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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abbildung
der Erdoberfläche
mit einem Radarsystem mit synthetischer Apertur, bei welchem eine
Sende-/Empfangsantenne mit vorgebbarer Längserstreckung l mit einer
vorgebbaren Geschwindigkeit v über
die Erdoberfläche
bewegt wird, wobei Radarpulse mit einem vorgebbaren zeitlichen Abstand
T ausgesendet und reflektierte Radarechos empfangen werden.
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Vorrichtungen
der eingangs genannten Art werden beispielsweise auf Beobachtungssatelliten eingesetzt,
um Veränderungen
auf der Erdoberfläche sichtbar
zu machen.
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Aus
dem Stand der Technik ist ein Kleinsatellitensystem mit dem Namen
SAR-Lupe bekannt. Die Masse eines einzelnen Satelliten des Systems
beträgt
etwa 800 kg. Die zur Überwachung
der Erdoberfläche
ausgesandte Radarstrahlung weist eine Mittenfrequenz von 9,5 GHz
auf. Diese wird über
eine Antenne abgestrahlt, welche eine Längserstreckung in Flugrichtung
von etwa 2 bis 4 m aufweist. Die Breite der Antenne in einer Raumrichtung
orthogonal zur Flugrichtung liegt bei etwa 2 m bis 3 m. Die Radarstrahlung
wird gepulst abgegeben, wobei die Antenne in Bewegungsrichtung des
Satelliten zwischen zwei Pulsen um weniger als eine Antennenbreite
weiterbewegt wird. Auf diese Weise ist die Eindeutigkeit der Abbildung
nach dem Abtasttheorem von Nyquist und Shannon im gesamten Akzeptanzbereich
der Antenne gewahrt.
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Nachteilig
an diesem Stand der Technik ist jedoch, dass die ausgesandte Radarstrahlung
mit 9,5 GHz in Vegetation oder feuchte Böden nicht eindringen kann.
Daher kann das vorbekannte Satellitensystem zur Abbildung der Erdoberfläche für eine Vielzahl
von Umweltschutzaufgaben nicht eingesetzt werden. Weiterhin ist
der Bau und der Transport eines Satelliten mit einer Masse von 800
kg mit erheblichem Aufwand und Kosten verbunden.
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Die
objektive Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin,
die Möglichkeiten
der Radarüberwachung
der Erdoberfläche
zu geringeren Kosten verfügbar
zu machen. Weiterhin besteht die Aufgabe der Erfindung darin, auch
einen Eindringbereich unterhalb der Erdoberfläche in die Abbildung mit einzubeziehen.
Darüber
hinaus soll die erfindungsgemäße Vorrichtung
auch tropische Gebiete mit hoher atmosphärischer Luftfeuchte und häufigen Regenfällen zuverlässig überwachen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Vorrichtung zur Abbildung der Erdoberfläche mit einem Radarsystem mit
synthetischer Apertur, bei welchem eine Sende-/Empfangsantenne mit vorgebbarer Längserstreckung
l mit einer vorgebbaren Geschwindigkeit v über die Erdoberfläche bewegbar
ist, wobei Radarpulse mit einem vorgebbaren zeitlichen Abstand T
aussendbar und reflektierte Radarechos empfangbar sind, wobei für die Längserstreckung
l, die Geschwindigkeit v und den zeitlichen Abstand T gilt: T ≥ l2·v
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Weiterhin
besteht die Lösung
der Aufgabe in einem Verfahren zur Abbildung der Erdoberfläche mit einem
Radarsystem mit synthetischer Apertur, bei welchem eine Sende-/Empfangsantenne
mit vorgebbarer Längserstreckung
l mit einer vorgebbaren Geschwindigkeit v über die Erdoberfläche bewegt
wird, wobei Radarpulse mit einem vorgebbaren zeitlichen Abstand
T ausgesendet und reflektierte Radarechos empfangen werden, wobei
für die
Längserstreckung l,
die Geschwindigkeit v und den zeitlichen Abstand T gilt: T ≥ l2·v
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Erfindungsgemäß wurde
erkannt, dass ein Radar mit synthetischer Apertur auf einem Kleinstsatelliten
betrieben werden kann, obgleich die Pulswiederholfrequenz der ausgesendeten
Radarpulse so weit abgesenkt wird, dass nach dem Nyquist-Shannon-Theorem
eine Eindeutigkeit der Abbildung nicht mehr gewährleistet ist. Dies ist dann
der Fall, wenn die Sende-/Empfangsantenne
in Bewegungsrichtung zwischen zwei ausgesandten Radarpulsen um mehr als
ihre Längserstreckung
weiterbewegt wird. Im Gegensatz dazu geht der Stand der Technik
davon aus, dass das Nyquist-Shannon-Theorem erfüllt sein muss, um eine Abbildung
der vom Radar beleuchteten Oberfläche möglich zu machen. Durch das
erfindungsgemäße Absenken
der Pulswiederholfrequenz wird Energie eingespart, da die mittlere
ausgesandte Leistung mit abnehmender Einschaltdauer der Sendevorrichtung
sinkt. Dadurch kann Bauraum für
Batterien und Solarmodule auf einem Satelliten eingespart werden,
so dass der Aufwand für
die Herstellung und den Transport des Satelliten wunschgemäß sinkt.
