Synthetic Aperture Radar (SAR) ist eine Technik, die mit von Radarwellen im UWB-Bereich (Ultra Wide Band) hochauflösende Aufnahmen der Erdoberfläche erstellt. Das Radarerfasst präzise die Topographie eines Geländes, den Bewuchs oder die Bebauung, und zwar unabhängig von Wetterbedingungen und Tageszeit. In der Praxis kommt SAR vor allem in Fernerkundungs-Satelliten zum Einsatz. So nutzen unter anderem die Satelliten der Reihe ERS (ESA), CosmoSAR (Italien) und NovaSAR (Großbritannien) das Verfahren, außerdem die Systeme TerraSAR-X und TanDEM-X (Deutschland). SAR-Satelliten umkreisen die Erde in niedrigen Umlaufbahnen.
Anwendungsgebiete von SAR
Die SAR-Technik lässt sich in vielen Bereichen einsetzen. Dazu zählt die Kartierung der Erde. Ein Problem in diesem Zusammenhang ist, dass die 3D-Modelle je nach Region erhebliche Unterschiede in Bezug auf die Auflösung und Genauigkeit aufweisen. Ein Ziel der deutschen Satellitenprogramme TanDEM-X und TerraSAR-X ist es daher, eine einheitliche Kartierung der Erdoberfläche vorzunehmen und ein präzises digitales Höhenmodell (Digital Elevation Model, DEM) zu erstellen. Bis Mitte 2013 wurde daher im Rahmen des deutschen SAR-Programms die gesamte Erde mehrfach gescannt - immerhin rund 150 Millionen Quadratkilometer. Von dieser Kartierung profitieren unter anderem Navigationssysteme für Fahrzeuge, Schiffe und Flugzeuge. Auch für den Katastrophenschutz sind 3D-Karten ein wichtiges Hilfsmittel. So erlauben es Karten von Küstenregionen und Stadtgebieten, die möglichen Auswirkungen von Tsunamis und Wirbelstürmen besser abzuschätzen. SAR-Satelliten lassen sich zudem als Ergänzung von Systemen nutzen, die vor Vulkanausbrüchen oder Erdbeben warnen. Denn digitale Höhenmodelle machen geologische Veränderungen sichtbar, die beispielsweise auf einen bevorstehenden Vulkanausbruch hindeuten. Selbst dann, wenn sich eine Naturkatastrophe bereits ereignet hat, sind SAR-Dienste von Nutzen. So lassen sich innerhalb kurzer Zeit 3D-Karten der betroffenen Regionen erstellen. Dadurch ist es für die Behörden einfacher, die Lage vor Ort einzuschätzen und Rettungsmaßnahen zu koordinieren. Das gilt vor allem dann, wenn in einem Katastrophengebiet die Sicht beeinträchtigt ist, etwa durch Dunkelheit, schlechtes Wetter oder starke Rauchentwicklung. Der Nutzen von Multi-Band-SAR-Aufnahmen in der Natur beschränkt sich jedoch nicht darauf, die Folgen von Umweltkatastrophen in Grenzen zu halten. Das zeigt das Beispiel Forstökologie. So lässt sich mit SAR die Struktur und Beschaffenheit der Bewaldung erfassen. Auf Basis dieser Daten können Fachleute Analysen durchführen, die ansonsten nicht möglich wären, vor allem in großen und abgelegenen Waldgebieten. In vielen Staaten hat die Suche nach regenerativen Energiequellen hohe Priorität. Auch dafür kann SAR eingesetzt werden: Mit 3D-Aufnahmen der Wellenbewegungen auf den Meeren ist es möglich, die Höhe und Dynamik von Meereswellen und Gezeiten zu analysieren. Mit diesen Informationen lassen sich passende Standorte für Gezeitenkraftwerke ermitteln. Speziell in Deutschland ist ein weiteres Anwendungsfeld der SAR-Technik hoch aktuell: die Überwachung von Flussläufen. Mithilfe so genannter Along-TrackinSAR-Interferometrie-Messungen ist es möglich, den Strömungsverlauf ganzer Flussnetze exakt zu erfassen. Diese Daten können dabei helfen, Überschwemmungen vorherzusagen und Vorsorgemaßnahmen zu verbessern. Hoch auflösende Höhenmodelle lassen sich unter anderem nutzen, um folgende Informationen bereitzustellen:
Karten von Überschwemmungsgebieten und Modelle der Wege, die das Wasser wählt, die Simulation von Wassereinzugsgebieten auf Basis topografischer Daten und Informationen über die Vegetation in diesen Regionen und Änderungen der Topografie und Vegetation.
