Radar Technologie
 


Einsatz der Radar Technologie in einem Millimeterwellen–Abbildungssystem

In den letzten Jahren konnte ein wachsendes Interesse an der kommerziellen Anwendung von Millimeterwellen-Systemen verzeichnet werden. In der Vergangenheit war dieser Frequenzbereich den klassischen Anwendungsgebieten der Radioastronomie und der militärischen Nutzung vorbehalten. Aufgrund der rasanten Entwicklung auf dem Halbleitersektor bewegen sich die Kosten für Millimeterwellen-Komponenten bereits in einem erschwinglichen Rahmen, der eine kommerzielle Nutzung zulässt. Dadurch wurde auch die Entwicklung von abbildenden Messsystemen und Sensortechniken in diesem Frequenzbereich begünstigt.

Ein großes Anwendungspotenzial eröffnet sich für die zerstörungsfreie, bildgebende Prüfung von Werkstoffen. Dabei können Inhomogenitäten in Keramiken und Kunststoffen entdeckt werden. In der Fahrzeugtechnik werden Radarsensoren beispielsweise zur adaptiven Geschwindigkeitsregelung (ACC: Adaptive Cruise Control) eingesetzt, die den Abstand und die Geschwindigkeit eines vorausfahrenden Fahrzeugs ermitteln. Für die Zugangskontrolle von sicherheitsrelevanten Einrichtungen werden derzeit Millimeterwellen-Abbildungssysteme untersucht, die das Potenzial zur Detektion von metallischen und nichtmetallischen Objekten am Menschen besitzen.

Aktive Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass nicht leitende oder schwach leitfähige Messobjekte von der elektromagnetischen Welle durchdrungen werden und es an Inhomogenitäten zu Reflexions- und Beugungserscheinungen kommt. Um nun eine großflächige Abbildung der sich im Messbereich befindlichen Messobjekte unter Echtzeitbedingungen zu erstellen, stellt die Ideallösung ein voll elektronisches, kohärentes System dar, bei dem der gesamte Abbildungsbereich mit einem zweidimensionalen Array aus Sende- und Empfangselementen abgedeckt wäre. Die Elemente müssten über ein komplexes Schaltnetzwerk ansteuerbar sein und die Empfangssignale parallel verarbeitet werden. Dadurch kann eine Phasenauswertung des detektierten Signals eine zusätzliche Information über das Messobjekt liefern. Allerdings lässt sich ein solches Konzept im Millimeterwellen-Bereich derzeit aus Kostengründen nicht realisieren. Eine Kompromisslösung stellt ein eindimensionales Array dar, das mechanisch über das Messobjekt bewegt wird. Da die Anzahl an Sende- und Empfangselementen von dem räumlichen Abtastkriterium abhängt, wäre der Abtastvorgang in einem niedrigeren Frequenzbereich mit einer geringeren Anzahl an Bauelementen verbunden. Ein weiterer Vorteil ist die kostengünstige Verfügbarkeit von wichtigen Systemkomponenten. Der Nachteil des niedrigen Frequenzbereichs besteht jedoch in der damit verbundenen geringeren Entfernungs- und Ortsauflösung.

 

