåter og apparatur for generering av sanntids og høyoppløsnings SAR-avbildning i en luftbåren plattform av et skip i bevegelse og som samtidig er underlagt de typiske bevegelser i sjøen, benevnt rulling, stamping eller duving, og giring eller slingring, i den hen-sikt å klassifisere eller sørge for gjenkjenning av skip med eventuell tanke på en påfølgende beskytning av skipet med våpen i fjerntliggende utskytningsområder. US-PS 4 546 354 nevnt ovenfor tilveiebringer et uforvrengt todimensjonalt bilde av skipet ut fra en direkte plotting av avstand over den interferometrisk bestemte asimutvinkel for alle de viktigste reflekterende spredeflater i området ved skipet, innbefattet de som befinner seg på dette.

Det sistnevnte patentskrift, US 4 563 686 gjelder også todimensjonal avbildning av skipet. Imidlertid dannes denne avbildning for visning i avhengighet av dopplerfrekvensforskyvning ut fra direkteplotting av interferometriske asi-mutmålinger av skipets spredeflater etter prosessering med hensyn til avstand/dopplerfrekvensforskyvning, nemlig av de spredeflater som er direkte registrert, og ut fra de vinkelhastigheter om akser som står vinkelrett på siktelinjen mot skipet og som er utledet fra en lineær regresjonskurve i henhold til minstekvadratprinsippet.

Det er fra samme patentskrift videre kjent en anvendelse som forbedrer oppløsningen ved avbildningen såvel som å gi øket rekkevidde ved å vise avstand relatert til dopplerfrekvensen etter at forstyrrelser i avbildningen er fjernet. Disse forstyrrelser kan være såkalte "isodop"-forstyrrelser som dannes ved at ikke dopplerkonturene alltid står i rett vinkel i forhold til konturene for konstant avstand.

US-PS 4 546 355 viser en ny anvendelse for prosessering hvor restriksjonene som skyldes spredt refleksjon for skipets elevasjon begrenses ved dannelsen av en skalert høy-oppløsningsavbildning. Denne metode bygger på bruk av både elevasjons- og asimutvinkelen i tillegg til interferometertek-nikk, under anvendelse av prosesseringsteknikk for et SAR-signal.

Nærmere bestemt angir patentskriftet tre skalerte høyoppløsnings ortogonale avbildningsprojeksjoner for et skip, fremvist på en avbildningsskjerm og på basis av avstand, asimut og elevasjonsvinkelmålinger av skipets spredeflater hvis koordinater direkte plottes inn, og på basis av estimater av hastigheter på tvers av siktelinjen mot skipet og utledet fra en regresjonskurvetilpasning med flere variable for spredeflåtenes dopplerfrekvensforskyvnings-, asimut- og elevasjonsvinkelmålinger. Disse hastigheter må bestemmes for å gi en fast og høy oppløsning i tverretningen som er den doppler-frekvensfølsomme retning. Selv om dette patentskrift gir en tredimensjonal avbildning med høy oppløsning av et skip med generell form og uten restriksjoner, er det likevel et behov for å kunne øke det effektive anvendelsesomfang for slik avbildning vesentlig. Dette er ønskelig for å unngå den av-bildningsdegradering som den direkte plotting av vinkelmålin-gene innebærer når teknikken ifølge dette patentskrift benyttes og hvis systems lokaliseringspresisjon er kjent å degrade-res hurtig med økende avstand på grunn av at kravet til signal/støy-forhold er meget høyt.

For å oppnå dette er det i samsvar med oppfinnelsen skaffet til veie en fremgangsmåte for å tilveiebringe en høyoppløsnings syntetisert aperturradaravbildning av et mål i form av et skip som påvirkes av sjøens bevegelser og hvor avbildningen tilveiebringes uten direkte innplotting av koordinatene av reflekterende spredeflater i og utenfor bestemte målområder på skipet, ut fra prosessering av utsendte signaler etter at disse er reflektert fra skipets spredeflater, og fremgangsmåten er kjennetegnet ved:

(a) utledning av estimatverdier for i) avstanden til

de enkelte spredeflater, ii) spredeflåtenes hastighet ut fra polynomkurvetilpasning ,av interpolerte og utskilte frekvensmålinger basert på dopplerprinsippet og over et forhåndsbestemt avsøkingstidsintervall, iii) spredeflåtenes akselerasjon ut fra de tidsderiverte av polynomkurvetilpasningen av frekvensmålingene, og iiii) skipets vinkelhastigheter, vinkelhastighetsforhold og vinkelakselerasjoner, (b) bestemmelse av koordinatene for sentrum i spredefla-tene ut fra de utledede estimatverdier for spredeflåtenes bevegelsesparametre, hvorved det tilveiebringes en høyoppløs-ningsavbildning av det mål med bestemte målområder som skipet utgjør, og (c) visning av avbildningen sammen med en projeksjon av avstand/asimut, elevasjon/asimut og avstand/elevasjon til/for målet.

