Breitband-Spektrummessungen für Radare mit synthetischer Apertur

Geometrie einer Strip-Map-SAR-Messung

Die Apertur hängt von der Flugzeuggeschwindigkeit (v) und der SAR-Integrationszeit (t_int) ab. Nachdem Pulse über die Zeit t_int integriert wurden, erzeugt das SAR die Karte für die aktuelle Szene, während es Pulse für die nachfolgende Szene entlang des Flugwegs integriert.

SAR-Auflösungsgleichungen

Die Entfernungsauflösung (ΔR) wird mit folgender Gleichung berechnet:

c ist die Lichtgeschwindigkeit und BW die in der SAR-Wellenform genutzte Bandbreite des LFM-Chirp. Größere LFM-Bandbreiten führen zu einer feineren Entfernungsauflösung. Oftmals ist eine Entfernungsauflösung im Submeterbereich erforderlich.

Die Cross-Range-Auflösung (ΔCR) erhält man durch folgende Gleichung:

λ ist die Radarwellenlänge, R die Entfernung zur Szene und LSynth die Länge der synthetischen Apertur bzw. Flugzeuggeschwindigkeit (v) multipliziert mit der Integrationszeit (t_int).

Für Applikationen und Bänder dedizierte SAR-Systeme

SAR wird auf das UHF-Band bis zum X-Band, W-Band und darüber hinaus angewendet. Die SAR-Wellenlänge hängt von der Applikation ab. Das X-Band wird üblicherweise für eine hochauflösende SAR-Bildgebung im urbanen Bereich sowie bei Eis und Schnee genutzt. Im X-Band ist die atmosphärische Absorption tolerierbar, während diese im K-Band aufgrund der Absorption durch Wasser nicht tragbar ist. Bänder wie UHF und die S-Bänder eignen sich gut für die Messung von Biomasse und Vegetation. Das L-Band zeichnet sich durch eine gute Durchdringung von Laubwerk für geophysikalische Messungen von antiken Städten oder Felsformationen aus, die durch Bewaldung abgeschirmt sind [1]. Zudem gibt es weitere spannende Applikationen in den 94-GHz-, 140-GHz-, 220-GHz- und 235-GHz-Millimeterwellenbändern wie Video Synthetic Aperture Radars für Flugzeuglandungen in Umgebungen mit schlechten Sichtverhältnissen. Diese SAR arbeiten mit größeren Wellenformbandbreiten, um eine höhere Auflösung zu erreichen.

Neuere SAR und alle Radarapplikationen nutzen vermehrt aktive Phased-Array-Radare (AESA). Ein AESA-Radar ist üblicherweise ein zweidimensionales Array von Sende-/Empfangsmodulen (Transmit/Receive Module, TRM). Jedes Sende-/Empfangsmodul beinhaltet einen Zirkulator, einen Leistungsverstärker, einen Phasenschieber und einen Schalter. Ein digitaler Beamformer steuert die Sende-/Empfangsmodule elektronisch und informiert die einzelnen TRMs bzw. TRM-Subarrays über die geeignete Amplitude und Phase. Der Beamformer wendet auch Funktionen zur Aperturschmälerung wie ein Hann-Fenster an, um die Keulenbreite und Nebenkeulen zu reduzieren. Ein Empfänger/Steuersender, abgeleitet von einer stabilen Phasenreferenz, speist das Array. Das Radarecho lässt sich mit einer Referenz in Bezug auf die Phase vergleichen, um die Doppler-Verschiebung zu messen.

Sende-/Empfangsmodule werden aktuell für all die oben erwähnten Millimeterwellenbänder mit verschiedenen Materialien wie Indiumphosphid (InP), Galliumnitrid (GaN), Siliziumgermanium (SiGe) und Silizium entwickelt.