Aktive Millimeterwellen-Abbildungssysteme

Herkömmliche Radarsysteme werden zur Ortung und zur Bestimmung der Geschwindigkeit bewegter Ziele eingesetzt. Die Anwendungsgebiete von Radarsystemen reichen von der Flugsicherung, über Boden- und Materialuntersuchungen bis hin zu Radarsensoren im Automobilbereich. Aktive abbildende Systeme beruhen ebenfalls auf dem Radarprinzip. Der Vorteil aktiver Systeme besteht darin, dass die Beziehung zwischen Sendesignal und Empfangssignal bekannt ist. Dadurch kann eine Entfernungsinformation anhand des reflektierten Empfangssignals ermittelt werden. Damit kann aus der zweidimensionalen Intensitätsverteilung und der Entfernungsinformation ein dreidimensionales Radarbild erstellt werden. In Abbildung 1 ist das aktive Millimeterwellen-Abbildungsprinzip dargestellt. Um ein hohes Ortsauflösungsvermögen zu erzielen, kann entweder ein fokussiertes oder ein unfokussiertes Verfahren eingesetzt werden. Die Fokussierung bietet den Vorteil, dass die Darstellung der Messdaten in Echtzeit erfolgen kann. Allerdings wird aufgrund der gerichteten Reflexion die Geometrie der Objekte das Messergebnis beeinflussen. Im Fall der Fokussierung mit Hilfe eines optischen Elements ist das Ortsauflösungsvermögen beugungsbegrenzt (Rayleigh Auflösungskriterium). Die starke Winkelabhängigkeit kann mit einem unfokussierten Verfahren verringert werden. Das drückt sich aber in der starken Abnahme der Empfangsleistung und der aufwendigen Signalverarbeitung aus. Im Gegensatz zur passiven Abbildungsvariante wird eine aktive Beleuchtungsquelle verwendet, um mit Hilfe der Rückstreusignale Informationen über das Zielobjekt zu gewinnen. Dazu wird die Leistung eines Generators über eine Sendeantenne gebündelt in das Beobachtungsgebiet abgestrahlt. Abhängig vom Anwendungsfall wird ein gepulstes Signal, ein Dauerstrich-Signal (engl.:continuous wave, CW) oder ein kontinuierlich bzw. diskret moduliertes Sendesignal (engl.:frequency modulated continuous wave, FMCW bzw. engl.:stepped frequency continuous wave, SFCW) verwendet. Die an Zielen reflektierte Leistung wird von einem Radarempfänger kohärent detektiert und ausgewertet. Dabei ist die Reflexion von der Geometrie und Materialbeschaffenheit des Ziels abhängig. Die kohärente Aufzeichnung der reflektierten Signale ist ein entscheidender Vorteil des aktiven Abbildungsprinzips, da sie die Basis für sämtliche Signalverarbeitungsalgorithmen darstellt. Dadurch besteht die Möglichkeit einer numerischen Bildrekonstruktion. Zur Beurteilung des Abbildungssystems wird das laterale Auflösungsvermögen, d.h. die Trennbarkeit von zwei benachbarten Zielen, herangezogen.
 

 


Abbildung 1: Prinzip aktiver Abbildungssysteme

 

In der Literatur werden verschiedene Abtaststrategien und Messanordnungen zur Bilderzeugung angegeben. Die Bildpixel können im einfachsten Fall sequentiell mit einem Kanal abgetastet werden. Um die Messzeit zu verkürzen, wird eine parallele Bildaufnahme der gesamten Szene mit einem Mehrkanal-System angestrebt. Allerdings müssen Kompromisse für eine praktische Realisierung eingegangen werden. Das betrifft vor allem die Auswahl des Frequenzbereichs und der aus Kostengründen begrenzt zur Verfügung stehenden Komponenten. Im Idealfall wird man für echtzeitfähige Anwendungen ein großflächiges zweidimensionales Empfangsarray von Detektoren benutzen. Aus Kostengründen wird ein lineares Array von Detektoren mechanisch um das Messobjekt bewegt. Dieser unfokussierte Messaufbau ist auf eine nachträgliche Bildrekonstruktion angewiesen.

Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung von Linsen, um die reflektierte Strahlung auf das Detektor-Array zu fokussieren. Das entspricht bei optisch abbildenden Systemen den Bildpixeln eines CCD-Chips (Charge Coupled Device). Dagegen werden im mmW-Bereich in den Fokalebenen-Kameras MMIC-Chips verwendet, die zu einer großen Sensor-Matrix angeordnet werden. Damit lässt sich zum einen ein kompakter Aufbau realisieren und zum anderen durch die parallele Aufnahme ein nahezu Echtzeit-Bild generieren.

