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Die Erfindung betrifft ein SAR-Antennensystem
mit einer Mehrzahl von Antennenelementen zur Erzeugung von Sendestrahlen.
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SAR-Antennensysteme können dazu
verwendet werden, Oberflächenbereiche
abzutasten, beispielsweise Oberflächenbereiche der Erde mit Hilfe
von luft- oder weltraumgestützten
SAR-Antennensystemen. Die Sendestrahlen können dabei in der Regel mit
unterschiedlicher Senderichtung abgestrahlt werden. Zur Verbesserung
der Abbildungseigenschaften (Streifenbreite und Bildqualität) eines
SAR-Antennensystems
kann es je nach Größe und Lage
der abzutastenden Oberflächenbereiche
notwendig werden, die Strahlbreite der Sendestrahlen an die aktuellen
Senderichtung der Sendestrahlen anzupassen. Bei der Fernerkundung
der Erdoberfläche
mit SAR wird die aktuelle Senderichtung durch den Einfallswinkel
der Radarstrahlen auf die Erdoberfläche definiert. Bei großen Einfallswinkeln
(z. B. 50°)
beleuchtet ein Sendestrahl mit einer definierten Breite ein bestimmtes
Gebiet der Erdoberfläche.
Bei einer Ausrichtung des Sendestrahls zu kleinen Einfallswinkeln (z.
B. 20°)
beleuchtet derselbe Sendesstrahl ein wesentlich kleineres Gebiet.
Durch eine Strahlaufweitung kann dieses in der Regel unerwünschte Verhalten
verbessert werden.
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Die Druckschrift
US 6,175,326 B1 beschreibt
ein SAR-Antennensystem, bei dem eine Steuerung der Empfangsstrahl-Charakteristik
mit einer Mehrzahl von Antennenelementen dadurch erfolgen kann,
dass entweder Phasenunterschiede oder Laufzeitunterschiede zwischen
den einzelnen Antennenelementen vorgesehen werden oder nacheinander
benachbarte Antennenelemente für
den Empfang Freigeschaltet werden. Über die Erzeugung von Sendestrahlen
wird jedoch in dieser Druckschrift nichts ausgesagt.
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Aus dem Stand der Technik sind weiterhin
einerseits Systeme mit aktiver oder semi-aktiver Antenne bekannt,
um eine variable Strahlbreite und gegebenenfalls auch eine eine
varibale Strahlausrichtung zu erzielen. Bei solchen Systemen mit
aktiver oder semi-aktiver Antenne werden mit Hilfe von Amplituden-
und/oder Phasenstellern einzelnen Antennenelementen oder Gruppen
von Elementen Radarsignale mit unterschiedlicher und variabler Gewichtung
zugeführt.
Solche SAR-Systeme mit planaren Antennen aus dem Satellitenbereich
sind z. B. das zukünftige
TerraSAR-X, das beispielsweise beschrieben ist in M. Sues et al. „TERRASAR-X – DESIGN
AND PERFORMANCE",
Proceedings EUSAR 2002',
4th European Conference on Synthetic Aperture Radar, Köln, 4–6. Juni
2002, VDE Verlag GmbH, Berlin und Offenbach, ISBN 3-8007-2697-1.
Ein wesentlicher Nachteil dieser Systeme ist der hohe konstruktive
Aufwand und die damit verbundenen hoher Kosten. Alternative Konzepte
basieren auf Reflektorantennen deren Speisesystem durch hochfrequente
Netzwerkmatrizen realisiert sind (z. B. Butler oder Blass Matrix).
Ein wesentlicher Nachteil dieser Systeme sind die hohen Verluste
innerhalb der Netzwerkmatrizen sowie deren Realisierung für hohe Sendeleistung.
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Aus dem Stand der Technik sind andererseits
auch Systeme mit passiver Antenne bekannt. Typische SAR-Systeme
mit passiven, planaren Antennen aus dem Satellitenbereich sind ERS-1 & ERS-2, die beispielsweise
auf der Internet-Website der ESA unter
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http://earth.esa.int/rootcollection/eeo4.10075/eeo3.298.html
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beschrieben sind. Diese Systeme sind
durch eine fest eingestellte Gewichtung der Antennenelemente gekennzeichnet.
Bei solchen Systemen können
die Antennenelemente des SAR-Antennensystems nur insgesamt eingeschaltet
oder ausgeschaltet werden, so dass nur ein einziger Sendestrahl
mit festgelegter Strahlcharakteristik und Strahlbreite erzeugt werden
kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es daher, eine einfache Möglichkeit
zur Erzeugung von Sendestrahlen mit unterschiedlicher Strahlbreite
mit Hilfe von SAR-Antennensystemen bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
die Merkmale des Anspruchs 1.
