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Synthetic Aperture Radar

ISAR- Bild eines Schiffes: Auf einem schwarzen Hintergrund sind schemenhaft die Umrisse des Schiffes zu erkennen.
Das Schiff wirkt wie ein Bild aus groben rechteckförmigen Pixeln mit einer maßstabsgetreuen Größe von je einem bis zwei Quadratmetern.
Der kompakte Schiffsrumpf leuchtet am hellsten. Die halbdurchlässigen Schiffsaufbauten werden in Grautönen dargestellt. Sogar die dünnen Schiffsmasten sind ganz dunkel zu erkennen.

Bild 1: Radarsilhouette eines Schiffes, erzeugt mit dem ISAR-Processor des Ocean Master

Synthetic Aperture Radar

Ein Synthetic Aperture Radar (SAR) ist ein luft- oder raumgestütztes kohärentes Radarsystem, das den Flugweg vom Flugzeug ausnutzt, um eine äußerst große Antenne oder Strahlaustrittsfläche (Apertur) elektronisch zu simulieren. Über einen längeren Zeitraum werden komplette Sende- Empfangszyklen (PRT's) samt den dazugehörigen genauen relativen Positionsdaten des Flugzeuges elektronisch gespeichert. Nach einer gegebenen Anzahl dieser Zyklen werden die gespeicherten Daten in einem Prozessrechner verarbeitet. (Die aufgetretenen verschiedenen Dopplerfrequenzen der einzelnen Zyklen werden in die Geometrie mit einberechnet.) Somit wird im Radarbild eine sehr viel höhere Winkelauflösung erreicht, als der reelle Öffnungswinkel der Antenne zulassen würde.

Arbeitsweise eines SAR- Radars

Bild 2: Die synthetische Apertur ist eine künstlich verlängerte Antenne

synthetic length of SAR
imagine phased array

Bild 2: Die synthetische Apertur ist eine künstlich verlängerte Antenne

Ein SAR arbeitet ähnlich einer Phased Array Antenne, aber im Gegensatz zur Phased Array Antenne nutzt es nicht viele parallele Antennenelemente, sondern nur ein Antennenelement quasi im Zeitmultiplex. Die verschiedenen geometrischen Positionen sind eine Folge der Fluggeschwindigkeit der Plattform.

Ein SAR- Radarprozessor speichert alle Amplituden und die jeweils dazugehörige Phasenlage der Echosignale aller Impulsfolgeperioden über eine Zeit T von der Flugposition A bis D. Mit diesen Daten kann ein Signal konstruiert werden, welches eine sehr viel größere Antenne, und zwar mit den geometrischen Maßen von v · T empfangen würde, wobei v die Geschwindigkeit der Plattform ist. Eine Vergrößerung der Zeit T wird die „synthetische Apertur” der Antenne vergrößern und somit eine verbesserte Winkelauflösung bringen.

Wenn ein Ziel (wie zum Beispiel ein Schiff) das erste Mal durch einen Radar erfasst wird, beginnt die Speicherung dessen Daten. So wie die Plattform sich vorwärts bewegt, werden alle weiteren Echosignale dieses Zieles gespeichert, so lange sich das Ziel im Antennendiagramm befindet. Die Strecke, welche die Plattform in dieser Zeit zurücklegt, bestimmt die simulierte oder synthetische Antennengröße. Der synthetisch verringerte Öffnungswinkel der Antenne, die Flugzeit während der Messung und die mögliche Reichweite (durch die PRF) bedingen einander, so dass auf dem Swath eine möglichst konstante Winkelauflösung erreicht wird.

Technische Voraussetzungen sind:

Schieberegister
arithmetische Logik

Bild 3: Prinzip des SAR-Verfahrens

Schieberegister
arithmetische Logik

Bild 3: Prinzip des SAR-Verfahrens

Prinzip des SAR-Verfahrens
Schieberegister
arithmetische Logik

Bild 3: Prinzip des SAR-Verfahrens

Mittels dieser Technologie sind die Konstrukteure von luftgestützten Radargeräten in der Lage, eine so gute Winkelauflösung zu erreichen, für die sonst so extrem unpraktische Antennenabmessungen erforderlich wären, die kaum mit einem Flugzeug transportierbar wären.

Bei der Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) wurde das SAR- Verfahren auch an Bord eines Space Shuttles angewendet.

Neben dem SAR Radar wird auch das Inverse Synthetic Aperture Radar (ISAR) verwendet, welches eine Umkehrung des SAR Verfahrens bedeutet, weil hier nicht der Flugpfad des luftgestützten Radargerätes als Basis genommen wird, sondern der Bewegungsvektor des georteten Zieles. Das ISAR- Verfahren erhielt eine große Bedeutung an Bord von Marineaufklärungsflugzeugen um dort Radarbilder von Schiffen mit einer derartigen Qualität zu erhalten, dass eine Zielidentifizierung ermöglicht wird.

Focused SAR

Bei der Berechnung des SAR-Bildes muss berücksichtigt werden, dass die Ziele sich imaginär im Nahfeld der synthetischen Apertur befinden. Der Satellit hat meist eine Höhe des Orbits von etwa 800 km. Das Fernfeld der synthetischen Apertur von etwa 1000 m Länge würde im X–Band aber erst in einer Entfernung von mehr als 60 000 km beginnen. Die einzelnen Antennenpositionen haben also nicht annähernd die gleiche Schrägentfernung zu einem gegebenen Punkt auf der Erdoberfläche. Bei der vektoriellen Summenbildung muss also der Phasenunterschied durch die unterschiedlichen Laufzeiten bei verschiedenen Schrägentfernungen korrigiert werden. Das Ergebnis wird dann focused SAR genannt.

Verzerrungen der Entfernung

Eine Verzerrung der gemessenen Entfernung tritt auf, weil das SAR durch das Messen einer Schrägentfernung das Echo von Geländeerhebungen gegenüber tiefer gelegenen Objekten verhältnismäßig zu früh empfängt. Im Bild werden die gemessenen Entfernungen nicht in den tatsächlichen Verhältnissen wiedergeben.

Bild 4: Foreshortening

Foreshortening

Bild 4: Foreshortening

Bild 5: Überlappung (Layover)

Layover

Bild 5: Überlappung (Layover)

Bild 6: Schattenwurf

Layover

Bild 6: Schattenwurf