Grundlagen der Radartechnik

Multitemporale Analyse der Kohärenz von SAR-Daten

In einem Radar mit Synthetischer Apertur kann eine sogenannte multitemporale Analyse der Kohärenz von SAR-Daten (engl.: Coherent Change Detection, CCD) durchgeführt werden. Das setzt eine genaue Speicherung von Rohdaten, eine exakte Bildverarbeitung und Berechnung voraus. Das Verfahren wird zivil und militärisch genutzt und ist eine leistungsstarke Technik zur Erkennung von Veränderungen auf der Erdoberfläche. Es können damit auch geringste Veränderungen auf der Erdoberfläche erkannt werden. Eine zivile Anwendung ist zum Beispiel die Auswertung von Sturmschäden in Wäldern oder Sturmflutschäden an den Küsten.

Funktionsprinzip

Das Verfahren ähnelt dem bekannten Spiel der Bildsuche: ein originales Bild und eine verfälschte Kopie wird untersucht und es müssen alle Veränderungen erkannt werden. Oft findet man die letzte Änderung nicht und dann hilft nur noch ein technisches Verfahren: es werden beide Bilder übereinander gelegt und die Differenzen treten dadurch besser hervor. Dieses ist dann aber eigentlich nur das Verfahren Magnitude Change Detection, welches bei einem optisch erfassten Bild nur dann funktioniert, wenn die Beleuchtungssituation in beiden Bildern gleich ist.

Bei Radar ist die Beleuchtungssituation immer vergleichbar. In der Coherent Change Detection werden die beiden Radarbilder in Amplitude und Phasenlage miteinander verglichen. (Mit Kohärenz ist bei Radar immer ein fester Phasenbezug zu einer Referenzschwingung gemeint.) Die Datenquelle ist also ein Punkt in der Kette der Radarsignalverarbeitung, in der die Phaseninformation noch nicht verloren ist: also vor der Demodulation! Damit sind dann sehr viel genauere Veränderungen erkennbar. Die Magnitude Change Detection ist bei einem SAR ebenfalls möglich, dann aber nach der Demodulation. (Siehe Pulsintegration)

In dem durch das SAR berechneten Bild sind dann sogar die Autospuren in der Landschaft erkennbar, nur weil dadurch die Grashalme auf der Wiese in eine bestimmte Richtung (Fahrtrichtung) gelegt wurden. Militärisch ist das Verfahren nutzbar, weil es primitive Tarnungen erkennt. Wenn da plötzlich ein Baum steht, der vorgestern noch nicht da war, dann will dort jemand etwas verstecken! Solche gravierenden Veränderungen werden in dem Bild in einer Signalfarbe (rot oder blau) hervorgehoben. Rot bedeutet, dass ein Objekt gegenüber dem ersten Bild verschwunden ist, Blau bedeutet, dass ein Objekt neu hinzukam.

Berechnung des Bildes

Es wird von dem Bild nicht nur Pixel für Pixel mit Hilfe der Kreuzkorellation verglichen, sondern seine Größe im Verhältnis zur Umgebung dieses Pixels, also dem Durchschnitt von einer kleinen Fläche (zum Beispiel 3×3 Pixel). Für jede dieser Flächen wird eine Kohärenz γ berechnet, die besagt, wie genau also diese Fläche des einen Bildes mit der Fläche des folgenden Bildes übereinstimmt. Ist γ = 1, besteht exakte Übereinstimmung, bei γ = 0 würde nicht einmal durch Zufall etwas übereinstimmen. Ab einer Größe der Abweichung, zum Beispiel γ < 0,9 wird eine Farbänderung erfolgen.

Zum Beispiel würde die Fahrspur auf einer Rasenfläche auch noch nach Tagen sichtbar sein und eine Veränderung zu etwa γ = 0,96 … 0,98 bewirken. Beim Rasen ist durch das Niederdrücken der Grashalme eine geringfügige Entfernungsänderung im Bereich weniger Zentimeter messbar. Es ändert sich also kaum die Größe des Echosignals, aber die Phasenlage ist eine komplett andere! Somit würde ein Bild, welche nur die Amplituden vergleicht (also eine nicht-kohärente Methode), gar nichts erkennen. Ein Bild, welches diese Amplituden in der Größe normiert und nur diese Phasendifferenz darstellt, würde solche Fahrspuren besonders stark markieren. Allerdings würde solch ein Bild ziemlich verrauscht aussehen und auch viele Fehlalarme erzeugen, weil zum Beispiel der Wind ebenfalls einen Einfluss auf die Lage der Blätter oder Grashalme hat. Deswegen müssen Amplitude und Phase gleichzeitig verglichen werden, damit ein möglichst kontrastreiches Bild der Veränderung entsteht. Auch für ein solches Bild können Schwellwerte festgelegt und radartypische Parameter, wie Entdeckungswahrscheinlichkeit und Falschalarmrate (oder Falschalarmwahrscheinlichkeit) berechnet werden.