First Interferometric Trials with the Airborne Digital-Beamforming DBFSAR System

The Microwaves and Radar Institute of the German Aerospace Center (DLR) is known for its consistent work on the field of airborne Synthetic Aperture Radar and its application. Currently, the Institute is developing a new advanced airborne SAR system, the DBFSAR, which is planned to supplement its operational F-SAR system in near future. The development of DBFSAR was triggered by the various evolving digital beamforming (DBF) techniques for future space-borne SAR systems and the need for an airborne experimental platform for preparation of such missions. Additionally, there is a demand for very high resolution SAR imagery, which cannot anymore be fully satisfied with the existing F-SAR system. This paper should give an overview over the current status and performance of the DBFSAR system, including interferometirc results from test flights performed in spring 2017

On-board Processing Architecture of DLR's DBFSAR / V-SAR System

For real-time Synthetic Aperture Radar applications, data must be processed and sent to the ground station efficiently. This paper describes the processing architecture of DLR's DBFSAR system with the aim of presenting recent developments of on-board radar processing. It explains how the low level optimizations were conducted and under which conditions their integration in the SAR imaging process and maritime moving target indication leads to real-time capability

Resource-Constrained Optimizations For Synthetic Aperture Radar On-Board Image Processing

Synthetic Aperture Radar (SAR) can be used to create realistic and high-resolution 2D or 3D reconstructions of landscapes. The data capture is typically deployed using radar instruments in specially equipped, low flying planes, resulting in a large amount of raw data, which needs to be processed for image reconstruction. However, due to limited on-board processing capacities on the plane (power, size, weight, cooling, communication bandwidth to ground stations, etc.) and the need to capture many images during a single flight, the raw data must be processed on-board and then sent to the ground station efficiently as image products. In this paper we describe the processing architecture of the digital beamforming SAR (DBFSAR) of the German Areaospace Center (DLR) and the special steps that had to be taken to enable the on-board processing. We explain the required software optimizations and under which conditions their integration in the SAR imaging process leads to (near) real-time capability. We further describe the lessons learned in our work and discuss how they can be applied to other processing scenarios with limited resource availability

Motion Compensation for Accurate Position Estimation of Ground Moving Targets using the Multi-Channel Airborne System DBFSAR

The accurate estimation of the target’s position on the ground is a crucial step for air-based surveillance systems. For the particular case of radar systems with multiple receive channels, the target’s position on the ground can be accurate-ly obtained after estimating its direction-of-arrival (DOA) angle. The problem is that, in practice, the aircraft’s motion tilts the antenna array and introduces undesired phase differences among the receive channels. Consequently, the DOA angle estimation accuracy can be severely impacted. This paper presents a fast and robust algorithm for correcting the undesired phases differences introduced by the aircraft’s motion among the multiple receive channels. The proposed algorithm is tested and validated using simulated radar data as well as radar data acquired with the DLR’s new multi-channel airborne system digital beamforming SAR (DBFSAR)

Maritime Moving Target Detection, Tracking and Geocoding Using Range-Compressed Airborne Radar Data

Eine regelmäßige und großflächige überwachung des Schiffsverkehrs gewinnt zunehmend an Bedeutung, vor allem auch um maritime Gefahrenlagen und illegale Aktivitäten rechtzeitig zu erkennen. Heutzutage werden dafür überwiegend das automatische Identifikationssystem (AIS) und stationäre Radarstationen an den Küsten eingesetzt. Luft- und weltraumgestützte Radarsensoren, die unabhängig vom Wetter und Tageslicht Daten liefern, können die vorgenannten Systeme sehr gut ergänzen. So können sie beispielsweise Schiffe detektieren, die nicht mit AIS-Transpondern ausgestattet sind oder die sich außerhalb der Reichweite der stationären AIS- und Radarstationen befinden. Luftgestützte Radarsensoren ermöglichen eine quasi-kontinuierliche Beobachtung von räumlich begrenzten Gebieten. Im Gegensatz dazu bieten weltraumgestützte Radare eine große räumliche Abdeckung, haben aber den Nachteil einer geringeren temporalen Abdeckung. In dieser Dissertation wird ein umfassendes Konzept für die Verarbeitung von Radardaten für die Schiffsverkehr-überwachung mit luftgestützten Radarsensoren vorgestellt. Die Hauptkomponenten dieses Konzepts sind die Detektion, das Tracking, die Geokodierung, die Bildgebung und die Fusion mit AIS-Daten. Im Rahmen der Dissertation wurden neuartige Algorithmen für die ersten drei Komponenten entwickelt. Die Algorithmen sind so aufgebaut, dass sie sich prinzipiell für zukünftige Echtzeitanwendungen eignen, die eine Verarbeitung an Bord der Radarplattform erfordern. Darüber hinaus eignen sich die Algorithmen auch für beliebige, nicht-lineare Flugpfade der Radarplattform. Sie sind auch robust gegenüber Lagewinkeländerungen, die während der Datenerfassung aufgrund von Luftturbulenzen jederzeit auftreten können. Die für die Untersuchungen verwendeten Daten sind ausschließlich entfernungskomprimierte Radardaten. Da das Signal-Rausch-Verhältnis von Flugzeugradar-Daten im Allgemeinen sehr hoch ist, benötigen die neuentwickelten Algorithmen keine vollständig fokussierten Radarbilder. Dies reduziert die Gesamtverarbeitungszeit erheblich und ebnet den Weg für zukünftige Echtzeitanwendungen. Der entwickelte neuartige Schiffsdetektor arbeitet direkt im Entfernungs-Doppler-Bereich mit sehr kurzen kohärenten Verarbeitungsintervallen (CPIs) der entfernungskomprimierten Radardaten. Aufgrund der sehr kurzen CPIs werden die detektierten Ziele im Dopplerbereich fokussiert abgebildet. Wenn sich die Schiffe zusätzlich mit einer bestimmten Radialgeschwindigkeit bewegen, werden ihre Signale aus dem Clutter-Bereich hinausgeschoben. Dies erhöht das Verhältnis von Signal- zu Clutter-Energie und verbessert somit die Detektierbarkeit. Die Genauigkeit der Detektion hängt stark von der Qualität der von der Meeresoberfläche rückgestreuten Radardaten ab, die für die Schätzung der Clutter-Statistik verwendet werden. Diese wird benötigt, um einen Detektions-Schwellenwert für eine konstante Fehlalarmrate (CFAR) abzuleiten und die Anzahl der Fehlalarme niedrig zu halten. Daher umfasst der vorgeschlagene Detektor auch eine neuartige Methode zur automatischen Extraktion von Trainingsdaten für die Statistikschätzung sowie geeignete Ozean-Clutter-Modelle. Da es sich bei Schiffen um ausgedehnte Ziele handelt, die in hochauflösenden Radardaten mehr als eine Auflösungszelle belegen, werden nach der Detektion mehrere von einem Ziel stammende Pixel zu einem physischen Objekten zusammengefasst, das dann in aufeinanderfolgenden CPIs mit Hilfe eines Bewegungsmodells und eines neuen Mehrzielverfolgungs-Algorithmus (Multi-Target Tracking) getrackt wird. Während des Trackings werden falsche Zielspuren und Geisterzielspuren automatisch erkannt und durch ein leistungsfähiges datenbankbasiertes Track-Management-System terminiert. Die Zielspuren im Entfernungs-Doppler-Bereich werden geokodiert bzw. auf den Boden projiziert, nachdem die Einfallswinkel (DOA) aller Track-Punkte geschätzt wurden. Es werden verschiedene Methoden zur Schätzung der DOA-Winkel für ausgedehnte Ziele vorgeschlagen und anhand von echten Radardaten, die Signale von echten Schiffen beinhalten, bewertet

