Mikrowellensensorik



Einleitung

Im Rahmen wehrtechnisch und zivil orientierter Forschung entwickelt und fertigt die Fachgruppe aktive und passive Mikrowellensensoren für die Mikrowellenfernerkundung. In der Regel ist eine begleitende detaillierte Systemsimulation erforderlich, um die Arbeiten im Hinblick auf erforderliche Instrumentierung zu unterstützen. Weiterhin werden relevante Berechnungen von Mikrowellensignaturen betrieben, um diese zu erforschen, vorherzusagen und zu vergleichen sowie das Verhalten und die Leistungsmerkmale von Sensorsystemen zu modifizieren. Entwicklungs- und Fertigungsarbeiten finden im Wesentlichen auf der Systementwicklungsebene statt, d.h. sofern das Budget vorhanden ist, werden kommerziell verfügbare Subsysteme oder einzelne Komponenten eingekauft. Nichterwerbbare Komponenten werden selbst entwickelt und gefertigt. Neben den Arbeiten im Mikrowellenfrequenzbereich werden auch Aktivitäten im analogen und digitalen Niederfrequenzbereich ausgeübt. Signalaufbereitung und-erfassung spielt in der Fernerkundung eine wichtige Rolle. Hier sind die Subsysteme sowie zugekaufte Komponenten miteinander über adäquate Kontroll-Software verbunden, um spezifische Nutzeranforderungen wie die der Echtzeitfähigkeit erfüllen zu können. Das globale Ziel bei der Sensorentwicklung ist die Umsetzung auf höchstem Leistungsniveau bei gleichzeitig geringen Kosten. Daher ist jedes neuartige Abbildungsprinzip von großem Interesse.

Aktive Sensoren

Abbildendes Bodenradar

Im Rahmen der Aufklärung und Sicherheit nutzen moderne Radarsysteme für eine erweiterte Zielerkennung die hochaufgelöste Darstellung der Streuzentrenverteilung (RCS) von Objekten aus. Hierbei können polarimetrische Eigenschaften als weitere Informationsquelle dienen, die in erster Linie der Identifikation des Streumechanismus dienen. Der Betrieb in verschiedenen Frequenzbändern von P- bis Ku-Band gibt Einblick in die unterschiedlichen Streu- und Eindringphänomene kompliziert strukturierter Objekte. Mehrere Sende- und Empfangskanäle können außerdem helfen, die Abhebung von Objekten gegenüber den Hintergrundechos erheblich zu verbessern. Für die experimentelle Untersuchung der sich ergebenden Messmöglichkeiten und für die verlässliche Akquirierung von Radarsignaturen wurde ein leistungsfähiges Radarsystem mit dem Namen UNIRAD entwickelt und in den Frequenzbändern L/S-, C-, X- und Ku-Band betrieben. Für das neuste entwickelte und fertiggestellte Radarsystem GIGARAD werden im Wesentlichen digitale Komponenten für die Generierung des Sendesignals und die Verarbeitung des Empfangssignals verwendet, mit denen ebenfalls sehr hohe Pulswiederholfrequenzen erreicht werden. Das GIGARAD-System arbeitet bei 8-14 GHz. Für die minimal einstellbaren Pulslängen werden theoretische Entfernungsauflösungen von bis zu 2,5 cm erzielt. Je zwei unabhängige Sende- und Empfangskanäle nutzen die volle Bandbreite im Zeitbereich und verleihen dem System eine hohe Flexibilität bei der Signalverarbeitung für eine Vielzahl anspruchsvoller Anwendungen. Für ein hohes Eindringvermögen in verschiedene dielektrische Materialien wie z.B. den Erdboden werden niederfrequente Mikrowellen benötigt. Das im Projekt TIRAMISU im 7. EU-Rahmenprogramm (http://fp7-tiramisu.eu/) entwickelte und gebaute Radarsystem TIRAMI-SAR arbeitet im langwelligeren UHF-Band von 500 MHz bis zu 3 GHz und hat eine ähnliche Architektur wie GIGARAD. Mit diesem System können vergrabene Landminen sowie verschüttete Blindgänger (UXO, UneXploded Ordnance) detektiert werden. Mit allen entwickelten Systemen können Messungen nach dem SAR- (Synthetic Aperture Radar – die Szene bzw. das Messobjekt sind starr und das Radar bewegt sich) sowie ISAR-Prinzip (Inverse SAR – starres Radar und bewegte Szene) durchgeführt werden. Durch eine kohärente Signalverarbeitung von aufeinander folgenden Entfernungsprofilen entlang einer Szenerie wird eine zweidimensionale Abbildung der rückstreuenden Szene unabhängig von der Messentfernung und mit sehr hoher räumlicher Auflösung erreicht.