 


Abbildung 2: Prinzip einer Fokalebenen-Kamera

 

In Abbildung 2 ist das Prinzip einer Fokalebenen-Kamera dargestellt. Dieses so genannte Focal Plane Array (FPA) Prinzip beruht darauf, dass die von der Objektebene einfallende elektromagnetische Strahlung mit Hilfe eines fokussierenden Elements in die Brennebene transformiert wird. Abhängig von der Einfallsrichtung des Empfangssignals ergeben sich unterschiedliche Brennpunkte, die bei einer Parallelisierung der Bildaufnahme mit Empfangselementen besetzt werden. Jedes Empfangselement des Arrays ist für einen Bildausschnitt verantwortlich und stellt damit ein Pixel des Gesamtbilds dar. Dabei spielt die erzielbare Packungsdichte der Antennenelemente eine zentrale Rolle, da davon die Bildqualität und Messdauer beeinflusst wird. Der Nachteil dieses so genannten Focal Plane Array (FPA) Prinzips für einen kompakten Aufbau liegt in dem begrenzten Erfassungsbereich, der durch die geringe Aperturgröße der Linse eingeschränkt wird. Außerdem kann die erforderliche Packungsdichte innerhalb des Focal Plane Arrays nicht erreicht werden, um alle Ortsfrequenzen gleichzeitig aufzuzeichnen. Das Problem kann durch einen so genannten Mikroscan gelöst werden. Dabei wird ein beweglicher flacher Spiegel eingesetzt, um die zwischen den Array-Elementen liegenden Bildpunkte zu erfassen.
 

Auflösungsvermögen von bildgebenden Radarsystemen

Das Radarverfahren arbeitet nach dem Echoprinzip und verwendet dazu reflektierte elektromagnetische Wellen, um Informationen über das Zielobjekt zu erhalten. Dazu wird ein Sender eingesetzt, mit dem über eine Antenne die elektromagnetische Welle gebündelt in das Zielgebiet abgestrahlt wird. Die Folge ist, dass die elektromagnetische Welle an verschiedenen Zielen teilweise absorbiert und teilweise reflektiert wird. Dieser reflektierte Anteil wird im Empfänger zur Ortung und Bestimmung des Ziels ausgewertet. Die Auswertung kann über die Amplitude, Frequenz, Phase, Polarisation oder Laufzeit erfolgen. Daraus können die Informationen über die Position, die Geschwindigkeit, die Struktur, die Größe und das Material des Objekts ermittelt werden. D.h. bei einem klassischen Radarsystem handelt es sich um ein Ortungssystem zur Erfassung und Ortsbestimmung eines Objektes. Dagegen bieten heutzutage flugzeug- und satellitengestützte Radarsysteme die Möglichkeit eine zweidimensionale Abbildung des überflogenen Gebiets zu erstellen. Dabei ist die Reflexion abhängig von der geometrischen, strukturellen und stofflichen Zusammensetzung des Zielobjekts bzw. der Oberfläche. Es lassen sich relative Unterschiede in der Beschaffenheit der Erdoberfläche ermitteln. Man kann dabei Wasser von Land trennen und Straßen und Gebäude von landwirtschaftlichen Flächen unterscheiden. Außerdem ist es sogar möglich, unterschiedlich bestellte Agrarflächen zu erkennen. Es können auch Informationen aus Bereichen unmittelbar unter der Oberfläche ermittelt werden. Dabei ist die Eindringtiefe der elektromagnetischen Welle von der verwendeten Wellenlänge und von den elektrischen Eigenschaften der Oberfläche abhängig. Die wesentlichen Kriterien zur Beurteilung der Qualität eines Radars sind die erzielbare Reichweite, das Auflösungsvermögen und die Messgenauigkeit. Allerdings kann davon ausgegangen werden, dass die Bildqualität eines Radars sich nicht mit einem optischen System vergleichen lässt. Der entscheidende Vorteil eines Radars liegt in der Tatsache, dass es unabhängig von Tageszeit und Wetter Aufnahmen von der Umgebung liefert.
 