Ohne exakte topografische Kartierung sind zudem keine Aussagen darüber möglich, wie sich die Gletscher sowie die Eismassen in Grönland und an den Polen entwickeln. Die X-Band-SAR-Technik ist ideal dazu geeignet, solche �?nderungen zu dokumentieren. Erst auf Grundlage dieser Daten können Wissenschaftler ermitteln, wie schnell einzelne Gletscher und Eisfelder wegen der Erderwärmung abschmelzen und welche Folgen das für den Meeresspiegel hat. Apropos Meer: Obwohl rund 90 Prozent des weltweiten Warenverkehrs über die Ozeane abgewickelt werden und die Weltmeere mehr als 70 Prozent der Erdoberfläche ausmachen, wird der Verkehr auf dem Meer weit weniger überwacht als an Land oder in der Luft. Auch hier hilft Synthetic Aperture Radar weiter: SAR-Imaging im S-Band erlaubt es, Oberflächenstrukturen bei beliebigen Wetterbedingungen und zu jeder Tageszeit zu erfassen. Das erleichtert es, Verstöße gegen Umweltschutzvorgaben und das maritime Verkehrsrecht zu ahnden.
Zentrale Rolle von Multi-Nyquist-D/A-Wandlern
Eine große Zahl von Forschungsprojekten beschäftigt sich mit der Radartechnik, auch mit zivilen Anwendungen. Demnach ist UWB-OFDM (Ultra Wide Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing) eine vielversprechende Technik, mit der sich die Auflösung von Radarbildern verbessern lässt. Anhand der folgenden Gleichung wird deutlich, welch wichtige Rolle die Bandbreite eines Radar-Imaging-Systems für die Auflösung R spielt (c steht für die Lichtgeschwindigkeit und B für die nutzbare Bandbreite): R =c 2.B
Forscher haben darüber hinaus mehrfach den Nutzen von digitalen Mikrowellen-Radarsignalen in Kombination mit Mehrfachfrequenzen nachgewiesen. Der digital definierte Mikrowellen-Signalvektor lässt sich mithilfe einer entsprechenden Software durch die Kombinationen unterschiedlicher Sub-Frequenzbänder aufbauen. Diese Frequenzbereiche können innerhalb der Systembandbreite B zu- oder abgeschaltet werden. Der für den Einsatz im Weltraumspezifizierte Multi-Nyquist-D/A-Wandler EV12DS130 mit 12 Bit Auflösung und einer Abtastrate von 3 GSamples/s unterstützt vier aufeinanderfolgende Nyquist-Zonen mit 1,5 GHz.
Ein solcher Quad-Nyquist-GSamples/s-Digital-Analog-Wandler kann komplexe und völlig unterschiedliche digitale Signalvektoren von 1,5 GHz verarbeiten. Der Wandler setzt diese in Mikrowellensignale um, die in jeder der vier Nyquist-Zonen von DC bis 6 GHz abgebildet werden. Ein derartiger D/A-Wandler ist somit eine solide Grundlage für den Aufbau einer Signalkette, die Software Defined Microwave (SDM) unterstützt. Darauf aufsetzend lassen sich neue, leistungsstarke UWB-SAR-Techniken entwickeln. Diese werden bei künftigen SAR-Systemen die Möglichkeit bieten, Upgrades „remote“ per Software vorzunehmen.
Mit dem Signalpfad, der von einem Multi-Nyquist-DAC bereitgestellt wird, ist es außerdem möglich, die Sub-Frequenzbänder in Komponenten unterschiedlicher Bandbreite B1, B2, B3 oder B4 zu gruppieren. Diese Sub-Bänder können auf unterschiedliche Frequenzen im L-, S-, C- oder X-Band zentriert werden. Dadurch lassen sich ergänzende Radar-Rückstreueigenschaften erzielen und reichhaltigere Datensätze zum Erstellen der SAR-Bilder generieren.
Die Länder, die von SAR-Satelliten überflogen werden, nutzen das Hochfrequenz-Spektrum auf unterschiedliche Weise. In unbewohnten Regionen, etwa über den Ozeanen oder in der Arktis, werden solche Frequenzen jedoch nicht verwendet und können für SAR freigegeben werden. SDM-fähige Signalketten bieten hier die Möglichkeit, die Frequenzzuordnung dynamisch zu ändern, abhängig davon, welche Region ein SAR-Satellit gerade überfliegt.
Fazit
Bei der satellitengestützten SAR-Technik wurden in den vergangenen Jahren erhebliche Fortschritte erzielt. Das gilt speziell für Mixed-Signal-Mikrowellen-Signalketten und die SAR-Waveform-Diversity-Techniken. Weitere Impulse sind durch die Einführung fortschrittlicher UWB-Techniken zu erwarten. Diese Entwicklungen werden den Nutzen der radarbasierten Erdbeobachtung deutlich erhöhen.
