W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 1

"Design von SAR–Sensoren für Fernerkundung und Aufklärung"

Beitrag zur Vorlesung Hochauflösende Radarsystemeam IHF der Universität Erlangen,

Wolfgang KeydelMittelfeld 4, 82229 Hechendorf

Tel.: 08152-980 523, Fax: 08152-980 525E-Mail: wolfgang@keydel.com

Webseite: www.keydel.com

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Aufgabenstellung und Ziel

Vorstellung der für Aufbau & Nutzung eines SAR wichtigsten Parameter

Elektrodynamik, Elektrotechnik, Geometrie,Nutzung & Anwendung

Vorstellung der für Entwurf eines SAR notwendigen Schritte&

Erstellung einer „groben Basisspezifikation“ für ein kleines SAR

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Inhalt

1. Vorgegebener Definitions-Rahmen: Plattform Eigenschaften

2. Bedeutung von Höhenplattformen für Fernerkundung & Aufklärung

3. Physikalische Prinzipien des SARAnwendungsparameter, Radartechnik für Charakterisierung & Design eines SAR-Systems, Datenmengen & Prozessierung

4. Spezielle Radar-Verfahren & SAR – ModenPulsradar, FM-CW-Radar, Spot Light- & Scan-SAR,Interferometrie, Polarimetrie

5. Nutzerforderungen & SAR Anwendungen

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Inhalt 26. Stand der Technik bezüglich SAR-Komponenten und

SAR-Systemen auf UAV

6.1 Operationelle SAR-Sensoren und -Systeme auf UAV

6.2 Komponenten: Sender, Antenne, Prozessor´ 6.3 Datenverarbeitung

6.4 Grundsätzliche Möglichkeiten zur Modifikation handelsüblicher Systeme

6.5 Entwurf eines kleinen „Picolomini“ –SAR

7. Modellbeispiel eines SAR-Designs für ein HALE

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Sichtlinie zum Horizont, RH

RE

RH

H

S

( )

HRHHHRR

RRHR

EEH

HEE

22 2

222

≈+=

=−+

H = 30 kmRH= 618, S= 500km

H = 20 kmRH=500, S= 610 km

θi

Θi=82,5°

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General User Requirements

Land Use, Vegetational, & Hydrologic Applications

Distributed Targets: Radiometric Resolution < 1 dB, Calibration < 1 dB

Disaster Monitoring: ad hoc Measurements Every Hour within a Few Days

Dynamic Processes: Repetition 3 to 7 Days

General Monitoring: Repetition 4 Weeks

Static Phenomena Observation & Global Monitoring: Quarterly Repetition

Military User: Permanent Coverage of Special Scenes

Low cost systems: lightweight, small, easy to handle & to install

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Abhängigkeiten wesentlicher Anwendungsparameter von Systemfaktoren und Systemkomponenten

Parameter der Radargleichung, Verluste, Kohärenz, Fluktuationen

S/N, Anzeigewahrschein-lichkeit, Falschalarme

Eigengeschwindigkeit, AntenneBeobachtungsrepetition

Mittlere Sendeleistung, Antenne, Radar - Verfahren,

Reichweite

Eigengeschwindigkeit, AntenneMessbare Geschwindigkeit

Antenne, Frequenz, EigengeschwindigkeitPulswiederholfrequenz,

Schwadbreite

Antenne, Masse & Volumen Bandbreite, Frequenz, Sender, Prozessor

Auflösungsvermögen

Bestimmende System - Faktoren und - Komponenten

Anwendungsparameter

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Grundsatzbeispiele für generelle Nutzerforderungen

¼ JahrStatische Phänomene

4 WochenGenerelle Vegetation, Ernte etc.

1 - 7 Tage bis ¼ JahrDynymische Prozesse

Ad hoc, Stunden -Tage

Katastrophen - Management

¼ h bis hVekehrsbeobachtung

i. A. permanent Militärische Nutzung

MessperiodeArt der Aktivitäten

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Radar-Verfahren, Messgenauigkeit,

Polarisation,

Objekt-Qualität, -Struktur, Veränderungen,

Kohärenz

Radar Verfahren, Aufwand,Antenne

Objekt-Qualität, Struktur Materialeigenschaften (κ,ε,μ)

Polarisation

Auflösung, Bandbreite,Reichweite, Schwad, Antenne, Abmessungen,

Objektgeschwindigkeit,Entfernung, Eindringtiefe

Frequenz

Kohärenz, Bewegungs-fehler, Messgenauigkeit

Objektstruktur,DimensionEntfernung,Geländehöhen

Phase

Messgenauigkeit, Reichweite, S/N,

Rückstreuquerschnitt. -koeffizient,Objektgröße,

Amplitude WechselwirkungMessmöglichkeitParameter

Messmöglichkeitenelektrodynamichnischer Parameter & ihre Wechselwirkungen

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Messmöglichkeiten, elektrotechnischer Parameter & WechselwirkungenWechselwirkung