Grenzen des Auflösungsvermögens eines Radars mit realer Apertur

Eine wichtige Kenngröße bei der Interpretation von Radarbildern ist das geometrische Auflösungsvermögen. Das geometrische Auflösungsvermögen eines Radars gibt den minimalen Abstand von zwei benachbarten Zielen an, unter dem die beiden Ziele noch getrennt voneinander erkannt werden. Dabei muss zwischen lateraler Auflösung und Entfernungsauflösung unterschieden werden.
Das laterale Auflösungsvermögen, d.h. quer zur Entfernungsrichtung, wird bei einem Radar mit realer Apertur durch die Antennencharakteristik bestimmt. Dagegen ist die Entfernungsauflösung im wesentlichen von der Impulsdauer bzw. von der Bandbreite des Sendesignals abhängig.

 


Abbildung 3: Prinzipielle Funktionsweise eines Pulsradars

 

Zur Veranschaulichung der Entfernungsauflösung wird das Prinzip eines Pulsradars in Abbildung 3 herangezogen. Über eine Antenne wird ein gepulstes Sendesignal mit einer Pulsdauer τp abgestrahlt. Trifft das Sendesignal auf zwei räumlich getrennte Objekte, so kann es abhängig von der Zeitverzögerung zu einer Superposition der reflektierten Pulse kommen. Objekte, die eine zeitliche Überlappung bis zu einem gewissen Grad aufweisen, können noch räumlich separiert werden. Anhand des Empfangssignals muss die Trennlinie zwischen dem Ende des ersten Objekts und dem Anfang des zweiten Objekts bestimmt werden. Als Grenze der Entfernungsauflösung eines Radarsystems kann folgender Wert angegeben werden:



Das Auflösungsvermögen in Entfernungsrichtung δr ist von der Bandbreite B des Sendesignals abhängig. Eine verbesserte Entfernungsauflösung kann durch Erhöhung der Bandbreite bzw. durch Verringerung der Pulsdauer erzielt werden. Allerdings muss beachtet werden, dass eine Verringerung der Impulsdauer zu einer geringeren mittleren Sendeleistung führt. Es ist nicht möglich eine beliebig hohe mittlere Sendeleistung innerhalb einer kurzen Zeitdauer zur Verfügung zu stellen. Da die maximal erzielbare Reichweite und das Signal-Rausch-Verhältnis gemäß der Radargleichung von der mittleren Sendeleistung beeinflusst wird, ist die Verringerung der Sendeleistung gleichzeitig mit einer reduzierten Reichweite und Systemdynamik verbunden. Die Problematik besteht darin, dass die Parameter Impulsdauer und Sendeleistung gegenläufige Auswirkungen zur Folge haben. Deshalb wird in der Praxis anstelle der Verringerung der Impulsdauer eine lineare Frequenzmodulation der Sendeimpulse bevorzugt eingesetzt. Es handelt sich um eine Impulskompression, die ein höheres Zeit-Bandbreite-Produkt zur Folge hat. Das Ergebnis nach der Impulskompression ist, dass das frequenzmodulierte Signal (engl.: Chirp) eine vergleichbare Bandbreite und damit die gleiche Entfernungsauflösung wie ein Impuls kurzer Dauer aufweist. Die Auswirkung der Impulskompression veranschaulicht Abbildung 4.
 

