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W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 1
"Design von SAR–Sensoren für Fernerkundung und Aufklärung"
Beitrag zur Vorlesung Hochauflösende Radarsystemeam IHF der Universität Erlangen,
Wolfgang KeydelMittelfeld 4, 82229 Hechendorf
Tel.: 08152-980 523, Fax: 08152-980 525E-Mail: [email protected]
Webseite: www.keydel.com
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 2
Aufgabenstellung und Ziel
Vorstellung der für Aufbau & Nutzung eines SAR wichtigsten Parameter
Elektrodynamik, Elektrotechnik, Geometrie,Nutzung & Anwendung
Vorstellung der für Entwurf eines SAR notwendigen Schritte&
Erstellung einer „groben Basisspezifikation“ für ein kleines SAR
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 3
Inhalt
1. Vorgegebener Definitions-Rahmen: Plattform Eigenschaften
2. Bedeutung von Höhenplattformen für Fernerkundung & Aufklärung
3. Physikalische Prinzipien des SARAnwendungsparameter, Radartechnik für Charakterisierung & Design eines SAR-Systems, Datenmengen & Prozessierung
4. Spezielle Radar-Verfahren & SAR – ModenPulsradar, FM-CW-Radar, Spot Light- & Scan-SAR,Interferometrie, Polarimetrie
5. Nutzerforderungen & SAR Anwendungen
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 4
Inhalt 26. Stand der Technik bezüglich SAR-Komponenten und
SAR-Systemen auf UAV
6.1 Operationelle SAR-Sensoren und -Systeme auf UAV
6.2 Komponenten: Sender, Antenne, Prozessor´ 6.3 Datenverarbeitung
6.4 Grundsätzliche Möglichkeiten zur Modifikation handelsüblicher Systeme
6.5 Entwurf eines kleinen „Picolomini“ –SAR
7. Modellbeispiel eines SAR-Designs für ein HALE
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 5
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 6
Sichtlinie zum Horizont, RH
RE
RH
H
S
( )
HRHHHRR
RRHR
EEH
HEE
22 2
222
≈+=
=−+
H = 30 kmRH= 618, S= 500km
H = 20 kmRH=500, S= 610 km
θi
Θi=82,5°
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 7
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 8
General User Requirements
Land Use, Vegetational, & Hydrologic Applications
Distributed Targets: Radiometric Resolution < 1 dB, Calibration < 1 dB
Disaster Monitoring: ad hoc Measurements Every Hour within a Few Days
Dynamic Processes: Repetition 3 to 7 Days
General Monitoring: Repetition 4 Weeks
Static Phenomena Observation & Global Monitoring: Quarterly Repetition
Military User: Permanent Coverage of Special Scenes
Low cost systems: lightweight, small, easy to handle & to install
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 9
Abhängigkeiten wesentlicher Anwendungsparameter von Systemfaktoren und Systemkomponenten
