Entwicklungstendenzen und Perspektiven für künftige SAR ... · SAR Polarimetrie (PolSAR) SAR...

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1Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue

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1Institut für Hochfrequenztechnk und Radar

Entwicklungstendenzen und Perspektiven für

künftige SAR Systeme

Wolfgang KeydelDLR Oberpfaffenhofen

Institut für Hochfrequenztechnik & RadarsystemeD-82230 Wessling, Germany

e-mail: [email protected] Addresse

Mittelfeld 4., D-82229 Hechendorf, GermanyTel.:+49-8152-980 523, Fax:+49-8152-980 525

e-mail: [email protected]

100 Jahre Radar, 30.04.2004

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Aspekte:Kritische Technologien, Verfahren, Systeme

Anforderungen:Klein, leicht, einfach zu handhaben, kostengünstig bei z.T. extremenWiederholraten bis hin zu Kontinuität, hoher Auflösung bis zu dm, Realzeit-Information

Beispiele TechnologieAntennen, Real Time processing

Leistungsverstärker auf GaN – Basis: Vorteile gegen GaAs Leistungsdichte: 5 – 10,X-band 30-40W, 5-18GHz 20-30W: Ersatz für Röhren, neue Systemarchitekturen.

Beispiele VerfahrenPolarimetrie, Polarimetrische Interferometrie, Tomographie, Digitale Keulenformung,

Superresolution durch kohärente ÜberlagerungenBeispiele Systeme

Multistatik, Sensor-Web, Formationsanordnungen, Neue Anwendungen

HTSC components Conventional diplexerLNA, FilterHTSL

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Kritische Antennen Elemente

Aktive Struktur, Kontrolle, Flächen-Profil & Rauhigkeit

In Entwicklung: SAR Membran-Antenne, HH & VV

3-Ebenen, Größe 12m x 3m Stau-Volumen < 1 m3

Membran-Material & Gerüst 45 kgSonnenschutz & Isolation 27 kgEntfaltmechanismus 100 kg (57%)Container 3 kg

Gesamtmasse 175 kg

Shaubert D., et al.: Lightweight. Deployable Antennas, Earth Science Enterprise Technology Planning Wokshop, JPL, 23 –24 Jan. 2001

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Antennen:Beispiel für Gewichtsverteilung (ASAR)

AntenneT/R – Module 60 kgPanel-Elemente 322 kg (61%)Verteiler-Netzwerk 48 kgThermalisolation 50 kgGesamt Antenne 480 kg

Haupt-PeriferieFixierung & Gehäuse 21 kgLeistungsversorgung Sender / Empfänger 26 kgDatenverarbeitung /Signal Processing 11 kg

Gesamt Haupt-Periferie 48 kg

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Digitale Keulenformung (Digital Beam Forming)Simultane Formung mehrer Keulen bei Empfang

Kontinuierliches Verweilen der Keulen auf allen Objektenim ausgeleuchteten Sektor

MPU

MPU

MPU

MPU

RecADC

RecADC

RecADC

RecADC

Transmitter

Central

Processor

Unit

Zoomim kleinen Teil des Gesamtbildes

von niedriger Auflösung zu hoher Auflösung

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T/R

ADC

MPU

T/R

ADC

MPU

Array Antenna

T/R

ADC

MPU

T/R

ADC

MPU

Central

Processor

Unit

Image Processor

Whole Array

Single Array Module

Strip MapWhole Area

Whole Arrray

Zoom bySquintDBF

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Spezielle Prozessierung erlaubt kleine Antennen

Konventionell

Ideales Filter

Ambiguities

Ausdehnung der Referenzfunktion in Azimut auf Mehrdeutigkeitsregionen in Verbindung mit „idealer Filterung“

erlaubt

Mehrdeutigkeitsunterdrückung

Reduktion der Forderungen an die Azimut-Ausdehnung derAntenne

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?Future SAR?

