Hybride Apertursynthese zur effizienten 3D-Bildgebung mit breitbandigem Mehrkanalradar

Die klassische Radartechnik unterscheidet zwischen der Entfernungsauflösung eines Systems, die durch seine Bandbreite bestimmt ist, und der zur Bildgebung nötigen Auflösung in einer oder zwei Winkeldimensionen, die aus einer Anordnung mehrerer realer oder virtueller Antennenpositionen entsteht. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Fragestellung, unter welchen Voraussetzungen eine Aufhebung dieser Trennung für künftige Generationen bildgebender Millimeterwellenradare möglich ist, indem mithilfe frequenzsteuerbarer Antennen die flexible Umwandlung zwischen Bandbreite und Winkelauflösung in das Systemkonzept eines Mehrkanalradars integriert wird. Die Beantwortung dieser Frage zerfällt in drei Teile, in denen sich die Struktur der Arbeit widerspiegelt. Zunächst wird eine hohlleiterbasierte Leckwellenantenne vorgestellt, die sich aufgrund ihrer hohen Bandbreite, Direktivität und Integrationsdichte dazu eignet, eine der beiden Winkeldimensionen eines dreidimensional bildgebenden Mehrkanalradars vollständig auf eine variable Betriebsfrequenz abzubilden. Die so entstandene hybride Apertur kombiniert die vorteilhafte Skalierung der Kanalzahl eindimensionaler Antennengruppen mit der hohen Auflösung der entwickelten Antennenelemente. Es folgt die Formulierung und Analyse eines allgemeinen Signalmodells, das die Möglichkeiten und Grenzen dieser Klasse von Aperturen aufzeigt und eine einfache Auslegung und Einordnung hybrider Systeme ermöglicht. Die Herausforderungen und Vorteile der Integration mit einem modernen Radar, das auf dem orthogonalen Frequenzmultiplexverfahren (OFDM) basiert, werden diskutiert und die entsprechende digitale Signalverarbeitung konkret beschrieben und im Vergleich mit klassischen Mehrkanalradaren analysiert. Die vorgestellten Antennenelemente und theoretischen Konzepte werden zu einem Demonstrator-System kombiniert, das die Verifikation der vorhergesagten Abbildungsleistung im Kontext realer Szenen ermöglicht. Insbesondere kann durch die Verwendung breitbandiger Komponenten im W-Band eine Auflösung besser als 1,5° 1,5° 15 cm mit acht Sendern und acht Empfängern demonstriert werden, wobei das erreichte Signal-Rausch-Verhältnis äquivalent zu einer zweidimensionalen virtuellen Apertur mit einem Vielfachen an aktiven Kanälen ist. Wesentliche Aspekte der Systemauslegung, die spezifisch für die Kombination einer hybriden Apertur mit einem OFDM-Radar sind, werden dargestellt und durch die Entwicklung geeigneter Verfahren zur Kalibrierung ergänzt.