Dessuten omfatter oppfinnelsen luftbåret syntetisk aperturradarapparatur for å tilveiebringe en høyoppløsnings syntetisert aperturradaravbildning av et mål i form av et skip som påvirkes av sjøens bevegelser og uten direkte innplotting av koordinatene av reflekterende spredeflater i og utenfor bestemte målområder på skipet, ved hjelp av prosesseringsorganer for prosessering av signaler som etter å være utsendt mot målet mottas av en antenne fra skipets spredeflater. Denne apparatur eller dette SAR-system er kjennetegnet ved at prosesseringsorganene er innrettet for utledning av estimatverdier for

i) avstanden til de enkelte spredeflater, ii) spredeflåtenes hastighet ut fra polynomkurvetilpasning av . interpolerte og utskilte frekvensmålinger basert på dopplerprinsippet og over et forhåndsbestemt avsøkingstidsintervall, iii) spredeflåtenes akselerasjon ut fra de tidsderiverte av polynomkurvetilpasningen av frekvensmålingene, og iiii) skipets vinkelhastigheter, vinkelhastighetsforhold og vinkelakselerasjoner, (b) organer for bestemmelse av koordinatene for sentrum i spredeflåtene ut fra de utledede estimatverdier for spredeflåtenes bevegelsesparametre, hvorved det tilveiebringes en høyoppløsningsavbildning av det mål med bestemte målområder som skipet utgjør, og (c) organer for visning av avbildningen sammen med en projeksjon av avstand/asimut, elevasjon/asimut og avstand/ elevasjon til/for målet.

I samsvar med den foreliggende oppfinnelse er det således oppnådd en vesentlig økning av det anvendelige avstandsomfang for frembringelse av tre skalariktige høyoppløs-nings ortogonalprojeksjoner på en skjerm, av et skip i bevegelse og som dreiemessig påvirkes av sjøens bevegelser, ved å benytte koherent SAR-teknikk. Med dette oppnås gjenkjenning eller klassifisering av skip som eventuelt kan betraktes som et mål for beskytning fra en luftbåret plattform som befinner seg i stor avstand. Dette er oppnådd ved at avbildningsko-ordinater kan bestemmes på grunnlag av avstand, doppler-forskyvning som skyldes bevegelse, og dopplerakselerasjons-målinger fra enkeltvis reflekterende spredeflater, og fra skipets vinkelhastigheter ut fra en veid regresjonsanalyse med flere variable anvendt på dopplerprosessert interferometrisk vinkelmåling for asimut og elevasjon for samtlige spredeflater av betydning på skipet. På denne måte unngås den degradering av avbildningen som direkte plotting av vinkel-måleresultatene lider av, og hvis lokaliseringspresisjon er kjent å avta raskt med økende avstand på grunn av det strenge krav til signal/støy-forholdet.

Fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse

for generering av tre ortogonale høyoppløsnings SAR-bilder omfatter anvendelse av måleresultater for avstanden, hastig-heten og akselerasjonen av de reflekterende spredeflater på skipet og estimering av skipets vinkelhastigheter og vinkelakselerasjoner for ut fra disse å kunne bestemme koordinatene for spredeflåtene. Disses avstand, hastighet og akselerasjon bestemmes ved tilpasning av en polynomkurve for de kvantifi-serte spredeflateavstander og dopplerfrekvensmålinger i løpet av en fastlagt avsøkingstidsperiode. Deretter bestemmes kurve-utglattede estimater av skipets vinkelhastigheter og vinkelakselerasjoner på tilsvarende måte ved tilpasning av en polynomkurve over en gitt avsøkingsperiode for de estimater som fremkom fra regresjonsanalysen.

Nærmere enkelheter ved foreliggende oppfinnelse vil nå bli beskrevet i detalj med henvisning til de ledsag-ende tegninger, hvor fig. 1 viser de sanne ortogonale vinkelhastighetskomponenter i et romkoordinatsystem, fig. 2 viser et x,y-koordinatplan med skjæringen for en planar løsning av avhengigheten mellom vinkelhastighetskomponentene og doppler-frekvens, elevasjons- og asimutvinkel, fig. 3 viser det benyt-tede datautglattingsformat, fig. 4 viser et blokkdiagram over den elektroniske oppbygging av oppfinnelsens apparatur, og fig. 5 viser en simulert tredimensjonal avbildning av en oppdelt katodestrålerørsskjerm, av et skip som danner et mål og er avbildet i tre projeksjoner.

På fig. 1 representerer Wzz, Wyy og WL0S de sanne ortogonale vinkelhastighetskomponenter referert til et romkoordinatsystem som også siktelinjen (LOS) fra fasesentrum i en luftbåret antenne til sentrum for et skips vinkelbevegel-ses, såvel som vinkelbena for de målte asimut- og elevasjons-vinkler er referert til og inntegnet i. For hvert punkt P som representerer en liten reflekterende spredeflate som tilnærmet kan angis med romkoordinatene (x,y,z), kan dopplerfrekvensforskyvningen f finnes i forhold til de angitte relative vinkelhastigheter ut fra ligningen:

hvor X er de utsendte signalers bølgelengde.

