Synthetic Aperture Radar
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
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:
- ein frequenzstabiles, voll- kohärentes Radarsystem
- ein leistungsfähiger SAR-Prozessor und
- die genaue Kenntnis der Bewegungsbahn und der Geschwindigkeit der Plattform.
Bild 3: Prinzip des SAR-Verfahrens
Bild 3: Prinzip des SAR-Verfahrens
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
Bild 4: Foreshortening
- Unter Foreshortening bezeichnet man eine verkürzte Darstellung tatsächlicher Entfernungen (Stauchung von Entfernungen durch perspektivische Verkürzung). Zum Beispiel bei einem Berg, bei dem der Hang (vom Gipfelpunkt b zu Fußpunkt a) zum Radar hin geneigt ist. Die Länge dieses Hanges wird in der Bildebene in der Entfernung gestaucht (von Punkt a' zu Punkt b') wiedergegeben.
Bild 5: Überlappung (Layover)
Bild 5: Überlappung (Layover)
- Von Layover (Überlappung) wird gesprochen, wenn ein Gelände derart steil ist, dass die Schrägentfernung zur Bergspitze (b) kürzer ist, als zum Fuße des Berges (a). Auf dem Bild wird jetzt sogar die Reihenfolge beider Objekte vertauscht, der Punkt b' wird in der Entfernung noch vor dem Punkt a' dargestellt.
Bild 6: Schattenwurf
Bild 6: Schattenwurf
- Durch die im Winkel angestrahlten Geländeerhebungen entsteht ein Schattenwurf. Der Schatten der Objekte wird mit steigendem Einfallswinkel (wie bei einem Sonnenuntergang) länger.