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Erwartete Technologieentwicklung bis 2020GaN Leistungs-Halbleiter60W…100W mit η > 60%

MiniaturisierungMasse & Volumen Reduktion auf 10%

Automatisierung von RADAR- & OperationsfunktionenReduktion des Aufwandes für Missions-Betrieb

Hochtemperatur SupraleiterExtrem schmale Filter & rauscharmeT/R-Module mit hohem S/N

Zukünftige SAR-Systeme Antenne mit wenigen peripheren Elementen (Solarzellen, GPS, Leistungsversorgung etc.)

Die SAR-Antenne mutiert zu einem kompletten Antennen-SAR

Zeitsynchroniation im Nanosekundenbereich

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Satelliten-SAR Entwicklung

TerraSAR2006

ERS-11991

RadarSAT1995

ENVISAT2002

Antenna SAR2015 ?

6 Sensoren2500kg

SAR 2750kg

10 Sensoren2145kg

SAR 480kg

SAR 100kg ?

1m x 12m750kg

1,4m x 15m750 kg

0,7m x 4,8m150kg

1m x 12m18kg

(1,5 kg m-2)

1m x 12530 kg

Von der SAR-Antenne zum Antennen-SAR

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Schema Digitaler Keulenformungs-Systeme

Digitale Keulenformung bei Empfang

Satelliten Array im Formationsflug

Master Satellit

Digitale Keulenformung bei Empfang

Array AntenneKommunikation

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Joint ONERA-DLR Bistatic Experiment Result

H2=3505m

θ=45°

E-SAR

RAMSES Bn

H1=3460m

θin

c

r

X-Band

100 MHz Bandwidth

RAMSES Monostatic

E-SARBistatic

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Multistatisches Satelliten-Experiment

Direct

Reflektiert

Reflektor

ReferenceAstraSender

Astra DBS Satellit

Autokorrelierte des Signals Referenz nach Idealfilterung

-18 -16 -14 -12 -10

-8 -6 -4 -2 0246

-200 -180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Zeit [ns]

Leis

tung

[dB

] 15 dB

3.8 mIRF (ideal filtering)

Spectrum Astra 1 Satelliten

Transponder 1-17 Transponder 18-23

Power

Frequency39 MHz 29.7 MHz

12.4985 GHz11.7001 GHz 12.7358 GHz

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Multistatik-SAR erlaubt „Superauflösung“

fa

fa

fa xa

xa

xa

Spectren Puls-Anworten

Rx1

Rx2

Σ

Rx1Rx2

Along-Track-AnordnungUnterschiedliche Dopplerzentroide

´

Superauflösung in Azimuth bei kohärenter Kombination der

versetzten Dopplerspectren

Cross-Track-AnordnungWellenzahlverschiebung bei

unterschiedlichen Einfallswinkeln

Superauflösung in Entfernung beikohärenter Kombination der Bildermit versetzten Entfernungsspektren

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Kombination von Polarimetrie & InterferometrieSAR Polarimetrie (PolSAR) SAR Interferometrie (InSAR)

Unterscheidung der Streuprozesseinerhalb einer Auflösungszelle

Lokalisierund der Streuzentreninnerhalb einer Auflösungszelle

Polarimetric SAR Interferometry (Pol-InSAR)

Messung der Höhenverteilung unterschiedlicher Streuprozesse in einer Auflösungszelle

3D Strukturen von Volumenstreuern

InSAR DEMSAR ImagePauli Decomposition: RGB

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SAR-Tomographie2-dimensionales Bild eines Schnittes (τοµή) durch ein 3-dimensionales Objekt

Mehrfache horizontale Flüge:

Interferometrie mit mehreren

Vertikalen Basislinien

y

z

x

12..N-1N

n

rL

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Shane Cloude‘s Ergebnis (2004): FOLPEN

HH+VV ungefiltert POLISAR Filter

Normierte Rückstreuung von einer Anordnung aus Dreifachreflektorenam Waldboden

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Verkehrsbeobachtung mit Radar