Kohärenz, Messgenauigkeit

Geländehöhen, Fluglage Zeitliche Veränderungen,

Basislänge (Interferometer)

Pixelgröße, Schwad, Datenraten, Auflösg, Polarisation, Reichw, Messgenauigkeit, Aufwand

Winkel, Objektanzahl,Anntennenparameter:Gewinn, Halbwertsbreite, Abmessungen Nebenzipfel, Schwenk

Radarverfahren, Sendeleistung,

GeschwindigkeitTastverhälnis

Schwad, Mehrdeutigkeiten, Leistung, Aufwand

Spitzenleistung, Objektgeschwindigkeit

Pulswiederholfrequenz (PRF)

Entfernungsauflösg, Frequenz, Aufwand

PulslängeBandbreite

Bandbreite, mittlere Leistung

EntfernungsauflösungPulslängeMessmöglichkeitParameter

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Shane Cloude‘s Ergebnis (2004): FOLPEN

Normierte Rückstreuung von einer Anordnung aus Dreifachreflektoren am Waldboden

HH+VV ungefiltert

POLISAR Filter

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Predator MALE mit TESAR von Northrop Grumman

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Spezifikationen für das MTI-SAR der Niederländischen TNO Defence, Security and Safety

10 to 20 m0,3 to 1,0 mground resolution

55 to 75 deg45 to 75 degIncidence angle

2 %2 to 10 %duty cycle

5 to >15 km3 to >15 15 kmfar range

1 to 8 km1 to 6 kmground swath

4 to 7 km2 to 7 kmnear range

3,5 km1 to 3,5 kmAltitude

11 or 2double pulse (1 or 2)

10 MHz300 to 600 (1 or 2) Bandwidth

8 μs6 to 12,5 μspulse length

3 kHz4 to 10 kHzPRF

MTI- SpezifkationenSAR - SpezifikationenSAR MTI Kanal

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NanoSAR von ImSAR/Insitu

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Die Antenne beeinflusst, bzw. definiertdie wesentlichen SAR-Systemparameter z.B.:

• Das Signal Rauschverhältnis über die Fläche (d.h. den Gewinn)

• Die Azimutauflösung über die Azimut-Ausdehnung• Die Schwadbreite über ihre vertikale Ausdehnung• Die Entfernungsauflösung über ihre Bandbreite• Mehrdeutigkeitsunterdrückung über die Seitenzipfel

des Antennendiagramms• Die erforderliche Primärleistung über ihre Fläche• Die Polarisations-Effektivität des Gesamtsystems

über ihre Kreuzpolarisationsreinheit• Die Überwachungskapazität über ihre Länge• Die Effektivität des Gesamtsystems über

Einschränkungen bezüglich Masse und Volumen

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Abb.6.3 a EL/M-2055 SAR-GMTI Radar , ELTAINS: 5kg, 50W, fliegt auf HERON

Abb.6.3b TESAR, Northrop,Predator

Abb.6.3c UAV-SAR Honeywell

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YouTubeSAR der Brigham Young University, Birmingham

7x70 x2FM-CW16 W200 – 9000,1 m x 0,6m0,9kg7,5x8,5x7,5

9,9

Antenne cm3

TypLeistgW

RSchwadkm

Auflösungm x m

Masse, Vol.kg, cm3

FrequGHz

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Patch-Antenne des CORISTA MiniSAR

W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 21PAS 99-Antenne der Firma ARA Electronis mit Spezifikationen und

Richtdiagrammen links in der E- und rechts in der H-Ebene

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Konforme Satelliten-Kommunikationsantenne im Flugzeug: a: Antenne, b: Integration in Flugzeug, c:Experimentschema, d:oben geschwenktes Diagramm

a

b

cd

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Funktionen von Microwave Power Modulen der Firma L3 Comunication25% - 30%Wirkungsgrad-54°C - 85°CTemperaturKonduktionKühlung30 nsecRise Time50 kHz (max)PRF100 nsec … CWPulsdauer0 – 100 % (CW)Tastverhältnis

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Firmenangaben zu Leistung, Masse und Volumen verschiedener Microwave Power Module L3 Communications [6.8].

