Multichannel Staggered SAR for High-Resolution Wide-Swath Imaging

Im Kontext raumgestützter Radarsysteme mit synthetischer Apertur, werden kurze Aufnahmezyklen bei gleichzeitig hoher Auflösung benötigt, um zahlreiche Anwendungen bedienen zu können. Da konventionelle SAR-Systeme diese anspruchsvollen Anforderungen nicht erfüllen, sind neue Aufnahmemodi und -techniken erforderlich, um den immer weiter steigenden Missionsanforderungen gerecht zu werden. Mehrkanal-SAR-Systeme mit digitaler Strahlformung in Azimut sind eine Option, den neuen Anforderungen gerecht zu werden und eine hochaufgelöste Erdbeobachtung über breite Streifen (High-Resolution Wide-Swath – HRWS) zu ermöglichen. ... mehrAllerdings benötigen diese Systeme eine sehr lange Antenne, um einen breiten Streifen abzubilden. Alternativ wurde daher die Nutzung digitaler Strahlformungstechniken in Elevation in Kombination mit einer zyklisch variierenden Pulswiederholzeit (Staggered SAR) vorgeschlagen. Hierbei ist allerdings die erzielbare Azimutauflösung durch die Antennenlänge beschränkt.
Der Fokus dieser Dissertation liegt auf der Entwicklung neuer SAR-Techniken und der zugehörigen Signalverarbeitungsverfahren, die die Vorteile der digitalen Strahlformung in Azimut mit den Vorteilen des Staggered SAR kombinieren. Hierdurch ergeben sich äußerst leistungsfähige SAR-Modi, mit denen erstmals sehr breite Streifen mit sehr hoher Azimutauflösung unter Nutzung kompakter Antennen abgebildet werden können. Die Dissertation beinhaltet sowohl neuartige Algorithmen für die Rekonstruktion von Mehrkanal-Staggered-SAR-Daten als auch Design-Beispiele für leistungsstarke HRWS-Satelliten-SAR-Systeme, die diese neue Technik nutzen. Zusätzlich werden die neuen Techniken anhand von experimentellen Daten eines bodengestützten Radars demonstriert und mögliche Fehlereinflüsse bei der Implementierung dieser neuen Klasse von raumgestützten Abbildungssystemen analysiert und diskutiert.

In the context of spaceborne Synthetic Aperture Radar (SAR) imaging systems, a short revisit time coupled with high resolution is a requirement for various scientific and environmental applications. From the perspective of system design, these requirements are contradicting and demanding.
Multichannel SAR systems with digital beamforming in azimuth are an option for coping with these challenging requirements and achieve high-resolution wide-swath (HRWS) imaging capabilities. These systems tend however to require a very long antenna to image wide swaths. As an alternative, the use of digital beamforming in elevation, in conjunction with a varying pulse repetition interval (PRI) for the SAR system radar pulses (Staggered SAR), has been proposed. ... mehrThe best azimuth resolution in this case is nevertheless limited by the antenna dimensions.
The thesis focuses on the development of new SAR techniques and corresponding processing methodologies which allow the combination of the advantages of the multichannel system architectures in azimuth with those of staggered SAR. This introduces new modes of operation, enabling HRWS imaging with a compact antenna. The work includes the proposal of novel algorithms for the resampling of multichannel staggered SAR data and examples of high-performance HRWS systems designed to make use of the technique. In addition, a proof-of-concept with experimental data from a ground-based radar system and a discussion of the possible effects of errors for the implementation of this new class of spaceborne imaging systems are presented.