Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHRMultifunktionale kohärente Radarverbünde
Durch die Erschließung höherer Frequenzbereiche lassen sich bildgebende Radarsysteme miniaturisiert und kostengünstig aufbauen. Der Betrieb mehrerer derartiger Systeme kooperativ im Verbund führt zu verbesserten Aufklärungsfähigkeiten, einer reduzierten Verwundbarkeit sowie zusätzlichen Einsatzmöglichkeiten.
In den letzten Jahrzehnten wurden bildgebende Radarsensoren entwickelt, die basierend auf dem Synthetic Aperture Radar (SAR)-Prinzip hochaufgelöste Abbildungen einer Szene erzeugen können. Diese agieren je nach Anwendungsfall luft- oder raumgestützt mit Wellenlängen im Bereich weniger Zentimeter, wie bspw. mit 3 cm im X-Band. Derartige Sensoren sind in der Regel hochkomplex, leistungshungrig und großvolumig, so dass ihr Betrieb den Einsatz eines größeren Trägers erfordert. Dank der Entwicklung neuster Komponenten können SAR-Systeme heute auch für höhere Frequenzen aufgebaut werden. Beschränkt man sich dabei gleichzeitig auf die grundlegenden Fähigkeiten, sind kostengünstige Mini-Sensoren realisierbar. So können Sensoren im W-Band, die bei Wellenlängen um 3,2 mm arbeiten, auf Standarddrohnen betrieben werden.
Da der Aufbau und der Betrieb eines herkömmlichen Systems im X-Band mit erheblichem Aufwand verbunden sind, wird dieses in der Regel stand-alone rein monostatisch betrieben. Für die kostengünstige Kombination aus W-Band-Sensor und Standarddrohne bietet es sich hingegen an, die Performance durch den Einsatz mehrerer derartiger Teilsysteme zu verbessern. Dabei ergeben sich diverse Vorteile:
1. Der kooperative Betrieb unterschiedlicher Teilsysteme ermöglicht bi- oder multistatische Aufnahmen, die einen Informationsgewinn beinhalten, da andere Aspekte der abgebildeten Szenen zutage treten.
2. Durch die inhärente Verteilung der Gesamtfähigkeit auf mehrere Drohnen wird die Robustheit verbessert und die Verwundbarkeit reduziert.
3. Es bietet eine leichte Skalierbarkeit, bei der durch die Anzahl der eingesetzten Sensoren und Drohnen z. B. die aufgeklärte Fläche, die Häufigkeit der Beobachtungen oder die Diversität der Beobachtungsrichtungen an konkrete Bedürfnisse angepasst werden kann. So kann der kohärente Radarverbund bei verschiedensten Aufklärungsaufgaben eingesetzt werden.
Herausforderungen der kabellosen Hardwaresynchronisierung bei Millimeterwellen-UAV-SAR-Sensoriken
Ein wesentlicher Aspekt der Hardwareentwicklung für ein drohnengetragenes multikohärentes Radarnetzwerk ist die Synchronisierung der Sendesysteme im Millimeterwellenbereich. Um das Gesamtsystem möglichst klein und leicht zu halten, wird der Frequenzbereich von etwa 94 GHz gewählt. Die Wahl einer frequenzmodulierten Signalform dient der Energieeffizienz. Beides sind notwendige Nebenbedingungen für den Betrieb auf einer Drohne. Die geringe Wellenlänge verursacht dabei besondere Herausforderungen an die Techniken, denn es müssen verschiedene abgesetzte Radarsensoren so phasenstarr synchronisiert werden, dass ein hochauflösender SAR-Betrieb durch die Prozessierung gewährleistet werden kann.
Um hohe Abtastraten der Zwischenfrequenz zu vermeiden, müssen diverse Synchronisierungsvorgänge bereits auf Hardwareebene in Echtzeit durchgeführt werden. Damit wird sichergestellt, dass sowohl das durch den sekundären Empfänger empfangene direkte wie auch das vom zu vermessenden Objekt reflektierte indirekte Signal im schmalen Zwischenfrequenzbandbereich zu liegen kommen, um dort abgetastet zu werden. Die Synchronisierung muss kabellos erfolgen, gleichzeitig aber im Millimeterwellenbereich phasenstabil sein. Hierfür ist die Entwicklung neuer Techniken erforderlich.
Herausforderungen der Signalverarbeitung für bildgebende verteilte Radarsensoren im Millimeterwellenbereich
Für die Bildrekonstruktion bei unterschiedlichen Flugkonstellationen bietet sich die Rekonstruktion im Zeitbereich an. Aufgrund der Nutzung von Drohnen als Sensorträger in Verbindung mit leichten und kostengünstigen Systemen zur Positions- und Lagebestimmung, verbleiben unbekannte Laufzeiten des Radarsignals, die durch die Verwendung geeigneter Verfahren zur Autofokussierung kompensiert werden. Darüber hinaus weist aber auch das direkte Signal, welches als Basis der Synchronisation auf Hardwareebene dient, einen unbekannten Laufzeitfehler auf, der im Rahmen der Autofokussierung als zusätzlicher Parameter zu ermitteln und zu korrigieren ist.
Für eine operationelle Nutzung sind weitere Fragestellungen zu behandeln. Da der Einsatz von Zeitbereichsverfahren einen hohen Rechenaufwand mit sich bringt, müssen erprobte Verfahren parallelisiert oder schnelle Verfahren implementiert werden, so dass akzeptable Laufzeiten erzielt werden.