Grundlagenuntersuchungen zur Analyse, Detektion und Kompensation von Kalibrierfehlern in bildgebenden MIMO-Radar und MIMO-SAR-Systemen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Martin Vossiek
• Fachliche Zuordnung: Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 506408783

Im Bereich der Radartechnik erlangen MIMO-SAR-Konzepte eine immer größere Bedeutung (MIMO=multiple-input multiple-output; SAR=Synthetic Aperture Radar). Hierbei bewegen sich Radare mit mehreren Sende- und Empfangsantennen oder aber das Messobjekt entlang einer Trajektorie. Im Anschluss werden die Messsignal-Sätze aller Sende- und Empfangs-Kombinationen, aufgenommen an mehreren Punkten der Trajektorie, zu einem Bild rekonstruiert. Anwendungen von MIMO-SAR finden sich in der Fernerkundung, bei der Umfelderfassung von Fahr- und Flugzeugen, oder auch in der Sicherheits- und Medizintechnik. MIMO-Radar-Messungen werden stets durch Imperfektionen des MIMO-Arrays, etwa durch Kopplungen zwischen den Antennenelementen oder falsch angenommene Antennenpositionen, beeinträchtigt. Um diese Beeinträchtigung zu minimieren, werden die Arrays vor Inbetriebnahme kalibriert. Abgesehen davon, dass eine hochwertige Kalibration aufwendig und nicht immer möglich ist, ändern sich die Parameter in Abhängigkeit von Temperatur, Umgebung und Alterung. Infolgedessen verarbeiten MIMO-Radarsysteme stets fehlerbehaftete Messungen. Bei einer typischen MIMO-SAR-Messung wird das MIMO-Array mit etwa gleichbleibenden Abstand an unterschiedliche Positionen versetzt. Betrachtet man den hierdurch entstandenen Gesamtmessdatensatz, ist dieser nun durch periodisch auftretende Messfehler, die das nicht perfekt kalibrierte MIMO-Array hervorruft, beeinträchtigt. Dies hat zur Folge, dass die Signale jedes Ziels moduliert werden und deterministische Fehler entstehen, die sich in den Radarbildern als Geisterziele äußern. Ähnliche Fehler entstehen auch bei sehr großen MIMO-Arrays, wie sie für zukünftige bildgebende Radarsysteme angedacht sind. Obwohl die Degradation der Bildqualität und der Zieldetektionswahrscheinlichkeit erheblich sein kann, ist dieser Effekt bisher kaum dokumentiert und theoretisch analysiert worden. Ziel dieses Projektes ist es daher, die grundlegenden Auswirkungen von Kalibrierfehlern auf MIMO-SAR-Systeme systematisch zu untersuchen. Dies wird sowohl analytisch, in Simulationen, als auch messtechnisch durchgeführt. Es sollen Modelle und Berechnungsmethoden abgeleitet werden, die eine exakte Charakterisierung der durch Kalibrierungsfehler induzierten Geisterziele erlauben. Die anvisierten Ergebnisse stellen somit eine fundamentale Grundlage dar, um die Messergebnisse bildgebender MIMO-SAR-Systeme unter realistischen Randbedingungen besser beurteilen zu können. Zudem wird erforscht, wie MIMO-SAR-Aperturen und -Messvorgänge ausgestaltet werden sollten, sodass die Entstehung von Geisterzielen auch bei vorhandenen Kalibrierfehlern minimiert wird. Als dritter Punkt soll untersucht werden, wie die deterministische Struktur der Kalibrierungsfehler als neuartige Metrik genutzt werden kann, um einerseits die Qualität der Kalibrierung eines Antennenarrays während des laufenden Radar-Betriebs in-situ zu beurteilen und andererseits um Kalibrierverfahren zu verbessern bzw. zu bewerten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen