DE19938592A1

DE19938592A1 - Flugzeug- oder weltraumflugkörpergetragenes Radarsystem mit synthetischer Antennenapertur

Info

Publication number: DE19938592A1
Application number: DE19938592A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Keydel; Helmut Sues; Karl-Heinz Zeller; Reinhard Schroeder
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1999-08-18
Filing date: 1999-08-18
Publication date: 2001-03-29
Anticipated expiration: 2019-08-19
Also published as: DE19938592C2; JP2001108744A; US6388606B1

Abstract

Beim erfindungsgemäßen flugzeug- oder weltraumflugkörpergetragenen Radarsystem mit synthetischer Antennenapertur (SAR = Synthetic Aperture Radar) sind entsprechend einem bistatischen Radar eine Sende- und eine Empfangsantenne vorgesehen, die über der Erdoberfläche räumlich getrennt und auf verschiedenen Plattformen angeordnet sind, von denen sich mindestens eine bewegt, so daß sich eine Relativbewegung zwischen der Sende- und der Empfangsantenne ergibt. Entweder die Sendeantenne, die Empfangsantenne oder beide Antennen sind für die Mehrdeutigkeitsunterdrückung ausgelegt. Das Radarsystem nach der Erfindung dient insbesondere zur systematischen Abbildung der Erdoberfläche.

Description

Die Erfindung betrifft ein flugzeug- oder weltraumflugkörper getragenes Radarsystem mit synthetischer Antennenapertur (SAR = Synthetic Aperture Radar) zur Abbildung der Erdober fläche, wobei eine Mehrdeutigkeitsunterdrückung durch eine eine Bodenstreifenausleuchtung ergebende Antennenmindestbün delung mit Nebenkeulendämpfung vorgesehen ist.

Weltweit werden mittlerweile zahlreiche SAR-Systeme zur Ab bildung der Erdoberfläche eingesetzt. Diese Systeme können sowohl flugzeuggetragen als auch weltraumflugkörpergetragen, z. B. satellitengetragen, realisiert werden. Im Gegensatz zur optischen Abbildung können SAR-Systeme keine natürlichen Be leuchtungsquellen nutzen, sondern müssen das abzubildende Ge biet im gewünschten Frequenzbereich in geeigneter Weise selbst beleuchten.

Zu diesem Zweck wird bei den bekannten SAR-Systemen eine ein zige Antenne sowohl für den Sende- als auch für den Empfangs betrieb genutzt. Bei einem solchen SAR-System, das sich auch als monostatisches SAR-System bezeichnen läßt, ist ein gepul ster Radarbetrieb notwendig, bei dem die Sendeimpulse zeit lich begrenzt werden, so daß die Zeit zwischen zwei aufeinan derfolgenden Impulsen jeweils für den Empfangsbetrieb genutzt werden kann. Diese Betriebsart des Radars hat einige prinzip bedingte Nachteile und Einschränkungen.

Bei den herkömmlichen monostatischen SAR-Systemen werden, wie in Fig. 1 beispielhaft dargestellt ist, die im Sendezweig von einem Leistungsverstärker (HPA; High Power Amplifier) 1 kom menden Sendeimpulse über einen HF-Zirkulator 2 auf eine An tenne 3 geschaltet und von dort in den Raum zum Erdboden hin abgestrahlt. Die Sendeimpulse werden im Sendezweig zunächst von einem digitalen Chirp-Generator 4 aufbereitet und über zwei Quadraturkanäle I und Q mit Filtern 5 bzw. 6 und Misch stufen 7 bzw. 8 einem Summierer 9 zugeleitet. Sie werden da nach mittels einer Mischstufe 10, die außerdem mit der Fre quenz eines Lokaloszillators 11 betrieben wird, in die Sende frequenzlage umgesetzt und dann mit Hilfe eines HF-Filters 12 ausgefiltert. Danach werden sie dem bereits erwähnten Lei stungsverstärker 1 zugeführt. Die zwischen aufeinanderfolgen den Sendeimpulsen ankommenden Radarechos werden von derselben Antenne 3 empfangen und über den HF-Zirkular 2 und eine Emp fängerschutzschaltung 13 im Empfangszweig auf einen rauschar men Vorverstärker (LNA; Low Noise Amplifier) 14 geschaltet.

Nach Vorfilterung in einem HF-Filter 15, Mischung mit der Frequenz eines Lokaloszillators 16 in einer Mischstufe 17, Filterung ins Basisband mittels eines Filters 18, ausreichen der Verstärkung mit Hilfe eines Verstärkers 19 und einer Ana log/Digital-Wandlung mittels eines Analog/Digital-Wandlers 20 werden die gängigen Prozessierungsverfahren zur SAR-Bildgene rierung auf die in dieser Weise gewonnenen Radarrohdaten an gewendet.

Das geschilderte bekannte SAR-System monostatischer Art hat jedoch eine Reihe von Nachteilen.

Der zur Nutzung einer einzelnen Antenne notwendige Zirkulator ist verlustbehaftet und verfügt nur über eine begrenzte Ent kopplung zwischen Sende- und Empfangszweig. In Verbindung mit der deswegen notwendigen Empfängerschutzschaltung führt dies zu höheren Verlusten und einer Verschlechterung der System rauschzahl. Außerdem wird die maximale Spitzensendeleistung monostatischer Systeme derzeit durch den nur begrenzt mögli chen Empfängerschutz limitiert. Von Nachteil sind auch die aufwendige Stromversorgung und die hohe EMC(Electro-magnetic Compatibility; Elektromagnetische Verträglichkeit)-Belastung des Gesamtsystems, die sich ergeben, weil hohe Spitzensende leistungen im Pulsbetrieb notwendig werden. Bei der Bemessung der Sendeimpulslänge muß auf die Anforderungen des Empfangs fensters Rücksicht genommen werden. Eine Verringerung der Sendeimpulslänge erfordert aber eine Erhöhung der Sendelei stung, wenn ein konstantes Signal/Rausch-Verhältnis eingehal ten werden soll.