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Durch
die geringere Pulswiederholfrequenz kann weiterhin größerer Messbereich
für die
Flugzeit der an der Erdoberfläche
reflektierten Radarechos abgedeckt werden. Auf die Weise kann die
maximal abtastbare Entfernung in einer Richtung quer zur Geschwindigkeit
v vergrößert werden.
Dadurch kann eine vorgegebene Fläche
in kürzerer
Zeit oder mit weniger Satelliten oder mit größerer Häufigkeit abgebildet werden.
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Um
die Auflösung
in Richtung der Geschwindigkeit v zu verbessern und zumindest bereichsweise eine
Eindeutigkeit der Abbildung herzustellen, wird in einer Weiterbildung
der Erfindung vorgeschlagen, die Bandbreite der Dopplerverschiebung
der empfangenen Radarechos auf mindestens einen vorgebbaren Bereich
um die Doppler-Nulllinie zu begrenzen, so dass der Empfangswinkelbereich
auf einen Wert begrenzt wird, welcher kleiner ist als die Winkelakzeptanz
der Sende-/Empfangsantenne. Bevorzugt, aber nicht zwingend, wird
die Bandbreite der Dopplerverschiebung dazu auf einen Bereich von
etwa 250 Hz bis 1.000 Hz begrenzt.
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Dies
kann beispielsweise mit einem Bandpassfilter oder einem digitalen
Signalprozessor erfolgen.
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Die
erfindungsgemäß vorgeschlagene
Vorrichtung weist bevorzugt eine räumliche Auflösung der
Abbildung der Erdoberfläche
auf, welche besser ist als 50 × 50
m2, besonders bevorzugt ist die Auflösung besser
als 30 × 30
m2. Damit weist die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Vorrichtung eine schlechtere Auflösung auf, als die bisher verwendeten
SAR-Satelliten. Dennoch ist diese Auflösung hinreichend, um beispielsweise
Umweltgefahren zu erkennen. Damit wird für diejenigen Anwendungen, welche
nur eine geringe Auflösung
erfordern, der Aufwand für
Herstellung und Transport der Überwachungssatelliten
verringert, ohne spürbare
Nachteile in der Anwendung in Kauf nehmen zu müssen.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weisen die ausgesandten
Radarpulse eine Mittenfrequenz von etwa 2 GHz bis etwa 4 GHz auf.
Diese Mittenfrequenzen liegen im S-Band und weisen den Vorteil auf, dass
diese auch bei großer
atmosphärischer
Luftfeuchtigkeit und/oder starkem Regen nur gering bedämpft werden.
Daher eignet sich das S-Band besonders auch für die Anwendung in tropischen
Gebieten. Weiterhin kann die ausgesandte Radarstrahlung des S-Bandes
in Vegetation oder Böden
eindringen, so dass auch die Erdoberfläche in stark bewachsenen Gebieten
und/oder ein Bereich unterhalb der Erdoberfläche abgebildet werden kann.
