Radar

Aus besserwiki.de
Zur Navigation springen Zur Suche springen
A long-range radar antenna, known as ALTAIR, used to detect and track space objects in conjunction with ABM testing at the Ronald Reagan Test Site on Kwajalein Atoll.
Weitreichende Radarantenne, die zur Verfolgung von Weltraumobjekten und ballistischen Raketen eingesetzt wird.
Israeli military radar is typical of the type of radar used for air traffic control. The antenna rotates at a steady rate, sweeping the local airspace with a narrow vertical fan-shaped beam, to detect aircraft at all altitudes.
Radargerät, das zur Erkennung von Flugzeugen eingesetzt wird. Es dreht sich gleichmäßig und überstreicht den Luftraum mit einem schmalen Strahl.

Radar (Radio Detection and Ranging) ist ein Detektionssystem, das mit Hilfe von Radiowellen die Entfernung (Ranging), den Winkel und die Radialgeschwindigkeit von Objekten relativ zum Standort bestimmt. Es kann zur Erkennung von Flugzeugen, Schiffen, Raumfahrzeugen, Lenkraketen, Kraftfahrzeugen, Wetterformationen und Gelände eingesetzt werden. Ein Radarsystem besteht aus einem Sender, der elektromagnetische Wellen im Radio- oder Mikrowellenbereich erzeugt, einer Sendeantenne, einer Empfangsantenne (oft wird für Senden und Empfangen die gleiche Antenne verwendet) sowie einem Empfänger und einem Prozessor zur Bestimmung der Eigenschaften der Objekte. Die (gepulsten oder kontinuierlichen) Radiowellen des Senders werden von den Objekten reflektiert und kehren zum Empfänger zurück, wodurch Informationen über den Standort und die Geschwindigkeit der Objekte gewonnen werden.

Radar wurde von mehreren Ländern in der Zeit vor und während des Zweiten Weltkriegs heimlich für militärische Zwecke entwickelt. Eine Schlüsselentwicklung war das Hohlraummagnetron im Vereinigten Königreich, das die Entwicklung relativ kleiner Systeme mit einer Auflösung von weniger als einem Meter ermöglichte. Der Begriff RADAR wurde 1940 von der US-Marine als Akronym für "Radio Detection and Ranging" geprägt. Seitdem hat sich der Begriff Radar im Englischen und in anderen Sprachen als allgemeines Substantiv durchgesetzt, wobei die Großschreibung weggefallen ist. Während der RAF-Radarkurse 1954-55 im Yatesbury Training Camp wurde "radio azimuth direction and ranging" vorgeschlagen. Die modernen Einsatzmöglichkeiten des Radars sind äußerst vielfältig und umfassen die Verkehrsüberwachung in der Luft und auf dem Land, Radarastronomie, Luftverteidigungssysteme, Raketenabwehrsysteme, Schiffsradare zur Ortung von Landmarken und anderen Schiffen, Antikollisionssysteme für Flugzeuge, Meeresüberwachungssysteme, Weltraumüberwachungs- und Rendezvoussysteme, meteorologische Niederschlagsüberwachung, Höhenmessung und Flugkontrollsysteme, Lenkwaffenzielortungssysteme, selbstfahrende Autos und bodendurchdringende Radare für geologische Beobachtungen. Hightech-Radarsysteme werden mit digitaler Signalverarbeitung und maschinellem Lernen in Verbindung gebracht und sind in der Lage, nützliche Informationen aus sehr hohen Rauschpegeln zu extrahieren.

Andere Systeme, die dem Radar ähneln, nutzen andere Teile des elektromagnetischen Spektrums. Ein Beispiel ist das Lidar, das statt Radiowellen vor allem infrarotes Licht von Lasern nutzt. Mit dem Aufkommen fahrerloser Fahrzeuge wird erwartet, dass Radar die automatische Plattform bei der Überwachung ihrer Umgebung unterstützt und so unerwünschte Zwischenfälle verhindert.

Radar [ʁaˈdaːʶ] ist die Abkürzung für radio detection and ranging (frei übersetzt „funkgestützte Ortung und Abstandsmessung“) oder radio direction and ranging (frei übersetzt „funkgestützte Richtungs- und Abstandsmessung“), zwischenzeitlich radio aircraft detection and ranging (frei übersetzt „funkbasierte Flugzeugortung und -abstandsmessung“) und ist die Bezeichnung für verschiedene Erkennungs- und Ortungsverfahren und -geräte auf der Basis elektromagnetischer Wellen im Radiofrequenzbereich (Funkwellen).

Der Ausdruck Radar hat die ursprüngliche deutsche Bezeichnung Funkmeßtechnik beziehungsweise Funkmessgerät ersetzt.

Antenne des ALTAIR-Radars mit 46 m Durchmesser, wird zur Vermessung von Satellitenpositionen genutzt

Geschichte

Erste Experimente

Bereits 1886 zeigte der deutsche Physiker Heinrich Hertz, dass Radiowellen von festen Gegenständen reflektiert werden können. 1895 entwickelte Alexander Popov, Physiklehrer an der kaiserlich-russischen Marineschule in Kronstadt, einen Apparat mit einer Kohärenzröhre, mit dem er weit entfernte Blitzeinschläge erkennen konnte. Im folgenden Jahr fügte er einen Funkenstrecken-Sender hinzu. Als er 1897 dieses Gerät für die Kommunikation zwischen zwei Schiffen in der Ostsee testete, bemerkte er einen Störimpuls, der durch die Vorbeifahrt eines dritten Schiffes verursacht wurde. In seinem Bericht schrieb Popov, dass dieses Phänomen zur Erkennung von Objekten genutzt werden könnte, aber er machte nichts weiter aus dieser Beobachtung.

Der deutsche Erfinder Christian Hülsmeyer war der erste, der Radiowellen nutzte, um "die Anwesenheit von entfernten metallischen Objekten" zu erkennen. Im Jahr 1904 wies er nach, dass es möglich war, ein Schiff im dichten Nebel zu erkennen, nicht aber seine Entfernung zum Sender. Im April 1904 erhielt er ein Patent für sein Erkennungsgerät und später ein Patent für eine entsprechende Änderung zur Abschätzung der Entfernung zum Schiff. Am 23. September 1904 erhielt er außerdem ein britisches Patent für ein vollständiges Radarsystem, das er Telemobiloskop nannte. Es arbeitete mit einer Wellenlänge von 50 cm und das gepulste Radarsignal wurde über eine Funkenstrecke erzeugt. Sein System verwendete bereits den klassischen Antennenaufbau einer Hornantenne mit Parabolreflektor und wurde den deutschen Militärs in praktischen Versuchen in Köln und im Rotterdamer Hafen vorgestellt, aber abgelehnt.

1915 nutzte Robert Watson-Watt die Funktechnologie, um Flieger vorzeitig zu warnen, und in den 1920er Jahren führte er die britische Forschungseinrichtung zu zahlreichen Fortschritten bei der Nutzung von Funktechniken, einschließlich der Erforschung der Ionosphäre und der Erkennung von Blitzen auf große Entfernungen. Durch seine Blitzexperimente wurde Watson-Watt zu einem Experten für die Funkpeilung, bevor er sich der Kurzwellenübertragung zuwandte. Da er für diese Untersuchungen einen geeigneten Empfänger benötigte, beauftragte er den "Neuling" Arnold Frederic Wilkins mit einer umfassenden Prüfung der verfügbaren Kurzwellengeräte. Wilkins entschied sich für ein Modell des General Post Office, nachdem er in dessen Handbuch die Beschreibung eines "Fading"-Effekts (der damals gebräuchliche Begriff für Interferenzen) beim Überfliegen von Flugzeugen gefunden hatte.

