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1Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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1Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
2.2 SAR Processierung Grundlagen
Vorlesung: Hochauflösende Radarsysteme
WS 2007/08,
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen Nürnberg
Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik
Wolfgang Keydel
DLR Oberpfaffenhofen, Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme
e-mail: [email protected], Web: http://www.keydel.com
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2Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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2Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
SAR Processing Image Formation
Different Azimuth Reference Functions for different Range Gates
Courtesy Alberto Moreira, DLR
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3Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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3Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Focussed vs. Unfocussed Processing, Munich Airport ERS-1
Courtesy Alberto Moreira, DLR
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4Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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4Institut für Hochfrequenztechnk und RadarCourtesy Alberto Moreira, DLR
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5Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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5Institut für Hochfrequenztechnk und RadarCourtesy Alberto Moreira, DLR
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6Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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6Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
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7Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
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8Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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8Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
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9Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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9Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
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10Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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10Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
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11Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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11Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Range Cell Migration
Courtesy Alberto Moreira, DLR
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12Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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12Institut für Hochfrequenztechnk und RadarCourtesy Alberto Moreira, DLR
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13Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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13Institut für Hochfrequenztechnk und RadarCourtesy Alberto Moreira, DLR
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14Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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14Institut für Hochfrequenztechnk und RadarCourtesy Alberto Moreira, DLR
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15Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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15Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Range Curvature due to Range Cell Migration
S
θH
x = vt
yGround Range
δrg
δaz
Raw Data
Range Compressed
Processed Image
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16Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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16Institut für Hochfrequenztechnk und RadarCourtesy Alberto Moreira, DLR
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17Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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17Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
SAR Image Formation
Courtesy Alberto Moreira, DLR
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18Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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18Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Range Curvature Example
Cut out of PAMIR data after range
compression, urban area, sliding mode.
The processing algorithm has to deal with a
distinct range curvature stretching across
hundreds of range cells.
[Courtesy FGAN, Ender, Brenner, PAMIR Artikle, IEE
Special Issue EUSAR 2002]
[Ender, Brenner, PAMIR Artikel IEE Special Issue EUSAR 2002,
Courtesy FGAN]
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19Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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19Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Speckle
Inherent to coherent systemsProbability distribution function has a exponential distribution, i.e.
average value = standard deviationSpeckle makes SAR image interpretation more difficult
E-SAR high resolution image (0.6 m x 2 m)
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20Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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20Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Speckle
Courtesy Alberto Moreira, DLR
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21Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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21Institut für Hochfrequenztechnk und RadarCourtesy Alberto Moreira, DLR
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22Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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22Institut für Hochfrequenztechnk und RadarCourtesy Alberto Moreira, DLR