Den observerte endring i frekvens som følge av dopplereffekten når den tilnærmet punktformede spredeflate beveges i løpet av et tidsintervall dt, er df og finnes av ligningen (1): hvor dWzz og dWyy er de differensielle vinkelhastigheter som tilsvarer henholdsvis Wzz og W^y, og hvor de differensielle koordinater dz og dy finnes av

Ved kombinasjon av ligningene (1), (2), (3) og (4) finnes koordinatene x^, y_. og z^ for den j-te reflekterende spredeflate fra:

R 3. er avstanden til den reflekterende j-te spredeflate i forhold til origo i koordinatsystemet, og V\ og Aj er henholdsvis hastighet og akselerasjon for denne spredeflate, fremkommet fra frekvens- og frekvensderivasjonsmålinger:

I samsvar med dette bestemmes posisjonene for de reflekterende spredeflater når vinkelhastighetene W Wzz og WL0S samt de tidsderiverte, vinkelakselerasjonene • •

W og W er bestemt.

zz 3 yy

Fra US-PS 4 546 355 med tittel "Range/Azimuth/ Elevation Ship Imaging For Ordnance Control" er vist at frekvens-forskyvningen f endres ifølge dopplerprinsippet når en reflekterende spredeflate forskyves i forhold til et koordinatsystem som angitt på fig. 1, ifølge ligningen:

hvor e v1 , xx er den hastig^hetsfeil som fortsatt forefinnes etter at bevegelseskompensasjon er utført for den relative forskyvning mellom skipet og det luftfartøy som foretar målingene, langs siktelinjen, AG og A t? er asimutvinkelen og elevasjonsvinkelen målt i positiv retning i forhold til y-aksens henholdsvis z-aksens retning, og hvor V'yy = W„R0, V'„ = WyyR0 og Rc er den skrå retning langs et innsiktet våpens løp til et fokalpunkt (skipets dreiesentrum).

Ligning (10) bygger på at vinkelhastighetskomponentene W og Wzz (såvel som den resterende feil evixx etter bevegelseskompensasjonen, som benyttes ved løsning av ligningene (6) og (7) for y- og z-koordinatene for spredeflåtene, kan utledes fra det overbestemte sett målinger av frekvensforskyvning, asimut- og elevasjonsvinkel. Ligning (10) kan ordnes for å uttrykke

Man skal merke seg at frekvensforskyvning,asimut-og elevasjonsvinkel bestemmes ut fra en etterfølgende signalprosessering som benytter Fouriertransformasjon og bygger på en standardisert anordning av en interferometrisk eller fase-koordinert monopulsantenne. For en interferometrisk beregning gjelder f.eks.:

hvor da og de er den interferometriske basislinjeavstand for henholdsvis asimut og elevasjon, mens (j)a og <|>e angir en faseforskyvning knyttet til målingene av asimut hhv. elevasjon.

Ligning (11) har formen

hvor c, b og a er direkte knyttet til de søkte størrelser

( e , , V , V ), og denne ligning løses ved multivariant v j^j^ y y £t £*

regresjonsanalyse for minstekvadrats tilpasning til det overbestemte målesett for frekvensforskyvning, asimut- og elevasjonsvinkel. Når dette utføres må det tas hensyn til det faktum at asimut- og elevasjonsvinkelen fremkommer som variable beheftet med støy, og hvis ikke dette tas hensyn til vil store systematiske feil kunne oppstå ved estimeringen av de endelige parametre. Dessuten er det slik at selv om frekvensen uttrykkes som en kvantifisert størrelse ville ikke løsningen av regresjonsanalysen vesentlig endres hvis man an-tar feilfri frekvensmålinger. Fig. 2 viser skjæringen mellom den planare løsning av ligning (14) i x,y-koordinat-planet for en antatt frekvensverdi (z) og et målepunkt P

med koordinater (x,y,z). For at den planare eller lineære løsning y = cz + bx + a skal representere en minstekvadrats minimalisering av summene av de veide restkvadrater beregnet for samtlige datapunkter på løsningsoverflaten, må en retning ^ velges i samsvar med denne minimalisering. Fra fig. 2

kan en avstand h fra målepunktet P (x, y, z) finnes til dettes projiserte punkt Q i x,y-koordinatplanet og på løsningskurven, og denne avstand kan uttrykkes ved formelen

Summen av de veide (rest-)kvadrater, F (a, b, c) som skyldes både asimut- og elevasjonsvinkelfeilen ved målin-gen, kan uttrykkes ved: hvor restvektfaktorene for asimut- og elevasjonsvinkelen henholdsvis inngår som uttrykkene 1/ ( j 2 az og 1/( j 2^, idet nevnerne i disse uttrykk er de respektive varianser som er knyttet til målefeilene. For å kunne redusere summen av de veide kvadrater må samtlige partielle deriverte settes lik null:

Ved denne partiellderivering oppnås følgende ligningsresultat: hvor w er en vektfaktor som er proporsjonal med effekten i det spredt reflekterte signal, og hvor

(Kun de ledd som har lineær avhengighet av a, b, og c er beholdt i ligning (18), uten at dette reduserer lig-ningens generelle anvendelighet.)

Vinkelen V* bestemmes likeledes slik at de veide kvadrater reduseres, idet det da kreves at den partiell-deriverte av F med hensyn på V er null. Ved utførelse av denne partielle derivasjon: SF/ d<// =0,

oppnås

Løsningen av dette ligningssett (17) , (18) og (19) er:

idet Kir y± og zt henholdsvis er asimut- og elevasj onsvinkel og frekvenskoordinatene for det i-te målepunkt, og w£ er en vektfaktor som er proporsjonal med signaleffekten.

Tilsvarende fås fra ligning (11) og (14).

