2.3. besonderheiten in sar-bildernkeydel.pixelplaat.de/uploads/file/erlangen...

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1Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue

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1Institut für Hochfrequenztechnk und Radar

2.3. Besonderheiten in SAR-Bildern

Vorlesung: Hochauflösende Radarsysteme,

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen NürnbergLehrstuhl für Hochfrequenztechnik

Wolfgang KeydelDLR Oberpfaffenhofen, Institut für Hochfrequenztechnik und

Radarsystemee-mail: [email protected], Web: http://www.keydel.com

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Attributeigenschaften verschiedener Objekte in Radarbildern

resultieren aus Messungen in• Raum (Geometrie)

• Spektrum (Radiometrie)• Polarisation

Zeit (Veränderungen)

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SAR – Images, Rules of Thumb• Regions of calm water and other smooth surfaces appear

black.• Surface variations near the size of the radar's wavelength

cause strong backscattering.• A rough surface backscatters more brightly when it is wet.• Water body in windy weather can backscatter brightly• Hills and other large-scale surface variations tend to appear

bright on one side & dim on the other.• Human-made objects tend to behave as corner reflectors

and show up as bright spots.• A particularly strong response (a corner reflector) can look

like a bright cross in a processed SAR image. (strong sidelobes)

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SAR Image Specialties

SAR Images:

4Different from Photographs

4Resolution Independent on Distance

4Lack of Perspective, Land Map Character

4Shadow Effects and Plasticity

4Slope Length depends on Incidence Angle

ForeshorteningLayover

4Speckle

4Motion ErrorsSeaSAT SAR Image, Faroer Islands

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antenna footprint velocity to carrier velocity = 0.2, distance about 7 km. dynamic range > 65 dB,folding of the rear facade onto the roof typical overlay effect

River Spree

Tiergarten Park

Reichstag Building in Berlin, Sliding Spotlight Modereflecting very different scattering properties

multipath ghost artifacts

Courtesy Ender, FGAN

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Relief Displacement Camera and Radar

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Geometric Distortions in SAR Images

near range

far range

ground range image

slant range image

Courtesy A. Moreira, DLR

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Foreshortening:Terrain Slope < Incidence Angle

Layover (Steep Terrain):Terrain Slope < Incidence Angle

Shadowing:Descending Slope < Incidendence Angle

No Signal, SNR = 0

ground rangeimage

shadowingSAR

θp•

slant range image


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Shadow, Layover, Foreshortening

β

α

Shadow for α > β

h

Ground Range

a1 b1 a2 b2 a3 b3 a4 b4

d’1 a’1c’1 b1’

c4d4

c’4d’4a’4d3’a3’ c3’

c1d1

Slant Range

ααα

d2’ a2’c2’

�

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Three Features with Different Height in one Range Bin

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Layover bedingter Fehler an einer Waldkante

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Abbildung von Geländeformen im Radarbild

G‘/A‘ – F‘: Überlagerung verschiedener Geländepunkte am selben Bildort

F‘ – S‘: Radarschatten

Einzelobjekt

Plateau

G‘ - A‘ : Bildort entspricht Geländeort

A‘ = F‘

A‘ – S‘: Radarschatten

A

A‘G‘

F‘ S‘

A‘

A

S‘G‘

G

S

G S

F

F

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Influence of Phase Errors

withoutwithout errorerrornonnon--linearlinear: shift & defocuslinearlinear : 36 m shift: 36 m shift ↑↑

AzimuthAzimuth rawraw datadata

AzAz ..

1249

m12

49 m

RgRg 1536 m1536 m

3 mRge. pixel pacing

0.076 m Az. pixel pacing

50 MHzBandwidth100 MHzSampling frequency

72.6 m/sFlight Velocity

952.38 HzPRFValueSAR Parameter

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Example for Geometric Distortions in SAR Images

layover

terraintopography

required

slant range SAR image

fore-shortening


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Pylon for electric Power


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α < β: Backslope is illuminated (Case A)

α > β: Shadowing (Cases C through F)

Probability of radar shadowing increases with increasing α & decreasing β.

(Lewis, 1971).

Relationship between Radar Shadows & Depression Angle

Slant Range Length of Shadows

α

β

A

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Conditions Necessary for Radar Layover

40°>50°

80° Near Range> 10°70°> 20°60°> 30°

50°> 40°

30°>60°

20°>70°

10° Far Range>80°

Depression Angle

TerrainSlope

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Shadow Length’s related to Terrain Height h versus Depression Angle

90° 70° 50° 40° 30°depression angle

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Incidence Angle Influences on SAR ImagesShadowing & Layover

Eineder, DLR - IMF, MFFU Summer School 2004

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Soll 45°

Maßstabsverzerrungen durch Pixel-Unsymmetrie

Unterschiedliche Winkel der selben Geländerichtung im Radarbild vom Nah- zum Fern-bereich Maßstabsänderungin Blickrichtung

Maßstabsvergrößerung im Radarbild vomNah- zum Fernbereich

2048 m

2584 m

1 km

200 m200 m

188 m84m

20°70°

43,2°

41,3°

34,4°

22,8°

35,8°

42,5°

29,2°

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Elemente der Interpretation von Radar – BildernOberflächeneinheiten

Muster :Grenzlinien zwischen Oberflächeneinheiten

(Anordnung verschiedener Oberflächeneinheiten)Grauton:

Intensitat der Strahlung von Punkten einer OberflacheneinheitTextur:

Räumliche Grautonverteilung innerhalb einer OberflächeneinheitForm :

Spezielle Gestalt einzelner OberflächeneneinheitenGröße:

Abmessung einzelner OberflacheneinheitenAssoziation:

Vergleich unbekannter mit bekannten Oberflacheneinheiten

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Elemente der Interpretation von RadarbildernMuster

