Design von SAR–Sensoren für Fernerkundung und...

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: [email protected]

Webseite: www.keydel.com


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


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


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


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°


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


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


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


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


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


Shane Cloude‘s Ergebnis (2004): FOLPEN

Normierte Rückstreuung von einer Anordnung aus Dreifachreflektoren am Waldboden

HH+VV ungefiltert

POLISAR Filter


Predator MALE mit TESAR von Northrop Grumman


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


NanoSAR von ImSAR/Insitu


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


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


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


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


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

a

b

cd


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


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


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]


Blockschaltbild des TerraSAR-X-Frontend_Moduls [6.11]


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


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


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.


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.


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


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


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“


500 200

23

50

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


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


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


10 20 30 40 50 60θêGrad

3000

3500

4000

4500

5000PRFêHz

PRF als Funktion des Einfallswinkels bei 30 km Höhe


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


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°


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


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⋅⋅≈


Schema HALE Fernerkundungssystem für Überwachung & Aufklärung

HALE

Relais-Satellit

Bodenstationevtl. mobil

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