Man skal merke seg at forholdet mellom asimut- og elevasjons-variansene inngår i ligning (21):

og dette forhold er en presist bestembar størrelse som uteluk-kende er basert på forholdet innenfor selve apparaturen. Ligning (20) og (21) angir videre at før løsningene for

å, B og c kan finnes ved regresjonsanalyse ut fra ligningene (22) - (24) , må det dannes et estimat for den variable b i ligning (21) . Dette utføres best ved å variere V iterativt tilstrekkelig lenge rundt dens grovt anslåtte begynnelses-verdi, idet man ved hver iterasjon får et sett verdier å,

B og c fra ligningene (22) - (24) , og hvor det for hver iterasjon likeledes beregnes kvadratsummen av restverdiene fra ligningene (15) og (16). Deretter velges den regresjonsløs-ning som gir den minimale kvadratsum for restverdiene. Etter at v'zz, V"yy og cv,xx fra ligningene (26) - (28) og Wzz og W i ligningene (6) og (7) for henholdsvis de reflekterende spredeflåters y- og z-koordinater er bestemt, finnes V'yy/R0 og VZ ' Z /R O . e v , XX er da hastighetsfeilen langs siktelinjen,

og denne verdi skal benyttes for hastighetskorreksjon for bevegelseskompensasjon. De estimerte vinkelhastigheter v'yV og VZ ' Zbenyttes også prediktivt for å fastlegge doppler-filterbåndbredder og frekvensavstand for filtreringen såvel som den koherente integrasjonstid for dannelse av den neste ønskede apertur eller stråleåpning med foreskrevet oppløsning.

(Se på ny US-PS 4 546 355).

For å utvide avbildningsevnen for et slikt SAR-system til å gjelde så lange avstander som mulig, gjøres nytte av datautglatting av de fremkomne parametre Wyy og W„. Dette utføres ved hjelp av polynomkurvetilpasning ifølge minstekvadratprinsippet over de sist fremkomne data for og Wzz over en periode på de siste seks sekunder, hvor polynomet har formen:

hvor t betyr tiden og aQ, a^, a2 og a^ er utledet fra den minstekvadrats regresjonstilpasning. Siden kurvetilpasnin-gens nøyaktighet vanligvis er bedre nær sentrum av det vindu som velges for utglattingen, sett i forhold til nøyaktigheten ved det valgte intervalls ender, benyttes ligningene (5)-(7) for tilpasning til data for en lagret apertur som samsvarer tilnærmelsesvis med sentrum av det i dette tilfelle seks sekunder lange utglattingsvindu. Etter hvert som tiden og de koherente syntetiserte aperturer skrider frem, følger den fiktive eller simulerte apertur tilsvarende utvikling. De tidsderiverte W og W som benyttes i lig-yy zz 3 ningene (6) og (7) oppnås ut fra tidsderivasjon av ligning (29) :

og denne tidsderivasjon utføres ved tidspunktet når den fast-lagte apertur tidsmessig befinner seg ved sentrum av utglat-tingsvinduet.

Ligningene (5) - (7) krever presise estimater for avstand, Rj, frekvensforskyvning f^ og dennes deriverte f^

(se også ligningene (8) og (9))" for samtlige reflekterende spredeflater som skal avbildes. Filterutgangene fra hver avstandsgruppe undergår deretter et nøyaktig frekvensmåle-program hvor forholdet mellom amplitudene fra to tilstøtende filtere med sin bestemte respons føres til en forhåndsbestemt koordineringsliste for relativ amplitude med hensyn til frekvens, og fra denne liste kan oppnås en nøyaktig frekvens-interpolasjon. Amplitudene og frekvensene for samtlige slike responser og for samtlige avstandsgrupper lagres så for et bestemt antall aperturer (f.eks. som tilsvarer 2-3 sekunder

datastrøm) sentrert rundt et bestemt tidspunkt som da er det aktuelle avbildningstidspunkt. For å sikre at målingene er éntydige og presise forkastes responser som ligger nærmere

hverandre enn ca. 2 dopplerfilterbredder ved hjelp av pas-

: sende logikk.

Ved dette punkt sammenlignes med de lagrede aper-turdata for å kunne skille ut de foregående målinger av éntydig bestemte refleksjonsresponser over det aktuelle om-fang slik at det kan tilpasses en kurve for hver apertur. i Dette utføres ved sammenligning av tilstøtende responser

for samtlige tilliggende aperturer over det aktuelle inter-vall og med hvert slikt par underlagt forhåndsbestemte aksept-grenser med hensyn til avstand, frekvens og amplitude. De

fremkomne aksepterte punktgrupper ligger på en tredjegrads

i polynomkurve som er tilpasset for å bestemme frekvensen ved omfangets sentrum, og vinkelakselerasjon bestemmes ut fra den tidsderiverte av det endelige polynom ved samme tids-messige sentralpunkt. Kvantifisert avstand for hver av sprede-flatenes refleksjoner tatt ved samme sentrale tidspunkt

' finnes så for å gi den tilstrekkelige nøyaktighet.

Fig. 3 viser det format som benyttes for data-utglattingen som er beskrevet ovenfor.