Auf der anderen Seite des Atlantiks entdeckten 1922 die US-Marineforscher A. Hoyt Taylor und Leo C. Young, nachdem sie einen Sender und einen Empfänger auf gegenüberliegenden Seiten des Potomac River aufgestellt hatten, dass Schiffe, die den Strahlengang passierten, das empfangene Signal ein- und ausblendeten. Taylor legte einen Bericht vor, in dem er vorschlug, dass dieses Phänomen genutzt werden könnte, um die Anwesenheit von Schiffen bei schlechten Sichtverhältnissen zu erkennen, aber die Navy setzte die Arbeit nicht sofort fort. Acht Jahre später beobachtete Lawrence A. Hyland am Naval Research Laboratory (NRL) ähnliche Ausblendungseffekte bei vorbeifliegenden Flugzeugen; diese Entdeckung führte zu einer Patentanmeldung sowie zu einem Vorschlag für weitere intensive Forschungen über Funkechosignale von sich bewegenden Zielen am NRL, wo Taylor und Young zu dieser Zeit tätig waren.

In ähnlicher Weise meldete L. S. Alder 1928 im Vereinigten Königreich ein geheimes vorläufiges Patent für das Marineradar an.

W.A.S. Butement und P. E. Pollard entwickelten ein Testgerät auf einer Lochrasterplatine, das bei 50 cm (600 MHz) arbeitete und eine gepulste Modulation verwendete, was zu erfolgreichen Laborergebnissen führte. Im Januar 1931 wurde ein Bericht über das Gerät in das Erfindungsbuch der Royal Engineers eingetragen. Dies ist die erste offizielle Aufzeichnung in Großbritannien über die Technologie, die in der Küstenverteidigung eingesetzt wurde und in Chain Home als Chain Home (low) aufgenommen wurde.

Das Radom mit Radar der Fraunhofer-Gesellschaft (vormals FGAN) in Wachtberg
Radarkuppel, die das Radar eines französischen Kriegsschiffs schützt (1998)

Kurz vor dem Zweiten Weltkrieg

Experimentelle Radarantenne, US Naval Research Laboratory, Anacostia, D. C., aus den späten 1930er Jahren (Aufnahme von 1945).

Vor dem Zweiten Weltkrieg entwickelten Forscher im Vereinigten Königreich, in Frankreich, Deutschland, Italien, Japan, den Niederlanden, der Sowjetunion und den Vereinigten Staaten unabhängig voneinander und unter großer Geheimhaltung Technologien, die zur modernen Version des Radars führten. Australien, Kanada, Neuseeland und Südafrika folgten der Radarentwicklung Großbritanniens aus der Vorkriegszeit, und Ungarn entwickelte seine Radartechnologie während des Krieges.

In Frankreich begann die Forschungsabteilung der Compagnie Générale de Télégraphie Sans Fil (CSF) unter der Leitung von Maurice Ponte mit Henri Gutton, Sylvain Berline und M. Hugon 1934 nach systematischen Studien über das Spaltanodenmagnetron mit der Entwicklung eines Funkgeräts zur Hindernisortung, von dem Teile 1935 auf dem Ozeandampfer Normandie installiert wurden.

Zur gleichen Zeit entwickelte der sowjetische Militäringenieur P.K. Oshchepkov in Zusammenarbeit mit dem Leningrader Elektrotechnischen Institut ein Versuchsgerät, RAPID, das in der Lage war, ein Flugzeug in einem Umkreis von 3 km um einen Empfänger zu orten. Die Sowjets produzierten 1939 ihre ersten serienmäßigen Radargeräte RUS-1 und RUS-2 Redut, doch die weitere Entwicklung wurde durch die Verhaftung Oshchepkovs und seine anschließende Verurteilung im Gulag gebremst. Insgesamt wurden während des Krieges nur 607 Redut-Stationen hergestellt. Das erste russische Bordradar, Gneiss-2, wurde im Juni 1943 auf Pe-2-Sturzkampfbombern in Dienst gestellt. Bis Ende 1944 wurden mehr als 230 Gneiss-2-Stationen hergestellt. Die französischen und sowjetischen Systeme arbeiteten jedoch im Dauerstrichbetrieb und boten nicht die volle Leistung, die moderne Radarsysteme letztlich auszeichnete.

Das erste elementare Gerät dieser Art wurde im Dezember 1934 von dem Amerikaner Robert M. Page, der am Naval Research Laboratory arbeitete, vorgeführt. Im folgenden Jahr testete die US-Armee erfolgreich ein primitives Boden-Boden-Radar, um die Suchscheinwerfer der Küstenbatterien bei Nacht auszurichten. Diesem Entwurf folgte ein gepulstes System, das im Mai 1935 von Rudolf Kühnhold und der Firma GEMA [de] in Deutschland vorgeführt wurde, und ein weiteres im Juni 1935 von einem Team des Luftfahrtministeriums unter der Leitung von Robert Watson-Watt in Großbritannien.

Das erste funktionsfähige Gerät, das von Robert Watson-Watt und seinem Team gebaut wurde

1935 wurde Watson-Watt gebeten, die jüngsten Berichte über einen deutschen funkgestützten Todesstrahl zu beurteilen und übergab die Anfrage an Wilkins. Wilkins lieferte eine Reihe von Berechnungen, die zeigten, dass das System im Grunde unmöglich war. Als Watson-Watt dann fragte, was ein solches System bewirken könnte, erinnerte sich Wilkins an den früheren Bericht über Flugzeuge, die Funkstörungen verursachen. Diese Enthüllung führte zum Daventry-Experiment vom 26. Februar 1935, bei dem ein leistungsstarker BBC-Kurzwellensender als Quelle und der GPO-Empfänger auf einem Feld aufgestellt wurden, während ein Bomber über dem Gelände flog. Als das Flugzeug eindeutig entdeckt wurde, war Hugh Dowding, das Air Member for Supply and Research, sehr beeindruckt von den Möglichkeiten des Systems, und es wurden sofort Mittel für die weitere operative Entwicklung bereitgestellt. Das Team von Watson-Watt ließ das Gerät unter der Nummer GB593017 patentieren.

Ein Chain Home-Turm in Great Baddow, Essex, Vereinigtes Königreich
Gedenktafel zum Gedenken an Robert Watson-Watt und Arnold Wilkins

Die Entwicklung des Radars wurde am 1. September 1936 erheblich ausgeweitet, als Watson-Watt die Leitung einer neuen Einrichtung des britischen Luftfahrtministeriums übernahm, der Bawdsey Research Station in Bawdsey Manor in der Nähe von Felixstowe, Suffolk. Die Arbeit dort führte zur Entwicklung und Einrichtung von Flugzeugerkennungs- und -verfolgungsstationen mit der Bezeichnung "Chain Home" entlang der Ost- und Südküste Englands rechtzeitig vor Ausbruch des Zweiten Weltkriegs im Jahr 1939. Dieses System lieferte die entscheidenden Vorabinformationen, die der Royal Air Force zum Sieg in der Luftschlacht um Großbritannien verhalfen; ohne dieses System hätte eine beträchtliche Anzahl von Kampfflugzeugen, über die Großbritannien nicht verfügte, immer in der Luft sein müssen, um schnell zu reagieren. Hätte sich die Entdeckung der deutschen Flugzeuge ausschließlich auf die Beobachtungen einzelner Personen am Boden verlassen, hätte Großbritannien die Luftschlacht um Großbritannien möglicherweise verloren. Das Radar war Teil des "Dowding-Systems" zur Sammlung von Meldungen über feindliche Flugzeuge und zur Koordinierung der Reaktion.