Beim bekannten monostatischen SAR-System ergibt sich außerdem eine eingeschränkte Flexibilität des Gesamtsystems bei der Realisierung von SAR-Sonderbetriebsarten und bei der Durch führung interferometrischer Messungen. Ein monostatisches SAR-System ist auch nicht in der Lage, gleichzeitig zu senden und zu empfangen. Während des Sendevorgangs ist kein Empfang möglich, und während das Radarecho empfangen wird, kann kein Sendeimpuls ausgestrahlt werden. Dadurch ist die maximale Zeitdauer für das Abtasten eines Radarechos auf einen Bruch teil des Sendepulsintervalls eingeschränkt. Da auch das Sen depulsintervall einen in erster Linie durch die Auflösung vorgegebenen Mindestwert nicht unterschreiten darf, existiert eine größtmögliche, hauptsächlich von der geforderten Auflö sung abhängige maximale Bildstreifenbreite, welche nicht überschritten werden kann.

Für weltraumflugkörpergestützte SAR-Systeme beträgt diese ma ximale Bildstreifenbreite, je nach Einfallswinkel, etwa 8 bis 20 km bei einer Auflösung von 1 m beziehungsweise etwa 40 bis 100 km bei einer Auflösung von 5 m.

Die Unfähigkeit von gleichzeitigem Senden und Empfangen des bekannten monostatischen SAR-Systems hat außerdem zur Folge, daß diejenigen Entfernungsbereiche, für welche die Laufzeit der Radarwelle ein ganzzahliges Vielfaches des Sendepulsin tervalls ist, nicht abgebildet werden können. Damit diese Entfernungsbereiche dennoch abgebildet werden können, ist das Sendepulsintervall bzw. die Wiederholfrequenz der Sendeim pulse umzuschalten. Bei jedem solchen Umschaltvorgang muß aber die Laufzeit der Radarwelle abgewartet werden, was Sy stemverluste bedeutet und letztlich die erreichbare Auflösung des SAR-Systems weiter einschränkt.

Da beim bekannten monostatischen SAR-System Einfalls- und Ausfallswinkel immer gleich sind und auf derselben Seite vom Lot auf die abzubildende Fläche liegen, kann also die Rück streucharakteristik der abzubildenden Fläche nur für gleiche Ein- und Ausfallswinkel gemessen werden. Die Rückstreucharak teristik für unterschiedliche Ein- und Ausfallswinkel und da mit ein großer Teil der Mikrowelleneigenschaften der abzubil denden Fläche kann demnach vom bekannten SAR-System der mono statischen Art nicht erfaßt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, für eine Abbildung der Erdober fläche ein SAR-System zu schaffen, das ohne erhebliche Sy stemverluste bei hohem erzielbarem Auflösungsvermögen eine größere Flexibilität sowohl bei der Abbildungsanordnung als auch bei der Unterdrückung der beschriebenen Mehrdeutigkeiten und eine deutliche Erhöhung der Bildstreifenbreite zuläßt. Darüber hinaus soll das zu schaffende SAR-System in einfacher Weise realisierbar sein und teilweise auch zu Kostensenkungen führen.

Gemäß der Erfindung, die sich auf ein Radarsystem der ein gangs genannten Art bezieht, wird diese Aufgabe dadurch ge löst, daß entsprechend einem bistatischen Radar eine Sende- und eine Empfangsantenne vorgesehen sind, die über der abzu bildenden Erdoberfläche räumlich getrennt und auf verschiede nen Plattformen angeordnet sind, von denen sich mindestens eine bewegt, so daß sich eine Relativbewegung zwischen der Sende- und der Empfangsantenne ergibt, und daß entweder die Sendeantenne, die Empfangsantenne oder beide Antennen für die Mehrdeutigkeitsunterdrückung ausgelegt sind.

Mit dem bistatischen SAR-System nach der Erfindung kann gleichzeitig gesendet und empfangen werden. Es kann sogar durchgehend gesendet und empfangen werden, wobei sich das Sendesignal in bestimmten Zeitabständen periodisch wiederholt (Sendepulsintervall). Als Sendesignal ist in vorteilhafter Weise ein FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)-Signal möglich. Das Sendesignal ist in diesem Fall beispielsweise sägezahnförmig frequenzmoduliert, wobei es die ganze System bandbreite durchläuft und nach Ablauf des Sendepulsintervalls auf die Startfrequenz zurückspringt.

Aber auch andere periodische Modulationsarten, welche die ganze Systembandbreite ausnutzen, sind möglich. Wie auch beim monostatischen SAR-System hat dieses Sendepulsintervall ört liche Mehrdeutigkeiten zur Folge. Mehrdeutigkeitsgebiete, aus denen Radarechos das Instrument um einen oder mehrere Sende pulsintervalle versetzt erreichen, müssen unterdrückt werden.

