Theoretische und experimentelle Untersuchungen eines FPGA-basierten Radarsystems zur interferometrischen Abbildung von Weltraumobjekten

Kurzfassung

Die Nutzung des Weltraums für verschiedenste wissenschaftliche und auch kommerzielle Anwendungen gewann in den letzten Jahren besonders auch durch das Aufkommen privater Raumfahrtunternehmen immens an Bedeutung. Dies zeigt sich insbesondere an dem Anstieg neuer Satelliten und die in Zukunft geplanten Megakonstellationen mehrerer tausend kleinerer Satelliten. Die Beobachtung und Überwachung dieses schützenswerten Raumes ist für die globale Gemeinschaft von großem Interesse. Am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt wurde für diese Anwendung ein neuartiges Radarsystem entwickelt, welches nach dem Prinzip der synthetischen Apertur Satelliten mit einer hohen räumlichen Auflösung monostatisch abbilden kann. Im Hinblick auf die Weiterentwicklung des vorhanden Systems zu einem bistatischen Abbildungssystem befasst sich die hier vorliegende Arbeit zunächst mit der Theorie des Informationsgewinns über die abzubildenden Objekte durch die Verwendung von verteilten Empfängern. Des Weiteren stellt die Arbeit grundlegende Untersuchungen zur interferometrischen, aber auch tomographischen Abbildung von Weltraumobjekten in theoretischer, aber vor allem auch praktischer Sicht an. Zur praktischen Validierung wird in dieser Arbeit ein neues Radarsystem auf Basis eines FPGAs in der vollständigen Systemkette von Hardwareaufbau bis zur Prozessierung der aufgenommenen Daten entwickelt und vorgestellt. Das eingesetzte SoC-Board ist von Grund auf im Hinblick auf die Abbildung realer Weltraumobjekte implementiert worden. Das Radarsystem wurde intern kalibriert und in Bezug auf die zeitliche Stabilität und Phasengenauigkeit untersucht und erlaubt präzise Analysen der empfangen Signale. Dieses Radarsystem wird modellhaft in einem skalierten Testaufbau auf der Erde in Betrieb genommen und validiert. Die hier gewonnenen Ergebnisse zeigen eindrucksvoll den Gewinn an Information durch den Einsatz von zwei Empfängern für die interferometrische Abbildung von Objekten im Weltraum, der neben der dritten Dimension auch in der zeitlichen Richtung stattfinden kann. Des Weiteren sind die Grenzen dieser Methode dargelegt, die eine realistische Erwartungshaltung an das große System formulieren lassen. Zusätzlich dazu bieten die tomographischen Analysen und die messtechnischen Verifikation einen Ausblick auf die weiter mögliche Steigerung der Systemperformanz.