E-SAR – Das flugzeuggetragene SAR-System des DLR



E-SAR ist das DLR-eigene flugzeuggetragene experimentelle Synthetik-Apertur-Radarsystem das vom Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme in Kooperation mit den DLR-Flugbetrieben auf deren  Flugzeug Dornier DO228-212 betrieben wird. Das am Institut entwickelte System lieferte erste Bilder im Jahre 1988 in seiner Grund-Systemkonfiguration. Seitdem wurde das System stetig erweitert und es entwickelte sich zu dem was es heute ist: ein wandlungsfähiges, vielseitig einsetzbares und verlässliches „Arbeitstier“ in der flugzeuggetragenen Erdbeobachtung mit Einsätzen weltweit.

E-SAR an Bord des DLR-Flugzeugs Do228-212 bei der Landung nach einem erfolgreichen Messflug
© Renato Burkhart, AIRLINERS.NET
Ein Blick in die Kabine der Do228. Die Racks sind ca. 1,20 m hoch.

Repeatpass-SAR-Interferometrie- Basislinien, die während der INDREX-Kampagne 2004 in Indonesien erreicht wurden. Die Abweichungen betragen weniger als 1m (RMS) für jeden der drei Pässe mit einer nominellen Basislinie von 5m.

Das Trägersystem

Die Do228 ist ein zweimotoriges Kurzstart und -landeflugzeug. Die Landebahn darf eine minimale Länge von nur 900 Metern haben. Die maximale Betriebsflughöhe der Do228 mit E-SAR an Board in ungefähr 6000 Meter über Meeresspiegel. Für den SAR-Betrieb reicht die Über-Grund-Geschwindigkeit von 70 m/s bis hin zu 100 m/s. Abhängig von der SAR-Konfiguration variiert die Betriebsdauer zwischen 2,5 und 4 Stunden.

Das Radarsystem

E-SAR operiert in 4 Frequenzbändern: X-, C-, L- and P-Band und deckt damit Wellenlängen von 3 bis 85 Zentimetern ab. Die Polarisation des Radarsignals ist wählbar: horizontal oder vertikal. Im polarimetrischen Modus wechselt die Polarisation von Puls zu Puls in einer Sequenz von HH-HV-VV-VH.

E-SAR Technische Parameter

. X C L P
Trägerfrequenz [MHz]   9600 5300 1300 350

Bandbreite [MHz]

100 oder 50 (wählbar)
Abtastung 6 oder 8 Bit, komplex (I und Q)
Datenraten 8 oder 16 MByte/s (wählbar)
Auflösg. in Entfernung [m] 2 oder 4 (wählbar)
Auflösung in Flugrichtung [m]   0,25 0,3 0,4 1,5
Streifenbreite [km] 3 oder 5 (wählbar)

Das E-SAR-System bietet eine hohe operationelle Flexibilität. Seine Betriebsarten umfassen

  • Ein-Kanal-Betrieb, d.h. nur eine Wellenlänge mit unveränderlicher Polarisation während des Messflugs 
  • Singlepass-SAR-Interferometrie im X-Band (entlang der Flugrichtung und/oder quer zur Flugrichtung) und
  • SAR-Polarimetrie: Das System ist polarimetrisch kalibriert in L- und P-Band.
  • Es eignet sich zur operationellen Repeatpass-SAR-Interferometrie in L- und P-Band; in C- und X-Band ist diese derzeit noch experimentell.

Navigationsgenauigkeit

Ein modernes Echtzeit-DGPS/INS System (IGI CCNS4/Aerocontrol IId) kombiniert mit einem FUGRO OmniStar 3000L DGPS-Empfänger erlaubt eine sehr präzise Navigation und Positionierung. E-SAR ist daher in der Lage, geo-referenzierte Bildprodukte von hoher geografischer Genauigkeit zu erstellen. Bei der Repeatpass-SAR-Interferometrie sind Basislinien von weniger als 10 Metern möglich, welches die Realisierung innovativer Techniken wie Pol-InSAR, SAR-Tomografie und kohärenter Veränderungsdetektion (change detection). Ein Beispiel für die präzise Einhaltung des Flugpfades wird unten gezeigt. Drei aufeinander folgende Pässe von ca. 6 Minuten Dauer wurden mit einer nominellen Basislinie von 5 Metern geflogen.

Das Bodensegment

Teil des Sensors ist auch ein operationelles E-SAR-Bodensegment. Nach Transkription von HDDC (SONY SD-1) zu Festplatte konvertiert der E-SAR Extended-Chirp-Scaling (ECS) -Prozessor die gewonnenen SAR-Daten zu kalibrierten Bildprodukten (siehe SAR-Prozessierung). Um die Produktqualität auf CEOS-Level 1b anzuheben wurde eine radiometrische und polarimetrische Kalibrierung, sowie Höhenmodellerzeugung und Bild-Georeferenzierung operationell eingebaut.Zur Kalibrierung dienen trihedrale Cornerreflektoren, die am Flugplatz Oberpfaffenhofen sowie auf dem DLR-Betriebsgelände und in dessen Umgebung aufgestellt wurden. Ihre Größe variiert zwischen 90 cm bis 3 m Kantenlänge. Die geografischen Positionen sind genau bekannt. Das E-SAR-Bodensegment wird schließlich komplettiert durch eine Anbindung an das Datenarchiv DIMS (Data Information and Management System) und dessen Internet-Schnittstelle EOWEB (Earth Observation on the WEB), welches Nutzern eine Zugriffsmöglichkeit bietet. 