Es ist ein Ziel der Antenne, diese Mehrdeutigkeiten zu unter drücken. Beim monostatischen SAR-System hat man nur eine ein zige Antenne. Diese muß die Mehrdeutigkeitsgebiete, aus denen Radarechos das Instrument zur gleichen Zeit und mit derselben Dopplerverschiebung erreichen wie die vom abzubildenden Ziel gebiet kommenden Radarechos, zuverlässig und ausreichend stark unterdrücken. Dazu muß die Antenne eine gewisse Min destbündelung einhalten, und die Nebenkeulen im Antennen richtdiagramm müssen ausreichend unterdrückt werden. Die For derung nach einer gewissen Mindestbündelung bedeutet auch, daß höchstens eine gewisse Streifenbreite beleuchtet werden kann. Die derzeitigen nach dem monostatischen Prinzip arbei tenden satellitengetragenen SAR-Systeme sind alle nach dieser Systemgrenze ausgelegt.

Beim bistatischen SAR-System läßt sich zunächst auswählen, welche Antenne (Sende- oder Empfangsantenne oder auch beide) die Mehrdeutigkeiten unterdrücken soll. Das System kann also im Gegensatz zum monostatischen Prinzip so ausgelegt werden, daß die Antennenkeule der Sendeantenne so breit ist, daß der ganze Einsehbereich von kleinsten bis zu den größten Ein fallswinkeln beleuchtet wird, ohne daß auf Mehrdeutigkeitszo nen Rücksicht genommen werden muß. Die Unterdrückung von Mehrdeutigkeitszonen wird dann allein von der oder den Emp fangsantennen geleistet.

Bei einer solchen Breitstreifensystemauslegung werden also an die Sendeantenne nur geringe Ansprüche gestellt. Es sollte lediglich darauf geachtet werden, daß sie keine Sendeleistung an nicht abbildbare Gebiete verschwendet und den abbildbaren Streifen einigermaßen homogen beleuchtet. Die Sendeantenne wird bei weltraumflugkörpergestützten Systemen also ver gleichsweise klein und preisgünstig.

Die Empfangsantenne dagegen ist in der Regel zu tapern, um die für eine gute Mehrdeutigkeitsunterdrückung nötige Neben keulendämpfung von etwa 25 dB zu erreichen. Die Empfangsan tennen werden im Vergleich zur Sendeantenne also großflächig bei hohen Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit sein. Die Empfangsantennen können aber innerhalb des von der Sende antenne beleuchteten Zugriffsstreifens beliebig ausgerichtet werden. Tote Zonen wie beim monostatischen SAR-System gibt es nicht. Durch Aneinanderreihung mehrerer solcher in sich mehr deutigkeitsfreier Streifen läßt sich beim bistatischen SAR nach der Erfindung prinzipiell der ganze Einsehbereich der Sender/Empfänger-Kombination abbilden, ohne Einschränkung der möglichen Auflösung und unabhängig von der verwendeten Puls wiederholfrequenz. Für jeden dieser in sich mehrdeutigkeits freien Streifen kann eine eigene Antenne und auch ein eigene Plattform z. B. in Form eines Satelliten verwendet werden. Die Realisierung ist aber auch mit nur einer Empfangsantenne mög lich, nämlich dann, wenn ein mit dem Prinzip der phasengesteu erten Antennen verwandtes Prinzip benutzt wird.

Bei der phasengesteuerten Antenne wird die Antenne in der Elevation in mehrere Zeilen unterteilt. Jede dieser Zeilen hat ihren eigenen einstellbaren Laufzeitschieber, so daß die Signallaufzeit jeder Antennenzeile getrennt eingestellt wer den kann, bevor die Signale der einzelnen Zeilen zum Anten nensummensignal aufaddiert werden. Durch geeignete Einstel lung der Laufzeitschieber läßt sich die Antennenhauptkeule in der Richtung schwenken. Werden den Laufzeitschiebern noch Amplitudensteller hinzugefügt, so kann auch die Breite der Antennenhauptkeule eingestellt werden. Bei einer physikalisch realisierten phasengesteuerten Antenne kann eine in weiten Bereichen schwenk- und formbare Antennenhauptkeule genau rea lisiert werden.

Bestünde der Wunsch, mit nur einer physikalischen Empfangsan tenne jedoch mehrere elektronische Antennen zu realisieren, die verschieden ausgerichtet sind, so wäre für jede dieser elektronischen Antennen ein eigener Laufzeitschieber und Ver stärkungseinsteller für jede Antennenzeile nötig. Die Antenne würde also in diesem Falle extrem aufwendig.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der anliegenden Zeich nungen weiter erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das bereits in der Einleitung beschriebene Block schaltbild des Frontends eines herkömmlichen SAR- Systems nach dem monostatischen Prinzip,

Fig. 2 das Blockschaltbild von Frontends eines bistati schen SAR-Systems nach der Erfindung mit digita ler Strahlformung,

Fig. 3 Grundkonfigurationsbeispiele eines bistatischen SAR-Systems nach der Erfindung,

Fig. 4 in einem Diagramm die minimale Antennenfläche ei nes herkömmlichen monostatischen SAR-Systems ohne Gewichtung in Abhängigkeit vom Einfallswinkel für eine Bahnhöhe von 400 km, und

Fig. 5 in einem Diagramm ebenfalls in Abhängigkeit vom Einfallswinkel für eine Bahnhöhe von 400 km die minimale Antennenfläche der großen Antenne eines bistatischen Systems nach der Erfindung mit 26 dB-Nebenkeulenunterdrückung.