Das laterale Auflösungsvermögen ist bei einem Radar mit realer Apertur über die 3-dB Breite der Antennenhauptkeule definiert. Die Winkelauflösung Θa in Azimut lässt sich für eine reale Hornantenne mit einem Aperturdurchmesser D und homogener Aperturbelegung folgendermaßen angeben:


 
 

Die laterale Auflösung δa eines Radars mit realer Apertur in einer Entfernung von R0 beträgt:

 

 


 

Abbildung 4: Einfluss der Impulskompression auf die Entfernungsauflösung

 

Eine Verbesserung der lateralen Auflösung kann durch eine kürzere Wellenlänge oder eine größere Antennenapertur erzielt werden. Allerdings lässt sich, aufgrund der zur Verfügung stehenden Einbaufläche, die Antennenapertur nicht beliebig vergrößern. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines Radars mit synthetischer Apertur.
 

Grundprinzip der synthetischen Apertur

Radarsysteme mit synthetischer Apertur werden auf dem Gebiet der Fernerkundung eingesetzt. Die zahlreichen Anwendungsbereiche bei der Abbildung der Erdoberfläche umfassen z.B. die Ozeanographie, die Kartographie, die Land- und Forstwirtschaft und die Erkennung von Meeresverschmutzungen im Bereich des Umweltschutzes.
 

Zur Erklärung des Grundprinzips der synthetischen Apertur wird ein klassisches Szenario aus der Erdfernerkundung herangezogen. Die zweidimensionale Abtastung eines Gebiets wird in Abbildung 5 dargestellt. Dabei werden die Begriffe Azimutrichtung und Entfernungsrichtung (engl.: range) eingeführt. Die Azimutdimension entspricht der Flugrichtung. Die Entfernungsrichtung ist durch die Ausrichtung der Sende- und Empfangsantenne zur Objektebene gegeben. Die Breite des Abbildungsstreifens wird im Englischen als swath bezeichnet.
 

Die Grundidee der synthetischen Apertur besteht darin, dass Empfangssignale eines Punktziels nach Betrag und Phase aufgezeichnet werden können, solange es sich während des Vorbeiflugs innerhalb der realen Antennenapertur befindet. Jedes Punktziel innerhalb der beleuchteten Fläche weist aufgrund der unterschiedlichen Entfernung und räumlichen Ausrichtung zur Antenne ein charakteristisches Empfangssignal auf. Anhand der fortlaufenden Radarsignatur besteht die Möglichkeit benachbarte Punktziele aufgelöst darzustellen.

 


Abbildung 5: Abbildungsgeometrie eines Seitensichtradars im Streifenmodus

 

Auflösungsvermögen eines Radars mit synthetischer Apertur

Die Entfernungsauflösung eines Radars ist abhängig von der Impulsdauer bzw. der Bandbreite des Sendesignals. Damit unterscheidet sich die Entfernungsauflösung eines SAR-Systems nicht von der eines Radars mit realer Apertur.
 

Im Gegensatz zur realen Apertur erzielt ein Radar mit synthetischer Apertur eine wesentlich höhere Auflösung in Azimutrichtung, indem es die Kohärenz der kontinuierlich aufgezeichneten Radarsignale ausnutzt.
 

Die Entstehung der synthetischen Apertur wird anhand Abbildung 6 verdeutlicht. Während des Vorbeiflugs des Radarsystems werden fortlaufend die reflektierten Signale aus dem Zielgebiet kohärent aufgezeichnet. Ein Punktziel A innerhalb des Zielgebiets wird zum ersten Mal vom Radar erfasst, wenn sich das Radarsystem in der Position 1 befindet. Der Beobachtungszeitraum, in dem Informationen über das Punktziel A aufgezeichnet werden kann, erstreckt sich bis zur Position 3. Das Prinzip der synthetischen Apertur ist äquivalent zu einer Zeile bestehend aus realen Antennenelementen, die entlang des Flugwegs angeordnet sind. Die Anzahl der Antennenelemente ist abhängig von der Anzahl der Aufnahmepositionen. Damit lässt sich die Winkelauflösung der synthetischen Apertur gegenüber der realen Apertur verbessern.

