Onboard Quantization for Interferometric and Multichannel Synthetic Aperture Radar (SAR) Systems

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der bordseitigen, internen Quantisierung der Daten von Radarinstrumenten mit synthetischer Apertur (SAR). Das bordseitig benötigte Datenvolumen von gegenwärtig geplanten und zukünftigen satellitengestützten SAR-Missionen nimmt immer mehr zu, da in modernen Systemen größere Bandbreiten und Mehrkanalverfahren zum Einsatz kommen, und außerdem die Abbildung größerer Streifenbreiten bei feinerer räumlicher Auflösung angestrebt wird. Dies impliziert höhere Anforderungen an Bordspeicher und Übertragungskapazitäten, deren begrenzte Ressourcen oft einen Engpass bei der Planung von SAR-Missionen darstellen. ... mehrIn diesem Zusammenhang ist eine geeignete Digitalisierung der vom SAR-Sensor erfassten Rohdaten von großer Bedeutung: die zur Speicherung der einzelnen Samples verwendete Anzahl von Bits beeinflusst zum einen die Qualität der resultierenden SAR-Produkte, definiert aber andererseits auch die Menge des gesamten Datenvolumens, das vom System erzeugt wird. In dieser Dissertation wurde der Einfluss der Quantisierung auf die SAR Leistung und die interferometrische (InSAR) Qualität untersucht. Dafür wurden experimentelle Daten der TanDEM-X Mission genutzt. Darüber hinaus wurde eine neuartige Quantisierungsmethode vorgestellt, die „qualitätsoptimierte blockadaptive Quantisierung“, die eine gemeinsame Optimierung der Datenrate und gleichzeitig der interferometrischen Qualität ermöglicht. Ferner wurde eine neuartige SAR-Datenkompressionstechnik entwickelt, die sogenannte „Azimuth-Switched Quantization“ (ASQ), die eine effiziente Umsetzung von nicht-ganzzahligen Quantisierungsraten, und dadurch eine höhere Flexibilität in Bezug auf erzielbare Leistung und Ressourcenallokation ermöglicht. Der zweite Teil der Dissertation konzentriert sich auf die Entwicklung von innovativen bordseitigen Datenreduktionsverfahren für zukünftige SAR-Systeme, mit Schwerpunkt auf mehrkanaligem SAR und staggered (gestaffeltem) SAR. Die erhebliche Überabtastung und Korrelationseigenschaften des Azimut-SAR-Rohdatenstroms wurden durch eine effiziente Kodierung und Quantisierung der SAR-Rohdaten genutzt, was eine deutliche Reduzierung des zu übertragenden Datenvolumens zum Boden auf Kosten einer geringfügigen Erhöhung des bordseitig benötigten Rechenkapazität ermöglicht.

This work focuses on onboard quantization for synthetic aperture radar (SAR) systems. For present and next-generation spaceborne SAR missions, an increasing volume of onboard data is going to be required, due to the employment of large bandwidths, multiple channels, and the imaging of large swath widths at fine spatial resolutions. This implies strong requirements in terms of onboard memory and downlink capacity, which are limited resources and often represent a bottleneck in the design of SAR missions. In this context, SAR raw data quantization represents an aspect of utmost importance for the design of spaceborne SAR missions, since the number of bits employed to digitize the recorded radar signal directly affects the performance of the SAR products and defines the total volume of data to be managed by the system. ... mehrIn this dissertation, the impact of quantization on SAR and interferometric (InSAR) performance has been investigated using experimental data acquired by the TanDEM-X mission, and a novel performance optimized block-adaptive quantization (PO-BAQ) has been introduced, which allows for a joint optimization of the data rate and of the interferometric performance. Furthermore, a new azimuth-switched quantization (ASQ) has been developed, which allows for the efficient implementation of non-integer quantization rates, hence granting higher flexibility of performance and resource allocation. In the second part of the thesis, the attention is then focused on the development of new methods for data volume reduction for future SAR systems, with particular focus on multichannel SAR and staggered SAR. The significant oversampling and correlation properties of the azimuth SAR raw signal has been exploited by applying a proper encoding and quantization to the SAR raw data, hence allowing for a considerable reduction of the data volume to be transmitted to the ground at the cost of a modest increase of onboard computational effort.