Im herkömmlichen SAR-Empfangszweig wird das empfangene Anten nensummensignal verstärkt, gefiltert, heruntergemischt und im Analog/Digital-Wandler abgetastet, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Moderne Analog/Digital-Wandler sind schnell genug, so daß das Heruntermischen auf eine niedrigere Frequenz entfal len und durch den Abtastvorgang gleich miterledigt werden kann. Es wird also im Empfangszweig nur noch ein rauscharmer Verstärker, ein Filter zur Unterdrückung von Mehrdeutigkeiten im Frequenzbereich sowie ein schneller Analog/Digital-Wandler benötigt.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, wird für jede Antennenzeile Z1. . .ZN einer als phasengesteuerte Antenne ausgebildeten planaren Empfangsantenne 21 eine solche kostengünstige Emp fängerkette realisiert. An jede Antennenzeile Z1. . .ZN ist so mit ein Empfangszweig E1. . .EN angeschlossen, der jeweils aus einem rauscharmen Verstärker 22, einem Filter 23 zur Unter drückung von Mehrdeutigkeiten im Frequenzbereich sowie einem schnellen Analog/Digital-Wandler 24 besteht. Die digitali sierten Ausgangssignale der Analog/Digital-Wandler 24 aller Empfangszweige E1. . .EN werden einem Rechner 25 eingegeben. Dann kann die Signallaufzeit und die Amplitude (Verstärkung) mit hoher Präzision im verarbeitenden Rechner 25 eingestellt werden.

Somit findet die Bildung des Antennensummensignals erst im Rechner 25 statt, und die Realisierung beliebig vieler ver schiedener elektronischer Antennen mit nur einer physikali schen Antenne verlangt keinen Hardwareaufwand mehr, sondern nur noch Rechenzeit (digitale Strahlformung). Die zur guten Unterdrückung von Mehrdeutigkeiten nötige hohe Nebenkeulen dämpfung bedingt eine hohe Präzision der Laufzeitschieber und der Verstärkungseinstellungen. Diese Präzision gewährleistet der Rechner und ist kein Kostenfaktor mehr.

Ferner ist man nicht mehr darauf angewiesen, durch ein ausge feiltes Antennendesign an die Grenzen der möglichen Bild streifenbreite aus einem einzelnen Antennendiagramm zu gehen; denn die Berechnung eines weiteren Bildstreifens an beliebi ger Stelle innerhalb des vom Sender breit beleuchteten Zu griffsstreifens erfordert keinerlei zusätzlichen Hardwareauf wand, sondern nur zusätzliche Rechenzeit.

Der Sendezweig des in Fig. 2 dargestellten SAR-Systems nach der Erfindung ist übereinstimmend mit demjenigen des bistati schen Radarsystems nach Fig. 1 aufgebaut, wobei lediglich zu berücksichtigen ist, daß die Antenne 1 eine kleine, nicht scharf bündelnde Antenne sein kann und der HF-Zirkulator ent fällt.

Die im Sendezweig vom Leistungsverstärker 1 kommenden Sendeimpulse werden also über den HF-Zirkulator 2 auf die An tenne 3 geschaltet und von dort in den Raum zum Erdboden hin abgestrahlt. Die Sendeimpulse werden im Sendezweig zunächst vom digitalen Chirp-Generator 4 aufbereitet und über die bei den Quadraturkanäle I und Q mit den Filtern 5 bzw. 6 und den Mischstufen 7 bzw. 8 dem Summierer 9 zugeleitet. Sie werden danach mittels der Mischstufe 10, die außerdem mit der Fre quenz des Lokaloszillators 11 betrieben wird, in die Sende frequenzlage umgesetzt und dann mit Hilfe des HF-Filters 12 ausgefiltert. Danach werden sie dem vorher erwähnten Lei stungsverstärker 1 zugeführt.

Bei Anwendung dieses Prinzips entsteht zwar eine hohe Daten rate, da mehrere Analog/Digital-Wandler parallel geschaltet sind. Bei der anhaltend rasanten Entwicklung der Rechnertech nologie stellt diese Tatsache jedoch kein größeres Problem dar. In vorteilhafter Weise wird eine wesentlich größere Bildstreifenbreite gewonnen, die nur noch vom zentralen Be leuchter begrenzt wird.

Das Prinzip des bistatischen SAR-Systems nach der Erfindung mit Trennung von Sende- und Empfangseinheiten auf verschie dene Plattformen bedeutet, daß die Einfallsrichtung auf der Erdoberfläche mit der erfaßten Rückstrahlrichtung der Radar wellen ganz im Gegensatz zum bekannten monostatischen Prinzip nicht zusammenfallen muß. Dadurch eröffnen sich vielfältige neue Möglichkeiten, ein abbildendes Radarsystem zu realisie ren. In Fig. 3 sind mehrere Grundkonfigurationen schematisch dargestellt.

Danach sind z. B. folgende Konstellationen des bistatischen Betriebs möglich.