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Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung
umfasst eine Möglichkeit
zur Erzeugung von Sendestrahlen mit einem SAR-Antennensystem, welches
eine Mehrzahl von Antennenelementen aufweist. Gemäß der Erfindung
ist vorgesehen, dass innerhalb der Mehrzahl von Antennenelementen
schaltungstechnisch mehrere Gruppen mit jeweils mehreren benachbarten
Antennenelementen definiert werden können wobei mit Hilfe von Schaltungseinrichtungen
jeweils eine separate eine Aktivierung einer Gruppe von Antennenelementen
möglich
ist. Es können
dabei einzelne Antennenelemente genau einer oder auch gleichzeitig
mehreren Gruppen angehören.
Durch die Erfindung wird auf einfache Weise ermöglicht, mit einem SAR-Antennensystem
mehrere Sendestrahlen zu erzeugen, ohne dass dabei der hohe Aufwand
zur Erzeugung von Phasenunterschieden oder Laufzeitunterschieden
erforderlich ist. Gemäß der Erfindung
ist also vorgesehen, dass innerhalb der Mehrzahl von Antennenelementen
mehrere Gruppen mit jeweils mehreren benachbarten Antennenelementen definiert
werden und dass eine Erzeugung mehrerer definierter Sendestrahlen
jeweils durch Aktivierung einer einem Sendestrahl zugeordneten Gruppe
von Antennenelementen erfolgt.
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Sollen Sendestrahlen mit unterschiedlicher
Ausdehnung erzeugt werden, so kann dies im Rahmen der Erfindung
dadurch realisiert werden, dass schaltungstechnisch Gruppen mit
unterschiedlicher Anzahl von Antennenelementen definiert werden
können.
Je mehr Antennenelemente einer bestimmten Gruppe zugeordnet werden,
umso größer wird
die Ausdehnung des entsprechenden Sendestrahls allein durch die
Anzahl der beteiligten Antennenelemente. Damit kann vorgesehen werden,
dass Gruppen mit unterschiedlicher Anzahl von Antennenelementen
definiert werden und Sendestrahlen mit unterschiedlicher Ausdehnung
durch Aktivierung der Gruppen mit unterschiedlicher Anzahl von Antennenelementen
erzeugt werden. Es kann also auf einfache Weise über die Anzahl der zu aktivierenden
Antennenelemente die Ausdehnung der Sendestrahlen, insbesondere
die Strahlbreite, beeinflusst werden.
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Soll sichergestellt werden, dass
durch mehrere Sendestrahlen ein bestimmter Oberflächenbereich
lückenlos
abgetastet wird, dann ist es sinnvoll, dass sich die einzelnen Sendestrahlen
in einem gewissen Bereich überlappen.
Dies kann im Rahmen der Erfindung dadurch erzielt werden, dass schaltungstechnisch
einander benachbarte Gruppen von Antennenelementen derart definiert
werden, dass sie zumindest ein gemeinsames Antennenelement aufweisen.
Benachbarte, einander überlappende
Sendestrahlen werden dann durch derart definierte, benachbarte Gruppen
von Antennenelementen erzeugt. Diese Maßnahme ist wiederum sehr einfach
zu realisieren, aber sie bietet dennoch die Sicherheit, dass die
von den Gruppen erzeugten Sendestrahlen in jedem Fall überlappen.
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Das SAR-Antennensystem kann derart
ausgebildet sein, dass zur Abtastung einer Oberflächenregion durch
benachbarte Sendestrahlen nacheinander mehrere benachbarte Gruppen
von Antennenelementen aktiviert werden können. Es erfolgt dabei ein
Scannen der Oberflächenregion
in derjenigen Richtung, in der die benachbarten Gruppen nebeneinander
angeordnet sind (Scan-Modus).
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Alternativ oder zusätzlich kann
aber das SAR-Antennensystem auch derart ausgebildet sein, dass eine
Abtastung einer Oberflächenregion
durch mindestens einen Sendestrahl erfolgen kann, indem die Sendestrahlrichtung
in Richtung auf den Beginn der Oberflächenregion ausgerichtet wird
und die Gruppe zur Erzeugung des Sendestrahls so lange aktiviert
bleibt, bis der Sendestrahl die gesamte Oberflächenregion überstrichen hat. Der entsprechende
Sendestrahl überstreicht
dabei während
der Dauer der Aktivierung der Gruppe einen Streifen auf der Oberfläche, d.
h. die entsprechende Oberflächenregion
ist dann streifenförmig
(Streifen-Modus).