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Sofern
die Bandbreite der ausgesendeten Radarstrahlung größer ist
als die minimal geforderte Bandbreite, so kann diese in mindestens
zwei Unterbänder
mit unterschiedlicher Mittenfrequenz aufgeteilt werden. Damit können Bilder
der gleichen Szene bzw. des gleichen Flächenelementes auf der Erdoberfläche zeitgleich
mehrfach aufgenommen werden, wobei für jede Aufnahme die Radarstrahlung
eines Unterbandes zur Verfügung
steht. Durch inkohärente Überlagerung
dieser Aufnahmen kann die radiometrische Auflösung verbessert werden. In
einer Weiterbildung dieser Ausführungsform
kann die Bandbreite und/oder die Anzahl der Unterbänder in
Abhängigkeit des
Einfallswinkels der Radarstrahlung eingestellt werden. Damit kann
die Bandbreite und die Anzahl der einzelnen Aufnahmen der gleichen
Szene an die jeweilige Beleuchtungsgeometrie angepasst werden, so
dass die Auflösung
der Erdoberfläche über den gesamten
Sichtbereich der Vorrichtung konstant gehalten werden kann. Weiterhin
kann bei dieser Ausführungsform
der Signal-/Rauschabstand maximiert werden, wodurch die Qualität der Aufnahmen
trotz Änderung
der Entfernung annähernd
konstant bleibt.
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Nachfolgend
soll die Erfindung anhand von Figuren und einem Ausführungsbeispiel
ohne Beschränkung
des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt:
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1 das
Spektrum der ausgesandten Radarstrahlung und der empfangenen Radarechos
gemäß dem Stand
der Technik.
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2 zeigt
das Spektrum der ausgesandten Radarpulse und der empfangenen Radarechos
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt
das Spektrum der ausgesandten Radarstrahlung und der empfangenen
Radarechos gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
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4 zeigt
ein Blockdiagramm der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung.
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5 zeigt
den Aufbau eines erfindungsgemäß vorgeschlagenen Überwachungssatelliten.
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1 zeigt
das Spektrum der ausgesandten Radarpulse 11 sowie der empfangenen
Radarechos 10. Dargestellt ist die jeweilige Intensität auf der
Ordinate sowie die Frequenz auf der Abszisse. Im Beispiel gemäß 1 wird
eine Pulswiederholfrequenz gewählt,
bei welcher das Abtasttheorem erfüllt ist. Dies bedeutet, dass
jeweils mehr als zwei Pulse ausgesendet werden, ehe sich die Sende-/Empfangsantenne
entlang dem Geschwindigkeitsvektor v um ihre Länge l weiterbewegt hat.
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Das
in 1 dargestellte Spektrum zeigt beispielhaft drei
Spektrallinien 11a, 11b und 11c im Abstand
der Pulswiederholfrequenz. Demnach ist der Abstand der jeweiligen
Spektrallinien 11a und 11b sowie 11b und 11c durch
den Kehrwert des zeitlichen Abstandes T gegeben.
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Die
ausgesandte Radarstrahlung wird auf der Erdoberfläche reflektiert
und zumindest teilweise zur Sende-/Empfangsantenne zurückgeworfen.
Aufgrund der relativen Bewegung zwischen der Sende-/Empfangsantenne
und der Erdoberfläche
weisen die empfangenen Radarechos 10a, 10b und 10c eine Schar
positiver und negativer Dopplerfrequenzen auf, welche gegenüber der
Doppler-Nulllinie verschoben sind. Radarechos auf der Doppler-Nulllinie
weisen dieselbe Frequenz auf, wie die Mittenfrequenz der ausgesendeten
Radarpulse 11a, 11b oder 11c. Diese Radarechos
wurden an einem Zielobjekt reflektiert, welches in etwa senkrecht
zum Geschwindigkeitsvektor steht, mit welchem das Radarsystem über die
Erdoberfläche
bewegt wird. Somit kann durch die Diskriminierung einer Dopplerfrequenz
ein Empfangswinkelbereich eingeschränkt werden, unter dem das das
jeweilige Objekt beobachtet wurde.