P-Band Antenne mit Radon 200x372
Neue P-Band-Antenne mit Windabweiser
E-SAR P-Band (300 bis 400 MHz) -Abbildung eines Kalibriertestgebiets nahe Oberpfaffenhofen. Die Szenengröße ist ca. 3,2 km x 3,5 km, Beleuchtungsrichtung von unten.
Landebahn Flugplatz Oberpfaffenhofen und DLR-Forschungsgelände: Ein X-Band Step-Frequency-Bild mit 170 MHz Gesamtbandbreite. Der spektrale Überlapp in Entfernungsrichtung beträgt 20%.
Verbesserte Auflösung in Entfernungsrichtung: Ein Schnitt durch die Impulsantwort eines Radarreflektors. Gestrichelte Linie: Original-Impulsantwort (IRF), durchgezogene Linie: Step-Frequency-IRF.

Neuere E-SAR System-Upgrades

Neues P-Band (300 bis 400 MHz) – Breitbandiges SAR niedriger Trägerfrequenzen ist höchst anfällig für Interferenzen mit anderen Trägerfrequenzen. Diese Erfahrung wurde speziell im P-Band (400 bis 500 MHz) gesammelt, das in Europa sehr dichtbesiedelt mit Fernsehkanälen ist. Um eine bessere Bildqualität zu erreichen, wurde die P-Band-Trägerfrequenz nach 350 MHz verlegt (niedriger als zuvor). Dazu wurde ein neues P-Band-Subsystem einschließlich Antennen, IF-Converter und Frontend gebaut. In 2003 wurde der erste Flugtest absolviert. Die Bildqualität erwies sich als sehr gut in Bezug auf räumliche Auflösung und Grauwertauflösung, sowie in Signal-zu-Rauschabstand (SNR) und RF-Interferenz-Level. Ein Beispiel dazu ist unten gezeigt mit einer Single-Look-Auflösung von ungefähr 2,2 x 2 m (Entfernung x Flugrichtung).

Step Frequency Mode – Radartechnologie unterliegt weiterhin noch einigen Beschränkungen, insbesondere wenn eine rekonfigurierbare Signalerzeugung notwendig wird wie beim E-SAR-System. Um dennoch den Kundenwunsch nach sehr hohen räumlichen Auflösungen erfüllen zu können, sind alternative Lösungen zur Erzeugung großer Bandbreiten von bis zu 1 GHz gefragt. Eine diesbezüglich attraktive Methode ist das Step-Frequency-Verfahren, das auf E-SAR angepasst wurde. Zu Experimentierzwecken wurde eine Step-Frequency-Converter-Einheit für E-SAR entwickelt und getestet. Die Einheit liefert 200 MHz maximale Bandbreite mit Spektrumüberlappungen von 0 bis zu 100 %, indem der normale 100-MHz-Chirp abwechselnd von Puls zu Puls auf zwei Trägerfrequenzen gesendet wird. Flugerprobungen wurden mit verschiedenem Grad von Überlapp durchgeführt (10%, 20% and 50%). Zur Prozessierung der Daten wurde außerdem eine geeignete Software entwickelt. Die Arbeiten dazu wurden erfolgreich abgeschlossen und der Zuwachs an räumlicher Auflösung in Entfernungsrichtung konnte demonstriert werden.

Der Nachfolger

Seit nunmehr vielen Jahren wird E-SAR massiv genutzt, um SAR-Experimente und Messflüge durchzuführen. Es hat sich dabei zu einem wichtigen Werkzeug in der SAR-Forschung und SAR-Anwendung in Europa entwickelt. Eine Vielzahl von wichtigen wissenschaftlichen und technischen SAR-Missionen und -Projekten wurden in den letzten Jahren mit großem Erfolg durchgeführt. Und dennoch: Während viele Fragen in der Vergangenheit beantwortet werden konnten, tauchen neue Probleme auf, die nach neuen Lösungen verlangen. Das Institut baut derzeit ein neues SAR-System, das mit F-SAR bezeichnet wird. In der Konstruktionsphase von F-SAR wird E-SAR jedoch weiterhin gewartet und zu SAR-Kampagnen genutzt.


Kontakt
Ralf Horn
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme
, SAR Technologie
Tel: +49 8153 28-2384

Fax: +49 8153 28-1449

E-Mail: Ralf.Horn@dlr.de
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Downloads zu diesem Artikel
E-SAR Brochure (English) (http://www.dlr.de/hr/Portaldata/32/Resources/dokumente/institut/E_SAR_data_sheet.pdf)