1. Der Sender mit seiner Sendeantenne befindet sich auf ei ner geostationären Bahn GEO. Ein oder mehrere zum SAR-System gehörende Empfänger befinden sich auf einem erdnahem Orbit LEO oder auf flugzeuggetragener Platt form. Der/die Empfänger empfangen die Rückwärtsstreuung der von der Sendeantenne abgestrahlten Radarwellen. Der Vorteil der Rückwärtsstreuung ist die gute Entfernungs auflösung des Systems durch den Zweiweg-Laufzeitunter schied der Radarechos. Nachteilig ist die relativ schwa che Rückwärtsreflexion der Radarwellen.
2. Der Sender mit seiner Sendeantenne befindet sich auf ei ner geostationären Bahn GEO. Ein oder mehrere Empfänger auf einem erdnahem Orbit LEO oder auf flugzeuggetragener Plattform empfangen die Vorwärtsstreuung der Radarwel len. Vorteil der Vorwärtsstreuung ist die starke Streu ung der Radarwellen im Bereich der Spiegelreflexion. Nachteilig ist die Verschlechterung der Entfernungsauf lösung des Systems, da sich die Laufzeitunterschiede der Radarechos teilweise kompensieren. Im Bereich der exak ten Spiegelreflexion (Einfallswinkel = Ausfallswinkel) ist keine Entfernungsauflösung mehr möglich.
3. Der Sender bewegt sich auf einem erdnahen Orbit LEO. Es lassen sich drei verschiedene Fälle unterscheiden. Ent weder bewegen sich ein oder mehrere Empfänger auf dem identischem Orbit LEO, jedoch zeitversetzt, oder es be wegen sich ein oder mehrere Empfänger auf unterschiedli chem Orbit oder es bewegen sich ein oder mehrere Empfän ger auf flugzeuggetragener Plattform.
4. Ein stationärer Sender ist z. B. auf einem Berggipfel BG angeordnet. hier lassen sich zwei verschiedene Fälle un terscheiden. Entweder bewegen sich ein oder mehrere Emp fänger auf einem erdnahem Orbit LEO oder es bewegen sich ein oder mehrere Empfänger auf flugzeuggetragener Platt form.

Grundsätzlich sind alle Kombinationen von Sende- und Emp fangsplattform möglich. Es muß sich nur mindestens eine der beiden Plattformen bewegen, da die Relativbewegung zwischen Sende- und Empfangsantenne die Voraussetzung für die Ausnut zung des Dopplereffektes ist, der die Auflösung des Bildes in Bewegungsrichtung erlaubt.

Ein grundsätzliches Problem, das bei allen abbildenden Radar systemen mit synthetischer Apertur auftaucht, ist das Auftre ten von Mehrdeutigkeiten in Entfernungsrichtung durch die Schrägsichtgeometrie und das Auftreten von Mehrdeutigkeiten im Dopplerspektrum durch die Abtastung mit der Pulswiederhol frequenz. Grundsätzlich erfolgt die Unterdrückung von Mehr deutigkeiten durch eine geeignete Wahl der Antennenabmessun gen, bei der durch ausreichende Bündelung des Antennenstrahls mehrdeutige Bereiche gleichsam ausgeblendet werden, indem diese nur noch von den unvermeidlichen Antennennebenkeulen beleuchtet werden.

Beim bistatischen SAR-System nach der Erfindung ergibt sich neben der größeren Flexibilität bei der Abbildungsanordnung auch eine größere Flexibilität bei der Unterdrückung der be schriebenen Mehrdeutigkeiten.

Grundsätzlich ergeben sich folgende Möglichkeiten:

1. Die Sendeantenne ist scharfbündelnd und sorgt daher für die Mehrdeutigkeitsunterdrückung in der Elevation und im Azimut, während die Empfangsantennen eine vergleichs weise mäßige Bündelung und einen mäßigen Antennengewinn haben.
2. Die Empfangsantennen sind scharfbündelnd und sorgen für die Mehrdeutigkeitsunterdrückung im Azimut und in der Elevation, während die Sendeantenne klein und mit mäßi ger Bündelung und mäßigem Antennengewinn ausgeführt ist.
3. Die Sendeantenne sorgt für die Mehrdeutigkeitsunterdrüc kung im Azimut (scharfbündelnd im Azimut entsprechend der Auflösungsanforderung), während sie in der Elevation den gesamten oder zumindest einen großen Teil des Zu griffsbereichs beleuchtet. Die Ausrichtung ist absolut unkritisch. Die Empfangsantennen sorgen für die Mehrdeu tigkeitsunterdrückung in der Elevation und sind in der Azimutkeule breit genug, um die Lageregelung sowohl der Sende- als auch der Empfangsantenne absolut unkritisch zu machen. Die Mindestbündelung zur Mehrdeutigkeitsun terdrückung wird also durch die Schnittfläche der Boden erfassungsflächen (Footprints) beider Antennen gewähr leistet, was bedeutet, das sowohl die Sende- als auch die Empfangsantenne von der Fläche her im Vergleich zum bekannten monostatischen SAR-System relativ klein sein können.

Bei Zuordnung der scharfbündelnden Antenne zum Sender ergibt sich der Vorteil, daß die Empfangssatelliten sehr klein, leicht und billig gebaut werden können, da eine geringe Ent fernung zum Datenrelais besteht, keine Datenspeicherung er forderlich ist, kein Schwenk der Antennenhauptkeule durchge führt werden muß, die Empfangsantenne klein ausgebildet wer den kann, der Empfänger nur mit Analog/Digital-Wandler ausge stattet sein muß und die Daten zum Relais durchgereicht wer den. Ein Vorteil besteht auch darin, daß die Lageregelung der Empfangssatelliten unkritisch ist. Ein Nachteil der Zuordnung der scharfbündelnden Antenne zum Sender kann darin gesehen werden, daß der Sender eine große Antenne mit schwenkbarer Hauptkeule erfordert.

