Ambiguitetshåndtering ved hjelp av pulskoding i et satellittbasert SAR-system

Abstract

Denne utredningen har bakgrunn i en mulighetsstudie av norsk syntetisk apertur-radar (SAR)- satellitt for havovervåkning. Her er ambiguiteter, eller flertydigheter, blitt identifisert som en viktig utfordring. Ambiguiteter er energi som kommer til syne også andre steder i et SAR-bilde enn der sprederne som er opphav til energien befinner seg. Kravene som må oppfylles for å unngå ambiguiteter i et SAR-system leder til et minimumskrav til effektivt antenneareal. Ambiguitetshåndtering er en særlig aktuell problemstilling i forbindelse med mikrosatellitt-SAR, der antennearealet må være relativt lite. Det er ønskelig å finne teknikker som gjør det mulig å komme utenom de tradisjonelle begrensningene i sporbredde og kravet til antenneareal. Kravene kan omgås hvis det tillates samtidig mottak av reflekterte signaler fra mer enn én avstandssone i scenen. En forutsetning for dette er koding av pulsene. Denne utredningen er en bred gjennomgang av mulige pulskodingsteknikker for ambiguitetsundertrykkelse. Bruk av slike teknikker krever et SARsystem der signalet kan endres fra en puls til den neste. Endringene gjelder fase, modulasjon og/eller bærebølgefrekvens. Det må også tillates oversampling. Undersøkelsene har ledet frem til aktuelle kombinasjoner av teknikker som ikke tidligere er beskrevet i litteraturen. Resultatene tyder på at det med dagens teknologi ikke finnes noen generell mulighet til å komme utenom kravet til minimum antenneareal ved avbildning over land. Imidlertid kan flere teknikker gi en viss forbedring i maritime scenarioer. På åpent hav, der det er relativt få kraftige mål og lavt clutternivå, indikerer resultatene at sporbredden kan dobles i forhold til avbildning over land. Kystnære farvann havner i en mellomstilling. Her vil scenen hovedsakelig være havflate med lav tilbakespredning, men med et visst innslag av distribuerte mål. Resultatene indikerer at det i slike tilfeller kan slakkes noen titalls prosent på kravene. Det kan tenkes et fleksibelt SAR-system der ulike kombinasjoner av pulskodingsteknikker benyttes i forskjellige moduser tilpasset forholdene. Over havet vil det være naturlig å benytte store innfallsvinkler, slik at antennebeamen dekker et bredt spor og clutternivået blir lavt. Nær land kan antennebeamen rettes noe brattere, slik at den dekker et smalere spor. Det anbefales videre utredninger av et system med stor fleksibilitet. Detaljert kunnskap om hvilken metode som egner seg best og hvor høy ytelse den har vil kreve mer omfattende simuleringer som forutsetter kjennskap til SAR-modus, antennediagram og realistiske scener. Teknikker som krever prosesseringskapasitet av en helt annen størrelsesorden enn det som er tilgjengelig i dag er ikke undersøkt i denne fasen. Med tanke på mulig bruk noen år frem i tid anbefales det å se nærmere på disse metodene på litt sikt.

The background for this investigation is a feasibility study of a Norwegian Synthetic Aperture Radar (SAR) satellite for maritime surveillance. Ambiguities are identified as an important challenge. Ambiguities are energy appearing also at other locations in a SAR image than the true locations of the scatterers from which the energy originates. In a SAR system the conditions for avoiding ambiguities lead to a requirement for a minimum antenna area. Ambiguity mitigation is a particularly relevant topic in connection with micro-satellite SAR, as the antenna area must be relatively small. Finding techniques which enable a circumvention of the traditional swath limitation and antenna area constraint is desirable. The constraints can be circumvented if simultaneous reception of reflected signals from more than one range zone in the scene is allowed. Pulse coding is then a precondition. This investigation is a broad review of possible pulse coding techniques for ambiguity suppression. The use of such techniques requires a SAR system capable of varying the signal between subsequent pulses. The variation applies to phase, modulation and/or carrier frequency. Oversampling must also be allowed. The investigation has led to relevant combinations of techniques that are not described in the literature. The results indicate that there is no general possibility of circumventing the minimum antenna area constraint with current technology when imaging over land. However, several techniques can give some improvement in maritime scenarios. On the ocean, where relatively few strong targets are present and the clutter level is low, the results indicate that the swath width can be doubled from the values applicable for imaging over land. Coastal areas are in an intermediate position. Here the scene would mainly consist of sea surface with low backscattering, but distributed targets can to some extent be present. In such cases the results indicate that the constraints can be eased with some tens of percents. It is possible to imagine a SAR system using various combinations of pulse coding techniques in modes adapted to different conditions. Over the ocean large incidence angles would be natural, so that the antenna beam covers a wide swath and the clutter level is low. Near land the antenna beam can be pointed somewhat steeper, so a narrower swath is covered. Further investigation of a system with high degree of flexibility is recommended. Detailed knowledge of the most suitable method and its performance would require more comprehensive simulations, and knowledge of SAR mode, antenna pattern and realistic scenes would then be needed. Techniques requiring data processing capacity on a different order of magnitude than available today have not been investigated in this phase. Considering possible use some years into the future, an assessment of such techniques is recommended in the longer term.