Lösung von Rohde & Schwarz

Radartests auf Systemebene werden zunehmend über die Luftschnittstelle (OTA) durchgeführt, da eine Sondierung der Sende-/Empfangsmodule mit einem Netzwerkanalysator komplexer ist. Ein weiterer Faktor ist die enge Integration zwischen AESA-Radar und dem Radarempfänger/Steuersender. Ein typischer Freiraum-Messaufbau mit einem Radar in einer Antennenmesskammer wird unten gezeigt. Die Messausrüstung besteht aus einer Standardgewinn-Hornantenne, die an einen R&S®FSW Signal- und Spektrumanalysator angeschlossen ist.

Der R&S®FSW Signal- und Spektrumanalysator verfügt über die größte integrierte Analysebandbreite für SAR-Messungen über einen wesentlichen Teil des W-Bands. Somit sind gewobbelte Spektrummessungen mit echter Vorselektion, Spiegelfrequenzunterdrückung und skalierbarer Vektorsignalanalyse, Pulsanalyse, und Transientenanalyse mit 4,4 GHz Bandbreite von 12 GHz bis 18 GHz und 6,4 GHz bzw. 8,3 GHz Bandbreite oberhalb 18 GHz möglich.

Verwenden Sie die R&S®FSW-K6 Pulsmessapplikation für Messungen von Amplitude, Pulsdauer, Pulswiederholintervall (PRI), Frequenz und Phase an gepulsten Radaren. Die Statistiken für diese Messungen können Puls-zu-Puls-Instabilitäten aufdecken, wie im Radar Handbook von Skolnik [2] erläutert. Eine Puls-zu-Puls-Phaseninstabilität aufgrund von Phasenrauschen wird in der Application Note „Pulsed phase noise measurements“ von Rohde & Schwarz diskutiert [3].

Neben Puls-zu-Puls-Statistiken ist die Option R&S®FSW-K6S Nebenkeulenmessung innerhalb von R&S®FSW-K6 verfügbar, um Phasennichtlinearitäten innerhalb eines Radarpulses zu messen und so Probleme im Array oder bereits im Digital-/Analogwandler (DAC) aufzudecken. Nichtlinearitäten in linear frequenzmodulierten Chirps (LFM) können unter Umständen durch eine integrale Nichtlinearität (INL) im DAC oder bei der Umsetzung von AM of PM in den Leistungsverstärkern oder PIN-Schaltern in den Sende-/Empfangsmodulen verursacht werden. Die Application Card „Time sidelobe measurements optimize radar system performance“ (PD 3607.2626.92) [4] von Rohde & Schwarz erklärt dieses Phänomen.

Schließlich lassen sich mit der R&S®FSW-K60 Transientenanalyse-Applikation breitbandige FMCW-Wellenformen für SAR-Radare analysieren. Dies wird in der Application Note „Automated Measurements of 77 GHz FMCW radar signals“ [5] von Rohde & Schwarz erklärt.

Referenzen

[1] Artikel von Kelsey Herndon, Franz Meyer, Africa Flores, Emil Cherrington und Leah Kucera in Zusammenarbeit mit Earth Science Data Systems. Grafiken von Leah Kucera. Veröffentlicht am 16. April 2020. „What is Synthetic Aperture Radar?“. NASA Earthdata. Abgerufen am 15. November 2020 von earthdata.nasa.gov/learn/what-is-sar

[2] Skolnik, Merrill I (22. Januar 2008). „Radar Handbook“ – 3. überarbeitete Auflage. New York: McGraw Hill

[3] Gheen, Kay (11. Mai 2016). Application Note 1EF94 „Pulsed phase noise measurements“. Rohde & Schwarz. www.rohde-schwarz.com/appnote/1EF94

[4] Application Card „Time sidelobe measurements optimize radar system performance“ (PD 3607.2626.92, Dezember 2020). Rohde & Schwarz. www.rohde-schwarz.com/applications/time-sidelobe-measurementsoptimize-radar-system-performance-application-card_56279-134857.html

[5] Dr. Heuel, Steffen (05. Mai 2014). Application Note 1EF88 „Automated Measurements of 77 GHz FMCW Radar Signals“. Rohde & Schwarz. https://www.rohde-schwarz.com/applications/automated-measurements-of-77-ghz-fmcw-radar-signals-application-note_56280-59841.html