Bei Zuordnung der scharfbündelnden Antenne zum Empfänger er gibt sich der Vorteil, daß - je nach Zahl der Empfangssatel liten - kleine Zielgebiete gleichzeitig und ohne Auflösungs verlust abgetastet werden können. Ein Vorteil besteht auch darin, daß die Ausrichtung der Sendeantenne unkritisch ist. Ein Nachteil der Zuordnung der scharfbündelnden Antenne zum Empfänger kann darin gesehen werden, daß die Empfangsantennen relativ großflächig werden und in der Elevation schwenkbar sein sollten.

Wenn die Mehrdeutigkeitsunterdrückung im Azimut ausschließ lich von der Sendeantenne und die Mehrdeutigkeitsunterdrüc kung in der Elevation ausschließlich von der Empfangsantenne bewirkt wird, ergibt sich der Vorteile, daß - je nach Zahl der Empfangssatelliten - mehrere kleine Zielgebiete gleich zeitig und ohne Auflösungsverlust abgetastet werden können. Vorteilhaft ist auch, daß die Ausrichtung sowohl der Sende- als auch der Empfangsantenne unkritisch ist. Von Vorteil ist auch, daß Scan-SAR-Betrieb mit einer eindimensional (Elevation) schwenkbaren Empfangsantenne möglich ist. Dabei kann die Sendeantenne starr ausgerichtet werden, obwohl die Lage des Zielgebietes quer zur Sensorspur innerhalb des Zu griffsstreifens frei wählbar ist. Wenn die Sendeantenne im Azimut und die Empfangsantenne in der Elevation schwenkbar ist, sind alle Sonderbetriebsarten möglich.

Ein gewisser Nachteil der vorstehend beschriebenen Beteili gung beider Antennen bei der Mehrdeutigkeitsunterdrückung be steht darin, daß die Sendeantenne verhältnismäßig kompliziert getapert werden muß, um im Azimut die für eine gute Mehrdeu tigkeitsunterdrückung nötige Nebenkeulendämpfung zu erzielen und um in der Elevation eine einigermaßen gleichmäßige Strah lungsleistungsdichte an einem Zielobjekt über den gesamten Zugriffsstreifen zu gewährleisten.

Im folgenden wird unter Heranziehung von Fig. 4 und 5 ein Aus führungsbeispiel des SAR-Systems nach der Erfindung be schrieben.

Die Ausführbarkeit des beschriebenen SAR-Systems nach der Er findung wurde mit SAR-Simulationswerkzeugen untersucht, wobei die Zuverlässigkeit dieser Werkzeuge bereits mehrfach anhand realisierter SAR-Systeme nachgewiesen wurde. Als Ausführungs beispiel wurde ein SAR-System untersucht, bei dem ein Sender auf einem niedrigen Erdorbit plaziert (400 km) ist und ein oder mehrere Empfangssysteme auf identischem Orbit vorgesehen sind, sich aber zeitversetzt bewegen. Eine derartige Konfigu ration ist z. B. für eine Anwendung auf der internationalen Raumstation Columbus möglich.

Wie im Vorstehenden bereits ausgeführt wurde, muß jedes ab bildende SAR-System bestimmte Anforderungen an seine minimale Antennenfläche erfüllen, um die prinzipbedingten Mehrdeutig keiten noch in ausreichendem Maße zu unterdrücken. Diese not wendige minimale Antennenfläche ist von der Bahnhöhe und dem Blickwinkel des Systems abhängig. In Fig. 4 ist die minimale Antennenfläche eines bekannten monostatischen SAR-Systems mit ungetaperter Antenne in Abhängigkeit vom Einfallswinkel für eine Bahnhöhe von 400 km dargestellt. Die obere x-Achse stellt die Entfernung zum Nadirpunkt dar und erlaubt somit eine direkte Abschätzung des Zugriffsbereiches.

Wird bei einem bistatischen SAR-System entsprechend der Er findung entweder die Sende- oder Empfangsantenne wesentlich kleiner gemacht, als dies nach Fig. 4 eigentlich notwendig wä re, so erfolgt die Unterdrückung der Mehrdeutigkeiten nur durch die Einwegcharakteristik der jeweils anderen Antenne. Wird das Nebenkeulenniveau im Vergleich zum monostatischen Fall um den Faktor 2 auf z. B. -26 dB abgesenkt, was einem insgesamt konstanten Mehrdeutigkeitsverhältnis entspricht, so vergrößert sich die minimale Antennenfläche auch um den Fak tor 2, da die Apertureffizienz entsprechend abnimmt. Fig. 5 stellt diesen Fall für die gleiche Bahnhöhe dar.

Für die Ausführbarkeitsabschätzung wurde ein bistatisches SAR-System mit folgenden Eckdaten zugrunde gelegt:

Sendeantenne Parabolreflektor

Durchmesser = 0,5 m
Öffnungswinkel = 4,135°
Gewinn = 31,9 dB

Eine solche Sendeantenne würde bei einer Orbithöhe von 400 km folgende Gebietsgrößen ausleuchten:

Bei Verwendung einer solch kleinen Sendeantenne muß die Emp fangsantenne nach Fig. 5 bei einem Einfallswinkel von 50° eine minimale Fläche von ca. 11,2 m² besitzen.

