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Holografische Radarbildverarbeitung

kohärentes
Licht
Beleuchtungs-
welle
Referenz-
welle
halbtransparenter
Spiegel
Spiegel
Objektwelle
Film

Bild 1: Prinzip einer holografischen Aufzeichnung

kohärentes
Licht
Beleuchtungs-
welle
Referenz-
welle
halbtransparenter
Spiegel
Spiegel
Objektwelle
Film

Bild 1: Prinzip einer holografischen Aufzeichnung


Was ist ein holografisches Radar?

Holografische Radarbildverarbeitung

Die stürmische Entwicklung der Rechenleistung der Computer ermöglicht eine holografische Radarbildverarbeitung. Radargeräte, die solche der Holographie in der Lichtbildverarbeitung ähnelnde Techologie verwenden, werden auch Holografisches Radar[1] genannt.

Holografische Bildverarbeitung

Das Prinzip der Holographie (siehe Bild 1) besteht in der Aufzeichnung der Phasenlage des kohärenten Lichtes (meist ist die Quelle ein Laser). Dieses Licht wird in einem halbtransparenten Spiegel aufgeteilt in eine Referenzwelle und eine Beleuchtungswelle. Auf der Oberfläche des Filmmaterials überlagern sich beide Lichtanteile, so dass auf dem Film der Phasenunterschied beider Wellen aufgezeichnet wird.

Nach der Filmentwicklung ist auf dem Film jedoch nichts zu sehen: nur eine leichte Eintrübung durch mikroskopisch dünne Interferenzlinien. Wird dieser Film mit der gleichen Referenzquelle durchleuchtet, dann werden die Lichtstrahlen an diesen Linien unterschiedlich stark gebeugt. Für den Betrachter erscheint es, als wenn er ein dreidimensionales Bild wie durch ein Fenster (Bildrahmen) betrachtet. In gewissen Grenzen kann er sogar das Bild aus unterschiedlichen Aspektwinkeln betrachten.

Holografisches Radarbild

Die Umsetzung dieses Prinzips in die Hardware der Radartechnik ist sehr viel einfacher als es die Version im Bild 1 mit dem sichtbaren Licht erwarten lässt. Statt dem kohärenten Laserlicht wird ein stabiler kohärenter Oszillator genutzt, der ständig auf einer hochkonstanten Frequenz schwingt. Der halbtransparente Spiegel wird durch einen Leistungsteiler oder Richtkoppler ersetzt. Die „Referenzwelle“ ist dann einfach nur der Anteil der Oszillatorfrequenz, der im Radargerät verbleibt und zur Demodulation genutzt wird. Die „Beleuchtungswelle“ ist der Anteil, der im Sender auf eine hohe Leistung verstärkt und mit einer Antenne abgestrahlt wird. Die Interferenz zwischen dem Echosignal („Objektwelle“) und der Referenzfrequenz findet in dem I&Q-Demodulator statt.

Diese hardwaremäßigen Voraussetzungen sind praktisch in jedem modernen Radargerät verfügbar, unabhängig davon, ob es ein Impulsradar oder ein Dauerstrichradar ist.

Holografisches Radar im Nahbereich

Bild 2: Ground Penetrating Radar RASCAN-5

Bild 2: Ground Penetrating Radar RASCAN-5

Diese holografischen Radargeräte für den Nahbereich werden zum Beispiel als Ground Penetrating Radar oder als sogenannter Nacktscanner in der Sicherheitstechnik eingesetzt. Sie arbeiten mit bis zu fünf verschiedenen konstanten Sendefrequenzen und messen den Phasenunterschied der reflektierten Welle als Dauerstrichradar mit dem Frequency Shift Keying-Verfahren. Da die verschiedenen Sendefrequenzen für eine gegebene Entfernung unterschiedliche Phasenlagen haben, kann innerhalb eines recht großen Entfernungsbereiches ein eindeutiges Messergebnis registriert werden. Diese Geräte arbeiten mit serieller Aufzeichnung entweder mit genau bewegter Einzelantenne oder mit einem Antennenumschalter, der die aktuelle Sendeantenne aus einer Gruppe von Einzelstrahlern auswählt.

Die Radarbildverarbeitung wird hier holografisch genannt, weil annähernd wie bei einem Hologramm eine Entfernung durch die Phasenunterschiede berechnet wird. Die Berechnung des dreidimensionalen holografischen Bildes kann jedoch wegen der zeitlich aufeinanderfolgenden Messungen nicht in Echtzeit erfolgen. Die holografische Bildverarbeitung ermöglicht hier für die jeweiligen Sendefrequenzen eine relativ größere Eindringtiefe in den Boden (bis zu 10 λ) und eine wesentlich bessere Detailauflösung durch die höheren Sendefrequenzen.[2]

Holografisches Radar als Aufklärungsradar

Bild 3: Holographic Radar™ [1]

Bild 3: Holographic Radar der Firma Aveiland Ltd. (Großbritannien)

Der Vergleich mit dem Bild 1 hat hier eine Besonderheit: die verschiedenen Interferenzlinien auf der holografischen Fotografie müssen ersetzt werden durch eine Vielzahl von Empfangskanälen und einen leistungsstarken Rechner. Dieses Radar muss zwingend notwendig über eine Phased Array Antenne mit Digitaler Strahlformung verfügen. Das Radargerät muss den gesamten abzutastenden Raum gleichzeitig mit seiner Sendeenergie ausleuchten. In der Empfangsantenne befinden sich 100 Einzelstrahler mit jeweils einem kompletten digitalen Empfänger. Mit diesen Daten kann der Rechner eine Vielzahl von unabhängigen Antennendiagrammen berechnen und somit ein dreidimensionales Bild berechnen.

Dadurch, dass keine Antennenbewegungen stattfinden, kann der zugewiesene Raum sehr viel öfter abgefragt werden (bis zu 4 Mal pro Sekunde) als bei einer normalen Parabolantenne (nur etwa alle 4 Sekunden). Eine Zielbegleitung gestaltet sich damit sehr viel einfacher, da das Ziel praktisch ständig beleuchtet wird. Eine Zielbewegung kann somit sehr viel einfacher erkannt werden, ohne dass eine neue Zielposition erst einem 4 bis 5 Sekunden alten Zielzeichen zugeordnet werden muss.

Störungen durch Festziele können besser unterdrückt werden, weil sie in einem anderen Empfangskanal erfasst werden, als höher fliegende Ziele. Selbst die sonst störenden Windkraftwerke lassen sich problemlos ausblenden, da durch die häufige Abfrage ein sehr viel genaueres Dopplerspektrum erfasst werden kann und auch sehr geringe Phasenunterschiede gemessen werden können.

Für diese Berechnungen sind allerdings Rechenleistungen im Bereich von bis zu 50 Teraflops (50 Billionen Gleitkommaoperationen pro Sekunde) nötig.

Sources and ressorces:

  1. “Holographic Radar™” ist ein eingetragenes Warenzeichen der Firma Aveillant Ltd. (Großbritannien)
  2. James D. Taylor: ''Ultrawideband Radar. Applications and Design'' CRC Press, 2012, ISBN 9781420089868 S.421 (online preview)