Weltraum

Wissenschaftlern des Bereichs Radar zur Weltraumlageerfassung am Fraunhofer FHR gelang mit dem Zielverfolgungsradar der TIRA-Anlage eine hochauflösende Radarabbildung der gesamten von der Erde sichtbaren Mondoberfläche. Und das aus einer Entfernung von 385.000 Kilometern. Dazu nutzten die Wissenschaftler die Bewegung der Erde und des Mondes um mit der 34 Meter großen Cassegrain-Antenne der TIRA-Anlage eine deutlich größere virtuelle Antenne, und somit Auflösung, für die Abbildung zu erreichen. Mit diesem Verfahren zur Erzeugung einer synthetischen Antennenapertur (SAR, engl. Synthetic Aperture Radar) konnte die zusammenhängende Abbildung der gesamt sichtbaren Mondoberfläche mit einer hohen Auflösung erzielt werden. Diese Aufnahme ist im Rahmen erster Experimente mit dem neu entwickelten Zielverfolgungsradar entstanden.

Das erste Licht für das neue System

Bei der Weiterentwicklung der Signalverarbeitungssysteme des Zielverfolgungsradars wird konsequent das Konzept des Software-defined Radar verfolgt, um ein flexibles und eben auch zukunftsfähiges Forschungsinstrument zur Verifikation und Anwendung der im Bereich RWL entwickelten Verfahren zur Weltraumlageerfassung mit Radar zu schaffen.

Die Signalabtastung und die Signalerzeugung erfolgen dabei direkt im Mikrowellenbereich im L‑Band bei 22 Zentimetern Wellenlänge, nahe am analogen Frontend der Antenne. Die weitergehende Verarbeitung der digitalisierten Signale findet in Echtzeit auf Grafikprozessoren mittels in Software definierter Verfahren statt. Dies ermöglicht eine flexible Implementierung innovativer Methoden und deren wissenschaftliche Nutzung.

In den letzten Wochen wurde mit der erfolgreichen Durchführung verschiedener Experimente ein wichtiger Meilenstein in der Entwicklung erreicht und ein Nachweis zur Eignung des von RWL entwickelten Gesamtsystemkonzepts und im Haus entwickelter Teilsysteme erbracht.

Beim ersten Experiment mit diesem neuen Instrument, dem sogenannten First Light oder ersten Licht, wurde zur Untersuchung der Systemstabilität eine Vermessung des Mondes durchgeführt.

Dazu wurde der Mond durch den leistungsstarken Sender des TIRA mit der Antennenkeule der Cassegrain-Antenne, deren Breite in etwa auch dem Durchmesser des Mondes entspricht beleuchtet und die von der Mondoberfläche reflektierten Echos nach circa 2,6 Sekunden empfangen.

Da der Mond für die Keule der Antenne wie ein einzelner Punkt erscheint und nicht aufgelöst wird, wurde die Bewegung, insbesondere die Eigendrehung von Mond und Erde genutzt um über einen Zeitraum von etwa 30 Minuten sozusagen virtuell eine viel größere Antenne, die sogenannte synthetische Apertur aufzuspannen. In der Abbildung 1 ist diese synthetische Apertur (grün) mit der relativen Bewegung des TIRA (rot) zur Mondoberfläche dargestellt.

Zusammen mit der Entfernungsmessung des Radarsystems ergibt sich somit eine Abbildung der Mondoberfläche mit einer Auflösung im Bereich von 20 Metern. Die Reflexionen von der nördlichen und südlichen Oberfläche des Mondes überlagern sich dabei, da sie jeweils gleiche Entfernungen aufweisen. Um diese beiden so entstehenden Bilder wieder zu trennen wurde das Monopulssystem des Zielverfolgungsradars zur nachträglichen Formung der Antennenkeule genutzt. Bei dem Monopulssystem handelt es sich um eine Erregerantennengruppe in der Brennebene der Cassegrain-Antenne, die bei der Zielverfolgung zur präzisen Messung der Zielrichtung dient.

Diese SAR-Bilder sind in den Abbildungen 2a und 2b gezeigt. Horizontal verläuft die synthetische Apertur, über die Vertikale von oben nach unten verläuft die Entfernung zum Radarsystem. Abbildung 3 zeigt in einem Ausschnitt des Bildes den ikonischen Krater Tycho auf der Südhalbkugel des Mondes.