For å komme frem til størrelsen WT_e for benyttelse i ligningene (6) og (7), ordnes ligning (3) som følger:

Med henvisning til fig. 1 kan wLQg <b>estemmes ved evaluering av ligning (31) for en rekke av de spredte refleksjoner som fremkommer klarere fra det mål som skipet representerer, idet x er avstanden i forhold til skipets koordi-natorigo til en reflekterende spredeflate, y er den skrå direkteavstand Rq ganger asimutvinkelen, og dz er den skrå avstand Rq ganger den negative tidsderiverte av den reflekterende flates elevasjonsvinkel. Asimut- og elevasjons-målingene lagres og utglattes over 3 sekunder omkring det tidspunkt som er valgt for avbildning for den bestemte apertur, idet det benyttes et andregrads polynom for minstekvadrats kurvetilpasning: og hvor elevasjonsvinkelens tidsderiverte oppnås fra:

Blokkdiagrammet for en foretrukket praktisk ut-førelse av SAR-systemet ifølge foreliggende oppfinnelse er vist på fig. 4. Selve utrustningen og systembeskrivelsen er identisk med det som er beskrevet i US-PS 4 546 355 så langt som til den koordinerende datamaskin (27) som er vist på dette patentskrifts fig. 7. Systembeskrivelsen opp til dette punkt vil her gjentas, da dette synes hensiktsmessig: Som vist på fig. 4 genereres pulser med elektromagnetisk energi i en koherent sender 11 ut fra referansesignaler som fremkommer fra en styresender/frekvenssyntetisator 12, og disse elektromagnetiske pulser sendes ut fra en senderantenne 9 for optimal bestråling av et mål i form av et skip "i forflytning på havets eller en sjøs overflate. Signaler som reflek-teres fra skipet mottas av en interferometerantenne 10 som består av fire separate mottakerantenneelementer hvis felles sikteretning samsvarer med sikteretningen for senderantennen 9. Signalene omkobles eller svitsjes i takt med systemets pulsrepetisjonsfrekvens som bestemmes i en datamaskin 17 for universell anvendelse, og de omkoblede signaler føres til en omkoblingsenhet 8 for asimut/elevasjonsinformasjon fra antennegruppen for kombinasjon av de signaler som mottas.fra hver av de fire antenneelementer eller -aperturer slik at det dannes stokkede asimut- og elevasjonssignalpar i to mot-takerkanaler (angitt med blokkene 13 og 14 med benevnelse "mottaker") for etterfølgende interferometrisk vinkelproses-sering.

I samsvar med dette adderes signalene fra antenne-apertur 1 og 2 koherent i løpet av pulsrepetisjonsintervaller med ulike nummerering i et hybrid mikrobølgesummasjons-nettverk som befinner seg i omkoblingsenheten 8, sammen med signalene fra antenneaperturene 3 og 4, hvoretter disse to signalsummer separat føres til mottakerne 13 hhv. 14 for å representere et påtrykk fra to separate syntetiserte rekker for interferometrisk fasesammenligning av elevasjonsverdier. Tilsvarende føres ved like pulsrepetisjonsintervaller signaler fra antenneaperturene 1 og 4 sammen med signaler fra aperturene 2 og 3 etter enkeltvis summasjon til mottakerne 13 og 14, og disse signaler representerer et påtrykk fra to separate syntetiserte rekker for interferometrisk fasesammenligning av asimutverdier.

Referansesignaler fra styresenderen/frekvens-syntetisatoren 12 i koherens med det utsendte signal føres til mottakerne 13 hhv. 14 for demodulasjon av de skiftevis presenterte asimut- og elevasjonsinterferometersummer til signalkomponenter som ligger frekvensforskjøvet i kvadratur og føres ut på henholdsvis en linje I og en linje Q, idet disse signaler representerer de reelle henholdsvis imaginære komponenter av mottakernes momentane analoge signalvektorer. Disse analoge signalkomponenter digitaliseres i analog/ digital-omvandlere 15 hhv. 16 ved en samplingsrate som bestemmes av kravene til oppløsning i avstand for SAR-systemet. De så fremkomne digitaliserte samplingsverdier skilles ut alternerende i samsvar med.et mottatt pulstog og lagres i et masselager 19 for etterfølgende prosessering i fire avstands/ f rekvensskiftmatriser hvorav to benyttes for bestemmelse av elevasjonsvinkel ved å gå fra lagercelle til lagercelle, og hvor de resterende to benyttes for asimutbestem-melse. Samtidig med dette utføres bevegelseskompensasjon som tar hensyn til translatorisk forskyvning av antennens fasesentra og dreiebevegelser av denne, såvel som for skipets translatoriske bevegelse. Data for denne korreksjon beregnes og lagres i en bevegelseskompensasjonsenhet 20 i krono-logisk rekkefølge på grunnlag av beregninger som er utført i datamaskinen 17 av de bidireksjonale siktlinjeforskyvnings-endringer mellom antennens fasesentra og den gjennomsnitt-lige forflytning av skipets tyngdepunkt, forhåndsberegnet ut fra regresjonsanalysen som ble utført for siktlinjens hastighetsfeil e , fra beregningene i en koordinerende datamaskin 27.

Ved slutten av det koherente integrasjonsintervall for hvilket data er innsamlet, tilføres de korreksjonsdata som er lagret i bevegelseskompenseringsenheten 20 til de data som representerer tidsforløpene og som er lagret i masselageret 19 i form av vektordreininger som angir den bidireksjonale bevegelseskompensasjons fasekorrigering for hver avstandssampling for hver av pulsene av de fire sekven-ser som er lagret i masselageret 19. Etter bevegelseskompen-seringen utleses data fra masselageret 19 (når nye data inn-leses) for digital signalprosessering i form av Fouriertransformasjon for å tilveiebringe den nødvendige filtrering for å gi ønsket oppløsning langs den retning som er følsom for frekvensforskyvning ifølge dopplerprinsippet og i hver avstandsgruppe i samsvar med ligningene (27) og (26), hvorved løsninger for V og Vzz gis fra den koordinerende datamaskin 27. Filtrering utføres i prosessorer 21-24 som utfører FFT (rask Fouriertransformasjon) for å gi koherent integrerte vektorsummer i samsvar med dopplerfrekvensforskyvningen i hvert av filtrene for hver avstandsgruppe.

