Wie (zum Teufel) wurde kohärentes Radar mit synthetischer Apertur (SAR) mit fotografischer Emulsion an Bord von Apollo 17 implementiert?

Das CSAR (Radar mit kohärenter synthetischer Apertur) verwendete keine sehr hohen Frequenzen und kurzen Wellenlängen wie 3 GHz (0,1 m) oder 30 GHz (0,01 m), was kleine Richtantennen mit schmalem Strahl ermöglichte.

Es wurden sehr niedrige Frequenzen von 5, 15 und 150 MHz und 60, 20 und 2 m Wellenlänge verwendet. Diese niedrigen Frequenzen wurden ausgewählt, um nicht nur die Mondoberfläche, sondern auch den Boden darunter bis zu einer maximalen Erkundungstiefe von etwa 1 km abzubilden .

Es war nicht möglich, eine Antenne mit mehreren Wellenlängen zu verwenden. Ich vermute also, dass eine "synthetische Apertur" zur Strahlformung verwendet wurde, wobei zwei kleine Antennen verwendet wurden, die viel kürzer als die Wellenlänge waren.

Die zwei Vorkommen des Wortes „synthetisch“ im zusammenfassenden Bericht des Apollo-Programms erklären SAR nicht.

Aber in dem von uhoh gefundenen Link gibt es die fehlenden Informationen zur optischen SAR-Verarbeitung:

Die ERIM Precision Optical Processor Facility und die zur Verarbeitung der Echolotdaten verwendeten Techniken wurden in den letzten zwei Jahrzehnten für die Verwendung mit Radardaten mit synthetischer Apertur (SAR) entwickelt. Über diese Techniken wurde ausführlich in der Literatur berichtet [Ref. 4-8).

Der kohärente optische Prozessor ist ein analoger Computer, der bei der Verarbeitung von SAR-Daten nach Bedarf lineare integrale Transformationsoperationen an den Daten durchführt. Das Echolot erfordert wie jedes andere SAR, dass zwei unabhängige Operationen mit den Daten ausgeführt werden, eine zum Komprimieren der codierten (oder Chirp-)Entfernungsimpulse und die andere zum Komprimieren der Datensätze mit synthetischer Apertur entlang der Spur. Diese beiden unabhängigen Operationen reduzieren sich auf eine einzige zweidimensionale Operation im orthogonalen Koordinatensystem eines kohärenten optischen Prozessors.

Die SAR-Verarbeitung erfolgte also nicht digital, sondern optisch und analog unter Verwendung der Aufzeichnung auf Film.

SOUNDER OPTISCHER PROZESSOR

Ein vereinfachtes Diagramm eines typischen optischen SAR-Prozessors ist in Fig. 2 dargestellt. Der Eingabedatenfilm wird in der Ebene P1 positioniert und durch einen kohärenten Lichtstrahl beleuchtet, der von einer Laserquelle stammt. Der Datenfilm wird in ein "Flüssigkeitstor" eingetaucht, um die Auswirkungen zufälliger Filmdickenvariationen auf den kohärenten Lichtstrahl zu minimieren. Die auf Film im Format variabler Dichte aufgezeichneten Daten modulieren die Intensität des Lichtstrahls, sodass ein astigmatisches Radarbild der Mondoberfläche entsteht; Azimutfokus tritt an irgendeiner Ebene P A' auf, wobei Effekte der geneigten Ebene ignoriert werden, während Entfernungsfokus an irgendeiner Ebene PR auftritt. Das Paar sphärischer Linsen (S1, s2) arbeitet als Teleskop mit Einheitsvergrößerung in der Entfernungsdimension und überträgt die Entfernungsbildebene auf die Ausgangsebene P0. Die sphärischen Zylinderlinsenpaare (S1, c1; s2,

Die sphärische Linse (S1) erzeugt in ihrer hinteren Brennebene P 1 eine Darstellung der zweidimensionalen Fourier-Transformierten der Eingangsdaten. In dieser Raumebene können verschiedene Frequenzfilterfunktionen durchgeführt werden. Hier platzierte einfache Begrenzungsblenden wirken als Bandpassfilter mit scharfer Grenzfrequenz. Solche Öffnungen werden verwendet, um sowohl Rauschen außerhalb des Datenbandes als auch das konjugierte Datenbild zu eliminieren, das einen unscharfen Hintergrund in der Bildebene bildet; die Aperturen werden auch verwendet, um die verarbeitete Azimut- oder Doppler-Bandbreite zu beschränken. Gewichtungsfilter können in dieser Frequenzebene platziert werden, um die Bereichsseitenkeulenpegel zu reduzieren. Diese Filter sind einfache Intensitätsmodulationsmasken.

Aber wie konnten sie eine analoge Phaseninformation auf Film speichern? Wenn der Film 100 Linien pro mm auflöst, wäre eine Filmgeschwindigkeit von 50 m/s erforderlich, um ein 5-MHz-Signal zu speichern.

Aber die FM-modulierten (durch ein Chirp- Signal) Radarimpulse hatten eine Wiederholungsperiode von 2.520 Mikrosekunden, nur etwa 400 Impulse pro Sekunde. Die minimale Filmgeschwindigkeit betrug also nur 4 mm pro Sekunde, um die 400 Impulse als deutliche Linien zu speichern.

Die lineare FM-Eigenschaft sowohl des Signals als auch der Doppler-Signatur von Punktzielen kann als linear variierendes Beugungsgitter angesehen werden.

Die Phaseninformation für die optisch-analoge SAR-Verarbeitung wurde von diesem Beugungsgitter geliefert.

Synthetic Aperture Radar beinhaltet keine Interferometrie. Als solches hat es nichts mit Apertursynthesetechniken in der Radioastronomie zu tun. (Die Frage erwähnt Interferometrie und sollte vielleicht korrigiert werden)

Wileys ursprüngliches Patent für SAR ist hier: https://patents.google.com/patent/US3196436A/en

Ein Aspekt der Erfindung wird wie folgt beschrieben:

„ein gepulstes Doppler-Radar, das in einer Form der Erfindung eine Antenne ohne Strahlenbündel aufweist und bei dem Reflexionen vom Gelände in Gruppen getrennt sind, die sich durch Frequenzänderungen aufgrund des Doppler-Effekts voneinander unterscheiden, wobei die Reflexionen in jeder Gruppe zeitlich getrennt sind, und die verschiedenen Gruppen und die zeitgetrennten Reflexionen in jeder Gruppe werden visuell reproduziert."

Mit anderen Worten, jeder von der Antenne empfangene reflektierte Impuls enthält sowohl Entfernungs- (Verzögerungs-) als auch Dopplerverschiebungsinformationen. Die Verarbeitungsvorrichtung muss diese beiden Werte kombinieren, um die Intensität eines Reflektors bei einem bestimmten Bereich und Azimut zu bestimmen. Verzögerung und Dopplerverschiebung ändern sich kontinuierlich, es geht also nicht darum, diskrete Echos zu decodieren.

Dieses Dokument https://ieeexplore.ieee.org/document/1455230 enthält die folgende Abbildung, die die analoge optische Verarbeitung von SAR-Daten auf Film zeigt.

Die Umsetzung in ein Bild erfolgt durch die dargestellte Optik. Ich bin mir nicht sicher, wie das System genau funktioniert, aber ein punktförmiger Reflektor erzeugt einen gekrümmten linearen Streifen auf dem Datenfilm, also besteht die Aufgabe der Optik darin, diesen auf einen Punkt auf dem Ausgabefilm zu fokussieren.