Multi-Channel Calibration for Airborne PostDoppler Space-Time Adaptive Processing

This paper presents a fast and efficient multichannel calibration algorithm for along-track systems, which in particular is evaluated for the post-Doppler space-time adaptive processing (PD STAP) technique. The calibration algorithm corrects the phase and magnitude offsets among the receiving channels, estimates and compensates the Doppler centroid variation caused by atmospheric turbulences by using the attitude angles of the antenna array. Important parameters and offsets are estimated directly from the radar rangecompressed data. The proposed algorithm is compared with the state-of-the-art Digital Channel Balancing technique based on real multi-channel X-band data acquired by the DLR’s airborne system F-SAR. The experimental results are shown and discussed in the frame of traffic monitoring applications

Sequential 90° Rotation of Dual-Polarized Antenna Elements in Linear Phased Arrays with Improved Cross-Polarization Level for Airborne Synthetic Aperture Radar Applications

[EN] In this work, a novel rotation approach for the antenna elements of a linear phased array is presented. The proposed method improves by up to 14 dB the cross-polarization level within the main beam by performing a sequential 90° rotation of the identical array elements, and achieving measured cross-polarization suppressions of 40 dB. This configuration is validated by means of simulation and measurements of a manufactured linear array of five dual-polarized cavity-box aperture coupled stacked patch antennas operating in L-Band, and considering both uniform amplitude and phase distribution and beamforming with amplitude tapering. The analysis is further extended by applying and comparing the proposed design with the 180° rotation and non-rotation topologies. This technique is expected to be used for the next generation L-Band Airborne Synthetic Aperture Radar Sensor of the German Aerospace Center (DLR).Lorente-Catalán, D.; Limbach, M.; Gabler, B.; Esteban González, H.; Boria Esbert, VE. (2021). Sequential 90° Rotation of Dual-Polarized Antenna Elements in Linear Phased Arrays with Improved Cross-Polarization Level for Airborne Synthetic Aperture Radar Applications. Remote Sensing. 13(8). https://doi.org/10.3390/rs1308143013

Highly Integrated Low-Profile Multilayer Dual-Polarized Phased Array Antenna with Truncated Cavities for First Pulsed Bistatic L-band Airborne SAR Sensor

This manuscript presents a novel highly integrated dual-polarized multilayer phased array antenna of 40 elements with beam steering in elevation for a bistatic L-band airborne SAR system. The proposed work exploits efficiently the restricted antenna aperture size on the aircraft by reducing the array interelement spacing and improves the antenna element isolation by means of truncated cavities, which allows to maximize the density of array elements. To further extend the degree of integration, the antenna along with the feeding network is assembled in a flight-certified housing where the electrical interconnection is performed without cables. In comparison with the L-band antenna of the current operative DLR's airborne SAR sensor, F-SAR, the presented design provides 66% more antenna elements considering the same antenna aperture size. Thus, the high density of array elements of the proposed solution allows to enhance the beamforming capabilities that are required for next-generation SAR sensors. Precisely, the proposed antenna will be installed under two aircrafts for the operational implementation of the first pulsed bistatic L-band airborne SAR system that will support the technological development of future bistatic spaceborne SAR missions