Den prosesserte utgang fra prosessorene 21 - 24 fremkommer da som representative for vektorer for avstand og dopplerfrekvensforskyvning, samt for den effektive signal-effekt i de øvre antenneaperturer 1 og 2, de nedre aperturer 3 og 4, de venstre aperturer 1 og 4 og de høyre aperturer 2 og 3 under disse aperturkombinasjoners respektive samplingsinter-valler. Vektorene fra FFT-prosessorene 21 og 22 og som således er oppløst i avstands- og dopplerfrekvensforskyvnings-komponenter, føres til en kartgenerator 25 for avstand/ elevasjon hvor det utføres en fasesammenligning mellom sam-svarende avstand/dopplerforskyvningscellers utgang fra lagercelle til lagercelle for hver av de celler som danner den minste oppløsningsenhet, slik at den interferometrisk bestemte elevasjonsvinkel for signalet som mottas i hver slik oppløsningscelle fremkommer i samsvar med kjente interferometriske prinsipper, og dette angis i ligning (13):

hvor At] er elevasjonsvinkelen i forhold til antennens siktelinje, de er den interferometriske elevasjonsbasis-linjeavstand og <J>e er den målte elektriske faseforskyvning mellom de enkelte antenneelementer eller -aperturer. Samtidig

og på samme måte føres utgangene fra prosessorene 23 og 24 til en kartgenerator 26 for avstand/asimut og som tilveiebringer den interferometriske romlige asimutvinkel 46 som er knyttet til hver oppløsningscelle for avstand/dopplerfrekvensforskyvning i samsvar med ligning (12):

hvor da og (j)a henholdsvis er den interferometriske asimut-basislinjeavstand og den målte elektriske faseforskyvning knyttet til hver oppløsningscelle.

Koordinatene for avstand/dopplerfrekvensforskyvning/elevasjonsvinkel fra kartgeneratoren 25 og koordinatene for avstand/dopplerfrekvensforskyvning/asimutvinkel fra kartgeneratoren 26 (for hver oppløsningscelle for avstand/ frekvensforskyvning) leses så inn i den koordinerende datamaskin 27 hvor det utføres en veid multivariant regresjonsanalyse med dopplerfrekvensforskyvning, elevasjons- og asimutvinkel som variable for beregning av regresjonskonstan-ter a, b og c i samsvar med ligningene (22)- (25). Fra disse ligninger fremkommer hastighetsfaktorer evixxi' VyV og V<1> z zsom angitt ved ligningene (26)- (28), og denne beregning utføres likeledes i datamaskinen 27. Vekt faktoren w^ som knyttes til hver koordinat x^, y^ og z. som inngår i regre-sjonsberegningene, leses inn i den koordinerende datamaskin 27 fra hver av FFT-prosessorene 21-24 til hver av kartgene-ratorene 25 eller' 26.

Regresjonsløsningen for <e>vixx fra datamaskinen 27 benyttes som korreksjon med - e , til estimatet for siktlinjehastighet. Korrigert siktlinjehastighet .føres så til bevegelseskoirrpenseringsenheten 20 som sammenholder be-vegelseskompenserr-.nde fasekorreksjoner med de data som er lagret i masselageret 19 for fokusering av den endelige avbildning og for å bevege den resterende dopplerfrekvensforskyvning for siktretningen, antatt rettet mot skipets dreiesentrum, mot null slik at det unngås eventuelt tve-tydig dopplerinformasjon (tilsvarende overbretting eller tilbakefolding av et fjernsynsbilde), hvilket ellers ville gi forstyrrelse av koordinatdata for de målte parametre til-ført den koordinerende datamaskin 2 7 for regresjonsanalyse. De gjenstående to hastighetsestimater, V'yy og V benyttes

i datamaskinen 17 til beregning av dopplerbåndbredden og integrasjonstiden for dannelse av den neste syntetiserte apertur slik at det oppnås en gitt oppløsning for dres langs den retning som er følsom for dopplerfrekvensforskyvning.

Nyheten av den foreliggende oppfinnelse fremgår fra og med dette punkt og kan illustreres som følger: Ved fullførelsen av syntetiseringen av hver apertur, kvantifisert frekvens og avstand, såvel som den infero-metrisk bestemte elevasjons- og asimutvinkel som genereres i åvstands/elevasjons- "hhv. " avstands/asimut<kartgene-ratorene 25 og 26, lagres de oppnådde data i den koordinerende datamaskin 27. For å kunne utføre en regresjonsanalyse som foreskrevet av ligningene (22) - (26), er det nødvendig å utføre et estimat for vinkelen p i samsvar med ligning (21) ut fra ligning (20) for den variable r, og dette er nødvendig for å kunne løse ligningene (22) - (25). Siden V*

