Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHRZukunftssichere Weltraumlageerfassung mit Radar: Das Fraunhofer FHR hat die Signalverarbeitungssysteme des Zielverfolgungsradars der Großradaranlage TIRA weiterentwickelt und damit die Möglichkeiten radarbasierter Weltraumbeobachtung deutlich erweitert. Für erste Experimente mit dem neuen Instrument wurde ein besonderes Untersuchungsobjekt gewählt: der Mond. Das Ergebnis ist eine hochauflösende Radarabbildung der gesamten, von der Erde sichtbaren, Mondoberfläche.
Dem Fraunhofer FHR gelang mit dem weiterentwickelten Zielverfolgungsradar der Großradaranlage TIRA, kurz für Tracking und Imaging Radar, eine hochauflösende, zusammenhängende Radarabbildung der gesamten, von der Erde sichtbaren, Mondoberfläche – und das aus einer Entfernung von 385.000 Kilometern! Die Demonstration unterstreicht das Potenzial von TIRA für anspruchsvolle Beobachtungs- und Analyseaufgaben im Weltraum.
Unter Nutzung der Bewegung der Erde und des Mondes wurde mit der 34 Meter großen Cassegrain-Antenne der TIRA-Anlage eine deutlich größere virtuelle Antenne erzeugt und damit eine hohe Auflösung für die Abbildung erreicht. Dieses Verfahren zur Erzeugung einer synthetischen Antennenapertur, genannt SAR (Synthetic Aperture Radar), macht die hochauflösende Abbildung möglich.
Software-defined Radar für eine zukunftsfähige Weltraumlageerfassung
Die stetige Verbesserung der Fähigkeiten der Großradaranlage TIRA ist ein zentraler und wichtiger Aspekt der Forschung am Fraunhofer FHR. Bei der Weiterentwicklung der Signalverarbeitungssysteme setzen die Forschenden konsequent auf das Konzept des Software-defined Radars, um ein flexibles und zukunftsfähiges Forschungsinstrument zur Weltraumlageerfassung mit Radar zu schaffen.
Die Signalabtastung und die Signalerzeugung erfolgen dabei direkt im Mikrowellenbereich im L‑Band bei 22 Zentimetern Wellenlänge, nahe an der analogen Empfangsvorstufe der Antenne. Die weitergehende Verarbeitung der digitalisierten Signale findet in Echtzeit auf Grafikprozessoren mittels in Software definierter Verfahren statt. Dies ermöglicht eine flexible Implementierung innovativer Methoden und deren wissenschaftliche Nutzung.
Verschiedene erfolgreiche Experimente belegen eindrucksvoll die Eignung des am Fraunhofer FHR entwickelten Gesamtsystemkonzepts und der realisierten Teilsysteme.
Vermessung des Mondes als erstes Experiment
Zur Untersuchung der Systemstabilität des neuen Instruments wurde in einem ersten Experiment der Mond vermessen. Dazu wurde der Mond durch den leistungsstarken Sender des TIRA mit der Antennenkeule der Cassegrain-Antenne beleuchtet und die von der Mondoberfläche reflektierten Echos wurden nach circa 2,6 Sekunden von TIRA empfangen. Die Breite der Antennenkeule entspricht hierbei in etwa dem scheinbaren Durchmesser des Mondes.
Da der Mond für die Keule der Antenne wie ein einzelner Punkt erscheint und nicht aufgelöst wird, wurden die Eigendrehung von Mond und Erde genutzt, um über einen Zeitraum von etwa 30 Minuten sozusagen virtuell eine viel größere Antenne, die sogenannte synthetische Apertur, aufzuspannen. In Abbildung 1 ist diese synthetische Apertur (grün) mit der relativen Bewegung des TIRA (rot) zur Mondoberfläche dargestellt.
Zusammen mit der Entfernungsmessung des Radarsystems ergibt sich eine Abbildung der Mondoberfläche mit einer Auflösung im Bereich von 20 Metern. Die Reflexionen von der nördlichen und südlichen Oberfläche des Mondes überlagern sich dabei, da sie jeweils gleiche Entfernungen aufweisen. Um diese beiden so entstehenden Bilder wieder zu trennen, wurde das Monopulssystem des Zielverfolgungsradars zur nachträglichen Formung der Antennenkeule genutzt. Bei dem Monopulssystem handelt es sich um eine Erregerantennengruppe in der Brennebene der Cassegrain-Antenne, die bei der Zielverfolgung zur präzisen Messung der Zielrichtung dient.
Diese SAR-Bilder sind in den Abbildungen 2a und 2b gezeigt. Horizontal verläuft die synthetische Apertur, über die Vertikale von oben nach unten verläuft die Entfernung zum Radarsystem. Abbildung 3 zeigt in einem Ausschnitt des Bildes den ikonischen Krater Tycho auf der Südhalbkugel des Mondes.
