Multichannel SAR Range Ambiguity Suppression Method Based on Blind Source Separation

Zukünftige weltraumgestützte SAR-Systeme werden mehrkanalige SAR-Architekturen mit mehreren Empfangsstrahlen in Elevation verwenden, um mehrere Abbildungsstreifen zu erfassen. Dies ermöglicht gleichzeitig eine hohe Azimutauflösung und eine große Abbildungsstreifenbreite – Ziele, die mit heutigen modernen SAR-Systemen im Wesentlichen unerreichbar sind. Eine inhärente Herausforderung dieser Systeme ist jedoch das Auftreten von Entfernungsmehrdeutigkeiten, die eine wesentliche Quelle für die Verschlechterung der Bildqualität darstellen. Entfernungsmehrdeutigkeiten entstehen durch unerwünschte Radarechos, die von außerhalb des betrachteten Abbildungsstreifens stammen.
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Die derzeitigen Techniken zur Unterdrückung von Mehrdeutigkeiten in der Entfernung basieren stark auf der Kenntnis der Richtcharakteristik der Antenne. Die genaue Schätzung dieser Richtcharakteristik ist jedoch aufgrund von Faktoren wie digitalen Kanalfehlern, Unsicherheiten in der Kalibrierung der Richtcharakteristik, fehlerhafter Ausrichtung und Antennenverformungen herausfordernd. Infolgedessen nehmen die Entfernungsmehrdeutigkeiten erheblich zu, was sich negativ auf die Bildqualität auswirkt.

In dieser Doktorarbeit wird ein neuartiges Verfahren zur Unterdrückung von Entfernungsmehrdeutigkeiten vorgestellt, das unabhängig von der Kenntnis der Richtcharakteristik ist. Dadurch wird das Verfahren robust gegenüber Fehlerquellen, die typischerweise die durch die Entfernungsmehrdeutigkeiten verursachten Störungen verstärken. Das Verfahren wird am Boden implementiert, wobei die heruntergeladenen SAR-Daten als Eingabe dienen. Dadurch wird die zusätzliche Komplexität der Verarbeitung an Bord vermieden – ein häufiges Problem bei modernen Verfahren zur Unterdrückung von Entfernungsmehrdeutigkeiten.

Das Schlüsselkonzept, das in dieser Doktorarbeit untersucht wird, ist das Cocktailparty-Phänomen in mehrkanaligen SAR-Systemen mit mehreren Elevationsstrahlen. Folglich wird die blinde Quellentrennung (Blind Source Separation, BSS) als Technik eingesetzt, um dieses Cocktailparty-Problem im Mehrkanal-SAR zu lösen, wobei die Statistik der Eingabedaten genutzt wird. Ergänzt durch eine Optimierungsstrategie, unterdrückt die in dieser Arbeit vorgestellte Methode erfolgreich die Entfernungsmehrdeutigkeiten und überwindet so die Herausforderungen bei der Implementierung von BSS, die durch die statistischen Nachteile mehrdeutiger SAR-Daten entstehen. Die Arbeit stellt zudem eine Technik zur Behandlung homogener SAR-Signale vor, bei denen BSS tendenziell schlechtere Ergebnisse liefert.

Die in dieser Arbeit durchgeführten Simulationen beziehen sich auf zwei etablierte Arten von SAR-Systemen, die entweder planare Antennen oder Reflektorantennen verwenden und jeweils unterschiedliche Probleme mit Entfernungsmehrdeutigkeiten aufweisen. Darüber hinaus werden verschiedene Szenarien mit unterschiedlichen Homogenitätsgraden untersucht, von stark heterogenen bis hin zu extrem homogenen SAR-Bildern, um die Robustheit der vorgeschlagenen Methode zu validieren.

Future spaceborne SAR systems will employ multichannel SAR architectures with multiple receive beams in elevation to map multiple swaths, enabling the simultaneous achievement of high azimuth resolution and wide swath coverage — objectives that are fundamentally unattainable in current state-of-the-art SAR systems. However, an inherent challenge in these systems is the occurrence of range ambiguities, that are a significant source of image degradation. Range ambiguities arise from unwanted radar echoes originating outside the imaged swath.

Current state-of-the-art techniques for suppressing range ambiguities heavily rely on the knowledge of the antenna pattern. ... mehrYet, accurately estimating this pattern poses challenges due to factors like digital channel errors, pattern calibration uncertainties, mispointing, and antenna deformations. Consequently, range ambiguities significantly increase, impacting the image quality.

This doctoral thesis introduces a novel range ambiguity suppression method independent of antenna pattern knowledge, thereby offering robustness against error sources that typically amplify the range ambiguity disturbance. The method will be implemented on-ground, utilizing downlinked SAR data as input, thereby avoiding the addition of complexity to on-board processing - a common issue in state-of-the-art range ambiguity suppression techniques.

The key concept explored in this doctoral thesis is the cocktail party phenomenon within multichannel SAR systems featuring multiple elevation beams. Consequently, blind source separation (BSS) is employed as a technique to address this cocktail party problem in multichannel SAR, relying on the statistics of the input data. Alongside an optimization approach, the method in this thesis successfully suppresses range ambiguities, overcoming challenges in implementing BSS due to statistical disadvantages inherent in range ambiguous SAR data. The thesis also includes a technique to handle homogeneous SAR signals, where BSS tends to perform poorly.

Simulations conducted in this thesis cover two established types of SAR systems based on either planar antennas or array-fed reflector antennas, each presenting different range ambiguity disturbances. Moreover, diverse scenes with varying levels of homogeneity, ranging from highly heterogeneous SAR images to extremely homogeneous ones, are investigated to validate the proposed method's robustness.