Verteidigung

SARape: Miniaturisiertes SAR für UAVs

SARape-System im POD unter dem „Delphin“ Ultraleicht-Flugzeug bei einem Messflug im September.
© Foto Fraunhofer FHR

SARape-System im POD unter dem „Delphin“ Ultraleicht-Flugzeug bei einem Messflug im September.

Integriertes SARape-System, bestehend aus Radar-Frontend, IMU und Vorprozessor, mit einer Gesamtgröße von etwa 8 x 35 x 15 cm³ (H x B x T). Die Telemetrieeinheit ist hier nicht abgebildet.
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Integriertes SARape-System, bestehend aus Radar-Frontend, IMU und Vorprozessor, mit einer Gesamtgröße von etwa 8 x 35 x 15 cm³ (H x B x T). Die Telemetrieeinheit ist hier nicht abgebildet.

Hochaufgelöste SAR-Aufnahme des FHR-Geländes – entstanden bei einem Überflug mit dem SARape-System im Rahmen einer Testkampagne im September.
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Hochaufgelöste SAR-Aufnahme des FHR-Geländes – entstanden bei einem Überflug mit dem SARape-System im Rahmen einer Testkampagne im September.

Der luftgetragenen Überwachung von zivilen und militärischen Szenen mittels unbemannter Luftfahrzeuge kommt eine immer größere Bedeutung zu. Dabei spielen Dimension und Masse des bildgebenden Sensorsystems eine entscheidende Rolle.


Das Ziel des SARape-Projektes (Synthetic Aperture Radar for all weather penetrating UAV Application) war die Entwicklung eines miniaturisierten SAR-Systems, welches für den Einsatz in einem UAV (Unmanned Aerial Vehicle) mit geringer Nutzlast optimiert ist. Dazu ist nicht nur ein kompakter und leichter Radar-Sensor nötig, sondern auch eine entsprechende Signalprozessierung und Telemetrieeinheit. Ferner sollte im Rahmen des Projektes ein effizienter und robuster SAR-Prozessor entstehen, der - trotz der instabilen Flugbedingungen eines kleinen unbemannten Luftfahrzeugs - vollfokussierte und hochaufgelöste Bilder in Echtzeit produziert. Die Konzepte der Einzelkomponenten sind weitestgehend bekannt, jedoch deren Kombination und Einsatz auf einem Kleinstfluggerät sind ein Novum. Insbesondere die hohe Bandbreite und die damit verbundene sehr gute Auflösung sind im UAV-Bereich bislang einzigartig.
 
Entstanden ist ein hochentwickeltes SAR-System, das in jeglicher Hinsicht modernen Ansprüchen in den zivilen und militärischen Szenarien entspricht. Insbesondere die Echtzeitfähigkeit des Systems eröffnet ein weites Anwendungsfeld, dabei ist die Ausgangsleistung des Radars von 100 mW ausreichend für eine Reichweite von mehreren hundert Metern. Durch den Einsatz einer hohen Sendefrequenz von 94 GHz ist der Sensor auch zur Detektion kleinskaliger Objekte geeignet und in Verbindung mit einer modernen FMCW-Erzeugung mit hoher Bandbreite (bis zu 1 GHz) und kleinen Antennen ergibt sich eine sehr hohe Auflösung von 15 cm x 15 cm. Ein weiterer Vorteil der Millimeterwellen ist ihre geringere Anfälligkeit für Bildfehler durch Mehrwegeausbreitung. SARape wurde als Zweikanal-Empfänger konzipiert, womit polarimetrische und interferometrische Messungen ermöglicht werden. Aufgrund des guten Signal-zu-Rauschabstandes der Empfänger wird ein optimaler Bildkontrast erzielt. Um eine ausreichende Bandbreite für die Datenübertragung zur Verfügung zu haben, wird das Signal an Bord im Vorprozessor digitalisiert und ins Basisband gebracht. So können neben den zwei Signalkanälen auch die Navigationsdaten parallel gesendet und die Komplexität der Datenauswertung reduziert werden. Die digitale Datenübertragung erfolgt im 2,4 GHz Band (WLAN) mit etwa 1 Watt Sendeleistung, da auf diese Weise keine besonderen Genehmigungsverfahren beachtet werden müssen. Unter Benutzung des entwickelten SAR-Prozessors und eines hochpräzisen Inertialsystems (IMU) wird damit eine echtzeitfähige Bildgebung ermöglicht. Im Rahmen des Projektes wurde ebenfalls eine umfangreiche Datenbank mit möglichen unbemannten Plattformen aufgebaut, welche die Auswahl des bestmöglichen UAV für eine Reihe von Szenarien ermöglicht.

Das SARape-Konsortium wird von fünf Partnern aus vier europäischen Ländern (Deutschland, Polen, Ungarn und Zypern) gebildet und steht unter der Federführung der European Defence Agency (EDA). Jeder Partner bringt eine andere Kernkompetenz ein. Das Fraunhofer FHR ist als Konsortialführer für das Projektmanagement verantwortlich. Ferner wurden in Wachtberg das Systemkonzept und das Radar-Frontend entwickelt sowie das SARape-Gesamtsystem integriert und getestet. Das Fraunhofer IAF war für das Design und die Herstellung der benötigten HF-Komponenten für das Frontend zuständig. Aus Ungarn (Pro Patria Electronics) kam der Vorprozessor zur Signaldigitalisierung bzw. -konversion und aus Zypern (University of Cyprus) die Telemetrieeinheit zur digitalen Datenübertragung. Die Technische Universität Warschau war für die Entwicklung des Echtzeit-SAR-Prozessors sowie für die Datenaufzeichnung und -analyse verantwortlich. Ein weiterer Konsortialpartner aus Ungarn (Slot Consulting) übernahm die Programmierung der UAV-Datenbank sowie das Medienmanagement.

Während der Testmessungen und bei einer Systempräsentation für geladene Gäste aus der Industrie und den Verteidigungsministerien wurden die Fähigkeiten von SARape eindrucksvoll demonstriert. Eine Echtzeit-Auswertung der Signale und damit die Erstellung eines online „SAR-Videos“ war bis zu einer Entfernung von 4,5 km zwischen Sender und Empfänger möglich. Für die Messflüge im September und Oktober wurde das institutseigene Ultraleicht-Flugzeug „Delphin“ benutzt (s. Abb. 1).

Abb. 2 zeigt das integrierte SARape-System (Radar-Frontend, IMU und Vorprozessor) mit einer Gesamtgröße von etwa 8 cm x 35 cm x 15 cm (H x B x T). Die Abbildung 3 demonstriert die hohe Auflösung des Systems anhand einer SAR-Aufnahme des FHR-Geländes.