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64,5 mm

13,5 mm

Frontend-Elektronik

Kontroll-Elektronik

SMTR64,5 mm

13,5 mm

64,5 mm

13,5 mm

64,5 mm

13,5 mm

Frontend-Elektronik

Kontroll-Elektronik

SMTR

EADS-TerraSAR-X-Frontend-Modul ohne Deckel [6.11]

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Blockschaltbild des TerraSAR-X-Frontend_Moduls [6.11]

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Leistungsparameter eines T/R–Frontend-Moduls für TerraSAR-X

5.625 degPhasenauflösung

< 1.8 deg RMS over Rx dynamic range 28dB to 8dB

Phasenfehler

< 0.22dB RMSAmplitudenfehler

0.2dB RMS & 2.0deg RMS Gewinn & Phasenstabilität

38dBm (⌂ 6,3 W) Ausgangsleistung

< 4.5dBRauschzahl

9.5 GHz to9.8 GHz.Frequenz

WertParameter

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Powerblock 50 System, Mercury Size (excluding connectors)105 mm x 134 mm x 148 mm (4.1 in x 5.3 in x 5.8 in)Weight (excluding connectors) with no slots populated 1873 g (66 oz)with 6 slots populated 2900 g (102.3 oz) typical processing performance 172 GFLOPS

Predator TESAR Prozessor,Mercury, 55 Pounds, 535 Watt, 10 GOPS

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Stand der TechnikStrip-Map SAR mit Spotlight-Modus

• Phased-Array-Antennen auf Kardan-Plattformen zur Erzielung großer Schwenkwinkel (in Azimut bis± 75°)

• MTI- bzw. GMTI-Modus• Echtzeitprozessierung an Bord.• Datenübertragung zu Bodenstationen

über Relais-Satelliten.

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Möglichkeiten für Modifikationen an handelsüblichen Sensoren

Modifikationen Grundsätzlich aufwändig & schwierig1. Prinzipiell am einfachsten: Austausch des gesamten Prozessors

2. Bei COTS-Radar: Antenne zusammen mit ihrer Kardan-Plattform gegen Phased-Array-Antenne austauschen. Zur Phased-Array-Steuerung notwendig: Kenntnis der Steuersignale des Kardans & die Eingangsspezifikationen des Radarkopfes.

3. Steuerung des Phased-Array zur Realisierung des Spotlight-Modus notwendig

4. Modifikationen möglichst in Kooperation mit der Herstellerfirma. Bei EADS evtl. Gruppen vorhanden, die sich auf Analyse fremder Geräte verstehen. Deren Hilfe sollte man in Anspruch nehmen.

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Entwurf eines kleinen „Picolomini“-SARFrage:

Ist es möglich, ein SAR mit einem Gewichtslimit von 5kg für ein sehr kleines Flugzeug, z.B. Typ Cessna oder Ultraleicht, zu entwickeln?

Auswahl von COTS – Produkten

∑ Antenne: PAS 99-Antenne der Firma ARA Electronis (Abb. 6.4), X- Band, Masse 6 oz > 0,170 kg, Abmessungen: 0,15m x 0,15 m

∑ Sende- Empfangsteil: T/R-Frontendmodul der Firma EADS, geschätzte Masse ca < 0,200 kg, geschätzte Abmessungen ca. 0, 130 m x 0,07 m, elektrische Leistungsparameter Tab. 6.7.

Beschaffungsprobleme sind hier nicht berücksichtigt

∑ Datenprozessor: Powerblock 50 System der Firma Mercury, Masse 2,9 kg, Abmessungen. 0,105 m x 0,134 m x 0, 148 m.

Gesamtmasse 3,3 kg

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3.8 dBRauschzahl

Spezifikationen für das Picolomini-SAR(Richtwerte bei 8 Azimut Looks)

300 MHzChirp-Bandbreite

30 dBKorrelationsgewinn

0,3 m x 0,15 mNominelle Slant-Auflösung δrg x δaz i

τP ª 300 μsec

komprimierte Pulslänge

17 kmMaximale Reichweite gegen 1 m2

300 msecunkomprimierte Pulslänge

0,4 < S/H <0,9Schwadbreite /km 0.1Tastverhältnis3 kHzPRF

0,3 £ AS/H £ 1Nahbereich gegen Nadir13 dBS/N

20° £ θi £ 50°Einfallswinkelbereich15° x 15°Antennendiagramm βvert x β hor

EADS T/RModulLeistungserzeugung0,15 m x 0,15 m

Antennendimension Dvert x Dhor

5 km, 70 m/secHöhe, Geschwindigkeit6 WCW-LeistungPulskompressionVerfahren 10 GHzFrequenzWertParameterWertParameter