Mit der erforderlichen Finanzierung und Entwicklungsunterstützung konnte das Team 1935 ein funktionsfähiges Radarsystem herstellen und mit dem Einsatz beginnen. Bis 1936 waren die ersten fünf Chain Home (CH)-Systeme einsatzbereit, und bis 1940 erstreckten sie sich über das gesamte Vereinigte Königreich einschließlich Nordirland. Selbst nach den damaligen Maßstäben war das CH-System sehr grob: Statt mit einer ausgerichteten Antenne zu senden und zu empfangen, sendete es ein Signal aus, das den gesamten Bereich vor ihm ausleuchtete, und nutzte dann einen von Watson-Watts eigenen Funkpeilern, um die Richtung der zurückkommenden Echos zu bestimmen. Dies bedeutete, dass die CH-Sender viel leistungsfähiger sein und bessere Antennen haben mussten als konkurrierende Systeme, ermöglichte aber eine rasche Einführung unter Verwendung bestehender Technologien.

Während des Zweiten Weltkriegs

Eine Schlüsselentwicklung war das Hohlraummagnetron im Vereinigten Königreich, das die Entwicklung relativ kleiner Systeme mit einer Auflösung im Submeterbereich ermöglichte. Großbritannien teilte diese Technologie mit den USA während der Tizard-Mission 1940.

Im April 1940 zeigte Popular Science in einem Artikel über Luftverteidigung ein Beispiel für ein Radargerät, das das Watson-Watt-Patent nutzte. Ende 1941 erschien in Popular Mechanics ein Artikel, in dem ein US-Wissenschaftler über das britische Frühwarnsystem an der englischen Ostküste spekulierte und näher auf dessen Funktionsweise einging. Watson-Watt wurde 1941 in die USA geschickt, um nach dem japanischen Angriff auf Pearl Harbor über die Luftverteidigung zu beraten. Alfred Lee Loomis organisierte das geheime MIT-Strahlungslabor am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, Massachusetts, das in den Jahren 1941-45 die Mikrowellen-Radartechnik entwickelte. Später, im Jahr 1943, verbesserte Page das Radar mit der Monopuls-Technik, die viele Jahre lang für die meisten Radaranwendungen verwendet wurde.

Der Krieg veranlasste die Forschung, um eine bessere Auflösung, mehr Tragbarkeit und mehr Funktionen für das Radar zu finden, einschließlich ergänzender Navigationssysteme wie Oboe, das vom Pathfinder der RAF verwendet wurde.

Forschung nach dem Zweiten Weltkrieg

In Deutschland kam die Forschung auf dem Gebiet Radar nach dem Krieg vollständig zum Erliegen. Die Alliierten verboten diese bis 1950. Erhebliche Fortschritte machte die Forschung in der Folgezeit insbesondere in den USA, wo zahlreiche neue theoretische Ansätze und innovative Bauteile wie Halbleiter entwickelt wurden. Als ein Beispiel sei das Synthetic Aperture Radar aus dem Jahr 1951 genannt.

Auch an Bord von zivilen Flugzeugen und Schiffen gehören Bordradare heute zur Standardausrüstung. Eine der ersten und bis heute wichtigsten zivilen Anwendungen ist die Überwachung des Luftverkehrs mittels Air Traffic Control (ATC).

Bereits Ende der 1970er Jahre entstanden erste Systeme von Abstandswarnradaren für den Automobilbereich. In der Raumfahrt wird Radartechnik seit Mitte der 1990er vor allem zur Vermessung der Erde und anderer Planeten genutzt. Zur Erfassung von Wetterdaten werden zudem Wetterradare eingesetzt.

Anwendungen

Kommerzielle Schiffsradarantenne. Die rotierende Antenne strahlt einen vertikalen fächerförmigen Strahl aus.

Die vom Radar gelieferten Informationen umfassen die Peilung und die Entfernung (und damit die Position) des Objekts vom Radargerät. Es wird daher in vielen verschiedenen Bereichen eingesetzt, in denen eine solche Positionsbestimmung von entscheidender Bedeutung ist. Ursprünglich wurde das Radar für militärische Zwecke eingesetzt: zur Ortung von Luft-, Boden- und Seezielen. Dies entwickelte sich im zivilen Bereich zu Anwendungen für Flugzeuge, Schiffe und Automobile.

In der Luftfahrt können Flugzeuge mit Radargeräten ausgestattet werden, die vor Flugzeugen oder anderen Hindernissen warnen, die sich in ihrer Flugbahn befinden oder sich ihr nähern, Wetterinformationen anzeigen und genaue Höhenangaben machen. Das erste kommerzielle Gerät, das in Flugzeuge eingebaut wurde, war ein Gerät von Bell Lab aus dem Jahr 1938 in einigen Flugzeugen der United Air Lines. Flugzeuge können bei Nebel auf Flughäfen landen, die mit radargestützten, bodenkontrollierten Anflugsystemen ausgestattet sind, bei denen die Position des Flugzeugs auf Präzisionsanflug-Radarschirmen von Bedienern beobachtet wird, die dem Piloten per Funk Landeanweisungen geben und das Flugzeug auf einem festgelegten Anflugpfad zur Landebahn halten. Militärische Kampfflugzeuge sind in der Regel mit Luft-Luft-Zielradaren ausgestattet, um feindliche Flugzeuge aufzuspüren und anzuvisieren. Größere militärische Spezialflugzeuge sind darüber hinaus mit leistungsfähigen Bordradaren ausgestattet, um den Luftverkehr über ein weites Gebiet zu beobachten und die Kampfflugzeuge auf Ziele auszurichten.

Schiffsradare werden zur Peilung und Entfernungsmessung von Schiffen eingesetzt, um Kollisionen mit anderen Schiffen zu vermeiden, zu navigieren und ihre Position auf See zu bestimmen, wenn sie sich in Reichweite von Küsten oder anderen festen Bezugspunkten wie Inseln, Bojen und Feuerschiffen befinden. In Häfen werden Radarsysteme des Schiffsverkehrsdienstes eingesetzt, um Schiffsbewegungen in stark befahrenen Gewässern zu überwachen und zu regeln.

Meteorologen verwenden Radar zur Überwachung von Niederschlag und Wind. Es ist zum wichtigsten Instrument für die kurzfristige Wettervorhersage und die Beobachtung von Unwettern wie Gewittern, Tornados, Winterstürmen, Niederschlagsarten usw. geworden. Geologen verwenden spezielle Bodenradargeräte, um die Zusammensetzung der Erdkruste zu kartieren. Die Polizei setzt Radarpistolen ein, um die Geschwindigkeit von Fahrzeugen auf den Straßen zu überwachen. Kleinere Radarsysteme werden eingesetzt, um menschliche Bewegungen zu erkennen. Beispiele sind die Erkennung von Atemmustern für die Schlafüberwachung und die Erkennung von Hand- und Fingerbewegungen für die Computerinteraktion. Auch das automatische Öffnen von Türen, die Aktivierung von Licht und die Erkennung von Eindringlingen sind weit verbreitet.

Grundsätze

Radarsignal

3D-Doppler-Radarspektrum mit einem Barker-Code von 13

Ein Radarsystem verfügt über einen Sender, der Funkwellen, so genannte Radarsignale, in bestimmte Richtungen aussendet. Wenn diese Signale auf ein Objekt treffen, werden sie in der Regel in viele Richtungen reflektiert oder gestreut, obwohl einige von ihnen absorbiert werden und in das Ziel eindringen. Radarsignale werden von Materialien mit hoher elektrischer Leitfähigkeit - wie den meisten Metallen, Meerwasser und feuchtem Boden - besonders gut reflektiert. Dies macht den Einsatz von Radarhöhenmessern in bestimmten Fällen möglich. Die Radarsignale, die zum Radarempfänger zurückreflektiert werden, sind die erwünschten Signale, die die Radarerfassung ermöglichen. Bewegt sich das Objekt auf den Sender zu oder von ihm weg, kommt es aufgrund des Dopplereffekts zu einer leichten Änderung der Frequenz der Funkwellen.