 


Abbildung 6: Prinzip der lateralen Auflösung eines Radars mit synthetischer Apertur

 
 

 

 

Die Verbesserung der Winkelauflösung um den Faktor 2 resultiert aus der Tatsache, dass der Phasengradient bzw. die zu berücksichtigende Weglänge vom Objekt zur Antenne im Falle eines Radars mit synthetischer Apertur doppelt so groß ist. Diese Tatsache kann dadurch erklärt werden, dass ein Radar mit realer Apertur gleichzeitig mit allen Antennenelementen sendet und der Phasenunterschied nur auf dem Rückweg vom Objekt zur Antenne entsteht. Dagegen senden die Antennenelemente eines Radar mit synthetischer Apertur getrennt und zeitlich versetzt. Deshalb muss für den Phasenunterschied sowohl der Hinweg (Radar-Messobjekt) als auch der Rückweg (Messobjekt-Radar) berücksichtigt werden.
 

Die maximale Länge der synthetischen Apertur lässt sich folgendermaßen bestimmen:

 

 

Die maximale Winkelauflösung der synthetischen Apertur beträgt:

 

 

Somit entspricht dem lateralen Auflösungsvermögen δSA eines Radars mit synthetischer Apertur das Produkt aus Winkelauflösung und Entfernung.

 

 

 

Die laterale Auflösung ist unabhängig von der Wellenlänge λ und von der Entfernung R0. Objekte, deren Abmessungen gleich der halben Antennenlänge sind, können noch getrennt aufgelöst werden. Damit ist, im Gegensatz zu einem Radar mit realer Apertur, für eine Erhöhung der Auflösung eine möglichst kleine Antennenfläche bzw. einen großen Antennenöffnungswinkel zu verwenden. Ein großer Antennenöffnungswinkel hat eine größere synthetische Aperturlänge LSA zur Folge.
 

Ausgewählte Messobjekte

Für die Beurteilung der Bildqualität mussten geeignete Messobjekte verwendet werden. Als Messobjekte wurden verschiedene Dielektrika mit unterschiedlichen Dicken ausgewählt. Die Abmessungen der einzelnen Objekte können der Abbildung 7 entnommen werden.

 


Abbildung 7: Messobjekt bestehend aus geschichteten Wachsstreifen und einer 1 Euro-Münze

 

Die Messobjekte wurden auf einer planaren Oberfläche bestehend aus Silikonkautschuk befestigt. Zusätzlich wurden zur Orientierung markante Messobjekte als Markierungspunkte innerhalb der Abtastfläche platziert. Dabei handelt es sich um einen metallischen Gegenstand in Form einer Münze.
 

Aufbau eines fokussierten Messplatzes

In Abbildung 8 ist das Prinzip des fokussierten Messplatzes dargestellt. Der gesamte Messaufbau besteht aus einem Netzwerkanalysator, einer Sende- und Empfangsantenne und einer Messobjekthalterung. Der Netzwerkanalysator dient zur Erzeugung des Sendesignals und zur Auswertung des Empfangssignals. Die Sende- und Empfangsantenne sind über flexible dielektrische Wellenleiter mit dem Netzwerkanalysator verbunden. Das bietet den Vorteil, dass nicht der gesamte Messaufbau während des Abbildungsvorgangs bewegt werden muss. Da der Arbeitsabstand vom Messsystem zum Messobjekt 45 cm beträgt, sind zusätzliche fokussierende Elemente in Form von dielektrischen Polyethylen-Linsen erforderlich. Die Linse fokussiert das abgestrahlte Antennensignal auf das Messobjekt, das wiederum abhängig vom Messobjekt reflektiert wird und mit dem Netzwerkanalysator ausgewertet wird.

 


Abbildung 8: Prinzip eines fokussierten Abbildungssystems

 

Mit diesem Aufbau konnte das in Abbildung 9 dargestellte Ergebnis erzielt werden. Die Messobjekte sind deutlich zu erkennen. Allerdings treten sowohl bei dem schräg angeordneten Wachsstreifen als auch bei der Münze starke Beugungseffekte an den Kanten auf.

