Radar: PHARS en PHARUS (1990 – 1999)

PHased ARray Universal Sar (PHARUS): A polarimetric C-band vliegtuig-SAR

PHARUS (PHased ARray Universal Sar) was een volledig polarimetrische C-band (5,3 GHz) vliegtuig-SAR (Synthetic Aperture Radar) die werd gebruikt om het aardoppervlak in beeld te brengen. Pharus was ontworpen en gebouwd door TNO-FEL in Den Haag, het NLR in Amsterdam en de Technische Universiteit Delft onder programmaverantwoordelijkheid van het Nederlands Agentschap voor Lucht- en Ruimtevaartprogramma’s (NIVR) in Delft. TNO-FEL was de hoofdaannemer en was verantwoordelijk voor het projectbeheer. Financiële steun voor het project werd geleverd door het Ministerie van Defensie en door de Nederlandse Remote Sensing Board (BCRS).

T/R-modules van PHARUS
T/R-modules van PHARUS

 

PHARUS
PHARUS onder NLR’s Cessna

Het principe van SAR-systemen

SAR-systemen onderscheiden zich door hun hoge azimutresolutievermogen verkregen door signaalverwerking van de Doppler-verschuivingen gegenereerd door de voorwaartse beweging van de radar (en het vliegtuig). De azimutresolutie in een dergelijk systeem is theoretisch onafhankelijk van de bereik met de hoogst bereikbare resolutie in de orde van enkele meters. SAR-systemen als PHARUS kunnen dag en nacht en onder alle weersomstandigheden radarbeelden genereren. Meer informatie over de werking van SAR en polarimetrie kunt u onderaan deze pagina lezen.

Het PHARUS-systeem was onderverdeeld in drie subsystemen:

  • de radar in de pod buiten aan het vliegtuig,
  • de gegevensverwerking en dataopslag in het vliegtuig
  • de (latere) verwerking van de SAR gegevens op de grond.

Het PHARUS-systeem had een modulaire architectuur waardoor eenvoudige aanpassingen aan specifieke vereisten en een gebruikersgerichte configuratie mogelijk was. Het gebruik van een modulaire gefaseerde array maakte een vaste montage van de radar op het vliegtuig mogelijk en vermeed een cardanische ophanging waardoor dit SAR-concept ook geschikt is voor kleine vliegtuigen wat de bedrijfskosten aanzienlijk verlaagt. Het systeem was in staat om onder turbulente omstandigheden te werken. PHARUS was volledig programmeerbaar met enkele en multi-polarisatiemodi en de selectiemogelijkheid van resolutie en bereik. Zelfs puls-naar-puls-straalsturing werd ondersteund waardoor geavanceerde functies zoals spotlight-modus, active nulling en multi-target tracking mogelijk waren.

Enkele belangrijke kenmerken van het PHARUS-systeem waren:

  • Moderne solid-state radartechnologie
  • Modulaire systeemarchitectuur
  • Modulaire actieve phased array-antenne
  • Programmeerbare radarkarakteristieken
  • Programmeerbare opname- en gegevensverwerking
  • Interne kalibratie
  • Ondersteuning van satellietsimulatie modi (ASAR)

De belangrijkste specificaties van het PHARUS-systeem waren:

  • Frequentie: 5.3 GHz (C-band)
  • Zendvermogen: 20 W/module
  • Resolutie: 3.75 m bereik tot 1 m azimuth
  • Bereik tot 30 km
  • Strookbreedte tot 20 km

Voordat de bouw van de PHARUS werd gestart, is ervaring op het gebied van SAR opgedaan door de ontwikkeling van een prototype-systeem met beperkte mogelijkheden, genaamd PHARS. Dit kleine maar krachtige systeem is in november 1990 met succes getest en heeft goede SAR-beelden opgeleverd. PHARS nam ook met succes deel aan de ERS-l CAL/VAL-campagne in Noorwegen.

PHARS
PHARS

 
 


 Vluchten met PHARS en PHARUS

(onderstaande gegevens zijn overgenomen van de Pharus-website anno 2000)

 

Vlucht# Datum Locatie(s) Opmerkingen
  15 augustus 1992 PHARS boven Amsterdam

Opnamedatum 25 augustus 1992
Trackhoek 0 N
Hoogte 4877 m
Centrale invalshoek 35 links
Verwerkingsmodus 12 beelden, 50% overlap
Resolutie 6 m * 6 m
Aantal pixels 768 * 768
  11 februari 1994 Langeoog, Germany by PHARS

Langeoog, Duitsland – PHARS opname

Opnamedatum 11 februari 1994
Trackhoek 179 N
Hoogte 4877 m
Centrale invalshoek 35 links
Verwerkingsmodus 12 beelden, 50% overlap
Resolutie 6 m * 6 m
Aantal pixels 768 * 768
  1 februari 1995 De afbeelding toont een gebied op de grens tussen België en Nederland, bij Maaseik, met de Maas en de ondergelopen gebieden eromheen. Het beeld werd opgenomen op een hoogte van 4300 m, waarbij een strook van 6 km werd weergegeven, beginnend op 5700 m bereik. Het beeld werd verwerkt tot een resolutie van 6 meter met zes onafhankelijke opnames.