AER-II FGAN-FHR/EL

Autobahn:Fahrzeugein 2 Richtungen

MTI mit SRTM

IMF, DLR

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MTIMessung der Strömungsgeschwindigkeit im Wattenmeer

E-SAR, Along-Track-Interferometrie, X-Band

0 m/sec 2 m/sec

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Interferometrie mit Polarimetrischem SAR

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Multisensorik: E-SAR, DAIS, WAACDigital Airborne Infrared Scanner, Wide Angle Airborne

CameraSimultane Befliegung an Ätna (oben) & Stromboli (unten)

E-SAR WAAC,

DEM Validation

E-SAR DAIS

WAAC

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Interferometrie mit „Cartwheel“ (Wagenrad)

3 Passive Empfänger Satelliten:Auf Bahn des Master mit gleicherEkzentrizität um je 120º versetztGeichzeitig Along- & Across-Track-

BasislinienStabile maximale vertikale Basislinie

Master Satellit als SenderZB. ENVISAT, RadarSAT, etc

Empfänger

Sender

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X-SAR/SRTM Fehler Budget

Beispiele für Höhenfehler (Schwadmitte) Relativ (30 sec) Absolut (11 Tage) Fehlertyp ∆ ∆H ∆ ∆H Neigungsfehler (Winkel) 2 arcsec 3,0 m 9 arcsec 13,4 m Längenfehler 1,3 mm 0,8 m 4,0 mm 2,6 m Instrument Phasenfehler 4,0deg 4,2 m 4,0 deg 4,2 m Total (RMS) 5.5 m 14.4 m

X-SAR/SRTM Ursachen für Höhenfehler

Fehler der Basislinie

•Neigungsfehler

•Längenfehler

Instrument - Phasenfehler

Geforderte Genauigkeit ∆H

•Relativ (90 %) < 6 m

•Absolut (90 %) < 16 m

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Zukünftige Fernerkundungssysteme

Autonome, Integrierte Multisensor Systeme für Fernerkundung & Aufklärung

mit Kommunikations & Positionierungs-Kapazität

• SAR-Polarimetrie & -Interferometrie (10MHz to 10GHz)Zentralbeleuchter

• Viele synchronisierte, kleine & preiswerte Empfänger auf Basis vorhandener Massenproduktion( GPS, Handies etc.)

• Mehrfachnutzung der Frequenzbereiche, Techniken & Technologien von Com, Nav, RS

• Echtzeit Prozessierung & Merkmalsextraktion an Bord• Dezidierte Informationsübertragung zum Nutzer• Extrem genaue Signal- & Zeitsynchronisation• Äußerst effektive Daten- und Communication-Links

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Sensor Netz: Extremes Phased Array Antennen-SAR mit DBF

Jeder Satellit ist ein Array-Element

Software Basis des Ganzen

Intelligenz in den Board ComputernReal-Zeit: Parallele Datenverarbeitung, Processing, Auswertung

Standardisierung vonFrequenzen & Componenten zur Kostenreduzierung

Mehrfachnutzung Frequenzen & Anwendung der gleichen Modulefür Fernerkundung, Aufklärung, Navigation & Kommunikation

Conditio sine qua non: Exakte Synchronisation & Kommunikationzwischen allen System-Elementen

Multifunktional Integrierte Antennen-Aperturen

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Elemente eines globalen Sensor-Netzes

GEO

LEO UAV

GEO/2

RS

COM

TV

Jedes Element kommuniziert mit seinen Nachbarn

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Globales Multistatik-SAR-System auf GPS Basis

Digital Beamforming Empfänger

SenderL-Band

GPS Kanäle P-Code B =10MHz

Geostanionärer SatellitKomunicationFE-Sender

FE-Kanal auf GPS-SatellitenHohe LeistungB=300 MHz

Multisatelliten-Formationen

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'The future cannot be predicted.

It has to be invented.' (Dennis Gabor, 1900 -1979)

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