avhenger av et estimat for utgangsstørrelsen b, definert ved

-V' yy /V zz og 3 som er deriverbar ut fra en utgrlattet videre-føring av de oppnådde data, har denne avhengighet mellom inn-gangen og utgangen potensiell mulighet for å tilveiebringe ustabilitet eller divergens tilknyttet regresjonsløsningens resterende feil over en ganske kort tidsperiode. Dette mulige problem unngås ved å iterere ' P i tilstrekkelig grad til at b-verdiene blir liggende like over de verdier som data for den foreliggende apertur tilsier, idet det for hver slik utføres en regresjonsanalyse som innebærer beregning av summen av de veide restverdier ved hjelp av ligningene (15) og (16), og deretter utvalg av den regresjonsløsning hvor summen av de veide restverdier fra ligning (16) har et minimum. Ved dette sikres at den tilsvarende verdi av ^ var den riktige og optimale ifølge valget og at verdien likeledes heller ikke var beheftet med noen avhengighet av tidligere genererte data. Vinkelhastighetene W og ^ zz som er oppnådd på denne måte lagres likeledes i den koordinerende datamaskin 27 på samme måte som vektfaktorene for de enkelte antenneaperturer, avstandene, frekvensen og asimut- og

elevasjonsvinklene for samtlige reflekterende spredeflater over en forhåndsbestemt signalterskel. Etter en fastlagt periode med slik datainnsamling (dvs. 6 sekunder i det foreliggende tilfelle) utføres en tredjeordens veid minstekvadrats polynomkurvetilpasning som angitt ved ligning (29) på

de lagrede data for vinkelhastighetene W og W i den koordinerende datamaskin 27. Responsfrekvenser bestemmes ved benyttelse av en interpolasjonsrutine som også utføres i denne datamaskin 27 og som etterfølges av utsortering av de reflekterende spredeflater og en nøyaktig frekvensbestemmelse hvor det også benyttes tredjegrads polynomtilpasning tilsvarende det som er angitt i ligning (29). Akselerasjonsver-dier for de reflekterende spredeflater avledes ved differensi-ering av frekvenspolynomet i den koordinerende datamaskin 27. Utskilte data for asimut- og elevasjonsvinkelen kurvetilpas-ses på en tilsvarende måte i denne datamaskin 27 i samsvar med ligning (32), og dette utføres også for den tidsderiverte av elevasjonsvinkelen som angitt ved ligning (33) for et antall av de klareste eller mest signifikante reflekterende spredeflater (dvs. ti stykker i det foreliggende tilfelle) . Ligning (31) benyttes i datamaskinen 27 for hver av disse ti spredeflater og ut fra dette fremkommer en gjennom-snittlig WTrNC,. De tidsderiverte W og W beregnes ut fra

^ LOS yy ^ zz

ligning (30) , og endelig finnes koordinatene for de aktuelle reflekterende spredeflater (x^ , y^ og z^) som angitt ved ligningene (5) - (9). Spredeflatenkoordinatene overføres fra den koordinerende datamaskin 27 til en avsøkingsomvandler 28 for fremvisning på en fremvisningsskjerm 29 som er oppdelt i fire skjermkvadranter. Disse kvadranter angir henholdsvis avstand/asimut, asimut/elevasjon og avstand/elevasjon i et koordinatsystem som tilsvarer tre ortogonale avbildningsprojeksjoner av det mål som skipet danner. En illustrasjon av et slikt projisert bilde i form av delbilder ut fra data-maskinsimuleringen er vist på fig. 5.

Som beskrevet i US-PS 4 546 355 må skipets translatoriske bevegelse spores slik at antennens innstilling eller sikteretning og dens første avstandsomfang (range swath start) .står i et bestemt konstant forhold til skipet. Interferometrisk bestemte asimutvinkeldata fra hver av de anvendelige oppløsningsceller fra skipet midles fra apertur til apertur. Løsningen for den relative avstandsendring mellom luftfartøyet som fører radaren og skipet fastlegges slik at den triggermekanisme som starter avstandsomfanget avan-seres eller forsinkes i samsvar med både skipets og luft-fartøyets bevegelse slik at det blir samsvar mellom disse for hvert inkrement for avstanden til skipet fra en puls til den neste. Korreksjoner for avstands- og asimutendringene tilføres av SAR-systemets datamaskin 17 slik at antennens sikteretning kan styres både i asimut og elevasjon i samsvar med både skipets og luftfartøyets translatoriske bevegelser. Øvrige oppgaver innen SAR-systemet, såsom datatransmisjon, start av sub-rutinesekvenser etc. utføres ved hjelp av en radardataprosessor 30.

Med utgangspunkt i den datamaskinsimulering som

nå er omtalt og hvor den teknikk som ble lansert i US-PS

4 546 355 og de to tilsvarende patentskrifter, referert i denne beskrivelses innledning, har blitt sammenlignet med den teknikk som den foreliggende oppfinnelse angir, har man funnet at tilnærmet 50% økning i rekkevidde for sammenlignbare avbildninger av skip ble oppnådd med foreliggende oppfinnelse i forhold til den tidligere kjente teknikk. Man skal merke seg at den optimale tidsvarighet .for datalagring under polynomtilpasningen for å oppnå de essensielle bevegelsesparametre bør tilpasses den aktuelle periodisitet for et skips vinkelbevegelser. De størrelser som er medtatt i denne beskrivelse vil derfor kun være representative som et eksempel for passende estimerte verdier for et fartøy av kryssertypen.

Det er likeledes åpenbart at forskjellige end-ringer og modifikasjoner vil kunne tenkes uten å fravike rammen av foreliggende oppfinnelse, idet denne fastlegges av de etterfølgende krav.