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Eine zweite Alternative sieht vor,
dass das SAR-Antennensystem derart ausgebildet ist, dass eine Ausleuchtung
eines Oberflächenpunktes
durch mindestens einen Sendestrahl erfolgen kann, indem die Sendestrahlrichtung
in Richtung auf den Oberflächenpunkt
ausgerichtet wird und die Sendestrahlrichtung während der Dauer der Aktivierung
der Gruppe, welche den Sendestrahl erzeugt, fortlaufend auf den
Oberflächenpunkt nachgeregelt
wird (Spotlight-Modus). Mit dieser Alternative kann auch gleichzeitig
das Scannen durchgeführt werden.
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Die Ausrichtung bzw. Nachregelung
der Sendestrahlrichtung kann im Rahmen der Erfindung entweder durch
eine entsprechende Ausrichtung oder Nachregelung der SAR-Antennenanordnung
erfolgen, beispielsweise durch eine entsprechende Ausrichtung der
gesamten Anordnung der Antennenelemente oder eines Antennenreflektors,
oder auch durch eine Ausrichtung bzw. Nachregelung des gesamten
Trägerkörpers für die SAR-Antennenanordnung,
im Fall einer satellitengestützten
SAR-Antennenanordnung also durch Ausrichtung bzw. Nachregelung des
gesamten Satelliten.
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Bevorzugt kann das SAR-Antennensystem
einen Reflektor aufweisen. Dann können die Antennenelemente in
einer Reihe in der Fokalebene des Reflektors angeordnet sein. Die
Antennenelemente können
zentral vor dem Reflektor oder auch in einer Offset-Konfiguration
angeordnet sein.
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Sollen mit dem SAR-Antennensystem
sowohl SAR-Signale ausgesendet als auch empfangen werden, so kann
entweder ein gemeinsames Hochfrequenznetzwerk für die Sendesignale und die
Empfangssignale vorgesehen werden oder es können getrennte Hochfrequenznetzwerk
für die
Sendesignale und die Empfangssignale vorgesehen werden.
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Ein spezielles Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der 1 bis 5 am Beispiel eines SAR-Antennensystems
für Satellitenanwendungen
erläutert.
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Es zeigen:
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1 SAR-Antennensystem
mit Mehrzahl von Antennenelementen und Reflektor
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2 Schematische
Darstellung überlappender
Sendestrahlen
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3 Schematische
Darstellung einer Oberflächenabtastung
im Scan-Modus
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4 Schematische
Darstellung einer Oberflächenabtastung
im Streifen-Modus
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5 Schematische
Darstellung einer Oberflächenabtastung
im Spotlight-Modus
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Das SAR-Antennensystem gemäß 1 ist als passives Reflektorantennensystem
mit einem Reflektor 1 und nebeneinander in einer Reihe
angeordneten Antennenelementen FE-1 bis FE-9 ausgelegt. Weiterhin sind
eine Reihe von Schaltungseinrichtungen 2a, 2b, 2c, 2d etc.
vorgesehen, hier in Realisiert durch schaltbare Zirkulatoren, um
jeweils mehrere der Antennenelemente (Feedelemente) FE-1 bis FE-9
zu Gruppen zusammen zu schalten.
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In dieser Ausführungsform werden zwei Cluster
von Gruppen gebildet, mit jeweils vier Antennenstrahlen als Sendestrahlen
pro Cluster. Das erste Cluster von Gruppen erzeugt Antennenstrahlen
mit großen
Strahlbreiten und wird vorzugsweise für kleine Einfallswinkel (beispielsweise
kleiner oder gleich 25°)
auf der abzutastenden Erdoberfläche
benutzt. Das zweite Cluster erzeugt schmalere Antennenstrahlen und
wird für
große Einfallswinkel
(beispielsweise größer oder
gleich 45 °)
auf der abzutastenden Erdoberfläche
genutzt.
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Die Antennenelemente FE-1 bis FE-9
werden über
Hochleistungsverstärker
(High Power Amplifier) HPA1 bis HPA3 und ein nachgeschaltetes Hochfrequenznetzwerk
gespeist. Das Hochfrequenznetzwerk besteht aus Hohlleitern und schaltbaren
Zirkulatoren 2a, 2b, 2c, 2d etc.
und stellt somit eine sehr verlustarme Anordnung dar.