 


Abbildung 9: Ergebnis der Summation der Beträge über 51 Frequenzpunkte im Frequenzbereich von 90-100 GHz des punktweise abgetasteten Messobjekts mit dem fokussierten Messsystem

 

Aufbau eines unfokussierten Messplatzes

Die Skizze und die mechanische Realisierung des unfokussierten Messplatzes ist in den Abbildungen 10 und 11 dargestellt.

 


Abbildung 10: Prinzip eines unfokussierten Abbildungssystems

 

Der unfokussierte Aufbau ist bis auf die dielektrischen Polyethylen-Linsen identisch mit dem bereits beschriebenen fokussierten Messplatz. Allerdings muss der geringere Aufwand an fokussierenden Elementen durch eine aufwendigere SAR-Signalverarbeitung aufgefangen werden. Da die laterale Auflösung einer SAR-Verarbeitung durch die Länge der synthetischen Apertur bestimmt wird, sollte im Gegensatz zu einem fokussierten System eine großflächige Ausleuchtung des Messobjekts erfolgen. Der Durchmesser der Apertur des 20 dB Konushorns beträgt 13.7 mm. Damit lässt sich theoretisch eine laterale Auflösung von 6.85 mm erreichen.
 

Aufgrund des geringeren Platzbedarfs, kann ein quasimonostatischer Betrieb realisiert werden. Der Abstand zwischen den Konushornantennen wurde so gewählt, dass nur äußerst geringe Verkopplungen zwischen den Antennen auftreten.

 


Abbildung 11: Unfokussiertes quasimonostatisches Abbildungssystems mit Konushornantennen

 

In Abbildung 12 und 13 sind die Ergebnisse nach der 2D-SAR Rekonstruktion dargestellt. Der Vergleich mit Abb. 9 zeigt, dass mit der unfokussierten Messung eine deutliche Verbesserung bezüglich der lateralen Auflösung erreichbar ist. Die Form und Kanten der Messobjekte sind deutlicher ausgeprägt.

 


Abbildung 12: Ergebnis der Summation der Beträge über 200 Frequenzpunkte im Frequenzbereich von 75-100 GHz nach der SAR-Verarbeitung des punktweise abgetasteten Messobjekts

 
 


Abbildung 13: Phase bei 87.5 GHz nach der SAR-Verarbeitung des punktweise abgetasteten Messobjekts

 
 


Abbildung 14: Messaufbau für die Datenaufnahme in einem zylindrischen Koordinatensystem

 

Die Ergebnisse in Abbildung 15 und 16 bestätigen die fehlerfreie zylindrische 2D-SAR-Verarbeitung. Die Form der Metallschere, des Keramikmessers, der Euromünzen und des Wachsstreifens sind nach der SAR-Verarbeitung sowohl im Amplituden- als auch im Phasenbild klar erkennbar. Auf Grundlage der rekonstruierten SAR-Daten könnten weitere Bildverarbeitungsalgorithmen zur Merkmalsextraktion eingesetzt werden.

 


Abbildung 15: Ergebnis der Summation der Beträge über 200 Frequenzpunkte im Frequenzbereich von 75-100 GHz nach der SAR-Verarbeitung des punktweise abgetasteten Messobjekts

 
 


Abbildung 16: Phase bei 87.5 GHz nach der SAR-Verarbeitung des punktweise abgetasteten Messobjekts

 

 

Realisierung des Systemkonzepts

Nachdem das Potenzial des echtzeitfähigen Abbildungskonzepts demonstriert wurde, musste ein geeignetes Systemkonzept realisiert werden. Zusätzlich wurde ein Konzept zur Synchronisation der Datenaufnahme entwickelt. Im Folgenden wird die Funktionsweise des Systemkonzepts nur anhand eines vereinfachten Blockschaltbilds erläutert. Aufgrund von vorangegangenen Erkenntnissen muss für eine nachträgliche Einstellung der Fokusebene ein breitbandiges Konzept entworfen werden. Das breitbandige Messsystem muss an jedem Frequenzpunkt Betrag und Phase für die anschliessende SAR-Signalverarbeitung zur Verfügung stellen. Daher bietet sich ein diskret frequenzmoduliertes Verfahren an (SFCW-Verfahren (Stepped Frequency Continuous Wave)).