Flood of the Maas
Maasoverstroming
  19 april 1995 De PHARUS website kwam on-line
PV1 5 oktober 1995
Eerste PHARUS opname
Eerste PHARUS opname
PHARUS 01
Beeld id  Leerdam, Netherlands
Opnamedatum  22 september 1995
Polarisatie VV
Hoogte 5000 m
Horizontaal Vluchtrichting
Vertikaal 7 – 14 km
Verwerkingsmodus 4 beelden, schuinte t.o.v. grond geconverteerd
Resolutie 3 m * 3 m
Pixelafstand 2 m * 2 m
PV2 12 oktober 1995
First PHARUS SAR image - Geldermalsen
Eerste PHARUS SAR beeld Geldermalsen

 

PHARUS 2PLS
Beeld id  Geldermalsen, Nederland
Opnamedatum 22 September 1995
Polarisatie VV (CO1)
Polarisatie VH (X1)
Hoogte 5000 m
Horizontaal  vluchtrichting
Vertikaal  7 – 14 km schuine range
Verwerkingsmodus 4 beelden, schuinte t.o.v. grond geconverteerd
Resolutie 3 m * 3 m
Pixelafstand 2 m * 2 m
PV3 11 januari 1996 Almere
PV4 12 april 1996 Eemnes, Amersfoort
PV5 25 april 1996 Vlasakkers, Noordoost Polder, Soesterberg, Amersfoort, Leusderheide, Giethoorn, Heerde
PV6 26 april 1996 Soesterberg, Amersfoort, Leusderheide, Apeldoorn, Volkel, Goirle, Gilze, Biesbosch, West Track (Pernis-Den Haag)
PV7 16 juli 1996 PHARUS familiarisatievlucht
PV8 16 juli 1996 Noordoostpolder PHARUS familiarisatievlucht
PV9 27 augustus 1996 Wadden PHARUS familiarisatievlucht, zeebodemtopografie, cartografie van getijgebieden

Wadden
Wadden
PV10 21 oktober 1996 Reichswald
Reichswaldopname drie polarisaties
Reichswaldopname drie polarisaties
Beeld id  Reichswald (Duitsland)
Opnamedatum 22 oktober 1996
Polarimetrisch ja
Kleurcompositie R=VV,G=HV,B=HH
Hoogte 4600 m
Oriëntatie NNW
Verwerkingsmodus 5 opnames
Resolutie ongeveer 3.4 m * 3.4 m

 

PV11 24 oktober 1996 Swynnerton (UK) Radar jamming experiment
PV12 22 mei 1997 Eerste PHARUS testvlucht 1997
PV13 29 mei 1997 PHARUS familiarisatievlucht
PV14 29 mei 1997 Amsterdam PHARUS familiarisatievlucht

Amsterdam & Schiphol
Amsterdam & Schiphol
PV15 30 mei 1997 PHARUS familiarisatievlucht
PV16 2 juni 1997 Zoetermeer Snelheden van voertuigen op de A12 bij Zoetermeer gemeten met de Pharus moving target indicator

Snelheden van voertuigen op de A12 bij Zoetermeer gemeten met de Pharus moving target indicator; Floriade terrein uit 1992 nog goed herkenbaar

PV17 11 september 1997 Reichswald, Duitsland PHARUS testvlucht voor het Freiburg karteringsexperiment, ook het Reichswald
PV18 28 oktober 1997 PHARUS testvlucht voor verbeterde gegevensverwerking
PV19 30 oktober 1997 Freiburg Het Freiburg karteringsexperiment
PV20 30 oktober 1997 Freiburg Het Freiburg karteringsexperiment
PV21 27 januari 1998 Utrecht

Wegdetectie; Leidsche Rijn/Utrecht kartering
Wegdetectie; Leidsche Rijn/Utrecht kartering
PV22 29 januari 1998 Dynamic Range Limiter vlucht
PV23 29 januari 1998 Testvlucht
  21 april  1998 PHARUS familarisatie eind workshop
PV24 23 april 1998 Testvlucht
PV25 23 april 1998 25e vlucht (zilveren vlucht)
PV26 29 april 1998 PHARUS resolutieverbeteringsvlucht
PV27
PV28 25 januari 1999 Noordwijk PHARUS ASAR demonstratievlucht over zee
PV29 29 januari 1999 Gorinchem Interferometrie met herhaalde opnames
PV30 29 januari 1999 Rhenen PHARUS ASAR demonstratievlucht over land