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Die Verschaltung der Zirkulatoren 2a, 2b, 2c, 2d etc.
ist so gewählt,
das für
einen ersten Antennenstrahl mit größerer Strahlbreite des ersten
Clusters die Antennenelemente FE-1, FE-2 und FE-3 aktiviert sind. Damit
bilden also die Antennenelemente FE-1, FE-2 und FE-3 eine erste
Gruppe des ersten Clusters. Die Aktivierung der zweiten Gruppe,
bestehend aus den Antennenelementen FE-3, FE-4 und FE-5, ergibt einen zweiten,
dem ersten Antennenstrahl benachbarten Antennenstrahl des ersten
Clusters, ebenfalls mit größerer Strahlbreite,
usw. Durch die räumliche
Anordnung und der Auswahl der aktiven Antennenelemente werden sequentiell
vier breite und sich überlappenden
Antennenstrahlen erzeugt, die bevorzugt bei kleinen Einfallswinkeln
benutzt werden. Die größere Breite
der Antennenstrahlen gleicht dabei die geometrischen Effekte auf
der Oberfläche
der Erde bei kleinen Einfallswinkeln aus. Das Überlappen der Antennenstrahlen
ergibt sich auf einfache Weise dadurch, dass der ersten und zweiten
Gruppe jeweils das gemeinsame Antennenelement FE-3 angehört.
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Das SAR-Antennensystem ist so ausgebildet,
dass für
große
Einfallswinkel zur Erzeugung eines ersten Antennenstrahls mit geringerer
Strahlbreite eine erste Gruppe von Antennenelementen des zweiten
Clusters aktiviert werden kann, wobei diese erste Gruppe die Antennenelemente
FE-3 und FE-4 umfasst. Ein zweiter Antennenstrahl des zweiten Clusters
kann durch Aktivierung einer zweiten Gruppe von Antennenelementen erzeugt
werden, wobei diese zweite Gruppe die Elemente FE-4 und FE-5 umfasst.
Das Überlappen
der Antennenstrahlen ergibt sich auf einfache Weise dadurch, dass
der ersten und zweiten Gruppe des zweiten Clusters jeweils das gemeinsame
Antennenelement FE-4 angehört.
Somit ergeben sich vier schmale, überlappenden Antennenstrahlen
die bevorzugt bei großem
Einfallswinkel benutzt werden.
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Die schaltungstechnische Konfigurationen
für alle
Gruppen des ersten und zweiten Clusters von Antennenelementen wird
im Überblick
in der nachfolgenden Tabelle dargestellt. Man erkennt, dass das
erste und zweite Cluster aus denselben neun Antennenelementen FE-1
bis FE-9 gebildet wird und sich die Zugehörigkeit zu einem bestimmten
Cluster nur temporär über die
jeweilige aktuelle Ansteuerung der schaltbaren Zirkulatoren 2a, 2b, 2c, 2d etc.
ergibt.
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2 zeigt
beispielhaft jeweils drei überlappende
Sendestrahlen, wie sie durch die Anordnung nach 1 als Antennenstrahlen erzeugt werden
können.
Alpha1 und Alpha2 stellen dabei die relative Strahlausrichtung der
einzelnen Sendestrahlen untereinander dar. Dabei zeigt 2a) Antennenstrahlen S1,
S2, S3 mit geringerer Strahlbreite, wie sie durch das zweite Cluster
von Antennenelementen erzeugt werden können. Dagegen zeigt 2b) Antennenstrahlen S'1, S'2, S'3 mit größerer Strahlbreite,
wie sie durch das erste Cluster von Antennenelementen erzeugt werden
können.
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Das SAR-Antennensystem ist so ausgebildet,
dass mit solchen überlappenden
Antennenstrahlen insbesondere vorteilhaft eine Abtastung der Erdoberfläche im Scan-Modus
erfolgen kann, wie in 3 dargestellt.
Hier sollen aus Gründen
der Einfachheit nur drei Sendestrahlen S1, S2, S3 betrachtet werden:
Benachbarte Antennenstrahlen S1, S2, S3 überstreichen auf der Erdoberfläche in Flugrichtung
V des Satelliten jeweils benachbarte Gebiete 5a, 5b, 5c.
Zur Abtastung wird der Antennenstrahl scheinbar sequentiell in Elevationsrichtung
(d. h. quer zur Flugrichtung V) in einem Burst-Verfahren geschwenkt.