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1 zeigt
ein Empfangsspektrum, bei welchem das Nyquist-Shannon-Theorem erfüllt und
damit die Eindeutigkeit der Abbildung sichergestellt ist. Dies bedeutet,
dass der gesamte vom Radarecho 10 abgedeckte Doppler-Frequenzbereich
für die
Erzeugung des jeweiligen Radarbildes verwendbar ist. Entsprechend
wird ein optional vorhandenes Dopplerfrequenzfilter so eingestellt,
dass es im Frequenzraum den Frequenzbereich 12 abdeckt.
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2 zeigt
den Spektralbereich eines Radars mit synthetischer Apertur im erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Betriebszustand. Erfindungsgemäß wird dabei
vorgeschlagen, den zeitlichen Abstand T zwischen zwei Radarpulsen
zu vergrößern. Dies
führt zu
einer geringeren Puls wiederholfrequenz. In 2 sind beispielhaft
vier Spektrallinien 11a, 11b, 11c und 11d von
vier gesendeten Radarpulsen dargestellt. Aufgrund der verringerten
Pulswiederholfrequenz nimmt der Abstand zweier benachbarter Spektrallinien,
beispielsweise 11a und 11b, im Frequenzraum ab.
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Da
die Dopplerverschiebung der empfangenen Radarechos 10a, 10b, 10c und 10d nur
von der Fluggeschwindigkeit des Radarsystems abhängt, verringert sich die Breite
der jeweiligen Verteilungsfunktionen nicht. Somit führt die
Verringerung der Pulswiederholfrequenz zu einem Überlappbereich 13a und 13b eines
jeden Radarechos mit seinem jeweiligen Nachbarn. Radarechos, welche
in den Überlappbereichen 13a und 13b empfangen
wurden, können
daher nicht mehr eindeutig einen gesendeten Radarimpuls 11a, 11b oder 11c zugeordnet
werden, sofern ein optional vorhandenes Dopplerfrequenzfilter eine
unveränderte
Bandbreite 12 aufweist.
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3 zeigt
nochmals ein Ausführungsbeispiel,
bei welchem die Akzeptanz der Sende-/Empfangsantenne nicht mit der Pulswiederholfrequenz abgestimmt
ist, beispielsweise weil die Winkelakzeptanz zu groß oder die
Pulswiederholfrequenz zu klein ist. Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 werden durch
ein Bandpassfilter mit der Bandbreite 14 Radarechos diskriminiert,
welche eine Dopplerverschiebung oberhalb eines vorgebbaren Grenzwertes
aufweisen. Durch die verringerte Dopplerbandbreite 14 des
erfindungsgemäß eingesetzten
Bandpassfilters wird somit der Empfangswinkelbereich der Sende-/Empfangsantenne
wieder auf den Eindeutigkeitsbereich beschnitten. Die Bereiche 13a, 13b und 13c, in
welchem eine eindeutige Zuordnung des jeweils empfangenen Radarechos
nicht möglich
ist, werden durch das Bandpassfilter diskriminiert und nicht zur Berechnung
des Radarbildes verwendet.
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Die
Bandbreite 14 des eingesetzten Bandpassfilters trägt dabei
beispielsweise etwa 250 Hz bis etwa 1.000 Hz. Auf diese Weise kann
durch die niedrigere Pulswiederholfrequenz in einer Richtung orthogonal
zum Geschwindigkeitsvektor eine größere Streifenbreite am Boden
rea lisiert werden, ohne dass die Auflösung in Richtung des Geschwindigkeitsvektors
unter Mehrdeutigkeiten leitet.
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4 zeigt
ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Radarsystems mit synthetischer Apertur.
Das Radarsystem umfasst eine Sende-/Empfangsantenne 53,
welche beispielsweise eine Längserstreckung
l in Flugrichtung von etwa 2 m bis etwa 3 m aufweisen kann. In einem
besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
beträgt
die Längserstreckung
der Antenne 2,8 m. In einer Richtung orthogonal zum Geschwindigkeitsvektor
beträgt
die Breite der Antenne etwa 0,3 m bis etwa 1,5 m. In einer bevorzugten
Ausführungsform
weist die Antenne eine Breite von 0,8 m auf.