Claims (9)

1. Fremgangsmåte for å tilveiebringe en høyoppløsnings syntetisert aperturradaravbildning av et mål i form av et skip som påvirkes av sjøens bevegelser og hvor avbildningen tilveiebringes uten direkte innplotting av koordinatene av reflekterende spredeflater i og utenfor bestemte målområder på skipet, ut fra prosessering av utsendte signaler etter at disse er reflektert fra skipets spredeflater, KARAKTERISERT VED: (a) utledning av estimatverdier for i) avstanden til de enkelte spredeflater, ii) spredeflåtenes hastighet ut fra polynomkurvetilpasning ; av interpolerte og utskilte frekvensmålinger basert på dopplerprinsippet og over et forhåndsbestemt avsøkingstidsintervall, iii) spredeflåtenes akselerasjon ut fra de tidsderiverte av polynomkurvetilpasningen av frekvensmålingene, og iiii) skipets vinkelhastigheter, vinkelhastighetsforhold og vinkelakselerasjoner, (b) bestemmelse av koordinatene for sentrum i spredefla-tene ut fra de utledede estimatverdier for spredeflåtenes bevegelsesparametre, hvorved det tilveiebringes en høyoppløs-ningsavbildning av det mål med bestemte målområder som skipet utgjør, og (c) visning av avbildningen sammen med en projeksjon av avstand/asimut, elevasjon/asimut og avstand/elevasjon til/for målet.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at utledningen av estimatverdier omfatter: (a) utførelse av en veid regresjonstilpasning med flere variable for de prosesserte dopplerfrekvensforskyvnings-, asimut- og elevasjonsvinkelmålinger for å oppnå vinkelhastigheter for skipet om akser som står vinkelrett på siktelinjen mot skipet ved å bruke en iterativ prosess for å bringe de resterende feil til et minimum, og (b) bestemmelse av skipets vinkelhastighet om en akse parallell med siktelinjen mot skipet ved å bruke utvalgte asimut- og elevasjonsvinkelmålinger sammen med elevasjons-vinkelforhold bestemt for en rekke fremtredende refleksjoner fra spredeflater og de estimerte vinkelhastigheter om akser vinkelrett på siktelinjen mot skipet.

3. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at utledningen av estimatverdier omfatter bestemmelse av vinkelhastighetsforhold og vinkelakselerasjoner om en akse normalt på siktelinjen mot skipet ved hjelp av de tidsderiverte av funksjonen for en polynomtilpasningskurve for lagrede estimatverdier av de vinkelhastigheter som ble utledet ved den veide regresjonstilpasning.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED bestemmelse av dopplerfrekvensforskyvnings-, asimut- og elevasjonsvinkelmålingene ut fra en signalprosessering i form av Fouriertransformasjon og ved anvendelse av et vinkelmålesystem koblet til en antennesammenstilling.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, KARAKTERISERT VED at vinkelmålesystemet inngår i et interferometer-antennesystem.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, KARAKTERISERT VED at vinkelmålesystemet inngår i et fasemonopulsantennesystem.

7. Luftbåret aperturradarapparatur for å tilveiebringe en høyoppløsnings syntetisert aperturradaravbildning av et mål i form av et skip som påvirkes av sjøens bevegelser og uten direkte innplotting av koordinatene av reflekterende spredeflater i og utenfor bestemte målområder på skipet, ved hjelp av prosesseringsorganer for prosessering av signaler som etter å være utsendt mot målet mottas av en antenne fra skipets spredeflater, KARAKTERISERT VED at prosesseringsorganene er innrettet for utledning av estimatverdier for i) avstanden til de enkelte spredeflater, ii) spredeflåtenes hastighet ut fra polynomkurvetilpasning av . interpolerte og utskilte frekvensmålinger basert på dopplerprinsippet og over et forhåndsbestemt avsøkingstidsintervall, iii) spredeflåtenes akselerasjon ut fra de tidsderiverte av polynomkurvetilpasningen av frekvensmålingene, og iiii) skipets vinkelhastigheter, vinkelhastighetsforhold og vinkelakselerasjoner, (b) organer for bestemmelse av koordinatene for sentrum i spredeflåtene ut fra de utledede estimatverdier for spredeflåtenes bevegelsesparametre, hvorved det tilveiebringes en høyoppløsningsavbildning av det mål med bestemte målområder som skipet utgjør, og (c) organer for visning av avbildningen sammen med en projeksjon av avstand/asimut, elevasjon/asimut og avstand/ elevasjon til/for målet.

8. Apparatur ifølge krav 7, KARAKTERISERT VED at prosesseringsorganene omfatter kretser for å bestemme vinkel-hastighetsf orhold og vinkelakselerasjoner om en akse normalt på siktelinjen mot skipet ved hjelp av de tidsderiverte av funksjonen for en polynomtilpasningskurve for lagrede estimatverdier av de vinkelhastigheter som ble utledet ved den veide regresjonstilpasning med flere variable for de prosesserte dopplerfrekvensforskyvnings-, asimut- og elevasjonsvinkelmålinger.

9. Apparatur ifølge ett av kravene 7 eller 8, KARAKTERISERT VED et vinkelmålesystem koblet til en antennesammenstilling som omfatter en flerseksjons interferometrisk antenne (10) tilkoblet en tokanals mottaker (13, 14) og et prosesseringssystem for frekvensforskyvning ifølge dopplerprinsippet.