Ubiquitous Synthetic Aperture Radar Imaging (USAR-Im)

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Otmar Loffeld (†)
• Subject Area: Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering
• Term: from 2016 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 346974191

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

Das Hauptziel dieses Projektes lag in der Gewinnung eines Radar­Bildes unter Zuhilfenahme von Signalen von sich bereits im Orbit befindlichen geostationären Kommunikationssatelliten als Sender und einem stationären passiven Radarempfänger am Boden. Der Empfänger sollte dabei aus kostengünstigen Standardkomponenten aus dem Consumer­Markt bestehen. Unter Berücksichtigung bisheriger Ergebnisse anderer Forschungseinrichtung und den extrem ungünstigen Randbedingungen, war dies ein recht ambitioniertes Ziel. Zu den zu begegnenden Herausforderungen zählen zu einen die geringe Empfangsleistung des Sendessignals auf der Erdoberfläche, Überlagerungen von Signalen anderer Telekommunikationssatelliten und die recht ungenauen Positionsinformationen des Satelliten zu den Sendezeitpunkten. Es wurden eine Lösung für die quasi­kontinuierliche Aufzeichnung der Daten für zwei Kanäle über lange Messzeiträume realisiert. Der Phasenbezug der beiden Kanäle wurde untersucht und mit Hilfe eines Reflektors, der das Direktsignal in den Szenenkanal einspeist, sichergestellt. Des weiteren sind ausgiebige Untersuchungen zur optimalen Filterung der verwendeten Radarsignale erfolgt. Dies war notwendig, weil es sich bei dem Sendesignal um eine Pseudorauschsequenz handelt, die für jeden Zeitausschnitt die Berechnung eines individuell gewichteten Optimalfilters benötigt. Schwierigkeiten gab es bei der Beschreibung der realen Bewegungstrajektorie durch ein einfaches Bewegungsmodell, das wiederum zu neuen Fokussierungsansätze führen sollte. Durch die stark variierende Relativgeschwindigkeit der geostationären Satelliten war dies aber nicht möglich; die Bilder wurden mit einem Rückprojektionsalgorithmus im Zeitbereich fokussiert. Der Nachteil der höheren Verarbeitungszeit der Zeitbereichslösung im Vergleich zu einer Modellbeschreibung im Frequenzbereich wurde durch Parallelisierung und Durchführung der Berechnung auf GPUs kompensiert. Eine wichtige Erkenntnisse war der Einfluss eines genauen Höhenmodells auf das Verarbeitungsergebnis, da die bistatische Abbildung empfindlich gegenüber der Höhe des Ziels ist, und sich aufgrund der vertikalen Anteils der Sendertrajektorie ein dreidimensionales Fokussierungsproblem ergibt. Trotz verschiedener vorhersagbarer und unvorhersehbarer Herausforderung sind die wichtigsten Vorhabensziele erreicht worden. Die SAR­Bildgebung unter Zuhilfenahme geostationärer Satelliten war erfolgreich und die einzelnen analysierten Ziele des fokussierte SAR­Bildes entsprachen der theoretisch möglichen Form. In einem thematisch ähnlich ausgerichteten DFG­Projekt der passiven SAR­Bildgebung werden die gewonnen Erkenntnisse in nachfolgenden Untersuchen weitergeführt, um den Einsatz dieser Technik zur Bewegungserkennung von Gebäuden und Hängen zu evaluieren.

Publications

• “Radar imaging and tracking using geostationary communication satellite systems – A project description”. In: Proceedings of EUSAR 2016: 11th European Conference on Synthetic Aperture Radar. VDE. 2016, S. 1–4
  Holger Nies, Florian Behner, Simon Reuter, Simon Meckel und Otmar Loffeld
  
• “First Results of Passive Radar Imaging and Tracking Using Geostationary Satellites”. In: 2018 15th European Radar Conference (EuRAD). IEEE. 2018, S. 214–217
  Holger Nies, Florian Behner, Simon Reuter und Otmar Loffeld
  (See online at https://doi.org/10.23919/eurad.2018.8546511)