Abbildung mit sehr hoher räumlicher Auflösung

Bild 1 zeigt die rekonstruierte Verteilung der Rückstreuung (RCS) eines auf einem Drehtisch liegenden Fahrrads mir sehr hoher räumlicher Auflösung. Feine Details der Räder, des Rahmens und des Antriebsystems sind deutlich erkennbar. Man beachte, dass die Größe vieler Fahrradteile in der Größenordnung der Wellenlänge (~3 cm) oder sogar darunter liegt.

Abbildung unkonventioneller Radarziele

In den Abbildungen von Bild 2 werden hochaufgelöste Radarbilder von Personen in verschiedenen Körperposen und unter Anwendung unterschiedlicher Abbildungsverfahren gezeigt. Die Radarabbildung links ist mit einem konventionellen zweidimensionalen ISAR-Abbildungsverfahren erstellt worden. Die stehende Person ist über die rekonstruierte Verteilung der Rückstreuzentren nicht an der erwarteten Stelle erkennbar, dafür aber sehr gut anhand ihres dahinterliegenden Radarschattens. Die Radarabbildungen auf der rechten Bildhälfte sind mit einem dreidimensionalen ISAR-Verfahren generiert worden und zeigen die tatsächliche, dreidimensionale Darstellung der Streuzentren. Das Radarbild zeigt 2 Personen jeweils in einer Seitenansicht. Die eine Person sitzt auf einem Stuhl während die andere Person steht und eine Gewehrattrappe in den Händen hält. Die Radarechos werden jetzt in korrekten Positionen wiedergegeben.

Abbildung durch Wände hindurch

Ein Mikrowellenradar eignet sich sehr gut dazu, den Raum hinter einer für Mikrowellen durchlässigen dielektrischen Wand zu erkunden. Bild 3 zeigt eine durch die Eigenbewegung des LKWs erzeugte dreidimensionale ISAR-Abbildung. Im Rahmen eines Industrieprojekts sollte die unter einer LKW-Plane verdeckte Ladung abgebildet werden. Hierfür wurde senkrecht zur Abstrahlrichtung ein Feld von Sende- und Empfangsantennen aufgespannt. Neben der allgemeinen LKW-Struktur kann die individuelle Struktur seiner Ladung klar identifiziert werden.

Landminen- und UXO-Detektion

Ein Mikrowellenradar kann bei niedrigen Frequenzen in Böden vergrabene Objekte detektieren. Daher ist die Anwendung von abbildendem Radar für die Detektion von Landminen und UXO ein leistungsstarkes Werkzeug zur Untersuchung großflächig kontaminierter Bereiche in einer akzeptablen Zeit. Bild 4 zeigt das Ergebnis mehrerer im Sand vergrabener Minen/UXO-ähnlicher Objekte, die mit dem auf einem LKW betriebenen TIRAMI-SAR-System abgebildet werden konnten. Das System ist mit mehreren Sende – und Empfangsantennen ausgerüstet für die Anwendung räumlicher Diversität oder multistatischer Wellenausbreitung, um Hintergrundechos zu unterdrücken. Vergrabene Objekte können daher sicher detektiert werden.

 

 Bild 1: Zweidimensionale Radarabbildung eines liegenden Fahrrads mit sehr hoher räumlicher Auflösung im X-Band. Die Daten wurden mit dem GIGARAD-System in einem ISAR-Mode aufgenommen. Die räumliche Auflösung beträgt etwa 2,5 cm.
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 Bild 2: Personenabbildung mit Radar. Bild links zeigt das Foto einer stehenden Person und rechts daneben das zugehörige zweidimensionale ISAR-Bild im X-Band. Die Bilder auf der rechten Seite stellen die Posen zweier Personen dar, wie in der Skizze (rechts unten) gezeigt wird. Die korrespondierenden X-Band-ISAR-Abbildungen zeigen jeweils einen Schnitt durch die dreidimensionale Rekonstruktion der Rückstreuzentren. Die Daten wurden mit dem UNIRAD-System aufgezeichnet. Die räumliche Auflösung beträgt in beiden Fällen etwa 6 cm.
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 Bild 3: Foto (oben) und der vertikale Schnitt durch die korrespondierende dreidimensionale ISAR-Abbildung im X-Band (unten). Die Daten wurden mit dem UNIRAD-System aufgezeichnet. Die räumliche Auflösung beträgt etwa 8 cm.
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 Bild 4: Das Foto (links) zeigt das auf einem Unimog installierte TIRAMI-SAR-System. Das rechte Bild gibt die Überlagerung von UHF-Band SAR-Bildern einer Szene mit vergrabenen Landminen/UXO-Attrappen wider. Die Antennengruppe besteht aus zwei Sende- und vier Empfangsantennen. Die räumliche Auflösung beträgt etwa 6 cm.
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Passive Sensoren