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Die
Sende-/Empfangsantenne 53 wird mit dem Eingang eines Combiners 42 verbunden.
Der Combiner 42 ist dazu eingerichtet, die Antenne 53 zyklisch
mit einer Sendevorrichtung 41 und einer Empfangseinrichtung 43 zu
verbinden.
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Die
Sendevorrichtung 41 ist dazu eingerichtet, Radarpulse mit
einer vorgebbaren Pulswiederholfrequenz, einer vorgebbaren Mittenfrequenz
und einer vorgebbaren Bandbreite zu erzeugen. Bevorzugt ist diese
Mittenfrequenz des Radarimpulses aus dem S-Band gewählt, d.
h. etwa 2 GHz bis etwa 4 GHz, besonders bevorzugt etwa 3,2 GHz.
Die Bandbreite des von der Sendevorrichtung 41 erzeugten
Signals beträgt
vorzugsweise 20 MHz bis 80 MHz. Diese Bandbreite ist ausreichend
groß,
um in eine Mehrzahl von Frequenzbändern unterschiedlicher Mittenfrequenz
zur Anfertigung einer Mehrzahl von Aufnahmen desselben Flächenbereiches
aufgeteilt zu werden. Beispielsweise können zwei bis sechs Frequenzbänder mit
unterschiedlicher Mittenfrequenz vorgesehen sein.
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Die
oben angegebene Größe der Antenne benötigt nach
dem Nyquist-Shannon-Theorem eine Pulswiederholfrequenz von mehr
als 6 kHz, um eine eindeutige Abbildung entlang des Geschwindigkeitsvektors
zu ermöglichen,
wie anhand von 1 exemplarisch erläutert. Eine solche
Pulswiederholfrequenz beschränkt
jedoch die maximale Streifenbreite auf der Oberfläche in einer
Richtung orthogonal zum Geschwindigkeitsvektor auf etwa 10 km bis
etwa 15 km, je nach Flughöhe
des Satelliten und Einfallswinkel der Radarstrahlung auf der Erdoberfläche.
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Erfindungsgemäß wird nun
vorgeschlagen, die Pulswiederholfrequenz auf etwa 3 kHz bis etwa
5 kHz bei einer Pulslänge
von 10 μs
abzusenken. Auf diese Weise kann die Streifenbreite auf etwa 25
bis etwa 35 km erhöht
werden, ohne die geometrischen Abmessungen der Antenne zu vergrößern. Weiterhin beträgt die Einschaltdauer
der Sendevorrichtung 41 auf diese Weise nur 3% bis 5%,
so dass die elektrische Energieaufnahme des erfindungsgemäßen Radars
auf weniger als 100 Watt begrenzt werden kann.
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Zur
Unterdrückung
von Mehrdeutigkeiten im empfangenen Radarecho wird die Dopplerbandbreite 14 auf
etwa 500 Hz beschränkt,
wie in 3 dargestellt. Hierzu weist das Empfangsfilter 43 zumindest einen
Bandpassfilter auf, welcher beispielsweise als digitaler Signalprozessor
oder als analoge Schaltung realisiert werden kann.
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Das
vom Empfangsfilter 43 empfangene und aufbereitete Signal
wird nachfolgend einer Bilderzeugungseinrichtung 44 zugeführt, mit
welcher aus den empfangenen Radarechos in an sich bekannter Weise
ein Radarbild erzeugt wird. Die solchermaßen aufbereiteten Daten können in
der Bilderzeugungseinrichtung 44 noch komprimiert werden,
um dann nachfolgend einer Übertragungseinrichtung 45 zugeführt zu werden.
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Die Übertragungseinrichtung 45 moduliert die
von der Bilderzeugungseinrichtung 44 erzeugten Bilddaten
auf ein Trägersignal
und sendet dieses über
eine Sendeantenne 54 zu einer Bodenstation auf der Erdoberfläche.