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23Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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23Institut für Hochfrequenztechnk und RadarCourtesy Alberto Moreira, DLR
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24Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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24Institut für Hochfrequenztechnk und RadarCourtesy Alberto Moreira, DLR
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25Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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25Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
E-SAR multi-look image, 8 looks, 50 % overlap (resolution: 2 m range x 3 m azimuth)
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26Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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26Institut für Hochfrequenztechnk und RadarCourtesy Alberto Moreira, DLR
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27Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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27Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Phase ErrorsThe Targets Phase History must be Known Precisely
Thump Rule: Phase Jitter may not exceed π/8 rad of RF-Cyle
Phase Error EffectsPhase Error Reasons
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28Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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28Institut für Hochfrequenztechnk und RadarCourtesy Alberto Moreira, DLR
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29Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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29Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Zusammenfassung wichtiger SAR – Processing-Elemente
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30Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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30Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Phasenbeziehungen in Entfernung
2)( tkt eent ⋅⋅=Φ π
( )22PP TtT
+≤≤−
Tktf ee ⋅=)(
Bandbreite:
==>
Pee TkB ⋅=
Quadratische Phasenmodulation
Lineare Frequenzmodulation
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31Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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31Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Phasen - Beziehungen im Azimut
0
2
000022
01 2)cos(2)(
rxxrrxxrxr⋅
+⋅−≈⋅⋅⋅−+= θθ
Entfernungsverlauf:
Azimut Phasenmodulation
Azimut Frequenzverlauf
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⋅⋅
+⋅⋅−⋅
=Φ0
22
00 24)(
rtVtVrtaz θ
λπ
tkftVVf azdaz ⋅+=⋅⋅
−⋅⋅
=λλ
θ 20 22
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32Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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32Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Impulsantwort
( )⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ −⋅⋅⋅⋅=
crrB
cTBrxf oeeee
π2sin),(
),(),()(),( 0002
0 rxhrxsrGrxf e ⊗⋅=
),(),()(),( 02
0 rxfrxfrGrxf eae ⊗⋅=
( )⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ −⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅=
cxxB
fTcTBrxf oadaaaa
π22sin),(
Que
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33Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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33Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Spektrum der Pulsantwort ==> Rechteckfunktion
gewichtet mit
Antennen-Diagramm & Impuls-Hüllkurve
i.a. mit verschobenem Dopplerschwerpunkt
Bestimmung des Dopplerschwerpunktes
S/N-Reduzierung durch
• falsche Positionierung von Bandpassfilter & Azimutreferenzfunktion
• Vergrößerung der Mehrdeutigkeiten
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34Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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34Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Bandpassfilterf
fD
|S(f)|
f
fD
|S(f)|
ffD
|S(f)|
|S(f)|
Referenzfunktion
Mehrdeutigkeiten
Dopplerschwerpunkt-Fehler
Azimutspektrum
PRF
ffD
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35Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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35Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Radiometrische Auflösung: ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ ++⋅=−
effradiom n
NS 1)/(11log10δ
Reduktion des Speckle-Rauschens
„Multilook´s“d.h.
inkohärente Addition n statistisch unabhängiger Signalblöcke
Subaperturen
Verbesserung der radiometrischen Auflösung bei
Verschlechterung der geometrischen Auflösung
● nazδ=aznδ
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36Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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36Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Beispiele für Prozessierungsparameter
1618Anzahl von Looks
2,5 m18 m3 mEntfernungsauflösung
3 m16 m4 mAzimutauflösung
1240 Hz340 Hz1000 HzPRF
40000 m1000 m3000 mEntfernung
300 m/s50 m/s80 m/sTrägergeschwindigkeit
max.min.typischSpezifizierte Parameter
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37Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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37Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Verarbeitung im Zeitbereich
Faltungen in Optimalfilter-Theorie i.a. diskrete Korrelationen
2-dimensionaler Speicher & 2-dimensionale Referenzfunktion
Berechnungsaufwand ≈Punktanzahl Nref
Nref komplexe Multiplikationen + (Nref -1) komplexe Additionen
pro korreliertem Punkt
Ineffizienz für T·B >> 30
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38Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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38Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Änderung der Zielentfernung
Verbreiterung der Pulsantwort in Azimut & Entfernung
notwendige Korrekturenabhängig von
Größe der Auflösungszelle, Entfernung & Wellenlänge
Lineare Korrektur:
Quadratische Korrektur: 2
20
00
162
2
az
e
az
e
r
r
δλδ
δλθδ
⋅⋅
<
⋅⋅<
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39Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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39Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Zeit – Bandbreite Produkt: T·BKompressions - Verhältnis
