Ultra Wideband Radar for Environmental Polarimetric Observation and Scattering Analysis

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Reiner Thomä
• Subject Area: Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering
• Term: from 2014 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 255934852

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

Das Projekt Ultra EPOS hatte die Verbindung zweier mit Nah‐ und Fernerkundungsaufgaben verbundener Themengebiete zum Ziel. Wissenschaftlicher Ausgangspunkt waren die bekannten Verfahren der Radar‐Polarimetrie aus Szenarien der flugzeug‐ oder satellitengestützten Fernerkundung mit ihrer großen Vielfalt der tiefgehenden Analyse polarimetrischer Eigenschaften von rückgestreuten Radar‐Signalen. Aus dem Bereich der UWB‐Radar‐Sensorik kamen zudem Methoden der hoch genauen Bildgebung bzw. Kartierung von Umgebungen und Objekten im Nahbereich zur Anwendung. Auf der Grundlage polarimetrischer Analysen, welche konventionell auf Radarbilder angewendet werden, wurden neuartige Verfahren zur Verarbeitung breitbandiger Zeitbereichsdaten vor der eigentlichen Bildgebung entwickelt. Störende Effekte bisheriger bildgebender Verfahren sollten auf diese Weise reduziert werden, um durch Nutzung polarimetrischer Informationen die Interpretierbarkeit der Bildgebungsresultate zu erhöhen. In diesem Rahmen untergliederten sich die Tätigkeiten in Untersuchungen synthetisierter Radardaten unter Nutzung elektromagnetischer Feldsimulation und Messkampagnen zur Verifikation der entwickelten Verfahren mit realen Messdaten. Als Radarsystem diente ein auf m‐Sequenztechnik basierender Sensor im Frequenzbereich von 500 MHz bis 3,5 GHz. Numerische Simulationen wurden ebenfalls in diesem Frequenzbereich durchgeführt. Bei der Entwicklung der Methoden zur Verarbeitung der Signale, wurde besonderer Wert auf eine Analyse der Daten im Zeitbereich gelegt. Darin besteht eines der Unterscheidungskriterien zu klassischen polarimetrischen Verfahren der Fernerkundung. In Bezug auf die Signalstatistik und die abbildbaren Streumechanismen bestehen erhebliche Unterschiede aber auch zahlreiche Vorteile in der Analyse der direkten Daten im Zeitbereich ohne vorherige Transformation in eine Radarabbildung. Aufgrund der hohen Bandbreite des Messsystems lassen sich zahlreiche Rückstreukomponenten beleuchteter Objekte einer Umgebung bereits im Zeitbereich auflösen und anhand ihrer polarimetrischen Eigenschaften analysieren. Einige störende Effekte in Bildgebungsresultaten haben ihren Ursprung in der ungewollten Überlagerung verschiedener Signalkomponenten, welche eine kohärente Integration der Signale durch die Bildgebungsverfahren nachteilig beeinflussen. Durch schrittweise Identifikation zusammenhängender und qualitativ hochwertiger Rückstreukomponenten können breitbandige Radardaten entsprechend ihrer polarimetrischen Eigenschaften selektiert und auftretende Interferenzen mit anderen Signalanteilen vermieden werden. Dadurch entsteht nicht nur eine modellbasierte Auswertung der Umgebungsdaten, sondern ebenso eine Möglichkeit der Extraktion physikalischer Objekteigenschaften wie eine grobe Einordnung der Form, der Orientierung im Raum bezogen auf den Sensor oder bestimmte Oberflächen‐ und Materialeigenschaften.

Publications

• “Polarimetric covariance matrix processing for target discrimination in time domain,” in 2015 16th International Radar Symposium (IRS), pp. 888–893, June 2015
  M. Röding and R. S. Thomä
  
• “Polarimetric target discrimination for ultrawideband radar imaging,” in 2015 9th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), pp. 1–5, May 2015
  M. Röding, R. Zetik, and R. S. Thomä
  
• “A small‐angle approximation for bistatic polarimetry,” in 2016 10th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), pp. 1–5, April 2016
  T. Dallmann, M. Röding, D. Heberling and R. S. Thomä
  
• “Bistatic imaging of linear structures for polarimetric ultrawideband radar,” in 2016 10th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), pp. 1–5, April 2016
  M. Röding, T. Dallmann, R. S. Thomä, and D. Heberling
  
• “Exploiting polarimetric radar cross section characteristics for clustering of ultrawideband radar signals,” in 2016 10th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), pp. 1–5, April 2016
  M. Röding and R. S. Thomä
  
• “A Double‐Arch Positioner for Bistatic RCS Measurements with Four Degrees of Freedom,” in 2017 14th European Radar Conference (EuRAD), pp. 1–4, Oktober 2017
  M. Röding, G. Sommerkorn, S. Häfner, A. Ihlow, S. Jovanoska and R. S. Thomä
  
• “Fully Polarimetric Wideband RCS Measurements for Small Drones,” in 2017 11th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), pp. 3926–3930, April 2017
  M. Röding, G. Sommerkorn, S. Häfner, R. Müller, R. S. Thomä, J. Goerlich and K. Garhammer
  
• “Synthesis of Realistic Bistatic Range Profiles,” in European Cooperation in Science and Technology COST Action CA15104 IRACON, pp. 1–6, Februar 2017
  G. Sommerkorn, S. Häfner, M. Röding, and R. S. Thomä
  
• “Polarimetrische Analyse breitbandiger Radar-Signale für bildgebende Anwendungen“, Dissertation, Technische Universität Ilmenau, 2019. V, 171 S.
  M. Röding