Die Radarempfänger befinden sich normalerweise, aber nicht immer, am selben Ort wie der Sender. Die reflektierten Radarsignale, die von der Empfangsantenne aufgefangen werden, sind normalerweise sehr schwach. Sie können durch elektronische Verstärker verstärkt werden. Auch anspruchsvollere Methoden der Signalverarbeitung werden eingesetzt, um nützliche Radarsignale zu gewinnen.

Die schwache Absorption von Radiowellen durch das Medium, das sie durchdringen, ermöglicht es Radargeräten, Objekte auf relativ große Entfernungen zu erkennen - Entfernungen, bei denen andere elektromagnetische Wellenlängen, wie sichtbares Licht, Infrarotlicht und ultraviolettes Licht, zu stark abgeschwächt werden. Wetterphänomene wie Nebel, Wolken, Regen, Schneefall und Graupel, die das sichtbare Licht blockieren, sind in der Regel für Funkwellen durchlässig. Bestimmte Funkfrequenzen, die von Wasserdampf, Regentropfen oder atmosphärischen Gasen (vor allem Sauerstoff) absorbiert oder gestreut werden, werden bei der Entwicklung von Radargeräten vermieden, es sei denn, ihre Erfassung ist beabsichtigt.

Beleuchtung

Das Radar beruht auf seinen eigenen Übertragungen und nicht auf dem Licht der Sonne oder des Mondes oder auf elektromagnetischen Wellen, die von den Zielobjekten selbst ausgesendet werden, wie z. B. Infrarotstrahlung (Wärme). Dieser Prozess, bei dem künstliche Radiowellen auf Objekte gerichtet werden, wird als Beleuchtung bezeichnet, obwohl Radiowellen für das menschliche Auge sowie für optische Kameras unsichtbar sind.

Reflexion

Helligkeit kann auf Reflexion hindeuten, wie in diesem Wetterradarbild von 1960 (des Hurrikans Abby). Die Frequenz des Radars, die Impulsform, die Polarisation, die Signalverarbeitung und die Antenne bestimmen, was das Radar beobachten kann.

Wenn elektromagnetische Wellen, die durch ein Material laufen, auf ein anderes Material treffen, das eine andere Dielektrizitätskonstante oder diamagnetische Konstante hat als das erste, werden die Wellen an der Grenzfläche zwischen den Materialien reflektiert oder gestreut. Das bedeutet, dass ein fester Gegenstand in Luft oder im Vakuum oder eine erhebliche Änderung der atomaren Dichte zwischen dem Gegenstand und seiner Umgebung in der Regel Radarwellen (Funkwellen) an seiner Oberfläche streut. Dies gilt vor allem für elektrisch leitende Materialien wie Metall und Kohlefaser, wodurch sich das Radar gut für die Ortung von Flugzeugen und Schiffen eignet. Radarabsorbierendes Material, das widerstandsfähige und manchmal auch magnetische Substanzen enthält, wird bei Militärfahrzeugen verwendet, um die Radarreflexion zu verringern. Dies ist das Äquivalent zu einem dunklen Anstrich, mit dem man nachts nicht gesehen werden kann.

Radarwellen werden auf unterschiedliche Weise gestreut, je nach Größe (Wellenlänge) der Funkwelle und der Form des Ziels. Wenn die Wellenlänge viel kürzer ist als die Größe des Ziels, wird die Welle ähnlich wie Licht von einem Spiegel reflektiert. Ist die Wellenlänge viel größer als die Größe des Ziels, kann es sein, dass das Ziel aufgrund einer schlechten Reflexion nicht sichtbar ist. Die Niederfrequenz-Radartechnik ist zur Erkennung, aber nicht zur Identifizierung von Zielen auf Resonanzen angewiesen. Dies wird durch die Rayleigh-Streuung beschrieben, ein Effekt, der für den blauen Himmel und die roten Sonnenuntergänge auf der Erde verantwortlich ist. Wenn die beiden Längenskalen vergleichbar sind, kann es zu Resonanzen kommen. Frühe Radargeräte verwendeten sehr lange Wellenlängen, die größer als die Ziele waren und daher ein unscharfes Signal empfingen, während viele moderne Systeme kürzere Wellenlängen (einige Zentimeter oder weniger) verwenden, die Objekte so klein wie einen Laib Brot abbilden können.

Kurze Radiowellen werden von Kurven und Ecken auf ähnliche Weise reflektiert wie das Glitzern einer runden Glasscheibe. Die für kurze Wellenlängen am besten reflektierenden Ziele haben 90°-Winkel zwischen den reflektierenden Oberflächen. Ein Eckreflektor besteht aus drei flachen Oberflächen, die sich wie die Innenecke eines Würfels treffen. Die Struktur reflektiert Wellen, die in ihre Öffnung eintreten, direkt zurück zur Quelle. Sie werden häufig als Radarreflektoren verwendet, um ansonsten schwer zu erkennende Objekte leichter zu erfassen. Eckreflektoren an Booten zum Beispiel machen sie besser erkennbar, um Kollisionen zu vermeiden oder bei einer Rettungsaktion. Aus ähnlichen Gründen haben Objekte, die nicht entdeckt werden sollen, keine Innenecken oder Oberflächen und Kanten, die senkrecht zu den wahrscheinlichen Entdeckungsrichtungen liegen, was zu "seltsam" aussehenden Tarnkappenflugzeugen führt. Durch diese Vorkehrungen lassen sich Reflexionen aufgrund von Beugung, insbesondere bei längeren Wellenlängen, nicht vollständig vermeiden. Lange Drähte mit halber Wellenlänge oder Streifen aus leitendem Material, wie z. B. Spreu, sind sehr reflektierend, leiten aber die gestreute Energie nicht zur Quelle zurück. Das Ausmaß, in dem ein Objekt Funkwellen reflektiert oder streut, wird als Radarquerschnitt bezeichnet.

Gleichung für die Radarreichweite

Die Leistung Pr, die zur Empfangsantenne zurückkehrt, ist durch die Gleichung gegeben:

wobei

  • Pt = Sendeleistung
  • Gt = Gewinn der Sendeantenne
  • Ar = effektive Apertur (Fläche) der Empfangsantenne; dies kann auch ausgedrückt werden als ausgedrückt werden, wobei
  • = gesendete Wellenlänge
  • Gr = Gewinn der Empfangsantenne
  • σ = Radarquerschnitt bzw. Streukoeffizient des Ziels
  • F = Ausbreitungsfaktor des Musters
  • Rt = Entfernung vom Sender zum Ziel
  • Rr = Abstand zwischen Ziel und Empfänger.

Im allgemeinen Fall, in dem sich Sender und Empfänger am selben Ort befinden, ist Rt = Rr und der Term Rt² Rr² kann durch R4 ersetzt werden, wobei R die Reichweite ist. Daraus ergibt sich:

Dies zeigt, dass die empfangene Leistung mit der vierten Potenz der Reichweite abnimmt, was bedeutet, dass die empfangene Leistung von weit entfernten Zielen relativ gering ist.

Durch zusätzliche Filterung und Impulsintegration wird die Radargleichung für das Puls-Doppler-Radar geringfügig modifiziert, was zur Erhöhung der Erfassungsreichweite und zur Verringerung der Sendeleistung genutzt werden kann.

Die obige Gleichung mit F = 1 ist eine Vereinfachung für die Übertragung im Vakuum ohne Störungen. Der Ausbreitungsfaktor berücksichtigt die Auswirkungen von Mehrwegeffekten und Abschattungen und hängt von den Details der Umgebung ab. In einer realen Situation werden auch die Auswirkungen von Streuverlusten berücksichtigt.

Doppler-Effekt

Änderung der Wellenlänge, die durch die Bewegung der Quelle verursacht wird.

Die Frequenzverschiebung wird durch Bewegungen verursacht, die die Anzahl der Wellenlängen zwischen dem Reflektor und dem Radargerät verändern. Dies kann die Radarleistung verschlechtern oder verbessern, je nachdem, wie es sich auf den Erkennungsprozess auswirkt. So kann beispielsweise die Anzeige eines sich bewegenden Ziels mit dem Doppler-Effekt interagieren und bei bestimmten Radialgeschwindigkeiten zu einer Signalauslöschung führen, was die Leistung beeinträchtigt.

Seegestützte Radarsysteme, semiaktive Radarzielsuche, aktive Radarzielsuche, Wetterradar, Militärflugzeuge und Radarastronomie nutzen den Doppler-Effekt zur Leistungssteigerung. Dieser liefert Informationen über die Geschwindigkeit des Ziels während des Erkennungsvorgangs. Dadurch können auch kleine Objekte in einer Umgebung mit viel größeren, sich langsam bewegenden Objekten erkannt werden.

Die Dopplerverschiebung hängt davon ab, ob es sich um ein aktives oder passives Radar handelt. Aktives Radar sendet ein Signal aus, das zum Empfänger zurückreflektiert wird. Bei passivem Radar muss das Objekt ein Signal an den Empfänger senden.

Die Dopplerfrequenzverschiebung für aktives Radar ist wie folgt, wobei die Dopplerfrequenz ist, die Sendefrequenz ist, die Radialgeschwindigkeit und die Lichtgeschwindigkeit ist:

.

Passives Radar ist für elektronische Gegenmaßnahmen und Radioastronomie wie folgt anwendbar:

.

Nur die radiale Komponente der Geschwindigkeit ist relevant. Wenn sich der Reflektor im rechten Winkel zum Radarstrahl bewegt, hat er keine Relativgeschwindigkeit. Fahrzeuge und Wetter, die sich parallel zum Radarstrahl bewegen, erzeugen die größte Dopplerfrequenzverschiebung.

Wenn die Sendefrequenz () gepulst wird, mit einer Pulswiederholfrequenz von gepulst wird, enthält das resultierende Frequenzspektrum harmonische Frequenzen über und unter mit einem Abstand von . Folglich ist die Doppler-Messung nur dann nicht eindeutig, wenn die Doppler-Frequenzverschiebung weniger als die Hälfte von ist, was als Nyquist-Frequenz bezeichnet wird, da die zurückgegebene Frequenz andernfalls nicht von der Verschiebung einer harmonischen Frequenz nach oben oder unten unterschieden werden kann und somit erforderlich ist:

Oder bei der Substitution mit :

Ein Doppler-Wetterradar mit einer Impulsrate von 2 kHz und einer Sendefrequenz von 1 GHz kann beispielsweise die Geschwindigkeit von Flugzeugen, die sich mit 1.000 m/s bewegen, nicht zuverlässig bestimmen, da es nur bis zu einer Geschwindigkeit von 150 m/s zuverlässig messen kann.

Polarisation

Bei jeder elektromagnetischen Strahlung steht das elektrische Feld senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, und die Richtung des elektrischen Feldes ist die Polarisation der Welle. Bei einem übertragenen Radarsignal kann die Polarisation gesteuert werden, um verschiedene Effekte zu erzielen. Radargeräte verwenden horizontale, vertikale, lineare und zirkulare Polarisation, um verschiedene Arten von Reflexionen zu erkennen. Die zirkulare Polarisation wird beispielsweise verwendet, um die durch Regen verursachten Störungen zu minimieren. Lineare Polarisationsreflexe weisen in der Regel auf Metalloberflächen hin. Reflexionen mit zufälliger Polarisation weisen in der Regel auf eine fraktale Oberfläche hin, z. B. Felsen oder Boden, und werden von Navigationsradaren verwendet.

Begrenzende Faktoren

Strahlengang und Reichweite

Echohöhen über dem Boden

Wobei :
  r : Entfernung Radar-Ziel
ke : 4/3
ae : Erdradius
θe : Elevationswinkel über dem Radarhorizont
ha : Höhe des Feedhorns über dem Boden

Ein Radarstrahl folgt im Vakuum einem linearen Weg, in der Atmosphäre jedoch aufgrund des unterschiedlichen Brechungsindex der Luft einem leicht gekrümmten Weg, der als Radarhorizont bezeichnet wird. Selbst wenn der Strahl parallel zum Boden ausgestrahlt wird, steigt er über den Boden, da die Erdkrümmung unter den Horizont sinkt. Außerdem wird das Signal durch das Medium, das der Strahl durchquert, abgeschwächt, und der Strahl zerstreut sich.

Die maximale Reichweite eines konventionellen Radars kann durch eine Reihe von Faktoren begrenzt werden:

  • Die Sichtlinie, die von der Höhe über dem Boden abhängt. Ohne eine direkte Sichtlinie ist der Strahlengang blockiert.
  • Die maximale nicht eindeutige Reichweite, die durch die Impulswiederholfrequenz bestimmt wird. Die maximale, nicht eindeutige Reichweite ist die Entfernung, die der Impuls erreichen und wieder zurückkehren kann, bevor der nächste Impuls ausgesendet wird.
  • Die Radarempfindlichkeit und die Leistung des zurückkehrenden Signals, wie sie in der Radargleichung berechnet wird. Diese Komponente umfasst Faktoren wie die Umgebungsbedingungen und die Größe (oder den Radarquerschnitt) des Ziels.

Rauschen

Das Signalrauschen ist eine interne Quelle von Zufallsschwankungen im Signal, die von allen elektronischen Komponenten erzeugt wird.

Reflektierte Signale nehmen mit zunehmender Entfernung schnell ab, so dass das Rauschen eine Einschränkung der Radarreichweite darstellt. Die Rauschuntergrenze und das Signal-Rausch-Verhältnis sind zwei verschiedene Maßzahlen, die sich auf die Reichweite auswirken. Reflektoren, die zu weit entfernt sind, erzeugen ein zu geringes Signal, um die Rauschgrenze zu überschreiten, und können nicht erkannt werden. Für die Erkennung ist ein Signal erforderlich, das die Rauschgrenze mindestens um das Signal-Rausch-Verhältnis übersteigt.

Das Rauschen erscheint typischerweise als zufällige Variationen, die das vom Radarempfänger empfangene gewünschte Echosignal überlagern. Je geringer die Leistung des gewünschten Signals ist, desto schwieriger ist es, es vom Rauschen zu unterscheiden. Die Rauschzahl ist ein Maß für das von einem Empfänger erzeugte Rauschen im Vergleich zu einem idealen Empfänger, und dieses muss minimiert werden.

Schrotrauschen wird von Elektronen beim Durchgang durch eine Diskontinuität erzeugt, die in allen Detektoren vorkommt. In den meisten Empfängern ist das Schrotrauschen die dominierende Quelle. Es gibt auch Flickerrauschen, das durch den Elektronendurchgang durch Verstärkungsgeräte verursacht wird, das durch Überlagerungsverstärkung reduziert wird. Ein weiterer Grund für die Heterodyn-Verarbeitung ist, dass bei fester Teilbandbreite die momentane Bandbreite linear mit der Frequenz zunimmt. Dies ermöglicht eine verbesserte Bereichsauflösung. Die einzige bemerkenswerte Ausnahme für Heterodyn-Radarsysteme (Abwärtswandlung) ist das Ultrabreitbandradar. Hier wird ein einzelner Zyklus oder eine transiente Welle verwendet, ähnlich wie bei der UWB-Kommunikation (siehe Liste der UWB-Kanäle).

Rauschen wird auch durch externe Quellen erzeugt, vor allem durch die natürliche Wärmestrahlung des Hintergrunds, der das Ziel umgibt. Bei modernen Radarsystemen ist das interne Rauschen in der Regel gleich oder geringer als das externe Rauschen. Eine Ausnahme ist, wenn das Radar nach oben auf den klaren Himmel gerichtet ist, wo die Szene so "kalt" ist, dass sie nur sehr wenig thermisches Rauschen erzeugt. Das thermische Rauschen ist gegeben durch kB T B, wobei T die Temperatur, B die Bandbreite (Post Matched Filter) und kB die Boltzmann-Konstante ist. Es gibt eine ansprechende intuitive Interpretation dieser Beziehung in einem Radargerät. Die angepasste Filterung ermöglicht es, die gesamte von einem Ziel empfangene Energie in ein einziges Feld zu komprimieren (sei es ein Entfernungs-, Doppler-, Elevations- oder Azimutfeld). Oberflächlich betrachtet scheint es, dass dann innerhalb eines festen Zeitintervalls eine perfekte, fehlerfreie Erkennung möglich ist. Dies geschieht durch die Komprimierung der gesamten Energie in einem winzigen Zeitabschnitt. In der realen Welt wird dieser Ansatz dadurch eingeschränkt, dass die Zeit zwar beliebig teilbar ist, der Strom jedoch nicht. Das Quantum elektrischer Energie ist ein Elektron, und das Beste, was man tun kann, ist, die gesamte Energie in ein einziges Elektron zu packen. Da sich das Elektron bei einer bestimmten Temperatur bewegt (Planck-Spektrum), kann diese Rauschquelle nicht weiter abgetragen werden. Letztendlich wird das Radar, wie alle makroskopischen Einheiten, von der Quantentheorie beeinflusst.

Rauschen ist zufällig, Zielsignale sind es nicht. Die Signalverarbeitung kann sich dieses Phänomen zunutze machen, um das Grundrauschen mit zwei Strategien zu reduzieren. Die Art der Signalintegration, die bei der Anzeige bewegter Ziele verwendet wird, kann das Rauschen um bis zu für jede Stufe verbessern. Das Signal kann auch auf mehrere Filter für die Puls-Doppler-Signalverarbeitung aufgeteilt werden, was das Grundrauschen um die Anzahl der Filter reduziert. Diese Verbesserungen hängen von der Kohärenz ab.

Interferenz

Radarsysteme müssen unerwünschte Signale unterdrücken, um sich auf die gewünschten Ziele konzentrieren zu können. Diese unerwünschten Signale können von internen und externen Quellen stammen, sowohl passiv als auch aktiv. Die Fähigkeit des Radarsystems, diese unerwünschten Signale zu überwinden, bestimmt sein Signal-Rausch-Verhältnis (SNR). Das SNR ist definiert als das Verhältnis der Signalleistung zur Rauschleistung innerhalb des gewünschten Signals; es vergleicht den Pegel eines gewünschten Zielsignals mit dem Pegel des Hintergrundrauschens (atmosphärisches Rauschen und im Empfänger erzeugtes Rauschen). Je höher der SNR-Wert eines Systems ist, desto besser kann es tatsächliche Ziele von Rauschsignalen unterscheiden.

Störgeräusche

Clutter sind Hochfrequenz-Echos, die von Zielen zurückkommen, die für den Radarbediener uninteressant sind. Zu solchen Zielen gehören natürliche Objekte wie Boden, Meer und, wenn sie nicht für meteorologische Zwecke eingesetzt werden, Niederschlag (wie Regen, Schnee oder Hagel), Sandstürme, Tiere (insbesondere Vögel), atmosphärische Turbulenzen und andere atmosphärische Effekte wie Ionosphärenreflexionen, Meteorspuren und Hagelspitzen. Störechos können auch von künstlichen Objekten wie Gebäuden und absichtlich eingesetzten Radar-Gegenmaßnahmen wie Spreu verursacht werden.

Einige Störungen können auch durch einen langen Radarwellenleiter zwischen dem Radargerät und der Antenne verursacht werden. Bei einem typischen PPI-Radar mit rotierender Antenne ist dies in der Regel als "Sonne" oder "Sunburst" in der Mitte des Bildschirms zu sehen, da der Empfänger auf Echos von Staubpartikeln und fehlgeleiteter HF im Wellenleiter reagiert. Eine Anpassung des Timings zwischen dem Zeitpunkt, an dem der Sender einen Impuls sendet, und dem Zeitpunkt, an dem die Empfängerstufe aktiviert wird, reduziert im Allgemeinen die Sonnenflecken, ohne die Genauigkeit der Reichweite zu beeinträchtigen, da die meisten Sonnenflecken durch einen diffusen Sendeimpuls verursacht werden, der reflektiert wird, bevor er die Antenne verlässt. Clutter wird als passive Störquelle betrachtet, da es nur als Reaktion auf die vom Radar gesendeten Radarsignale auftritt.

Störgeräusche werden auf verschiedene Weise erkannt und neutralisiert. Zwischen den Radarabtastungen erscheint das Störecho in der Regel statisch; auf den nachfolgenden Abtastechos scheinen sich die gewünschten Ziele zu bewegen, und alle stationären Echos können eliminiert werden. Seestörungen können durch horizontale Polarisation reduziert werden, während Regen durch zirkulare Polarisation reduziert wird (meteorologische Radargeräte wünschen sich den gegenteiligen Effekt und verwenden daher lineare Polarisation, um Niederschlag zu erkennen). Mit anderen Methoden wird versucht, das Signal-Störungs-Verhältnis zu erhöhen.

Das Störsignal bewegt sich mit dem Wind oder ist stationär. Zwei gängige Strategien zur Verbesserung der Messung oder der Leistung in einer Störungsumgebung sind:

  • Anzeige des beweglichen Ziels, bei der aufeinanderfolgende Impulse integriert werden
  • Doppler-Verarbeitung, bei der Filter eingesetzt werden, um Clutter von den erwünschten Signalen zu trennen

Die wirksamste Technik zur Störungsreduzierung ist das Puls-Doppler-Radar. Doppler trennt Störsignale von Flugzeugen und Raumfahrzeugen anhand eines Frequenzspektrums, so dass einzelne Signale von mehreren Reflektoren, die sich im selben Volumen befinden, anhand von Geschwindigkeitsunterschieden getrennt werden können. Dazu ist ein kohärenter Sender erforderlich. Eine andere Technik verwendet einen Indikator für bewegte Ziele, der das Empfangssignal von zwei aufeinanderfolgenden Impulsen unter Verwendung der Phase subtrahiert, um Signale von sich langsam bewegenden Objekten zu reduzieren. Diese Technik kann für Systeme angepasst werden, die keinen kohärenten Sender haben, wie z. B. das Puls-Amplituden-Radar im Zeitbereich.

Konstante Falschalarmrate, eine Form der automatischen Verstärkungsregelung (AGC), ist eine Methode, die darauf beruht, dass die Echos von interessanten Zielen durch Störsignale weit überlagert werden. Die Verstärkung des Empfängers wird automatisch angepasst, um ein konstantes Niveau der sichtbaren Störsignale aufrechtzuerhalten. Dies hilft zwar nicht bei der Erkennung von Zielen, die durch stärkere Störungen in der Umgebung verdeckt werden, aber es hilft bei der Unterscheidung starker Zielquellen. In der Vergangenheit wurde die AGC elektronisch gesteuert und beeinflusste die Verstärkung des gesamten Radarempfängers. Mit der Weiterentwicklung der Radargeräte wurde die AGC durch Computersoftware gesteuert und beeinflusste die Verstärkung mit größerer Granularität in bestimmten Erfassungszellen.