Azimuth:
(T·B)Az= reale / synthetische Halbwertsbreite = θHreal : θHsyn=Anzahl der Impulse in der Synthetischen Apertur
Entfernung:
(T·B)Ent = Puls-Dauer x Puls-Bandbreite = TP·BP
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40Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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40Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Kompressions - Verhältnisse
rl/2 dx2
≈ 5....500 kc⋅Tp /2dx
≈ 2 k....200 kZeit Bandbreite
Produkt, T⋅B
PRF≈ 0,3 kHz....10 kHz
T⋅B/ Tp≈ 10 MHz...500 MHz
SamplingRate
rl/2v dx≈
0,1 sec ....10 sec
Unkomprimierte Pulsdauer Tp
(konstant)≈ 2 msec...100 msec
Signaldauer
Lineare ChirpKorrelation
Lineare ChirpKorrelation
Prozessierung
Azimuth-Kompression
Puls –Kompression
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41Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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41Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Berechnungsaufwand & Speichergröße für verschiedene Verarbeitungsverfahren
(K = Kompressionsfaktor)
≈ 6,4⋅ √K≈ 3,2⋅ √K10 ≤ K ≤ 104Subapertur(FFT)
1,6 ⋅ K ⋅ √K1,6 ⋅ √K10 ≤ K ≤ 30Subapertur
4 ⋅ K2 ⋅ K30 ≤ K ≤ 103Frequenzber.KK1 ≤ K ≤ 10Zeitbereich
Speichergröße für
Radardaten
Speichergrößefür
Referenzfunktion
geringster Berechnungs-
aufwand
Verfahren
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42Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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42Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Qualitätseigenschaften der Punktzielantwort ohne & mit Zielentfernungskorrektur (E-SAR)
33021
2,9931
16,8
3,2330,518,7
Auflösung /mPSLR /dBISLR /dB
Azimut
2,54321
2,4042
15,7
7,354118
Auflösung /mPSLR /dBISLR /dB
Entfer-nung
Spezifizierter Wert
mitKorrektur der Entfernungs-
änderung
ohne Korrektur der Entfernungs-
änderung
Parameter
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43Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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43Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.Institut für Hochfrequenztechnik
Beispiel: E-SAR Echtzeit Prozessor
•25 Digitale Signal Prozessoren mit je 100....400 Mflops
3 G Operationen per Sec
100 MByte Hauptspeicher (Corner Turn)
4 Mbyte pro Sec Eingangsdatenrate
25 Doppel-Europakarten
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44Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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44Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
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45Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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45Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Beispiel für Rechenleistung eines Echtzeit – Prozessorsim Subaperturverfahren (E-SAR)
1103SUMME0,24Radiometrische Korrektur18"Multi-Look"-Aufsummierung
24,6Betragsbildung694Impulskompression in Azimut3,6Phasenkorrektur für Bewegungskompensation1,2Einfügen STC-Korrekturkurve335Impulskompression in Entfernung1,2Entnahme STC-Korrekturkurve
10,2Azimutbandpaßfilter15Dopplerschwerpunkt-Korrektur
MflopsVerarbeitungsschritt
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46Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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46Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
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47Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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47Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Special SAR Modes
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48Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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48Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
SIR-C ScanSAR, Basic Geometry & Parameter, L-Band
Range Chirp Length 380 SamplesAltitude 2221,009 km
Wavelength 23,9 cm
Sampling Rate 11,24928 MHz
Ground Range
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49Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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49Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
TerraSAR: SpotLight-, StripMap-, ScanSAR-Examples
Resolution: 1m Resolution: 3m Resolution: 16m
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50Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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50Institut für Hochfrequenztechnk und Radar Courtesy Alberto Moreira, DLR
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51Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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51Institut für Hochfrequenztechnk und RadarCourtesy Alberto Moreira, DLR
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52Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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52Institut für Hochfrequenztechnk und RadarCourtesy Alberto Moreira, DLR
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53Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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53Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Spotlight versus Stripmap
Spotlight image0.46 m azimuth resolution
Stripmap image3 m azimuth resolution
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54Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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54Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
SAR: Future Developments
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55Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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55Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Backscattering Coefficient σ0
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56Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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56Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
SAR Image
Amplitude Phase
X-SAR/SIR-C, Mount Etna,
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57Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
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