Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHRHöhere Auflösung, dreisimensionale Abbildungen: Kreis-SAR
Möchte man ein Gelände per Radar aus dem Flugzeug heraus mit möglichst hoher Auflösung abbilden, fliegt man am besten in Kreisen darüber. Das Fraunhofer FHR hat ein entsprechendes Kreis-SAR entwickelt: Es arbeitet bei 94 Gigahertz und erzielt somit eine sehr hohe Auflösung. Zudem kann es selbst bei einkanaligem Radar 3D-Abbildungen liefern und sogar die Form bewegter Objekte einfangen.
Man kennt es von Autofahrten: Kutschiert man an einem Objekt vorbei, erhascht man nur einen vergleichsweise flüchtigen Blick darauf. Fährt man dagegen im Kreis um das Objekt herum, kann man es in aller Ruhe und von allen Seiten betrachten. Ebenso ist es bei der Radarabbildung. Üblicherweise fliegt man beim Synthetic Aperture Radar, kurz SAR, mit dem Flugzeug in gerader Linie über das Objekt hinweg – da dies eine einfache Bildgebung erlaubt – und nimmt währenddessen die Radardaten auf. Beim Kreis-SAR zieht das Flugzeug dagegen Kreisbahnen über dem zu beobachtenden Gebiet. Zwar macht dies die Signalverarbeitung anspruchsvoller, jedoch lässt sich ein bestimmtes Gebiet über einen langen Zeitraum beleuchten – und das wie beim Radar üblich ebenso bei Dunkelheit wie durch Wolken hindurch.
Deutlich höhere Auflösung möglich
Diese längere Datenerhebung spiegelt sich deutlich in der Auflösung der Abbildung wider: Während die laterale Auflösung beim linearen SAR durch die Antennenöffnung physikalisch begrenzt ist und meist bei wenigen Zentimetern liegt, lässt sich die Auflösung beim Kreis-SAR theoretisch bis in den Bereich der Wellenlänge von drei Millimetern hochschrauben. Der Grund dafür: Überfliegt man das Gebiet linear, so sieht man Zielobjekte nur aus einem kleinen Winkelbereich – die Zahl der Blickwinkel ist naturgemäß begrenzt und man kann die Daten über einen kürzeren Winkelbereich aufsammeln. Objekte, die von Bäumen oder Häusern verdeckt sind, kann man vielfach wenig bis gar nicht erkennen. Umkreist man das Zielgebiet jedoch, sieht man das Objekt von allen Seiten und kann die Signale aus den verschiedenen Blickrichtungen sinnvoll miteinander kombinieren. Neben der hohen Auflösung ermöglicht dies, auch mit einem einkanaligen System eine dreidimensionale Abbildung zu erzeugen. Eine solche einkanalige Messung macht vor allem dann Sinn, wenn die Datenflut gering gehalten und die Messung möglichst einfach durchgeführt werden soll. Schließlich fallen bei einer Messung mit zwei Kanälen doppelt so viele Daten an, mit entsprechendem Mehraufwand in der Signalverarbeitung.
Die Frequenz des Kreis-SAR des Fraunhofer FHR liegt bei 94 Gigahertz – ein Alleinstellungsmerkmal, denn andere Kreis-SAR-Systeme arbeiten bei deutlich geringeren Frequenzen. Der Vorteil der hohen Frequenz: Die Wellenlänge der Signale ist kleiner, die Beleuchtungszeiten können kürzer gewählt werden und höhere Auflösungen sind möglich. Die praktisch erzielte Auflösung liegt derzeit bei etwa zwei Zentimetern. Eine weitere Besonderheit des Kreis-SARs des Fraunhofer FHR: Egal wie das Flugzeug sich bewegt, das Radarsystem behält den gleichen Punkt am Boden im Visier. Möglich macht es ein Gimbal – also ein Gestell, an dem das System aufgehängt wird und durch das sich die erzeugte Abbildung stabilisieren lässt. Die Software des Gimbals wurde entsprechend modifiziert. Statt nur Bewegungen auszugleichen, fokussiert der Gimbal nun auf feste GPS-Koordinaten.
Bewegtziele abbilden
Doch damit nicht genug der Besonderheiten: Mit dem Kreis-SAR lassen sich nicht nur statische Objekte abbilden, sondern erstmals auch bewegte Ziele. Das zeigte eine Testreihe, bei der ein Kreisverkehr über Kreis-SAR abgebildet wurde. Fahren Autos durch den Kreisverkehr, wären sie auf einkanaligem, linearem SAR nur verschwommen zu erkennen, ihre Form wäre nicht bestimmbar. Die Form bewegter Objekte wäre nur dann scharf abbildbar, wenn alle drei Geschwindigkeitskomponenten der Objekte bekannt sind – was jedoch meist nicht der Fall ist. Anders im Kreis-SAR: Hier sind die sich bewegenden Schatten der Objekte erkennbar, ebenso wie deren konkrete Form. LKW, Kleinautos, Personen lassen sich auf diese Weise gut voneinander unterscheiden.
Auch eine Höheninformation vermag die einkanalige Messung zu liefern. So lassen sich unterschiedliche Fokusebenen einstellen: Fokussiert man beispielsweise auf Straßenniveau, so können Gullideckel, Autos und Co. erkannt werden. Fokussiert man dagegen auf die Höhe von Hausdächern, wird die Straße unscharf, dafür sind die Dächer gut abgebildet.
Ein Prototyp des Kreis-SAR-Systems existiert bereits. In folgenden Schritten soll nun auch ein zweikanaliges Kreis-SAR-System aufgebaut werden. Dann werden auch interferometrische Messungen möglich – bei denen man analysiert, wie die Signale der beiden Kanäle sich gegenseitig beeinflussen. Aus diesen Daten lässt sich direkt die Höhe der jeweiligen Objekte bestimmen.