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Zur
Erhöhung
des Signal-/Rauschverhältnisses
und der Auflösung
kann weiterhin vorgesehen sein, die Hochfrequenzbandbreite des Sendesignals in
eine vorgebbare Anzahl von Subbändern
mit geringerer Bandbreite und jeweils unterschiedlicher Mittenfrequenz
aufzuteilen. Hierzu steht eine Einrichtung 46 zur Verfügung. Somit
kann die gleiche Szene bzw. derselbe Flächenbereich auf der Erdoberfläche mehrfach
abgebildet werden, wobei eine Einrichtung 47 zur Anfertigung
einer Mehrzahl von Aufnahmen desselben Flächenbereichs innerhalb der
Bilderzeugungseinrichtung 44 zur Verfügung steht. Die Einrichtung 47 ist
weiterhin dazu eingerichtet, die Mehrzahl von Aufnahmen desselben
Flächenbereiches
inkohärent
zu addieren, um auf diese Weise eine einzige Aufnahme des jeweiligen
Flächenbereiches
mit optimierten Signal-/Rauschabstandes bereitzustellen.
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Optional
kann weiterhin eine Einrichtung 48 zur Anpassung der Anzahl
der Subbänder
und/oder deren Bandbreite in Abhängigkeit
des Einfallswinkels des Radarechos vorgesehen sein. Hierzu weist
die Einrichtung 48 eine Messvorrichtung auf, welche den Einfallswinkel
des Radarechos und/oder den Ausfallwinkel des gesendeten Radarpulses
bestimmt und diese Daten an die Einrichtung 46 zur Aufteilung
der Bandbreite in eine Mehrzahl von Subbändern unterschiedlicher Mittenfrequenz
weiterleitet.
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5 zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform
eines Satelliten, welcher eine Einrichtung gemäß 4 tragen
kann. Der Satellit 50 weist einen Körper 52 auf, welcher
beispielsweise eine Größe von weniger
als 1 Kubikmeter, bevorzugt weniger als 0,7 Kubikmeter aufweist.
Beispielsweise kann der Satellitenkörper 52 eine Grundfläche von
80 cm × 80 cm
und eine Höhe
von 1 m aufweisen.
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An
der der Erdoberfläche
zugewandten Grundfläche
des Satellitenkörpers 52 ist
die Sende-/Empfangsantenne 53 des
erfindungsgemäßen Radarsystems
angeordnet. Auf diese Weise hat das Radarsystem eine ungehinderte
Sichtverbindung zur Erdoberfläche.
Weiterhin befindet sich an einer Seitenfläche des Grundkörpers 52 in
geneigter Montageposition die Sendeanten ne 54, mit welcher
die aufbereiteten Daten des Satelliten 50 zur Bodenstation auf
der Erdoberfläche
gesendet werden. Auch die Antenne 54 ist bevorzugt so angeordnet,
dass diese nicht von anderen Bauteilen des Satelliten beschattet wird.
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Auf
der der Erdoberfläche
abgewandten und damit der Sonne zugewandten Seite ist zumindest eine
Solarzelle 51 angeordnet, um das Radarsystem sowie die
weiteren Systeme des Satelliten 50 mit elektrischer Energie
zu versorgen. Im Ausführungsbeispiel
gemäß 5 sind
zwei Solarzellen 51a und 51b vorgesehen. Aufgrund
des geringen Energieverbrauchs des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Radarsystems
können
auch die Solarzellen 51a und 51b mit geringerer
Fläche
ausgeführt
werden als nach dem Stand der Technik, so dass nochmals Bauraum
eingespart werden kann. Dadurch kann der erfindungsgemäß vorgeschlagene
Satellit mit einer Gesamtmasse von weniger als 100 kg realisiert
und somit kostengünstig
in eine Umlaufbahn transportiert werden.
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Dem
Fachmann ist selbstverständlich
geläufig,
dass die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt
ist. Vielmehr können
bei der Umsetzung der Erfindung Modifikationen und Änderungen
vorgenommen werden, ohne die Erfindung an sich wesentlich zu verändern. Die
vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern
als erläuternd
anzusehen.