Neue Methoden und Verarbeitungsverfahren für die Passive Radar Bildgewinnung

• Antragsteller: Dr.-Ing. Holger Nies, seit 10/2022
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 410851921

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Konzept des passiven Radars bietet die Möglichkeit, Informationen über die Umgebung auch mit kostengünstigen Komponenten zu erfassen, ohne dass aktiv ein Signal ausgesendet wird. Das Ziel dieses Projektes bestand darin, ein funktionelles Messsystem für passive, bistatische SAR und ISAR­Verfahren, mithilfe von geostationären Satelliten und DVB­T­Stationen, zu demonstrieren. Angesichts der ungünstigen Bedingungen, wie der geringen Bandbreite der verwendeten Satelliten­ transponder (≈28MHz) oder der niedrigen Empfangsleistung aufgrund der Entfernung von ca. 38.000 km zum Beleuchter, erschien dies ein recht ambitioniertes Vorhaben zu sein. Ein weiteres Hindernis ist der komplexe Bewegungsverlauf von geostationären Satelliten im Vergleich zu typischen SAR­Plattformen. Durch die Auslenkung des Senders in Azimut und Elevation erschwert sich die Modellbeschreibung für die SAR Prozessierung im Frequnzbereich. Des Weiteren verursacht die variierende Relativgeschwindigkeit des Satelliten eine nicht äquidistante Abtastung, welche die Qualität der SAR­Bilder beeinträchtigt. Deswegen wurde für die SAR­Prozessierung in diesem Projektes ein BPA verwendet. Obwohl dieser im Vergleich zu Prozessoren im Frequenz­ bereich rechenintensiver ist, stellt er aufgrund der komplexen Trajektorie des Satelliten die einzige Option dar. Untersuchungen des DVB­S bzw. DVB­S2 Signals, das ausschließlich für Telekommunikationsdiens­ te konzipiert wurde, zeigen interessanterweise Eigenschaften, die denen typischer Radarsignale äh­ neln. Beispielsweise hat die Mehrdeutigkeitsfunktion des Signals keine stark ausgeprägten Neben­ keulen oder Artefakte, was ein wichtiges Kriterium für Radarsignale ist. Ein zusätzliches Merkmal des DVB­S Signals ist, dass es eine nahezu gleichförmig verteilte Energieverteilung über die Bandbreite aufweist. In diesem Vorhaben wurde neben der Durchführbarkeit des Passivradars mit geostationären Sa­ telliten mit einem low­cost Messsystem für SAR­ als auch für ISAR­Anwendungen erfolgreich de­ monstriert. Es wurde die Vorbeifahrt verschiedener Schiffe mit unterschiedlichen Systemparametern observiert und analysiert. Des Weiteren machte die Pulskompressionsanalyse deutlich, dass das Wiener Filter im Nahbereich unter der Voraussetzung eines geeigneten Gewichtungsparameters den Masking­Effekt besser reduzieren kann als das Matched­Filter. Aufgrund der begrenzten Kanalbandbreite von nur 30 MHz lässt sich jedoch kein signifikanter Ein­ fluss auf das ISAR­Bild feststellen, da die Auflösung in Range in der Größenordnung der Schiffsbreite liegt. Außerdem wurde gezeigt, dass die Fokussierung in Azimut mithilfe eines Spektrogramms leicht umzusetzen ist. Grundsätzlich lässt sich der Dopplerverlauf mithilfe eines Chirps mit einer Azimut­ Sweep­Rate k_az korrigieren. Die ermittelten Schiffsmaße, wie Schiffslänge oder Geschwindigkeit, stimmen in etwa mit den tatsächlichen Werten überein. Das Rückstreuspektrum ist jedoch ortsvariant, sodass für jedes Schiff abhängig von der Entfernung und Geschwindigkeit ein spezifisches Azimutfilter zur Korrektur des Dopplerverlaufs bestimmt werden muss. Ebenso wurde die Machbarkeit der passiven Radarabbildung unter Verwendung des Signals von DVB­T­Sendern in Kombination mit einem einkanaligen, kostengünstigen Empfängersystem gezeigt. Ausgehend von einigen grundlegenden Informationen über die verwendeten OFDM­Signale wird die Methode zur Synchronisation und Kanalschätzung beschrieben. Als Hauptaspekt wird die Rekonstruktion des Referenzsignals realisiert. Dies ermöglichte Passivradar­Bildgebung mit nur einer Empfangsantenne. Das verwendete Empfängersystem wurde experimentel mitttles einer bodenge­ bundenen, beweglichen Plattform getestet. Durch die exakte (rauschfreie) Rekonstruktion des Sen­ designals konnte ein besseres SNR erzielt werden, als die mit dem Direktsignal möglich wäre. Die Signalverarbeitung wurde in MATLAB realisiert und als Open­Source­Software veröffentlicht.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Low-Cost Passive Radar Using OFDM Broadcast. 2019 IEEE Radar Conference (RadarConf), 1-6. IEEE.
  Behner, Florian; Reuter, Simon; Nies, Holger & Loffeld, Otmar
  
• “Passives Bistatisches Bildgebendes Radar und Zielverfolgung mittels geostationärer Satelliten”. Masterarbeit. University of Siegen, Juli 2023.
  Timur Mulic
  
• Ground-Based Passive Radar Imaging Using Geostationary Satellites—Perspectives and Constraints. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 22, 1-5.
  Nies, Holger; Behner, Florian; Reuter, Simon; Mulic, Timur & Ihrke, Ivo