Parameter der Radargleichung, Verluste, Kohärenz, Fluktuationen
S/N, Anzeigewahrschein-lichkeit, Falschalarme
Eigengeschwindigkeit, AntenneBeobachtungsrepetition
Mittlere Sendeleistung, Antenne, Radar - Verfahren,
Reichweite
Eigengeschwindigkeit, AntenneMessbare Geschwindigkeit
Antenne, Frequenz, EigengeschwindigkeitPulswiederholfrequenz,
Schwadbreite
Antenne, Masse & Volumen Bandbreite, Frequenz, Sender, Prozessor
Auflösungsvermögen
Bestimmende System - Faktoren und - Komponenten
Anwendungsparameter
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 10
Grundsatzbeispiele für generelle Nutzerforderungen
¼ JahrStatische Phänomene
4 WochenGenerelle Vegetation, Ernte etc.
1 - 7 Tage bis ¼ JahrDynymische Prozesse
Ad hoc, Stunden -Tage
Katastrophen - Management
¼ h bis hVekehrsbeobachtung
i. A. permanent Militärische Nutzung
MessperiodeArt der Aktivitäten
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 11
Radar-Verfahren, Messgenauigkeit,
Polarisation,
Objekt-Qualität, -Struktur, Veränderungen,
Kohärenz
Radar Verfahren, Aufwand,Antenne
Objekt-Qualität, Struktur Materialeigenschaften (κ,ε,μ)
Polarisation
Auflösung, Bandbreite,Reichweite, Schwad, Antenne, Abmessungen,
Objektgeschwindigkeit,Entfernung, Eindringtiefe
Frequenz
Kohärenz, Bewegungs-fehler, Messgenauigkeit
Objektstruktur,DimensionEntfernung,Geländehöhen
Phase
Messgenauigkeit, Reichweite, S/N,
Rückstreuquerschnitt. -koeffizient,Objektgröße,
Amplitude WechselwirkungMessmöglichkeitParameter
Messmöglichkeitenelektrodynamichnischer Parameter & ihre Wechselwirkungen
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 12
Messmöglichkeiten, elektrotechnischer Parameter & WechselwirkungenWechselwirkung
Kohärenz, Messgenauigkeit
Geländehöhen, Fluglage Zeitliche Veränderungen,
Basislänge (Interferometer)
Pixelgröße, Schwad, Datenraten, Auflösg, Polarisation, Reichw, Messgenauigkeit, Aufwand
Winkel, Objektanzahl,Anntennenparameter:Gewinn, Halbwertsbreite, Abmessungen Nebenzipfel, Schwenk
Radarverfahren, Sendeleistung,
GeschwindigkeitTastverhälnis
Schwad, Mehrdeutigkeiten, Leistung, Aufwand
Spitzenleistung, Objektgeschwindigkeit
Pulswiederholfrequenz (PRF)
Entfernungsauflösg, Frequenz, Aufwand
PulslängeBandbreite
Bandbreite, mittlere Leistung
EntfernungsauflösungPulslängeMessmöglichkeitParameter
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 13
Shane Cloude‘s Ergebnis (2004): FOLPEN
Normierte Rückstreuung von einer Anordnung aus Dreifachreflektoren am Waldboden
HH+VV ungefiltert
POLISAR Filter
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 14
Predator MALE mit TESAR von Northrop Grumman
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Spezifikationen für das MTI-SAR der Niederländischen TNO Defence, Security and Safety
10 to 20 m0,3 to 1,0 mground resolution
55 to 75 deg45 to 75 degIncidence angle
2 %2 to 10 %duty cycle
5 to >15 km3 to >15 15 kmfar range
1 to 8 km1 to 6 kmground swath
4 to 7 km2 to 7 kmnear range
3,5 km1 to 3,5 kmAltitude
11 or 2double pulse (1 or 2)
10 MHz300 to 600 (1 or 2) Bandwidth
8 μs6 to 12,5 μspulse length
3 kHz4 to 10 kHzPRF
MTI- SpezifkationenSAR - SpezifikationenSAR MTI Kanal
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 16
NanoSAR von ImSAR/Insitu
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 17
Die Antenne beeinflusst, bzw. definiertdie wesentlichen SAR-Systemparameter z.B.:
• Das Signal Rauschverhältnis über die Fläche (d.h. den Gewinn)
• Die Azimutauflösung über die Azimut-Ausdehnung• Die Schwadbreite über ihre vertikale Ausdehnung• Die Entfernungsauflösung über ihre Bandbreite• Mehrdeutigkeitsunterdrückung über die Seitenzipfel
des Antennendiagramms• Die erforderliche Primärleistung über ihre Fläche• Die Polarisations-Effektivität des Gesamtsystems
über ihre Kreuzpolarisationsreinheit• Die Überwachungskapazität über ihre Länge• Die Effektivität des Gesamtsystems über
Einschränkungen bezüglich Masse und Volumen
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 18
Abb.6.3 a EL/M-2055 SAR-GMTI Radar , ELTAINS: 5kg, 50W, fliegt auf HERON
Abb.6.3b TESAR, Northrop,Predator
Abb.6.3c UAV-SAR Honeywell
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 19
YouTubeSAR der Brigham Young University, Birmingham
7x70 x2FM-CW16 W200 – 9000,1 m x 0,6m0,9kg7,5x8,5x7,5
9,9
Antenne cm3
TypLeistgW
RSchwadkm
Auflösungm x m
Masse, Vol.kg, cm3
FrequGHz
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 20
Patch-Antenne des CORISTA MiniSAR
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 21PAS 99-Antenne der Firma ARA Electronis mit Spezifikationen und
Richtdiagrammen links in der E- und rechts in der H-Ebene
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 22
Konforme Satelliten-Kommunikationsantenne im Flugzeug: a: Antenne, b: Integration in Flugzeug, c:Experimentschema, d:oben geschwenktes Diagramm
a
b
cd
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 23
Funktionen von Microwave Power Modulen der Firma L3 Comunication25% - 30%Wirkungsgrad-54°C - 85°CTemperaturKonduktionKühlung30 nsecRise Time50 kHz (max)PRF100 nsec … CWPulsdauer0 – 100 % (CW)Tastverhältnis
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 24
Firmenangaben zu Leistung, Masse und Volumen verschiedener Microwave Power Module L3 Communications [6.8].
