Analyse, Aufbau und Evaluierung eines Glasfaserlinks zur Zeit- und Phasen-Synchronisation in einem hochauflösenden multistatischen Radarsystem

Kurzfassung

Um die Fähigkeiten zur Abbildung von Weltraumobjekten weiterzuentwickeln, wird das System Imaging of Satellites in Space (IoSiS) derzeit zu einer multistatischen Konfiguration erweitert. Die räumliche Verteilung der Empfängerknoten ermöglicht eine dreidimensionale Abbildung, erfordert jedoch eine exakte Phasenkohärenz zwischen den verteilten Oszillatoren. Unkompensierte Zeitund Phasenfehler zerstören andernfalls die Signalsynchronität zwischen Sender und Empfängern. In dieser Arbeit werden zunächst die Ursachen und Bildeinflüsse von Oszillatorinstabilitäten analysiert. Darauf aufbauend wird ein Systemkonzept zur Zeit- und Phasensynchronisation auf Basis eines Signalmodells entwickelt und evaluiert. Das Konzept nutzt eine Glasfaserverbindung zwischen den Knoten, um die relativen Oszillatordriften über ein Synchronisationssignal zu schätzen und auf den Radarpfad zu interpolieren. Hierbei wird ausgenutzt, dass Synchronisations- und Radarsignale am Sender mit demselben Oszillatorsignal moduliert und an den Empfängern mit dem jeweiligen Empfangsoszillator demoduliert werden. Zur präzisen Fehlerschätzung im Sub-Sample-Bereich wird eine Kreuzkorrelation mit digitaler Sinc-Interpolation mittels Gauss-Newton-Verfahren eingesetzt. Um zu verhindern, dass umwelt- und temperaturbedingte Laufzeitschwankungen der Glasfaser fälschlicherweise als Oszillatordrift interpretiert werden, wird die Übertragungsstrecke für jeden Puls über ein Zwei-Wege-Prinzip vermessen und kompensiert. In vorbereitenden KlimakammerMessungen wurden das thermo-optische Verhalten sowie die viskoelastischen Eigenschaften der Faserspule charakterisiert. Das Gesamtsystem wurde aufgebaut und anhand von Labor- sowie bodengebundenen Radarmessungen an einem Drehteller-Demonstrator für die bildgebende Verarbeitung verifiziert. Die Ergebnisse bestätigen das entwickelte Synchronisationskonzept und demonstrieren eine hervorragende Schätzgenauigkeit mit einer Standardabweichung des Restfehlers von 1,87 ps für die Zeitschätzung und 0,44° für die Phasenschätzung.