 

Generic SAR processorsoftware met Pharus-beelden van Voorburg, A4 en A13
Generic SAR processorsoftware met Pharus-beelden van Voorburg, A4 en A13

 

 


 

Achtergrond: werkingsprincipe van SAR

PHARUS is een zijdelingse beeldradar op een bewegend platform (vliegtuig, satelliet, enz.). Het karakteristieke kenmerk van SAR is de hoge resolutie in de bewegingsrichting, verkregen door diafragmasynthese. Het resultaat is een beeld, bestaande uit pixels, dat lijkt op een luchtfoto. SAR behoort tot de categorie coherente pulsradars, dat wil zeggen het zendt pulsen uit (in tegenstelling tot een continue golf) en meet zowel de amplitude als de fase van het ontvangen echosignaal. De radar aan de zijkant van het bewegende platform verlicht met zijn antennebundel een plek op de grond. Door de beweging van het platform wordt een verlichte continue strook (swath) gevormd, zie afbeelding. Na verwerking wordt de strip omgezet in resolutiecellen, waarvan er een is afgebeeld in de afbeelding.
Na SAR-verwerking bestaat een SAR-afbeelding uit een reeks pixels, waarbij elke pixelwaarde een maat is voor de radarreflectiviteit van het overeenkomstige gebied, dat wil zeggen een resolutiecel, op de grond. Het beeld is daarom in feite een reflectiviteitskaart. De gemeten waarde in elke pixel wordt gewoonlijk de terugverstrooiingscoëfficiënt genoemd. Voor weergavedoeleinden is het gebruikelijk om deze kaart weer te geven met een zwart-wit-intensiteitscodering: donker voor lage backscatter, helder voor hoge back-scattering. Deze grijswaardenkaart vormt het ‘beeld’.

Om een hoge resolutie in de richting van het bereik te bereiken, is een korte puls vereist. In plaats van een zeer korte puls met zeer hoog piekvermogen te verzenden, wordt een lang gecodeerde puls met lager piekvermogen, maar gelijke energie verzonden. De modulatie maakt compressie van de ontvangen puls mogelijk, waardoor de totale pulsenergie wordt verzameld in een korte puls. Dit proces wordt pulscompressie of bereikcompressie genoemd. De meest gebruikte vorm van codering is een lineaire frequentiemodulatie (chirp).
Om een hoge resolutie te bereiken in de cross-range of azimutrichting zou een zeer smalle antennebundel nodig zijn die een zeer grote antenne-opening vereist. Het principe van SAR is om de kleine fysieke antenneopening uit te breiden naar een vele malen grotere ‘synthetische lensopening’ door coherente integratie van echo’s ontvangen over een bepaalde afstand afgelegd door het bewegende platform. In het geval van PHARUS bijvoorbeeld, is de echte antenne 1 meter lang, terwijl de synthetische opening enkele honderden meters lang kan zijn.

SAR principle schematisch
SAR principle schematisch

Coherente integratie is wiskundig analoog aan pulscompressie en wordt azimuthcompressie genoemd. Deze gelijkwaardigheid kan worden begrepen door in beschouwing te nemen dat de frequentiemodulatie in de uitgezonden puls vergelijkbaar is met de Doppler-frequentiemodulatie geïnduceerd door de beweging van het platform. Daarom wordt de Dopplermodulatie die bestaat in een reeks ontvangen pulsen als gevolg van beweging op dezelfde manier gebruikt als de frequentiemodulatie binnen een puls die opzettelijk door de radar wordt gegenereerd.
Een kenmerkend kenmerk van SAR is dat de azimutresolutie onafhankelijk is van het bereik. In radars die geen gebruik maken van het synthetische apertuurprincipe (daarom ook wel echte-apertuurradars genoemd), wordt de resolutie over het afstandsbereik bepaald door de breedte van de antennebundel en is daarom een hoekresolutie. De resulterende geometrische resolutie wordt slechter naarmate de afstand toeneemt. In SAR maakt de grotere voetafdruk van de antenne op langere afstand een langere waarneming van een object mogelijk (langer synthetisch diafragma), zodat de resulterende geometrische resolutie aan het eind hetzelfde blijft. In de praktijk wordt het bereik beperkt door de beschikbare hoeveelheid zendvermogen. Een andere basiseigenschap van een coherente beeldradar, zoals SAR, is het fenomeen van ‘spikkel’. Dit is een type ruis dat kan worden verminderd door middel van een middelingstechniek die ‘multi-looking’ wordt genoemd.