Mikrowellenradiometrie

Radiometrie befasst sich mit der passiven Messung der natürlichen, thermisch verursachten elektromagnetischen Strahlung bei einer physikalischen Temperatur über dem absoluten Nullpunkt von 0 K. Im Fall der Erdbeobachtung mit Mikrowellen oder Millimeterwellen können deutliche Kontraste zwischen reflektierenden und absorbierenden Materialien beobachtet werden, die durch den Einfall reflektierter kosmischer Strahlung verursacht werden. Die von einem Radiometersystem gemessene einfallende Strahlungsleistung wird gewöhnlich durch eine scheinbare Temperatur, der Helligkeitstemperatur, ausgedrückt. Bei Erdbeobachtungen reicht der ungefähre Bereich dieser scheinbaren Temperatur von ca. 3 K bis über 300 K. Die räumliche zweidimensionale Verteilung der Helligkeitstemperatur kann als ein von der Tageszeit und nahezu vom Wetter unabhängiger Indikator für zahlreiche physikalische Phänomene herangezogen werden. Basierend auf jahrelanger Erfahrung im Umgang mit radiometrischen Abbildungen liegt unser Fokus derzeit mehr im Bereich unterschiedlichster Sicherheitsanwendungen.

Sicherheitsanwendungen

Die kontinuierliche Bedrohung durch internationalen Terrorismus stellt eine Gefahr für die Öffentlichkeit dar und schafft ein neues und komplex gestaltetes Bedrohungsszenario. Dieser Entwicklung kann durch die Anwendung neuartiger Gegenmaßnahmen zur Beobachtung und Detektion verborgener, gefährlicher Objekte begegnet werden. Hinsichtlich der Beobachtung einer Vielzahl von sicherheitskritischen Bereichen, Grenzen und maritimen Küstengebieten besteht dringender Bedarf an großflächiger Abbildungen für die Erkennung von Eindringlingen unter auch widrigen Umgebungsbedingungen. Im Hinblick auf das Erkennen des Tragens von Waffen und Explosivstoffen ist die Abbildung von Personen besonders für Fluggesellschaften, Transportunternehmen oder bei öffentlichen Großveranstaltungen von steigendem Interesse.

Das Eindringvermögen von Mikrowellen erlaubt die Detektion verborgener Gegenstände durch atmosphärische Hindernisse, wie schlechtem Wetter, Nebel, Staub, Dampf, sowie durch dünne nichtmetallische Materialien und durch Kleidung. Unter Kleidung verborgene Waffen, Explosivstoffe oder Schmuggelware können über die Kontrolle dielektrischer Anomalien erkannt werden. Ferner erhöht die Aufzeichnung polarimetrischer Objektcharakteristika die Entdeckungswahrscheinlichkeit durch Auswertung ergänzender Objektinformation. Physikalisch bedingt haben radiometrische Abbildungen ein quasioptisches Erscheinungsbild, was die Interpretation durch den Anwender erheblich vereinfacht. Außerdem arbeiten die Sensoren von sich aus passiv und können damit unerkennbar betrieben werden.

In den letzten Jahren sind in der Fachgruppe eine Reihe radiometrischer Systeme entwickelt worden. Ein aufgebauter und beliebter Standardradiometertyp ist ein komplett mechanischer Line-Scanner, der recht einfach und preiswert aufgebaut ist. Für die Abbildung großer Szenen wie etwa einer vollständigen Hemisphäre wurde der ABOSCA-Scanner entwickelt und gefertigt. Die zweidimensionale Abbildung wird durch eine rotierende Offset-Parabolantenne erreicht, die einen zeilenförmigen Scan in der Elevation erlaubt, und durch Rotation der gesamten Einheit in Azimutrichtung wird die zweite Bilddimension erzeugt. ABOSCA wird im D-, W-, Ka- und X-Band mit Winkelauflösungen zwischen 0.4° und 6.5° betrieben.