 


Abbildung 17: Vereinfachtes Blockschaltbild des Systemkonzepts

 

Aus den Voruntersuchungen lassen sich folgende Spezifikationen für das Messsystem und die erforderliche Datenrate ableiten:
 

  • kohärentes SFCW-System im Frequenzbereich von 75 bis 100 GHz
  • Möglichkeit zum mehrkanaligen Betrieb der Sende-/Empfangseinheit zur gleichzeitigen Auswertung mehrerer Antennenmodule ohne Umschalten zwischen den Kanälen
  • Anzahl der gemessenen Frequenzpunkte frei wählbar
  • Rechnerschnittstelle zur Datenaufnahme muss eine Datenrate von mindestens 1 MS/s besitzen, um die anfallenden Datenmengen innerhalb der Messzeit aufzuzeichnen
  • Synchronisation der verschiedenen Sende-/Empfangsantennen ist erforderlich
     

Zunächst wurde die Funktionsweise des Systemkonzepts mit Hilfe des Simulationsprogramms Advanced Design Systems (ADS) mit idealen Komponenten untersucht. Anschließend erfolgte die Auswahl der elektronischen Komponenten anhand den Spezifikationen der Hersteller. Das Systemkonzept in Abbildung 17 ist in verschiedene Sektionen aufgeteilt. Es wird zwischen der Basisband Sektion, der Sende- und Empfangseinheit unterschieden. Die Basisband Sektion beinhaltet alle Komponenten, die für die Signalerzeugung und Signalauswertung verantwortlich sind. Dagegen werden in der Sende- und Empfangseinheit alle Komponenten zusammengefasst, die zur Frequenzumsetzung in den Bereich 75 − 100 GHz und in die feste Zwischenfrequenz dienen.
 

Das Prinzip des SFCW Systems beruht auf einer breitbandig durchstimmbaren VCO Quelle (12.5 − 16.67 GHz). Der Zielfrequenzbereich von 75 bis 100 GHz wird über einen diskret aufgebauten Frequenzvervielfacher erreicht. Das Sendesignal beinhaltet eine zusätzliche Frequenzverschiebung von 70 MHz, die sich von der VCO Quelle und einem hochstabilen Quarz-Oszillator ableitet. Dadurch besteht der Vorteil, dass die Signalaufbereitung bei einer monofrequenten Zwischenfrequenz von 420 MHz erfolgen kann. Das Referenzsignal wird mit Hilfe des Quarz Oszillators und einem Frequenzvervielfacher gewonnen. Die Auswertung des Empfangssignals nach Betrag und Phase wird mit kommerziell erhältlichen Amplituden-/Phasendetektoren vom Typ Analog Devices AD8302 durchgeführt.

 


Abbildung 18: 19-Zoll Basisband Modul (Oberseite)


 


Abbildung 19: 19-Zoll Basisband Modul: Unterseite mit integrierter ZF-Verarbeitung

 

 


Abbildung 20: 4-Kanal Sendeeinheit, bestehend aus einer Frequenzvervielfacherkette und einem nachfolgenden 3dB-Kopplernetzwerk

 

 


Abbildung 21: 4-Kanal Empfangseinheit, bestehend aus vier Grundwellenmischern, einer Frequenzvervielfacherkette und einem nachfolgenden 3dB-Kopplernetzwerk

 

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