Principe van polarimetry

Vroege SAR-systemen gebruikten één enkele polarisatie-antenne voor het verzenden van pulsen en het ontvangen van hun echo’s. Deze werden daarom niet-polarimetrische systemen genoemd. Als de antenne bijvoorbeeld lineair horizontaal gepolariseerd was, was het systeem een HH-gepolariseerd systeem, dat wil zeggen het gebruikte horizontale polarisatie voor zowel transmissie als ontvangst. Analyse van de SAR-afbeeldingen liet vragen altijd onbeantwoord, zoals, wat zou de afbeelding zijn geweest als een ander systeem was gebruikt, bijvoorbeeld een VV of een HV of een ander gepolariseerd systeem? en is de gebruikte polarisatie optimaal voor de toepassing? Deze vragen worden volledig beantwoord door het gebruik van polarimetrische systemen. Het onderwerp van polarimetrie is de interpretatie van polarimetrische gegevens.
Het basisgebruik van een polarimetrisch beeld is de synthese van beelden met willekeurige zend- en ontvangspolarisaties. Vanuit de strooimatrixkaart kunnen afbeeldingen worden gemaakt die arbitraire zend- en ontvangpolarisaties vertegenwoordigen, zelfs willekeurige elliptische. De volgende voordelen van polarimetrie zijn aangetoond:

  • contrasten tussen doelen en achtergronden kunnen worden gemaximaliseerd door de juiste zend- en ontvangspolarisaties te kiezen,
  • de nauwkeurigheid van de resultaten van het gewastype en de indeling van het landgebruik neemt toe,
  • de schattingsnauwkeurigheid van bodem- en vegetatieparameters (zoals bosbiomassa) neemt toe.

In een niet-polarimetrisch SAR-beeld wordt de reflectiviteit van een enkele resolutiecel gemeten als een enkel getal, de terugverstrooiingscoëfficiënt (meestal HH of VV), die kan worden weergegeven met behulp van intensiteitscodering (zwart en wit). In een volledig polarimetrisch SAR-beeld, zoals gegenereerd door PHARUS, worden vier polarisatiecombinaties van de backscatter-coëfficiënten weergegeven, bijvoorbeeld door zowel intensiteits- als kleurcodering te gebruiken. Bovendien kan met behulp van deze vier polarisatiekanalen elke andere polarisatie worden gegenereerd, bijvoorbeeld om redenen van kalibratie of contrastoptimalisatie.
De polarimetrische generalisatie van de terugverstrooiingscoëfficiënt wordt de verstrooiingsmatrix S genoemd. De matrix bestaat uit vier complexe getallen, die de complexe terugverstrooiingscoëfficiënten voor alle vier polarisatiecombinaties, HH, HV, VH en VV voorstellen.

PPolarimetrische verstrooiingsmatrix
Polarimetrische verstrooiingsmatrix

PHARUS kan de volledige verstrooiingsmatrix meten in plaats van de backscattercoëfficiënt voor slechts één polarisatie-instelling. Het wordt als volgt gemeten. De PHARUS polarimetrische SAR in volledige polarisatiemodus maakt gebruik van een enkele phased array-antenne die elektronisch kan worden geschakeld tussen horizontale en verticale polarisatie. In de volledige polarimetrische modus verzendt deze eerst een horizontaal gepolariseerde puls en neemt vervolgens de horizontaal en verticaal ontvangen echo’s (zowel amplitude als fase) tegelijkertijd op, gebruikmakend van twee ontvangstkanalen. De gegenereerde complexe getallen komen overeen met respectievelijk Shh en Svh. Vervolgens herhaalt het deze stap voor een verticaal gepolariseerde uitgezonden puls; beide polarisaties zijn doorschoten op Transmit. Hiermee is de 2 × 2 matrix voltooid.

Omdat de verstrooiingsmatrix veel onafhankelijke variabelen bevat, zijn er veel manieren waarop een polarimetrische afbeelding kan worden weergegeven. Een manier om dit te doen is om kleuren toe te wijzen aan de matrixelementen en zo een kleurenafbeelding te maken. Het is echter niet mogelijk om alle informatie in de verstrooiingsmatrices in één afbeelding in één kleur over te brengen.
De polarimetrische analogie van multi-looking (voor spikkelreductie) wordt niet uitgevoerd door middeling van verstrooiingsmatrices, omdat informatie verloren zou gaan door de simpele optelling van deze complexe matrices. Een tussentijdse verwerkingsstap is noodzakelijk: de conversie van de verstrooiingsmatrices naar 4’4 echte symmetrische Stokes-matrices. Deze worden vervolgens gemiddeld. De Stokes-matrix bestaat alleen uit echte getallen, maar bevat nog steeds de informatie van de complexe verstrooiingsmatrix, zelfs redundant. Zodra de Stokes matrices gemiddeld zijn, is een transformatie terug naar verstrooiingsmatrices meestal niet mogelijk.