Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHRHochaufgelöste Abbildungen trotz gleichzeitiger Bewegung von Sensorplattform und Zielszene sowie schnelle Änderungen der Blickrichtung – dieses Leistungsprofil soll ein neuartiges luftgestütztes Radarsystem ermöglichen. Ein Adler verfügt über ein außergewöhnlich hohes Auflösungsvermögen seines Sehorgans und kann selbst im Flug Bodenstrukturen präzise erfassen und interpretieren. Forschende am Fraunhofer FHR arbeiten daran, diese Fähigkeit technisch nachzubilden: Ein Radarsystem, das – an einem Flugzeug montiert –ein elektronisch steuerbares, hochagiles Blickfeld bietet.. Der Blickwinkel soll in kürzester Zeit auf interessante Szenarien umgelenkt werden können. Welche Szenarien das sind, soll künftig ein speziell entwickelter Auswerte- und Entscheidungsalgorithmus bestimmen.
Hohe Auflösung bei schneller Blickrichtungsänderung
Ziel ist die Entwicklung eines multifunktionalen Radars, das Bodenszenen mit hoher Auflösung erfasst, bewegte Ziele detektiert, diese präzise verfolgt und dazu die Sende- und Empfangskeule innerhalb von Mikrosekunden und mit sehr hoher Genauigkeit schwenken kann. Während klassische bodenbeobachtende Radare vorwiegend im X-Band arbeiten, basiert das neue Konzept auf dem Ka-Band mit etwa vierfach höheren Frequenzen.
Ein SAR-System wird hierfür mit Verfahren zur Bewegtzielentdeckung und -verfolgung (GMTI) kombiniert. Hierfür sind hohe Systembandbreiten erforderlich, da sie die Voraussetzung für hohe Auflösungen in abbildenden Betriebsarten bilden. Bereits aktuell werden Bodenauflösungen von unter 2 cm × 2 cm erreicht.
Eine wesentliche Herausforderung ist die Aufrechterhaltung der Bildqualität bei schnellen Änderungen der Blickrichtung. Insbesondere bei hohen Signalbandbreiten kommt es zu Abweichungen des Radarstrahls von der Sollrichtung sowie zu frequenzabhängigen Phasenverzerrungen (Squint-Effekten). Neue hardwareseitige Ansätze sollen diese Effekte minimieren, indem das Antennen-Frontend, eine trägheitslose, vollständig elektronische 2D-Strahlschwenkung mit höchster Präzision in Azimut und Elevation ermöglicht. Ziel ist eine verzerrungsfreie Signalausbreitung in alle gewünschten Raumrichtungen.
Kompakt, leicht und geeignet für kleine Plattformen
Ein wesentlicher Vorteil des Ka-Bands ist die Möglichkeit der Miniaturisierung. Die Antennenapertur kann um bis zu 90 % verkleinert werden. Dadurch eignet sich das System besonders für kleine, luftgestützte Plattformen wie Leichtflugzeuge, Drohnen oder künftige Schwärme kooperierender fliegender Sensorplattformen.
Parallel dazu wird die restliche Systemelektronik an die reduzierte Apertur angepasst. Kompakte, integrierte Elektronikarchitekturen sind notwendig, wobei Wärmeerzeugung und -abfuhr im engen Bauraum besondere Anforderungen stellen..
Grundlegend für die Volumenreduktion sind integrierte Hochfrequenzchips für das Ka-Band sowie kompakte Aufbau- und Verbindungstechniken – bei gleichzeitig gesteigerter Systemleistung. Eine technische Herausforderung ergibt sich aus der höheren Freiraumdämpfung im Ka-Band im Vergleich zum X-Band, die bei gleicher Sendeleistung tendenziell zu geringeren Reichweiten führt. Hier bietet die verkleinerte Sensorik wiederum Vorteile: Da sich auf kleiner Fläche deutlich mehr Antennenelemente integrieren lassen, erhöht sich die abgestrahlte Leistung pro Flächeneinheit. Dies trägt dazu bei, Reichweiteneinbußen zu kompensieren. Zusätzlich wirkt sich das erhöhte Reflexionsvermögen vieler Bodenstrukturen bei Beleuchtung mit Ka-Band-Signalen positiv auf die erreichbaren Distanzen aus.
Technisch wurden bereits Prototypen der Array-Module entwickelt und entsprechende Testumgebungen realisiert. Ein Demonstrator einer Sende-Array-Modulgruppe wurde aufgebaut und charakterisiert. In einem nächsten Schritt ist der vollständige Aufbau eines Phased-Array-Demonstrators geplant, bestehend aus vier Empfangs-Arrays, einem leistungsstarken Sende-Array sowie einer darauf abgestimmten digitalen Signalerzeugungs- und Signalverarbeitungskette.
Perspektiven für Radar und Kommunikation
Primäres Einsatzfeld des neuen Systems ist die hochaufgelöste luftgestützte Erkundung von Bodenszenen. Darüber hinaus eignet sich die elektronische Strahlrichtungssteuerung auchfür moderne Kommunikationssysteme.Elektronisch schwenkbare Breitbandantennen für die Hochbitratenkommunikation zwischen Bodenstationen und Satelliten profitieren ebenso wie Luft-Boden-Kommunikationssysteme, die die nacheinander verschiedene Satelliten anpeilen und schnelle Blickrichtungswechsel realisieren.
Die gewonnenen Erkenntnisse schaffen damit die Grundlage für neuartige Radarsysteme, die klassische Aufklärungsaufgaben mit modernen Kommunikationsfunktionen in einem System vereinen.
