Verteidigung

Das luftgestützte Multifunktionsradar der nächsten Generation

An einem Referenzziel gemessene Punktzielantwort zur Verifikation der Auflösung.
© Fraunhofer FHR

An einem Referenzziel gemessene Punktzielantwort zur Verifikation der Auflösung.

Blockdiagramm des  Pamir-Ka SAR-Demonstrators.
© Fraunhofer FHR

Blockdiagramm des Pamir-Ka SAR-Demonstrators.

FHR-Forschungsflugzeug »Delphin« mit PAMIR-Ka Tragflächeneinheit.
© Fraunhofer FHR

FHR-Forschungsflugzeug »Delphin« mit PAMIR-Ka Tragflächeneinheit.

Eine zuverlässige luftgestützte Überwachung und Aufklärung mit Radar erfordert eine hohe funktionelle Flexibilität der Sensorik und eine bestmögliche Bildqualität. Aktuell verfügbare Radar-Aufklärungssysteme für Flugplattformen bieten schon eine Vielzahl von Betriebsarten und Auflösungen im Dezimeterbereich. Aber sind damit die Grenzen des Machbaren für gepulste Multifunktionssysteme schon erreicht?

Die Arbeiten im Rahmen des Projekts PAMIR-Ka (Phased Array Multifunctional Imaging Radar in Ka-band) zeigen Perspektiven für neuartige Methoden und Technologien zur luftgestützten, weiträumigen Überwachung und Aufklärung im Ka-Band Frequenzbereich auf.

In seiner finalen Ausbaustufe ist PAMIR-Ka konzipiert als ein gepulstes mehrkanaliges und multifunktionales Radarsystem mit synthetischer Apertur für ultrahochauflösende Bildgebung und Bewegtzielentdeckung im Ka-Band. Es wird als Nachfolger des im X-Band arbeitenden PAMIR-X-Systems entwickelt und eröffnet die technologischen Möglichkeiten des Frequenzbandes zwischen 30 und 38 GHz. Die Entwicklung von luftgestützten Radarsystemen in Ka-Band-Technologie bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber klassischen X-Band Systemen. Zum einen können kompaktere Antennen und Hochfrequenzbaugruppen für die Sensorik zum Einsatz kommen. Weiterhin bewirkt die höhere Bandbreite eine deutliche Steigerung der Auflösung in Entfernungsrichtung für die prozessierten Bildprodukte. Kombiniert man diese Eigenschaften mit einem hochgenauen Pulsbetrieb in Verbindung mit einer aktiv elektronisch steuerbaren 2D-Gruppenantenne für Senden und Empfangen, so lässt sich durch verteilte Sendeleistungserzeugung die Reichweite steigern und durch Nachführen der Antennenkeulen die Auflösung in Flugrichtung erhöhen. In Verbindung mit einem mehrkanaligen Aufbau lassen sich verbesserte Radar-Betriebsarten (Moden) integrieren, beispielsweise zur besseren Entdeckung und Ortung von Bewegtzielen.

2D-Array-Technologie für Ka-Band Radarbetrieb mit synthetischer Apertur

Für den finalen Ausbau werden separate Antennenaperturen für Senden und Empfangen angestrebt. Mit jeweils 48 x 8 Antennenelementen bilden sie vollbesetzte Gruppenantennen mit sehr agiler elektronischer 2D-Strahlschwenkung. Wird diese Eigenschaft mit einer hohen Bandbreite von bis zu 8 GHz kombiniert, lassen sich SAR-Betriebsmodi mit Entfernungsauflösungen von unter 2 cm und Auflösungen in Flugrichtung zwischen 1 und 2 cm erreichen. Durch entsprechende thermische Auslegung wird die Sendeantennengruppe eine hohe gepulste Sendeleistung von ca. 800 Watt abstrahlen, um bestmögliche Reichweite und Bilddynamik trotz einer im Ka-Band ungünstigeren Streckendämpfung gegenüber dem X-Band zu erzielen.

Erste Demonstrationsphase des hochauflösenden SAR-Modus

Das Ziel der Realisierung eines Ka-Band Multifunktionsradars erfordert eine schrittweise methodische und technologische Entwicklung in Demonstrator-Phasen. In der derzeit realisierten ersten Ausbaustufe verfügt PAMIR-Ka über jeweils einen Sende- und Empfangskanal in einer quasi-monostatischen Antennenanordnung. Für die ersten Flugversuche wurde das System an Bord des FHR-Kleinflugzeugs »Delphin« installiert. Ziel dieser Versuche war es, die Funktion des Systems unter Flugbedingungen nachzuweisen und die relevanten Aspekte der gepulsten SAR-Bildgebung im Ka-Band zu untersuchen.

Der SAR-Demonstrator besteht aus zwei Teilen, einer Tragflächeneinheit und einer Cockpiteinheit. Die Tragflächeneinheit beinhaltet das Frontend des Systems und ist in einem aerodynamischen Pod installiert. Das Frontend besteht aus den Antennen, der Signalerzeugung, den Frequenzumsetzer-Modulen, der Pulsverteilung und einem Analog-Digital-Wandler mit bis zu 20 GS/s Abtastrate. Der Pod ist unter der Tragfläche montiert, wobei die Antennen, mit einem einstellbaren Winkel geneigt, die Bodenszene beleuchten. Die Cockpiteinheit beinhaltet ein Trägheitsnavigationssystem, einen GNSS-Empfänger, Leistungs-Stromrichter, Datenspeicher und die Radarprozesssteuerung.

Im Berichtsjahr wurden zahlreiche Flugversuche mit PAMIR-Ka durchgeführt. Die Aufnahmen im Streifenmodus erfolgten aus Höhen bis zu 800 Meter über Grund, jeweils mit einem Antennendepressionswinkel von 35°. Um die bestmögliche Entfernungsauflösung zu erzielen, wurde die komplette Simultanbandbreite von 8 GHz verwendet, was theoretisch eine Auflösung von 19 mm in Schrägentfernung erlaubt. Die relativ kleine Öffnung der Hornantennen ermöglicht eine lange synthetische Apertur und dementsprechend eine feine Auflösung in Flugrichtung. Die Auswertung der zweidimensionalen Punktabbildungsfunktion im prozessierten Bild zeigt eine Auflösung von 9 mm × 20 mm am Erdboden (Azimut × Entfernung).

In zukünftigen Entwicklungsstufen soll das System zu einem mehrkanaligen, multifunktionalen Phased-Array-System mit deutlich erhöhter Ausgangsleistung und aktiver elektronischer Strahlschwenkung (AESA) ausgebaut werden.