Für die schnelle Erfassung großer Szenen mit bis zu einem Bild pro Sekunde wurde das SUMIRAD-System entwickelt und gebaut. SUMIRAD führt die zweidimensionale Abbildung durch ein vollmechanisches periodisches Aufwärts- und Abwärtsbewegen eines Zeilenscanners durch, wobei hierzu eine im Azimut rotierende Reflektorplatte zwischen zwei starren Cassegrain-Antennen mit zwei Empfängern für zwei lineare Polarisationen angebracht ist. SUMIRAD arbeitet im W-Band und liefert eine Winkelauflösung von etwa 0,75° bei einem Blickfeld von >80° im Azimut und 30° in der Elevation.

Elektronisches Scannen bietet gegenüber den oben beschriebenen mechanisch betriebenen Schwenkvorrichtungen die großen Vorteile einer zeitlich schnell erreichbaren Abbildung und eines geringen Wartungsaufwands. Untersuchungen zum Verfahren der Apertursynthese unter der Randbedingung einer minimalen Anzahl von Antennen und Empfängerelementen führten zu der Entwicklung des VESAS-Prinzips. Hierbei wird das Scannen in der Elevation über Frequenzänderung und im Azimut über Apertursynthese erzielt. Zum Funktionsnachweis dieses Prinzips wurde ein Experimentalsystem im Ka-Band entwickelt mit einer Winkelauflösung von etwa 0,9°.

Detektion von Eindringlingen mittels Änderungsdetektion

Für die sichere Anzeige von Eindringlingen in sensitiven Bereichen, wie kritische Infrastrukturen, müssen Überwachungssensoren bei Tag und bei Nacht sowie bei ungünstigen Wetter- oder Sichtverhältnissen wie Regen, Nebel, Rauch oder Staub verlässlich arbeiten. Ein Millimeterwellen-Radiometer stellt hier ein geeignetes System dar, das hinreichende räumliche Auflösung und atmosphärische Durchdringung liefert bei gleichzeitig unerkannt betreibbarem Einsatz, da keine Strahlung ausgesendet wird. Bild 5 zeigt das Ergebnis eines Experiments, bei dem eine sich nähernde Person über Änderungsdetektion (Vergleich mehrerer zeitlich aufeinanderfolgender Abbildungen) angezeigt wird. Sowohl im optischen Bild wie im einfachen Radiometerbild ist die Person nur schwer gegenüber dem Hintergrund wie Gebäude und Infrastruktur erkennbar. Erst in der Abbildung mit Änderungsdetektion wird die Person klar erkennbar, obwohl zwischen der Referenzabbildung ohne Person und der mit Eindringling 20 Minuten Zeitdifferenz liegen. Lediglich kleinere weitere Veränderungen sind zusätzlich erkennbar, die durch die Veränderung der Spiegelung von Sonnenstrahlen an Metallflächen verursacht werden, da sich die Position der Sonne über 5° während der 20 Minuten weiterbewegt hatte.

Abbildung mit hohen Bildraten

Für viele Anwendungen, insbesondere im Bereich der allgemeinen Sicherheit, werden hohe Bildraten gefordert bei gleichzeitig großem Blickfeld, hoher räumlicher Auflösung und auseichender Empfindlichkeit. Das stellt für abbildende Radiometersysteme mit der heute verfügbaren Technik eine große Herausforderung dar, auch unter dem Aspekt vertretbarer Kosten. So ist beispielsweise die Detektion verdächtiger Objekte während der Fahrt entlang einer Straße für patrouillierende Fahrzeuge in Krisengebieten von besonderer Bedeutung. Bild 6 zeigt die jeweils von einer Videokamera und einem schnell abbildenden Millimeterradiometer (beide auf dem Fahrzeug montiert) aufgenommene Bildsequenz während der Fahrt entlang der Straße. Im Verlauf der Straße befinden sich am Straßenrand mit einer weißen Plane verdeckte Metallbehälter. Die Videokamera kann zwar die Plane bereits aus größerer Entfernung erkennen nicht aber die darunter verborgenen Behälter. Im Gegensatz dazu zeigen die Radiometerbilder eine hohe Reflektivität der unter der für Mikrowellen durchsichtigen Plane versteckten Behälter an als sicheres Anzeichen für Metallgegenstände, was eine Gefährdung anzeigen könnte. Natürlich ist die räumliche Auflösung des Radiometers verglichen mit der der Videokamera eher schlecht und erlaubt eine Detektion verdächtiger Gegenstände daher nur auf kürzere Entfernungen. Deshalb wurde ein Konzept für den Einsatz sich ergänzender Sensoren mit entsprechender Datenfusion erarbeitet.