Tatsächlich
werden aber in einem ersten Scanvorgang 4 nacheinander
die benachbarten Sendestrahlen S1, S2, S3 aktiviert, wodurch in den
Gebieten 5a, 5b, 5c jeweils ein erster
Streifen abgetastet wird. Anschließend wird ein zweiter Scanvorgang 6,
ein dritter Scanvorgang 7 usw. durchgeführt. Ein Scan pro Antennenstrahl
S1, S2, S3 wird als Burst bezeichnet. Für die Dauer eines Bursts im
ersten Scanvorgang 4 verbleibt also der Antennenstrahl
S1 in seiner aktuellen Richtung und das SAR arbeitet im Gebiet 5a wie
im Streifenmode (siehe unten 4).
Zu Beginn des nächsten
Bursts wird der Antennenstrahl S1 deaktiviert und der Antennenstrahl
S2 aktiviert, der in das benachbarte Gebiet 5b gerichtet
ist. Anschließend
erfolgt analog die Aktivierung des Sendestrahls S3 für das Gebiet 5c.
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Durch die sukzessive Abtastung benachbarter
Streifen 5a, 5b, 5c kann somit ein breiterer
Oberflächenstreifen
abgetastet werden als mit nur einem Antennenstrahl. Um einen kontinuierliche
Streifen in Flugrichtung zu erreichen, wird die gesamte SAR-Integrationszeit
auf die einzelnen Sub-Streifen 5a, 5b, 5c aufgeteilt
(Burst).
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Typische SAR Integrationszeiten liegen
im Bereich einiger hundert Millisekunden. Demnach erfolgt für den Scan-Modus-Betrieb
eine schnelle Umschaltung zwischen den Antennenstrahlen S1, S2,
S3. Um Lücken zwischen
den einzelnen Sub-Streifen 5a, 5b, 5c zu
vermeiden (also quer zur Flugrichtung V), wird für die einzelnen Antennenstrahlen
S1, S2, S3 ein Überlapp
entsprechend 2 erzeugt.
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Je nachdem, ob nun eine Scan-Modus-Abtastung
für kleinere
oder größere Einfallswinkel
erfolgen soll, werden entweder die entsprechenden Gruppen des ersten
Clusters oder des zweiten Clusters von Antennenelementen aktiviert,
um entweder Antennenstrahlen mit größerer oder geringerer Strahlbreite
zu erzeugen.
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4 veranschaulicht
nochmals deutlicher die Ausbildung einer Antennenanordnung für einen
Betrieb im Streifen-Modus:
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Im Streifen-Modus ist jeweils ein
bestimmter Antennenstrahl S1, S'1
zu einem bestimmten Einfallswinkel ausgerichtet. Das SAR-Antennensystem
sendet mit einer Pulswiederholfrequenz Radarsignale zur Erdoberfläche und
empfängt
dessen Echos. Somit wird die Erde von einem bestimmten Antennenstrahl
S1, S'1 in einem
kontinuierlichen Streifen 5, 5' abgetastet. SAR-Systeme mit passiver
Antenne sind zur Ausrichtung des Antennenstrahls S1, S'1 per Satellitenmanöver (d.
h. Ausrichtung des gesamten Satelliten) oder durch mechanisch Bewegung
der Antenne ausgebildet. Die erreichbare Streifenbreite 5, 5' ist im wesentlichem
durch die Strahlbreite des Antennenstrahls S1, S'1 bestimmt. Die geometrische Auflösung ist
durch die SAR-Integrationszeit vorgegeben, also durch die Zeitdauer,
während
der ein Antennenstrahl S1, S'1
aktiviert bleibt. Gemäß der Erfindung
können
dabei die Breiten der Streifen 5, 5' für große und kleine Einfallswinkel
einander dadurch angepasst werden, dass für große Einfallswinkel ein Antennenstrahl
S1 mit kleiner Strahlbreite und für kleine Einfallswinkel ein
Antennenstrahl S'1
mit großer
Strahlbreite aktiviert wird.
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Eine Erhöhung der geometrischen Auflösung kann
durch eine Erhöhung
der SAR-Integrationszeit
(Integration Time) erreicht werden. Dabei wird ein Antennenstrahl
S1, S'1 in der Azimutebene
(d. h. derjenigen Ebene die durch die Flugrichtung V und Strahlrichtung
des Sendestrahls S1, S'1
aufgespannt wird) derart nachgeregelt, dass der Antennenstrahl S1,
S'1 überwiegend
auf einen Oberflächenpunkt
ausgerichtet bleibt. Im Rahmen dieses Beispiels für passive
Antennensysteme erfolgt diese Nachregelung durch ein Satellitenmanöver (Nachregelung
des gesamten Satelliten). Eine kontinuierliche Abtastung der Erdoberfläche (kontinuierlicher
Streifen) ist im Spotlight Mode folglich nicht möglich.
