Verkehr

Demonstration eines halbleiter-basierten Navigationsradars

Transportabler S-band Radardemonstrator mit Getriebeeinheit und Elek­tro­generator.
© Fraunhofer FHR

Transportabler S-band Radardemonstrator mit Getriebeeinheit und Elek­tro­generator.

Empfängerempfindlichkeit vor (a) und nach (b) antipodischer Modulation.
© Fraunhofer FHR

Empfängerempfindlichkeit vor (a) und nach (b) antipodischer Modulation.

Luftbild mit überlagerten Prozessierungsergebnissen.
© Fraunhofer FHR

Luftbild mit überlagerten Prozessierungsergebnissen.

71% der Erdoberfläche ist von Wasser bedeckt und darüber wird 90% des weltweiten Warenverkehrs abgewickelt. Daraus resultiert die Notwendigkeit verlässlicher Fernerkundungsfähigkeiten als Grundlage für die Sicherheit und Koexistenz vielfältiger maritimer Aktivitäten. Vor diesem Hintergrund wurden am Fraunhofer FHR neue Ansätze in der maritimen Radartechnik untersucht und weiterentwickelt.

In nicht-kooperativen Situationen oder in Notfällen hängt die Kenntnis der maritimen Lage hauptsächlich von Fernerkundungstechnologien ab. Das maritime Navigationsradar ist hier von besonderer Bedeutung, um echtzeitliche Informationen der Schiffsumgebung zu generieren und dadurch die Sicherheit auf hoher See zu verbessern.

S-Band-Radare mit hoher Reichweite verwenden meistens immer noch Magnetron-basierte Architekturen. Obwohl diese Architekturen über viele Jahrzehnte gereift und daher sehr verlässlich sind, basieren diese Einheiten normalerweise auf der inkohärenten Verarbeitung von Hochfrequenzpulsen mit einer Spitzenleistung von mehreren Kilowatt und benötigen eine jährliche Wartung. Andererseits können mit Halbleiterverstärkern Wellenformen mit kontrollierter Phase erzeugt werden, was eine effektivere Signalverarbeitung ermöglicht und geringere Emissionswerte mit sich bringt.

Um die Tauglichkeit des Halbleiteransatzes nachzuweisen, hat das Fraunhofer FHR einen transportablen S-band Radardemonstrator entwickelt. Die Herausforderungliegt dabei im Wesentlichen in der Betriebsfrequenz von ungefähr 3 GHz und der geforderten Winkelauflösung. Diese hat zur Folge, dass eine Antenne mit beachtlichen geometrischen Abmessungen und Gewicht nötig ist, was wiederum aufwendige logistische und sicherheitstechnische Aspekte mit sich bringt. Mit einem Antennengewicht von 260 kg (kommerzielle Antenne mit einer Länge von 12 Fuß plus Getriebeeinheit inklusive Elektromotor) und der Notwendigkeit eines Elektrogenerators (ca. 150 kg) wurde als Installationsbasis die Verwendung eines Anhängers als praktikabelste Lösung identifiziert (Abb. 1).

Das Ziel, Untersuchungen unter realen Betriebsbedingungen durchführen zu können, hat die Wahl zwischen diversen Hardwareoptionen und Datenverarbeitungsstrategien beeinflusst. Der derzeitige Demonstrator des Pulsradars verwendet eine kohärente Architektur mit Basisbandabtastung und modularer und konfigurierbarer Verarbeitungskette. Obwohl spezifische Kalibrationstechniken von Nöten sind, um Empfindlichkeitsverlusten wegen Asymmetrien zwischen den Basisbandkanälen entgegenzuwirken, profitiert die direkte Basisbandverarbeitung von der Möglichkeit einer höheren Überabtastung mit Rauschformung ohne Verwendung eines kostenintensiven und energiehungrigen Analog-zu-Digital-Wandlers mit hoher Abtastrate. Der digitale Kern basiert auf einer neuartigen System-on-Chip-Lösung (Xilinx Zynq SoC), die im selben IC sowohl ein FPGA als auch einen Prozessorkern zur Verfügung stellt.

Auf der Hardware-Ebene wurden spezielle Strategien, mit dem Ziel die Empfängerempfindlichkeit zu erhöhen, angewandt. So wird die Polarität der emittierten Wellenformen von Puls zu Puls alternierend gewechselt. Da die im Empfänger selbst erzeugten, elektronischen Störungen (in erster Näherung) unabhängig von der Polarität des Empfangssignals sind (im Gegensatz zu Ziel- und Clutter-Echos), werden diese Störungen deutlich durch die digitale Vorzeichenkompensation und Summenbildung zweier aufeinanderfolgender Pulsechos reduziert. Diese Technik ist auch als antipodische Modulation bekannt (Abb. 2).

Im August 2016 fand eine Messkampagne in Kasbach am Rhein statt, um kleine und große Schiffe auf dem fließenden Gewässer zu detektieren. Da nur eine sehr begrenzte Sendeleistung von ungefähr 2 Watt zur Verfügung stand, wurde ein Nahbereichsmodus selektiert, mit dem Radarkarten bis zu einer Entfernung von ca. 500 m generiert werden konnten. Ein Beispiel eines finalen Prozessierungsergebnisses ist in Abbildung 3 zu sehen. Sowohl die Rauschformung als auch die antipodische Modulation haben sich als essentielle Verarbeitungsschritte erwiesen, um die Qualität der Messdaten zu verbessern. Ziele und Umgebungsreflexionen können eindeutig identifiziert werden. Clutter-Reflexionen (z. B. Vegetation und Straßen) wurden nicht maskiert und ihre Positionen korrelieren gut mit entsprechenden Details in geographischen Karten. Dies trifft beispielsweise auch auf die Echos eines abgestellten Güterzugs in westlicher Richtung zu.

Anhand dieser erfolgreichen Messkampagne wurde die Flexibilität und Tauglichkeit des halbleiter-basierten Navigationsradardemonstrators nachgewiesen. In naher Zukunft sind weitere Entwicklungsarbeiten geplant, um Radarperformance und Möglichkeiten der Informationsgewinnung weiterhin zu verbessern.