Konzept für vollelektronische Abbildung

Das VESAS-Verfahren verbindet zwei elektronische Scan-Verfahren für die Erzeugung zweidimensionaler Abbildungen, wie im Bild 7 (links) dargestellt wird. Über Frequenzänderung wird das vertikale Abtasten und mit Apertursynthese das horizontale Abtasten erreicht. Als Antenne wird eine Gruppe von Hohlleiterschlitzantennen verwendet. Der Abstand der Schlitze untereinander sowie die Größe der Schlitze sind auf jedem Hohlleiter identisch. Mit Veränderung der Betriebsfrequenz ändern sich auf jedem Hohlleiter die Phasen zwischen den Schlitzstrahlern um einen identischen Betrag, womit die Ausrichtung der Hauptkeule in Elevation variiert wird. Das Abbildungsverfahren der Apertursynthese stammt ursprünglich aus der Radioastronomie. Eine große Antenne wird künstlich aus einer ausgedünnten Gruppe kleiner Antennen zusammengesetzt. Die Signale eines jeden Antennenpaares (Basislänge) werden komplexwertig kreuzkorrelliert, d.h. es werden Amplitude und Phase bzw. Real- und Imaginärteil gemessen. Durch Abtasten aller Basislängen und unter Einhaltung des Abtasttheorems kann die Helligkeitstemperaturverteilung über eine inverse Fourier-Transformation rekonstruiert werden. Die im Bild 7 (rechts) dargestellten experimentellen Ergebnisse veranschaulichen die erfolgreiche Anwendung des VESAS-Prinzips. Das Bild rechts unten zeigt die Abbildung verschiedener auf einer Wiese verteilter metallischer und nichtmetallischer Objekte unterschiedlicher Größe und Form. Die Szene wurde von einem Zwei-Element-Demonstrator, der alle Basislängen im Zeitmultiplex misst, vom Dach eines Gebäudes aus aufgenommen.

 

 Bild 5: Das Foto (links) zeigt auf dem DLR-Betriebsgelände eine sich nähernde Person. Ein vergrößerter Ausschnitt um den Bereich dieser Person ist in dem Foto unten links eingeblendet. Die zum Foto korrespondierende Radiometerabbildung ist im mittleren Bild dargestellt. Das rechte Bild zeigt das Ergebnis nach Differenzbildung des Radiometerbilds (Mitte) mit einer Referenzaufnahme ohne Person. Der Standort der Person ist in jedem der Bilder durch einen Pfeil gekennzeichnet. Die Radiometerabbildungen wurden mit dem ABOSCA-System aufgenommen.
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 Bild 6: Sequenz von Videoaufnahmen (oben) und korrespondierende W-Band-Radiometerabbildungen (unten) aufgenommen von einem entlang einer Straße fahrenden Fahrzeug. Zwei Metallbehälter auf der rechten Straßenseite, markiert durch einen roten Kreis, sind unter einer weißen Plane verborgen und simulieren eine Gefährdung. Die Radiometerabbildungen wurden mit dem SUMIRAD-System aufgenommen.
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 Bild  7: Links: VESAS-Abbildungsprinzip; rechts: Photographie (oben) und korrespondierende Radiometerabbildung (unten) einer Testszene. Das mit Hilfe des Zweikanal-Demonstrators erzielte Abbildungsergebnis bestätigt das Funktionieren des VESAS-Abbildungsprinzips.
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Kontakt
Dr.-Ing. Markus Peichl
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme
, Aufklärung und Sicherheit
Tel: +49 8153 28-2390

Fax: +49 8153 28-1135

E-Mail: markus.peichl@dlr.de
URL dieses Artikels
http://www.dlr.de/hr/desktopdefault.aspx/tabid-2434/3770_read-32516/