Radarquerschnittsmessungen sind ein wichtiges Werkzeug zur Beschreibung der Reflektivität einzelner Objekte. Oftmals muss hierzu auf Messungen zurückgegriffen werden, da analytische Modelle zur Beschreibung willkürlicher Objekte fehlen. Neben der konventionellen 2D-Radarbildgebung, welche Streuzentren räumlich auflöst und damit die Interpretation der am Objekt auftretenden Reflexionsmechanismen erleichtert, können in der Compact Range des IHFs auch 3D-Radarbilder generiert werden. Dazu werden die Freiheitsgrade entlang der Frequenz und in Azimuth um einen dritten Freiheitsgrad entlang der Elevation ergänzt. In der Messkammer des IHFs kann dies erreicht werden, indem die Sende- und Empfangsantennen des RCS-Messaufbaus (auch Feed genannt) vertikal in der Höhe verfahren werden, wodurch die auf das Objekt treffende ebene Welle entlang der Elevationsachse gekippt wird. Die Verstellmöglichkeit der Feedposition dient bei gewöhnlichen Compact Range Antennenmessungen zur Korrektur von Störeinflüssen, weshalb die Verfahrwege auf 30 cm begrenzt sind. Im Falle der tomographischen Radarbildgebung reduzieren die begrenzten Linearachsen jedoch das Auflösungsvermögen.

Skizze zur Veranschaulichung der Feed-Bewegung: Durch das Verfahren des Feeds in der Vertikalen kann der Elevationswinkel der in den Messbereich ("Quiet Zone", QZ) einfallenden ebenen Welle verändert werden.
Die Auflösung entlang der Höhe ist bei konventionellen Verfahren oft nicht ausreichend.

Konventionelle Verfahren

Durch die geringen Verfahrwege des Feeds in der Compact Range kann die auf das zu untersuchende Objekt eintreffende ebene Welle um ungefähr ± 3° entlang der Elevation verkippt werden. Dieser kleine Winkelbereich begrenzt das Auflösungsvermögen entlang der Höhe erheblich, wie im Bild rechts dargestellt wird. Es ist deutlich zu sehen, dass die Auflösung unter Anwendung konventioneller Fokussieralgorithmen, beispielsweise mittels des sogenannten Bartlett-Beamformers bzw. einer Fourier-Transformation, nicht ausreichend ist. Folglich ist das IHF-Boat im dargestellten Höhenspektrum kaum zu erkennen und allenfalls in Rumpf und Führerhaus zu unterscheiden. Durch die Anwendung hochauflösender Frequenzanalyse-Verfahren kann die Auflösung jedoch deutlich verbessert werden.

Hochauflösende Frequenzanalyse-Verfahren

Hochauflösende Frequenzanalyse-Verfahren werden in zahlreichen Applikationen eingesetzt, beispielsweise zur Verbesserung der Bildqualität in der Computer-Tomographie oder der Richtungsschätzung von Radarsensoren. Insbesondere im Automobilbereich ist eine möglichst präzise Winkelschätzung zur Umwelterfassung im Rahmen der Entwicklung autonom fahrender Fahrzeuge unerlässlich.

Derartige Verfahren können ebenfalls in der tomographischen Radarbildgebung zur Verbesserung des Auflösungsvermögen eingesetzt werden. Die Besonderheit hierbei: Da in der geschirmten Messkammer keine zeitlichen Variationen auftreten, werden die einzelnen polarimetrischen Komponenten zur Aufspannung des Signalraumes verwendet. Dies ermöglicht wesentlich präzisere Höhenschätzungen, wodurch der auf ± 3° begrenzte Winkelbereich entlang der Elevation kompensiert werden kann. Im Vergleich zur Höhenschätzung basierend auf dem Bartlett-Beamformer lassen sich beispielsweise durch Mutiple Signal Classification (MuSiC) oder Deterministic Maximum Likelihood (DML) deutlich präzisere Höheninformationen extrahieren.

Höhenspektrum berechnet basierend auf MuSiC.
Höhenspektrum berechnet basierend auf DML.

3D-Radarbildgebung

Tomographische Radarbildgebung

Durch die Anwendung hochauflösender Frequenzanalyse-Verfahren können trotz des eingeschränkten Winkelbereichs in der Elevation detailierte Höheninformationen gewonnen werden. Die rechts abgebildete Animation (Anklicken zum Starten) veranschaulicht das Prinzip der Tomographie, indem für jeden Höhenschnitt die verschiedenen Rückstreuintensitäten des IHF-Bootes dargestellt werden. Es ist deutlich zu sehen, wie zuerst der Rumpf und die Ladeflächen sowie später das Führerhaus bzw. der Antennenaufbau entsprechend der jeweiligen Höhe stärker in den Fokus treten.

Basierend auf dieser Grundlage können ebenfalls vollständige 3D-Radarbilder eines Objekts generiert werden, wie für das IHF-Boot gezeigt wird. Die jeweiligen Intensitäten der Rückstreumechanismen werden farbkodiert dargestellt und erlauben damit detaillierte Rückschlüsse auf das Streuverhalten des Objekts. Neben dem Rumpf des Bootes ist deutlich zu erkennen, dass sowohl das Führerhaus als auch der Antennenaufbau besonders stark reflektieren.

Somit eignen sich hochauflösende Frequenzanalyse-Verfahren wahlweise zur Reduzierung der Messzeit, da weniger Schnitte entlang der Elevation gemessen werden müssen, oder zur Verbesserung der Bildqualität, falls die akquirierten Messdaten nicht ausreichend sind (zum Beispiel verursacht durch limitierte Verfahrwege).

3D-Radar-Tomographie des IHF-Bootes mit farbkodierten Rückstreuintensitäten.