Räumliche Anordnung bzw. Wiederholungvon

Merkmalen & Einzelelementen,Grenzlinien zwischen Elementen

Orientierung, Abstand, Wiederholung, Gleichformigkeit, Dichte

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Elemente der Interpretation von RadarbildernGrauwerte

Grundlegendes Element der menschlichen visuellen Wahrnehmung in Radar-Bildern

Resultat von Reflektionen einer einzigen WellenlängeGrauwert-Variationen in SAR-Bildern abhängig von

σ0

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Backscattering Coefficient σ0

Man-Made objects (urban)Terrain Slopes towards radarvery rough surfaceradar looking very steep

rough surfacedense vegetation (forest)

medium level of vegetationagricultural cropsmoderately rough surfaces

smooth surfacecalm water, roadvery dry terrain (sand)

• Very high backscatter (above -5 dB)

• High backscatter (-10 dB to 0 dB)

• Moderate backscatter (-20 to -10 dB)

• Low backscatter (below -20 dB)

Typical scenarioLevels of Radar backscatter

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Brightness dependence on Local Slopes for 2 Incidence angles

(23°)

(44°)

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Elemente der Interpretation von Radar – BildernOberflächeneinheiten

Muster :Grenzlinien zwischen Oberflächeneinheiten

(Anordnung verschiedener Oberflächeneinheiten)Grauton:

Intensitat der Strahlung von Punkten einer OberflacheneinheitTextur:

Räumliche Grautonverteilung innerhalb einer OberflächeneinheitForm :

Spezielle Gestalt einzelner OberflächeneneinheitenGröße:

Abmessung einzelner OberflacheneinheitenAssoziation:

Vergleich unbekannter mit bekannten Oberflacheneinheiten

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Elemente der Interpretation von RadarbildernMuster

Räumliche Anordnung bzw. Wiederholungvon

Merkmalen & Einzelelementen,Grenzlinien zwischen Elementen

Orientierung, Abstand, Wiederholung, Gleichformigkeit, Dichte

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Elemente der Interpretation von RadarbildernGrauwerte

Grundlegendes Element der menschlichen visuellen Wahrnehmung in Radar-Bildern

Resultat von Reflektionen einer einzigen WellenlängeGrauwert-Variationen in SAR-Bildernabhängig von

σ0

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FLÄCHEN MIT VERSCHIEDENEN TEXTUREN aber GLEICHEM GRAUWERTINHALT

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Elemente der Interpretation von RadarbildernTextur

Grautonverteilung innerhalb einer Bildeinheit

Speckle

Ursache: InterferenzenGleichmäßig - Ungleichmäßig, Fleckig, Fein - Grob

Statistische Verteilung: Hilfsmittel & Maß für

Detektion, Identifikation & Klassifzierung

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real

imaginär

i Streuer

δr

δaz

Pixelfläche: Fª δaz δr

Phasensummen bei Flächenzielen mit vielen Streuern

razF δδ

σσσ ==0

)exp( i

n

ieie jEE ϕ∑=

iiii rjλπϕϕσσ 2mit )exp( == ∑

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38Institut für Hochfrequenztechnk und RadarPaul Signac (1863–1935) Das Frühstück, 1886/87

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Elemente der Interpretation von RadarbildernForm

Umrisse und Gestalt von RadarzielenIdentifikation

Künstliche Ziele- Fahrzeuge,Flugzeuge

- Bauten, AnlagenNatürliche Ziele

- Geologische Strukturen- Felder,Bewuchs

Zusatzinformationen durch Schatten-Formen

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40Institut für Hochfrequenztechnk und RadarGeorges Seurat - Un dimanche après-midi à l'Île de la Grande Jatte 1884–86

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Elemente der Interpretation von RadarbildernGröße

Abmessungen von Bildeinheiten abhängig von• Maßstab der Darstellung• Radar-System-Parametern

Größe von Elementen bestimmt durch Kontrast gegen UmgebungI. A. erscheinen Gegenstände im Radarbild

kleiner als in Luftbild-Photographie

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Camille Pissarro, 1830 - 1903

Avenue de l'Opera, 1898

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Elemente der Interpretation von RadarbildernAssoziation

Hilfe bei visueller Bildinterpretation zuIdentifizierung & Klassifizierung von Objekten & Bildeinheiten durch

Vergleich mit ähnlichen, bekannten Einheitenbasierend auf

Erfahrung

Daten- & Bildbanken

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Springbrunnen im Park Sanssouci in Potsdam, 1903, Neue Pinakothek München

Theo van Rysselberghe, 1862-1926

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Elemente der Interpretation von RadarbildernAssoziation

Hilfe bei visueller Bildinterpretation zuIdentifizierung & Klassifizierung von Objekten & Bildeinheiten durch

Vergleich mit ähnlichen, bekannten Einheitenbasierend auf

Erfahrung

Daten- & Bildbanken

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Camille Pissarro, 1830 – 1903

Sonnenuntergang im Nebel

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Mögliche Aussagen dieses Bildes ?

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Bewegungs-Fehlerim SAR-Bild

Ohne Kompensation

Mit Kompensation

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Bewegungsfehler Radarsignal Bildqualität

Vorwärts-Geschwindigkeit

Ablage inAntennenblick-

richtung

Abtastfehler in Azimut

Phasenfehler

Auflösung

Laufzeitfehler

Geometrie

Kontrast

Bewegungsfehler-Schema

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VergleichIdeale – verzerrte Impulsantwort

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Niederfrequente& HochfrequentePhasenfehler & deren Folgen

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SIREV: Bewegungs-Einflüsse

Zeitliche Folge von Impulsantworten eines Cornerreflektors. Azimuthwinkel, unter dem der Cornerreflektor erscheint.

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