Digital Beamforming Weather Radar (DBWR)

Abbildung eines zukünftigen Netzknotens bestehend aus 4 Panelen a 64 TR-Module.

Die Wetterradartechnik basiert bisher auf dem herkömmlichen Prinzip des Impulsradars. Das System sendet einen kurzen Impuls sehr hoher Leistung über eine große Antenne in eine bestimmte Richtung und schaut sich die „Antwort" an. Aufgrund der Signalstärke und des zeitlichen Verlaufs der Antwort lassen sich Rückschlüsse auf die dreidimensionale atmosphärische Verteilung und die Konsistenz der Wolken und Niederschläge ziehen. Derartige Anlagen werden vor allem aus wirtschaftlichen Gründen in Abständen >200 km angeordnet. Dieses Verfahren hat zahlreiche Nachteile: Keine Erfassung bodennaher Effekte aufgrund der Erdkrümmung, niedrige Aktualisierungsrate aufgrund der mechanisch drehenden Antenne, begrenzte Auflösung, hohe Strahlungsleistung.

Das DBWR löst diese Probleme und verfolgt einen konträren Ansatz: Es werden zahlreiche Systeme mit kleinen Sendeleistungen und kleinen Antennen mit elektronischer Strahl- schwenkung (Phased-Array) in einem deutlich geringeren Abstand positioniert (um 40 km). Durch die deutlich niedrigere Sendeleistung können moderne integrierte Mikrowellen- Halbleiter eingesetzt werden. Dadurch wiederum wird der erforderliche kompakte Aufbau der Sende-/Empfangsmodule (TR-Modul) überhaupt erst möglich. Moderne FPGA's (Field Programmable Gate Array) integrieren die komplette digitale Signal- und Datenverarbeitung und stellen ein Interface für die Vernetzung der Module zur Verfügung. Besonderes Augenmerk wird auf die Kalibrierung gelegt, welche das Wetterradar von anderen Systemen unterscheidet. Moderne Netzwerk-Technologien erlauben die Vernetzung vieler DBWR- Module und die Konzentration und Auswertung ihrer Daten.

Das Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung und die Realisierung eines Demonstrators für ein hochinnovatives Wetterradar mit digitaler Strahlformung, bestehend aus einem Hardware- orientierten Teilprojekt „RF-Frontend" und zwei Software-orientierten Teilprojekten „Digitale Signalverarbeitung".

Zusätzlich wird die unbedingt erforderliche neuartige „Hardware" im Rahmen eines Industrieauftrags entwickelt. Dazu gehören die TR-Module, Antennen sowie ein zentraler Local-Oscillator incl. dessen Verteilung. Ein TR-Module setzt sich zusammen aus einem rauscharmen Empfänger, einem Leistungsverstärker, einem Phasenschieber, diversen Umschaltern und einer trickreichen Schaltungstechnik. Die analogen Signale werden in den TR-Modulen mit einem ADC digitalisiert, die digitale Ansteuerung erfolgt mit einem DAC.

Die digitalisierten Rohdaten des Empfängers werden einem „Rechner" (FPGA) zur Signalauswertung übergeben. Außerdem übernimmt der FPGA die Signalaufbereitung und die Ansteuerung des Senders und der Phasenschieber. Die TR-Module werden zu einem sog. Phased-Array in einer 4x4-Konfiguration zusammen geschaltet.

Die „Digitale Signalverarbeitung" umfasst die Simulation und den Test komplexer Algorith- men, die zunächst in MatLab-Simulationen entwickelt und optimiert werden, sowie die entsprechende FPGA-Hardware (ADC, DAC etc.) und deren Vernetzung untereinander. Eine geeignete Netzarchitektur ist zu entwickeln.

Nach der erfolgreichen Implementierung der Software wird diese zusammen mit der Hardware zu einem System integriert, in Betrieb genommen, getestet und optimiert.

Die Teilprojekte sind bewusst modular aufgebaut und können daher unabhängig voneinander getestet und validiert werden.