Radar-Mehrwegechos eines Ziels verursachen Geisterbilder

Clutter kann auch durch Mehrwegechos von gültigen Zielen entstehen, die durch Bodenreflexion, atmosphärische Kanäle oder ionosphärische Reflexion/Brechung (z. B. anomale Ausbreitung) verursacht werden. Diese Art von Störechos ist besonders störend, da sie sich zu bewegen und zu verhalten scheinen wie andere normale (Punkt-)Ziele von Interesse. In einem typischen Szenario wird das Echo eines Flugzeugs vom Boden reflektiert und erscheint dem Empfänger als ein identisches Ziel unter dem richtigen Ziel. Das Radar kann versuchen, die Ziele zu vereinheitlichen, indem es das Ziel in einer falschen Höhe meldet oder es aufgrund von Jitter oder physikalischer Unmöglichkeit eliminiert. Terrain Bounce Jamming macht sich diese Reaktion zunutze, indem es das Radarsignal verstärkt und nach unten lenkt. Diese Probleme können überwunden werden, indem eine Bodenkarte der Radarumgebung erstellt wird und alle Echos, die unterirdisch oder oberhalb einer bestimmten Höhe zu entstehen scheinen, eliminiert werden. Monopulse kann durch eine Änderung des Elevationsalgorithmus verbessert werden, der in geringer Höhe verwendet wird. In neueren Flugsicherungsradargeräten werden Algorithmen zur Identifizierung von Falschzielen eingesetzt, indem die aktuellen Impulsrückmeldungen mit denen der Nachbarländer verglichen und die Unwahrscheinlichkeiten der Rückmeldungen berechnet werden.

Störung

Als Radarstörung werden Hochfrequenzsignale bezeichnet, die von Quellen außerhalb des Radars stammen, auf der Frequenz des Radars übertragen werden und dadurch interessante Ziele verdecken. Die Störung kann beabsichtigt sein, wie bei einer Taktik der elektronischen Kriegsführung, oder unbeabsichtigt, wie bei befreundeten Streitkräften, die Geräte betreiben, die im gleichen Frequenzbereich senden. Jamming wird als aktive Störquelle betrachtet, da es durch Elemente außerhalb des Radars ausgelöst wird und im Allgemeinen nichts mit den Radarsignalen zu tun hat.

Störsignale sind für das Radar problematisch, da das Störsignal nur einen Weg zurücklegen muss (vom Störsender zum Radarempfänger), während die Radarechos zwei Wege zurücklegen (Radar-Ziel-Radar) und daher gemäß dem Gesetz des umgekehrten Quadrats in ihrer Leistung erheblich reduziert sind, wenn sie zum Radarempfänger zurückkehren. Störsender können daher sehr viel schwächer sein als die gestörten Radargeräte und dennoch Ziele entlang der Sichtlinie zwischen Störsender und Radar wirksam maskieren (Mainlobe-Jamming). Störsender haben den zusätzlichen Effekt, dass sie Radare entlang anderer Sichtlinien durch die Nebenkeulen des Radarempfängers beeinträchtigen (Nebenkeulenstörung).

Hauptkeulenstörungen können in der Regel nur durch eine Verkleinerung des Raumwinkels der Hauptkeule reduziert werden und lassen sich nicht vollständig beseitigen, wenn sie direkt gegenüber einem Störsender auftreten, der die gleiche Frequenz und Polarisation wie das Radargerät verwendet. Nebenkeulenstörungen können durch die Verringerung der Nebenkeulen in der Radarantenne und durch die Verwendung einer Rundstrahlantenne zur Erkennung und Unterdrückung von Nicht-Hauptkeulen-Signalen vermieden werden. Weitere Techniken zur Vermeidung von Störungen sind Frequenzsprünge und Polarisation.

Verarbeitung von Radarsignalen

Entfernungsmessung

Transitzeit

Impuls-Radar: Gemessen wird die Zeit, die der Radarimpuls benötigt, um das Ziel zu erreichen und wieder zurückzukehren. Die Entfernung ist proportional zu dieser Zeit.

Eine Möglichkeit zur Entfernungsmessung basiert auf der Laufzeit: Man sendet einen kurzen Funkimpuls (elektromagnetische Strahlung) aus und misst die Zeit, die die Reflexion für die Rückkehr benötigt. Die Entfernung ist die Hälfte der Hin- und Rücklaufzeit multipliziert mit der Geschwindigkeit des Signals. Der Faktor eins ergibt sich aus der Tatsache, dass das Signal zum Objekt und wieder zurück laufen muss. Da sich Funkwellen mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, erfordert eine genaue Entfernungsmessung eine Hochgeschwindigkeitselektronik. In den meisten Fällen kann der Empfänger den Rückweg nicht erkennen, während das Signal übertragen wird. Durch den Einsatz eines Duplexers schaltet das Radargerät in einem bestimmten Rhythmus zwischen Senden und Empfangen um. Ein ähnlicher Effekt führt auch zu einer maximalen Reichweite. Um die Reichweite zu maximieren, sollten längere Zeiträume zwischen den Impulsen verwendet werden, die als Impulswiederholungszeit oder deren Kehrwert, die Impulswiederholungsfrequenz, bezeichnet werden.

Diese beiden Effekte stehen in der Regel im Widerspruch zueinander, und es ist nicht einfach, in einem einzigen Radargerät sowohl eine gute kurze Reichweite als auch eine gute große Reichweite zu erzielen. Das liegt daran, dass die kurzen Impulse, die für eine gute Mindestreichweite benötigt werden, eine geringere Gesamtenergie haben, wodurch die Rückstrahlung viel kleiner und das Ziel schwerer zu erkennen ist. Dies könnte durch die Verwendung von mehr Impulsen ausgeglichen werden, was jedoch die maximale Reichweite verringern würde. Jedes Radargerät verwendet also eine bestimmte Art von Signal. Radargeräte mit großer Reichweite verwenden in der Regel lange Impulse mit langen Zeitabständen dazwischen, während Radargeräte mit kurzer Reichweite kleinere Impulse mit kürzeren Zeitabständen verwenden. Mit der Verbesserung der Elektronik können viele Radargeräte jetzt ihre Impulsfrequenz ändern und damit auch ihre Reichweite. Die neuesten Radargeräte feuern während einer Zelle zwei Impulse ab, einen für kurze Reichweiten (etwa 10 km) und ein separates Signal für größere Reichweiten (etwa 100 km).

Die Entfernung kann auch als Funktion der Zeit gemessen werden. Die Radarmeile ist die Zeit, die ein Radarimpuls benötigt, um eine Seemeile zurückzulegen, von einem Ziel reflektiert zu werden und zur Radarantenne zurückzukehren. Da eine Seemeile als 1.852 m definiert ist, ergibt die Division dieser Entfernung durch die Lichtgeschwindigkeit (299.792.458 m/s) und die anschließende Multiplikation des Ergebnisses mit 2 eine Dauer von 12,36 μs.

Entfernungsbestimmung mit dem Impulsverfahren. Das Pulsradargerät sendet einen Impuls und misst die Zeit bis zum Empfang des Echos.

Ein Pulsradargerät sendet Impulse mit einer typischen Dauer im unteren Mikrosekundenbereich und wartet dann auf Echos. Die Laufzeit des Impulses ist die Zeit zwischen dem Senden und dem Empfang des Echos. Sie wird zur Entfernungsbestimmung genutzt. Für die Entfernung gilt der Zusammenhang:

Auf dem klassischen Radarschirm beginnt die Auslenkung mit dem Sendeimpuls. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen im Raum ist maßstabsgerecht mit der Anzeige. Wird ein Echo empfangen, dann ist der Abstand des Echoimpulses auf dem Sichtgerät ein Maß für die Entfernung des reflektierenden Objektes (hier: des Flugzeugs) zum Radargerät.

Frequenzmodulation

Kontinuierliche Welle (CW) Radar. Durch Frequenzmodulation kann die Entfernung ermittelt werden.