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Forderungen:• Einbau in einen Zylinder von 50 cm Durchmesser • Masse £100 kg. • Die Flughöhe zwischen 20 km und 30 km • Detektions-Wahrscheinlichkeit eines nicht

fluktuierendes Objekt (σ = 1m2) 99% • Falschalarmwahrscheinlichkeit von 10-4. • Frequenz f=10 GHz entsprechend einer Wellenlänge λ = 3cm

• Einfallswinkel soll zwischen 20° und 50° liegen,

Entwurf eines „Basis-SAR“

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500 200

23

50

Antenne (200mm x 500mm x 50mm) im Rumpf, ø 500 mmSchema

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Power-Apertur (PAP) als Funktion der Höhe H

Parameter Einfallswinkel θi

16 18 20 22 24 26 28 300

5

10

15

20

25

30

65°60°

75°

65°70°

PAP/Wm4

H/km

θi

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25 30 35 40 45 50Θin

°

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

SêH

Normierter Schwad S/H als Funktion des Einfallswinkels θiParameter: β =5°, β =7°, β =10°, β =15°,

H

SA

RRf

Rn

θi

β/2β/2

= ⎢⎣⎡ −+ tan ()

2tan ( ⎥⎦

⎤− )2

βϑιβϑι

SH

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10 20 30 40 50 60θêGrad

3000

3500

4000

4500

5000PRFêHz

PRF als Funktion des Einfallswinkels bei 30 km Höhe

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Reichweite, R/km als Funktion der Power-Apertur, PAP/W m4

40

45

50

55

60

65

2 4 6 8 10

PAP/Wm4

R/km

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10 20 30 40 50 60 70θêGrad1000

2000

3000

4000

5000PRFêHz

10 20 30 40 50 60 70θêGrad1000

2000

3000

4000

5000PRFêHz

30000 40000 50000 60000Range êm

5

10

15

20

25

30

Watt

22000 24000 26000 28000 30000Höhe êm

2

4

6

8

10

12

14

Pave êWatt

25 30 35 40 45 50Θin

°

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

SêH

Notwendige CW Leistung als Funktion der Maximal- Reichweite

Zulässiger PRF-Bereich H = 30km als Funktion des Einfallswinkels θi

CW-Leistung als Funktion der Höhe, Parameter Einfallswinkel θi

20°30°40°

50°

10°

Normierter Schwad als Funktion des Einfallswinkels, Parameter: Halbwertsbreite β

5°7°

10°

15°

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3.8 dBRauschzahl

Spezifikationen für das Basis-SAR für HALE300 MHzChirp-Bandbreite30 dBKorrelationsgewinn

0,3 m x 0,3 mSlant-Auflösung δrgx δazτP ª 300 μsec

komprim. Pulslänge

50 kmMaximale Reichweite300 msecUnkomp. Pulslänge0,40 < S/H <0,9Max. normierter Schwad0.1Tastverhältnis

3 kHzPRF0,3 £ AS/H £ 1Norm.Schwadabstand

gegen Nadir13 dBS/N

20° £ θi £ 50°Einfallswinkelbereich10° x 4°Antennendiagrammβvert x β hor

HalbleiterLeistungserzeugung0,2 x 0,5Antenne/m x m 20 £ H £ 30Flughöhe/km18 WCW-LeistungPulskompressionVerfahren 10 GHzFrequenzWertParameterWertParameter

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Prozessierungsrelevante Designelemente Basis-SAR, 1Look (n =1), kp = 1

48 GB60 GBSpeicher

kp x 11,1 Mflopskp x 30 MflopsProzessierungs-Rate

4 km2 sec-15 km2 sec-1Fächenüber-deckungsrate

11,1 Mbps30 MbpsQ = nVS/δaz δrgPixel - Rate

100 Mbps270 MbpsDR = Nrg PRF Daten - Rate

33,3 kb90 kbNrg = S/δrgEntfernungspixel

6,7 kb12 kbNaz = Rmaxλ/2 δaz = L/δazAzimuth Pixel

20 sec25 secVerweilzeit

2400 m3000 mL = λ Rmax/DazSynt.Apertur

2.Wert Smax= 10 km

1.Wert Smax= 27km

FormelBezeichnung

azD V

RTδλ

2max=

.4Dc<VR=

dtdA=A S

S ⋅⋅max'

δδ rgazp

SVnk=PR⋅⋅

2max240

azrg

RSnMRδδ

λ⋅⋅≈

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Schema HALE Fernerkundungssystem für Überwachung & Aufklärung

HALE

Relais-Satellit

Bodenstationevtl. mobil