Miniaturisierter Echtzeit SAR Prozessor

Synthetic Aperture Radar (SAR)

Luft- und Satellitengestützte Erdbeobachtung wird heutzutage in verschiedenen Bereichen eingesetzt.

Beispiele hierfür sind:

• Katastrophen-Management
• Digitale Kartografie
• Erstellung digitaler Höhenmodelle

Zum Einsatz kommen sowohl elektro-optische als auch Radar basierte Systeme. Optische Sensoren bieten den Vorteil, dass ein direktes Abbild des beobachteten Gebietes erzeugt wird und die Leistungsanforderungen an die Signalverarbeitung relativ gering sind.

Im Gegensatz zu optischen Systemen arbeiten Radar-basierte Systeme unabhängig von Tageszeit und Witterung durch aktives Aussenden und Empfangen elektromagnetischer Wellen. Die Reflexionseigenschaften unterschiedlicher Materialien variieren dabei mit der eingesetzten Trägerwellenlänge. Das Synthetic Aperture Radar (SAR) nutzt den Doppler-Effekt, der sich aus der Relativbewegung zwischen Sensorplattform und beleuchtetem Areal ergibt, um Luftbilder mit sehr hoher Auflösung bei gleichzeitig kleiner Antennenlänge zu erzeugen. Neben Satelliten und Flugzeugen können kleine UAVs (Unmanned Aerial Vehicle) in Zukunft vermehrt als Sensorplattform eingesetzt werden. Diese bieten bei vergleichsweise geringen Systemkosten ein hohes Maß an Flexibilität und Einsatzfähigkeit.

Die Generierung von Luftbildern mittels SAR stellt höchste Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von Signalprozessoren. Zum Einen aufgrund der komplexen Signalverarbeitungsschritte, zum Anderen aufgrund sehr hoher Datenraten moderner SAR-Sensoren (~ Gbit/s).

An Bord von UAVs verschärfen sich diese Anforderungen zusätzlich durch die Forderung nach stark limitierter Gesamtsystemgröße und Verlustleistung (max. ~ 30W).

SAR-Prozessor (HiPAR-DSP)

Am LfI wurde ein Echtzeit SAR-Prozessor entwickelt, welcher an Board von Drohnen eingesetzt werden kann. Die kompakte Bauweise einer Drohne erlaubt keine Onboard-Speicherung der SAR-Rohdaten. Die vom Sensor erfassten Rohdaten müssen über die Luftschnittstelle an eine Bodenstation gesendet werden. Für hohe Auflösungen oder bei schlechten Empfangsbedingungen übersteigt das zu übertragende Datenvolumen die zur Verfügung stehende Datenrate zur Bodenstation. Aufgrund statistischer Eigenschaften ist eine direkte Kompression der empfangenen SAR-Rohdaten sehr ineffizient. Echtzeit-SAR-Prozessierung an Board der Drohne ermöglicht alternativ eine zusätzliche Bilddatenreduktion mit Verarbeitungsverfahren für optische Bilder.
In einem ersten Schritt wurde die SAR-Echtzeit-Prozessierung auf einer kompakten Leiterplatte im Doppeleuropa-Kartenformat durchgeführt.
Für die SAR-Prozessierung wird ein auf SAR-Algorithmen optimierter Prozessor (HiPAR-DSP) eingesetzt. Dieser wurde am Institut für Mikroelektronische Systeme (IMS) der Universität Hannover entwickelt. Durch den Einsatz eines Digitalen Signalprozessors mit mehreren Datenpfaden (SIMD) können für SAR-Verfahren relevante Algorithmen, wie FFT und FIR, effizient umgesetzt werden.

SAR-Prozessor mit Bildcodierer (HiBRID-SoC)

In einem zweiten Schritt wurde, bei einer Erhöhung der Auflösung, die Kompression der Bilddaten durchgeführt. Eine kompakte Integration von SAR-Prozessierung und Bilddatenreduktion erlaubt der ebenfalls am Institut für Mikroelektronische Systeme (IMS) der Universität Hannover entwickelte HiBRIDSoC. Dieser System On Chip-Prozessor beinhaltet mehrere Prozessorkerne. Neben dem HiPAR ist unter anderem ein auf Makroblock-Operationen optimierter Prozessorkern vorhanden. Dies ermöglicht den Einsatz von blockbasierten Verfahren wie z.B. JPEG. Somit konnte die gesamte SAR-Verarbeitungskette kompakt auf einem Prozessor implementiert werden.

RISC/FPGA basierte Echtzeit SAR Bilddatengenerierung an Bord von UAVs

Die kontinuierliche Weiterentwicklung von SAR-Sensoren und Algorithmen führt zum Einen zu steigenden Anforderungen hinsichtlich der Rechenleistung, zum Anderen steht die Flexibilität bei der Abbildung der Verfahren im Fokus der aktuellen Forschung. Unter der Randbedingung der Echtzeit Bilddatengenerierung an Bord kleiner UAVs wurde am LfI eine kompakte RISC/FPGA Plattform entwickelt mit der sich hochauflösende SAR Luftbilder in Echtzeit generieren lassen. Die Verwendung eines programmierbaren RISC Prozessors in Kombination mit einem rekonfigurierbaren FPGA ermöglicht eine effiziente Abbildung aktueller SAR Signalverarbeitungsverfahren bei höchsten Datenraten > 300Mbit/s und gleichzeitig minimaler Verlustleistung < 15W.