Folgende Konfiguration wurde angenommen:

Empfangsantenne Planarantenne

Antennenlänge = 12 m
Antennenbreite = 0,94 m
Antennenfläche = 11,24 m²

Keulenbreite Azimut = 0,19°
Keulenbreite Elevation = 2,43°
Taperung: Dreieckstaperung in beiden Antennendimensionen (E(x) = 1 - 2|x|/a mit a = Aperturlänge)
Nebenkeulendämpfung = -26,5 dB
Gewinn = 47,5 dB

Weitere Systemparameter

Bahnhöhe = 400 km
Einfallswinkel = 50°
Dopplerbandbreite = 1645 Hz
Prozessierte Bandbreite = 1200 Hz
Pulswiederholfrequenz (PRF) = 2550 Hz
Pulsbandbreite = 10 MHz
Sendeleistung (peak) = 3 kW
Sendeleistung (mittel) = 300 W
Auslastung (Duty-Cycle) = 10%
Empfängerrauschtemperatur = 650 K (vergleiche X-SAR ca. 850 K)

Ergebnisse der Performanceberechnungen

Auflösung azimut = 15,5 m (3 Looks)
Auflösung ground range = 17,0-17,7 m
Streifenbreite = 33 km
Notwendige Datenrate = 54 Mbit/s
Rauschäquivalent σ⁶

= -24,5 dB bei Streifenmitte (Noise equivalent)
Radiometrische Auflösung ≈ 2 dB
Mehrdeutigkeitsverhältnis < -21,5 dB
(Total Ambiguity Ratio) (keine Prozessierungsge wichtung)

Die Simulationsergebnisse zeigen, daß ein solches SAR-System mit sehr guter Bildqualität realisiert werden kann und gleichzeitig die genannten Vorteile des bistatischen Betriebs aufweist.

Bezugszeichenliste

1

Leistungsverstärker (HPA; High Power Amplifier)

2

HF-Zirkulator

3

Antenne

4

Digitaler Chirp-Generator

5

,

6

Filter

7

,

8

Mischstufen

9

Summierer

10

Mischstufe

11

Lokaloszillator

12

HF-Filter

13

Empfängerschutzschaltung

14

Rauscharmer Vorverstärker (LNA; Low Noise Amplifier)

15

HF-Filter

16

Lokaloszillator

17

Mischstufe

18

Filter

19

Verstärker

20

Analog/Digital-Wandler

21

Planare Empfangsantenne

22

Rauscharmer Verstärker (LNA; Low Noise Amplifier)

23

Filter

24

Analog/Digital-Wandler

25

Rechner
BG Berggipfel
E1. . .EN Empfangszweige
GEO Geostationäre Bahn
I, Q Quadraturkanäle
LEO Erdnaher Orbit
Z1. . .ZN Antennenzeilen

Claims

1. Flugzeug- oder weltraumflugkörpergetragenes Radarsystem mit synthetischer Antennenapertur (SAR = Synthetic Aperture Radar) zur Abbildung der Erdoberfläche, wobei eine Mehrdeu tigkeitsunterdrückung durch eine eine Bodenstreifenausleuch tung ergebende Antennenmindestbündelung mit Nebenkeulendämp fung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß entsprechend einem bistatischen Radar eine Sende- und eine Empfangsantenne vorgesehen sind, die über der abzubildenden Erdoberfläche räumlich getrennt und auf verschiedenen Plattformen angeord net sind, von denen sich mindestens eine bewegt, so daß sich eine Relativbewegung zwischen der Sende- und der Empfangsan tenne ergibt, und daß entweder die Sendeantenne, die Emp fangsantenne oder beide Antennen für die Mehrdeutigkeitsun terdrückung ausgelegt sind.

2. Radarsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der die Sendeantenne tragenden Plattform zugleich die zu gehörigen Sendeeinheiten und auf der die Empfangsantenne tra genden Plattform zugleich die zugehörigen Empfangseinheiten angebracht sind.

3. Radarsystem nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch gleichzeitiges Senden auf der einen Plattform und Empfangen auf der anderen Plattform.

4. Radarsystem nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein un terbrechungslos fortlaufendes Senden von der Sendeplattform und ein ebenfalls unterbrechungslos fortlaufendes Empfangen auf der Empfangsplattform.

5. Radarsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Sendeplattform auszusendende Sendesignal ein sich in bestimmten Zeitabständen wiederholendes Signal ist.

6. Radarsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Sendeplattform auszusendende Sendesignal ein pe riodisch moduliertes CW(Continuous Wave)-Signal ist.

7. Radarsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Sendesignal ein periodisches FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)-Signal, z. B. ein sägezahnförmig frequenzmo duliertes CW-Signal, ist.

8. Radarsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die auf der Sendeplattform angeord nete Sendeantenne derart scharfbündelnd ausgebildet ist, daß durch sie eine Mehrdeutigkeitsunterdrückung in Azimut und Elevation erzeugt wird, und daß die auf der Empfangsplattform angeordnete Empfangsantenne eine vergleichsweise mäßige Bün delung und einen mäßigen Antennengewinn aufweist, wobei von ihr der gesamte jeweils abzubildende Zugriffsbereich oder zu mindest ein großer Teil des Zugriffsbereiches ausgeleuchtet wird.

9. Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die auf der Empfangsplattform angeordnete Empfangsantenne derart scharfbündelnd ausgebildet ist, daß durch sie eine Mehrdeutigkeitsunterdrückung in Azimut und Elevation erzeugt wird, und daß die auf der Sendeplattform angeordnete Sendeantenne eine vergleichsweise mäßige Bünde lung und einen mäßigen Antennengewinn aufweist, wobei von ihr der gesamte jeweils abzubildende Zugriffsbereich oder zumin dest ein großer Teil des Zugriffsbereiches ausgeleuchtet wird.

10. Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Erzeugung einer Mehrdeutigkeitsunter drückung im Azimut die auf der Sendeplattform angeordnete Sendeantenne entsprechend der Auflösungsanforderung scharf bündelnd im Azimut ausgebildet ist, wogegen sie für die Ele vationsebene vergleichsweise erheblich weniger bündelnd aus gebildet ist, so daß von ihr in der Elevation der gesamte Zu griffsbereich oder zumindest ein großer Teil des Zugriffsbe reiches beleuchtet wird, daß zur Erzeugung einer Mehrdeutig keitsunterdrückung in der Elevation die auf der Empfangs plattform angeordnete Empfangsantenne entsprechend der Auflö sungsanforderung scharfbündelnd in der Elevation ausgebildet ist, wogegen sie für die Azimutebene vergleichsweise erheb lich weniger bündelnd ausgebildet ist, so daß von ihr im Azi mut der gesamte Zugriffsbereich oder zumindest ein großer Teil des Zugriffsbereiches beleuchtet wird, und daß die Min destbündelung zur Mehrdeutigkeitsunterdrückung durch die sich ergebende Schnittfläche der Bodenerfassungsflächen (Footprints) beider Antennen definiert ist.

11. Radarsystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abdeckung eines Zugriffsbereiches mehrere scharf bündelnde, in sich mehrdeutigkeitsfreie Strei fen bedeckende Antennen vorgesehen sind, die so ausgerichtet sind, daß sie in ihrer Gesamtheit durch Aneinanderreihung mehrerer solcher in sich mehrdeutigkeitsfreier Streifen den gesamten Zugriffsbereich überdecken.

12. Radarsystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeich net, daß zur Abdeckung eines Zugriffsbereiches eine scharf bündelnde, in sich durch Schwenkung der Hauptkeule mehrdeu tigkeitsfreie Streifen bedeckende, elektronisch phasengesteu erte Antennen vorgesehen ist.

13. Radarsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne in der Elevation in mehrere Zeilen unterteilt ist, von denen jede ihren eigenen Laufzeitschieber hat, so daß die Signallaufzeit jeder Antennenzeile getrennt einstell bar ist, bevor die Signale der einzelnen Zeilen zum Antennen summensignal aufaddiert werden, und daß zur Einstellung der Antennenhauptkeulenbreite zu den Laufzeitschiebern noch Amplitudensteller hinzugefügt sind.

14. Radarsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronisch phasengesteuerte Antenne als Empfangsantenne auf einer Empfangsplattform angeordnet ist, daß in der zuge hörigen Empfangseinheit im Anschluß an die phasengesteuerte Antenne für jede Antennenzeile (Z1. . .ZN) ein rauscharmer Ver stärker (22), ein Filter (23) zur Unterdrückung von Mehrdeu tigkeiten im Frequenzbereich sowie ein schneller Ana log/Digital-Wandler (24) vorgesehen sind, und daß das Anten nensummensignal erst nachfolgend in einem Rechner (25) gebil det wird.

15. Radarsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Sendeantenne mit zugehörigem Sender auf einer geostationären (GEO) Satelliten-Plattform angeordnet ist und daß ein oder mehrere Empfangsantennen mit den jeweils zugehörigen Empfängereinheiten auf einer bzw. mehreren sich in einem erdnahen Orbit (LEO) bewegenden Satel liten-Plattformen oder flugzeuggetragenen Plattformen ange ordnet sind, welche die Rückwärtsstreuung der Radarwellen empfangen.

16. Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeantenne mit zugehörigem Sender auf einer geostationären (GEO) Satelliten-Plattform angeord net ist und daß ein oder mehrere Empfangsantennen mit den je weils zugehörigen Empfängereinheiten auf einer bzw. mehreren sich in einem erdnahen Orbit (LEO) bewegenden Satelliten- Plattformen oder auf flugzeuggetragenen Plattformen angeord net sind, welche die Vorwärtsstreuung der Radarwellen empfan gen.

17. Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeantenne mit zugehörigem Sender auf einer sich in einem erdnahen Orbit (LEO) bewegenden Sa telliten-Plattform angebracht ist und daß ein oder mehrere Empfangsantennen mit jeweils zugehörigen Empfängereinheiten auf Satelliten-Plattformen angeordnet sind, die sich auf ei nem identischen Orbit, jedoch zeitversetzt bewegen.

18. Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeantenne mit zugehörigem Sender auf einer sich in einem erdnahen Orbit (LEO) bewegenden Sa telliten-Plattform angebracht ist und daß ein oder mehrere Empfangsantennen mit jeweils zugehörigen Empfängereinheiten auf Satelliten-Plattformen angeordnet sind, die sich auf un terschiedlichem Orbit bewegen.

19. Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeantenne mit zugehörigem Sender auf einer sich in einem erdnahen Orbit (LEO) bewegenden Sa telliten-Plattform angebracht ist und daß ein oder mehrere Empfangsantennen mit jeweils zugehörigen Empfängereinheiten auf flugzeuggetragenen Plattformen angeordnet sind.

20. Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeantenne mit zugehörigem Sender auf einer sich auf einem Berggipfel (BG) befindenden Platt form angebracht ist und daß ein oder mehrere Empfangsantennen mit jeweils zugehörigen Empfängereinheiten auf Satelliten- Plattformen angeordnet sind, die sich auf einem erdnahen Or bit (LEO) bewegen.

21. Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeantenne mit zugehörigem Sender auf einer sich auf einem Berggipfel (BG) befindenden Platt form angebracht ist und daß ein oder mehrere Empfangsantennen mit jeweils zugehörigen Empfängereinheiten auf flugzeuggetra genen Plattformen angeordnet sind.