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 25
64,5 mm
13,5 mm
Frontend-Elektronik
Kontroll-Elektronik
SMTR64,5 mm
13,5 mm
64,5 mm
13,5 mm
64,5 mm
13,5 mm
Frontend-Elektronik
Kontroll-Elektronik
SMTR
EADS-TerraSAR-X-Frontend-Modul ohne Deckel [6.11]
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 26
Blockschaltbild des TerraSAR-X-Frontend_Moduls [6.11]
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 27
Leistungsparameter eines T/R–Frontend-Moduls für TerraSAR-X
5.625 degPhasenauflösung
< 1.8 deg RMS over Rx dynamic range 28dB to 8dB
Phasenfehler
< 0.22dB RMSAmplitudenfehler
0.2dB RMS & 2.0deg RMS Gewinn & Phasenstabilität
38dBm (⌂ 6,3 W) Ausgangsleistung
< 4.5dBRauschzahl
9.5 GHz to9.8 GHz.Frequenz
WertParameter
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 28
Powerblock 50 System, Mercury Size (excluding connectors)105 mm x 134 mm x 148 mm (4.1 in x 5.3 in x 5.8 in)Weight (excluding connectors) with no slots populated 1873 g (66 oz)with 6 slots populated 2900 g (102.3 oz) typical processing performance 172 GFLOPS
Predator TESAR Prozessor,Mercury, 55 Pounds, 535 Watt, 10 GOPS
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 29
Stand der TechnikStrip-Map SAR mit Spotlight-Modus
• Phased-Array-Antennen auf Kardan-Plattformen zur Erzielung großer Schwenkwinkel (in Azimut bis± 75°)
• MTI- bzw. GMTI-Modus• Echtzeitprozessierung an Bord.• Datenübertragung zu Bodenstationen
über Relais-Satelliten.
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 30
Möglichkeiten für Modifikationen an handelsüblichen Sensoren
Modifikationen Grundsätzlich aufwändig & schwierig1. Prinzipiell am einfachsten: Austausch des gesamten Prozessors
2. Bei COTS-Radar: Antenne zusammen mit ihrer Kardan-Plattform gegen Phased-Array-Antenne austauschen. Zur Phased-Array-Steuerung notwendig: Kenntnis der Steuersignale des Kardans & die Eingangsspezifikationen des Radarkopfes.
3. Steuerung des Phased-Array zur Realisierung des Spotlight-Modus notwendig
4. Modifikationen möglichst in Kooperation mit der Herstellerfirma. Bei EADS evtl. Gruppen vorhanden, die sich auf Analyse fremder Geräte verstehen. Deren Hilfe sollte man in Anspruch nehmen.
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 31
Entwurf eines kleinen „Picolomini“-SARFrage:
Ist es möglich, ein SAR mit einem Gewichtslimit von 5kg für ein sehr kleines Flugzeug, z.B. Typ Cessna oder Ultraleicht, zu entwickeln?
Auswahl von COTS – Produkten
∑ Antenne: PAS 99-Antenne der Firma ARA Electronis (Abb. 6.4), X- Band, Masse 6 oz > 0,170 kg, Abmessungen: 0,15m x 0,15 m
∑ Sende- Empfangsteil: T/R-Frontendmodul der Firma EADS, geschätzte Masse ca < 0,200 kg, geschätzte Abmessungen ca. 0, 130 m x 0,07 m, elektrische Leistungsparameter Tab. 6.7.
Beschaffungsprobleme sind hier nicht berücksichtigt
∑ Datenprozessor: Powerblock 50 System der Firma Mercury, Masse 2,9 kg, Abmessungen. 0,105 m x 0,134 m x 0, 148 m.
Gesamtmasse 3,3 kg
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 32
3.8 dBRauschzahl
Spezifikationen für das Picolomini-SAR(Richtwerte bei 8 Azimut Looks)
300 MHzChirp-Bandbreite
30 dBKorrelationsgewinn
0,3 m x 0,15 mNominelle Slant-Auflösung δrg x δaz i
τP ª 300 μsec
komprimierte Pulslänge
17 kmMaximale Reichweite gegen 1 m2
300 msecunkomprimierte Pulslänge
0,4 < S/H <0,9Schwadbreite /km 0.1Tastverhältnis3 kHzPRF
0,3 £ AS/H £ 1Nahbereich gegen Nadir13 dBS/N
20° £ θi £ 50°Einfallswinkelbereich15° x 15°Antennendiagramm βvert x β hor
EADS T/RModulLeistungserzeugung0,15 m x 0,15 m
Antennendimension Dvert x Dhor
5 km, 70 m/secHöhe, Geschwindigkeit6 WCW-LeistungPulskompressionVerfahren 10 GHzFrequenzWertParameterWertParameter
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 33
Forderungen:• Einbau in einen Zylinder von 50 cm Durchmesser • Masse £100 kg. • Die Flughöhe zwischen 20 km und 30 km • Detektions-Wahrscheinlichkeit eines nicht
fluktuierendes Objekt (σ = 1m2) 99% • Falschalarmwahrscheinlichkeit von 10-4. • Frequenz f=10 GHz entsprechend einer Wellenlänge λ = 3cm
• Einfallswinkel soll zwischen 20° und 50° liegen,
Entwurf eines „Basis-SAR“
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 34
500 200
23
50
Antenne (200mm x 500mm x 50mm) im Rumpf, ø 500 mmSchema
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 35
Power-Apertur (PAP) als Funktion der Höhe H
Parameter Einfallswinkel θi
16 18 20 22 24 26 28 300
5
10
15
20
25
30
65°60°
75°
65°70°
PAP/Wm4
H/km
θi
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 36
25 30 35 40 45 50Θin
°
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
SêH
Normierter Schwad S/H als Funktion des Einfallswinkels θiParameter: β =5°, β =7°, β =10°, β =15°,
H
SA
RRf
Rn
θi
β/2β/2
= ⎢⎣⎡ −+ tan ()
2tan ( ⎥⎦
⎤− )2
βϑιβϑι
SH
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 37
10 20 30 40 50 60θêGrad
3000
3500
4000
4500
5000PRFêHz
PRF als Funktion des Einfallswinkels bei 30 km Höhe
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 38
Reichweite, R/km als Funktion der Power-Apertur, PAP/W m4
40
45
50
55
60
65
2 4 6 8 10
PAP/Wm4
R/km
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 39
10 20 30 40 50 60 70θêGrad1000
2000
3000
4000
5000PRFêHz
10 20 30 40 50 60 70θêGrad1000
2000
3000
4000
5000PRFêHz
30000 40000 50000 60000Range êm
5
10
15
20
25
30
Watt
22000 24000 26000 28000 30000Höhe êm
2
4
6
8
10
12
14
Pave êWatt
25 30 35 40 45 50Θin
°
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
SêH
Notwendige CW Leistung als Funktion der Maximal- Reichweite
Zulässiger PRF-Bereich H = 30km als Funktion des Einfallswinkels θi
CW-Leistung als Funktion der Höhe, Parameter Einfallswinkel θi
20°30°40°
50°
10°
Normierter Schwad als Funktion des Einfallswinkels, Parameter: Halbwertsbreite β
5°7°
10°
15°
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 40
3.8 dBRauschzahl
Spezifikationen für das Basis-SAR für HALE300 MHzChirp-Bandbreite30 dBKorrelationsgewinn
0,3 m x 0,3 mSlant-Auflösung δrgx δazτP ª 300 μsec
komprim. Pulslänge
50 kmMaximale Reichweite300 msecUnkomp. Pulslänge0,40 < S/H <0,9Max. normierter Schwad0.1Tastverhältnis
3 kHzPRF0,3 £ AS/H £ 1Norm.Schwadabstand
gegen Nadir13 dBS/N
20° £ θi £ 50°Einfallswinkelbereich10° x 4°Antennendiagrammβvert x β hor
HalbleiterLeistungserzeugung0,2 x 0,5Antenne/m x m 20 £ H £ 30Flughöhe/km18 WCW-LeistungPulskompressionVerfahren 10 GHzFrequenzWertParameterWertParameter
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 41
Prozessierungsrelevante Designelemente Basis-SAR, 1Look (n =1), kp = 1
48 GB60 GBSpeicher
kp x 11,1 Mflopskp x 30 MflopsProzessierungs-Rate
4 km2 sec-15 km2 sec-1Fächenüber-deckungsrate
11,1 Mbps30 MbpsQ = nVS/δaz δrgPixel - Rate
100 Mbps270 MbpsDR = Nrg PRF Daten - Rate
33,3 kb90 kbNrg = S/δrgEntfernungspixel
6,7 kb12 kbNaz = Rmaxλ/2 δaz = L/δazAzimuth Pixel
20 sec25 secVerweilzeit
2400 m3000 mL = λ Rmax/DazSynt.Apertur
2.Wert Smax= 10 km
1.Wert Smax= 27km
FormelBezeichnung
azD V
RTδλ
2max=
.4Dc<VR=
dtdA=A S
S ⋅⋅max'
δδ rgazp
SVnk=PR⋅⋅
2max240
azrg
RSnMRδδ
λ⋅⋅≈
W.Keydel, Vorlesung-IHF_Erlangen 42
Schema HALE Fernerkundungssystem für Überwachung & Aufklärung
HALE
Relais-Satellit
Bodenstationevtl. mobil