Eine andere Form des Entfernungsmessungsradars basiert auf der Frequenzmodulation. Bei diesen Systemen wird die Frequenz des gesendeten Signals mit der Zeit verändert. Da das Signal eine endliche Zeit braucht, um zum und vom Ziel zu gelangen, hat das empfangene Signal eine andere Frequenz als das vom Sender ausgestrahlte, wenn das reflektierte Signal beim Radargerät ankommt. Durch den Vergleich der Frequenz der beiden Signale kann der Unterschied leicht gemessen werden. Dies ist selbst in der Elektronik der 1940er Jahre mit sehr hoher Genauigkeit möglich. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Radar bei relativ niedrigen Frequenzen effektiv arbeiten kann. Dies war bei der frühen Entwicklung dieses Typs wichtig, als die Erzeugung von Hochfrequenzsignalen schwierig oder teuer war.

Diese Technik kann im Dauerstrichradar eingesetzt werden und ist häufig in Radarhöhenmessern von Flugzeugen zu finden. Bei diesen Systemen wird ein "Träger"-Radarsignal in einer vorhersehbaren Weise frequenzmoduliert, wobei es in der Regel mit einem Sinus- oder Sägezahnmuster bei Tonfrequenzen auf und ab schwankt. Das Signal wird dann von einer Antenne ausgesendet und von einer anderen Antenne empfangen, die sich in der Regel an der Unterseite des Flugzeugs befindet. Das Signal kann kontinuierlich mit einem einfachen Schwebungsfrequenzmodulator verglichen werden, der aus dem zurückgesendeten Signal und einem Teil des gesendeten Signals einen Ton erzeugt.

Der Modulationsindex des Empfangssignals ist proportional zur Zeitverzögerung zwischen dem Radargerät und dem Reflektor. Die Frequenzverschiebung wird mit zunehmender Zeitverzögerung größer. Die Frequenzverschiebung ist direkt proportional zu der zurückgelegten Entfernung. Diese Entfernung kann auf einem Instrument angezeigt werden und ist möglicherweise auch über den Transponder verfügbar. Diese Signalverarbeitung ähnelt derjenigen, die beim Doppler-Radar zur Geschwindigkeitsmessung verwendet wird. Beispiele für Systeme, die diesen Ansatz verwenden, sind AZUSA, MISTRAM und UDOP.

Terrestrisches Radar verwendet FM-Signale mit geringer Leistung, die einen größeren Frequenzbereich abdecken. Die Mehrfachreflexionen werden mathematisch auf Musteränderungen analysiert, wobei in mehreren Durchläufen ein computergestütztes synthetisches Bild erzeugt wird. Dabei werden Dopplereffekte genutzt, die es ermöglichen, sich langsam bewegende Objekte zu erkennen und das "Rauschen" von Wasseroberflächen weitgehend zu eliminieren.

Impulskompression

Die beiden oben beschriebenen Techniken haben beide ihre Nachteile. Bei der Impulszeittechnik besteht ein inhärenter Nachteil darin, dass die Genauigkeit der Entfernungsmessung umgekehrt proportional zur Impulslänge ist, während die Energie und damit die Richtungsreichweite direkt damit zusammenhängt. Die Erhöhung der Leistung für eine größere Reichweite bei gleichzeitiger Beibehaltung der Genauigkeit erfordert eine extrem hohe Spitzenleistung, wobei die Frühwarnradare der 1960er Jahre oft mit einer Leistung von mehreren zehn Megawatt arbeiten. Die Dauerstrichverfahren verteilen diese Energie zeitlich und benötigen daher im Vergleich zu den Impulstechniken eine viel geringere Spitzenleistung, erfordern aber eine Methode, die es ermöglicht, dass das gesendete und das empfangene Signal gleichzeitig arbeiten, was oft zwei separate Antennen erfordert.

Die Einführung neuer elektronischer Verfahren in den 1960er Jahren ermöglichte die Kombination der beiden Techniken. Sie beginnt mit einem längeren Impuls, der ebenfalls frequenzmoduliert ist. Durch die zeitliche Streuung der Sendeenergie können niedrigere Spitzenenergien verwendet werden, wobei moderne Beispiele typischerweise in der Größenordnung von einigen zehn Kilowatt liegen. Beim Empfang wird das Signal in ein System geschickt, das die verschiedenen Frequenzen um unterschiedliche Zeiten verzögert. Das Ergebnis ist ein viel kürzerer Impuls, der sich für eine genaue Entfernungsmessung eignet. Gleichzeitig wird die empfangene Energie zu einer viel höheren Energiespitze komprimiert und damit das Signal-Rausch-Verhältnis verringert. Diese Technik ist bei modernen Großradaren weitgehend universell einsetzbar.

Geschwindigkeitsmessung

Die Geschwindigkeit ist die Veränderung der Entfernung zu einem Objekt in Abhängigkeit von der Zeit. Daher reicht das bestehende System zur Entfernungsmessung in Verbindung mit einer Speicherkapazität, um zu sehen, wo sich das Ziel zuletzt befand, zur Geschwindigkeitsmessung aus. Früher bestand der Speicher darin, dass der Benutzer mit einem Fettstift Markierungen auf dem Radarbildschirm anbrachte und dann die Geschwindigkeit mit einem Rechenschieber berechnete. Moderne Radarsysteme führen diesen Vorgang mit Hilfe von Computern schneller und genauer durch.

Wenn das Ausgangssignal des Senders kohärent (phasensynchronisiert) ist, gibt es einen weiteren Effekt, der genutzt werden kann, um nahezu sofortige Geschwindigkeitsmessungen vorzunehmen (es ist kein Speicher erforderlich), den so genannten Doppler-Effekt. Die meisten modernen Radarsysteme nutzen dieses Prinzip in Doppler-Radar- und Puls-Doppler-Radarsystemen (Wetterradar, Militärradar). Der Doppler-Effekt ist nur in der Lage, die relative Geschwindigkeit des Ziels entlang der Sichtlinie vom Radar zum Ziel zu bestimmen. Jede Komponente der Zielgeschwindigkeit senkrecht zur Sichtlinie kann nicht allein mit Hilfe des Dopplereffekts bestimmt werden, wohl aber der Azimut des Ziels über die Zeit.

Es ist möglich, ein Doppler-Radar ohne Pulsung, ein so genanntes Dauerstrich-Radar (CW-Radar), herzustellen, indem man ein sehr reines Signal mit einer bekannten Frequenz aussendet. CW-Radar ist ideal für die Bestimmung der radialen Komponente der Geschwindigkeit eines Ziels. Das CW-Radar wird in der Regel von der Verkehrspolizei eingesetzt, um die Geschwindigkeit von Fahrzeugen schnell und genau zu messen, wobei die Reichweite nicht wichtig ist.

Bei der Verwendung eines gepulsten Radars gibt die Phasenveränderung zwischen aufeinanderfolgenden Rückmeldungen die Entfernung an, die das Ziel zwischen den Impulsen zurückgelegt hat, und so kann seine Geschwindigkeit berechnet werden. Zu den weiteren mathematischen Entwicklungen in der Radarsignalverarbeitung gehören die Zeit-Frequenz-Analyse (Weyl-Heisenberg oder Wavelet) sowie die Chirplet-Transformation, die sich die Frequenzänderung der Echos von sich bewegenden Zielen zunutze macht ("Chirp").

Puls-Doppler-Signalverarbeitung

Impuls-Doppler-Signalverarbeitung. Die Achse "Range Sample" stellt einzelne Abtastwerte dar, die zwischen den einzelnen Sendeimpulsen genommen werden. Die Achse Bereichsintervall stellt jedes aufeinanderfolgende Sendeimpulsintervall dar, in dem Abtastungen vorgenommen werden. Bei der schnellen Fourier-Transformation werden die Zeitbereichsabtastungen in Frequenzbereichsspektren umgewandelt. Dies wird manchmal auch als Nagelbett bezeichnet.

Die Puls-Doppler-Signalverarbeitung umfasst eine Frequenzfilterung im Erkennungsprozess. Der Raum zwischen den einzelnen Sendeimpulsen wird in Bereichszellen oder Bereichstore unterteilt. Jede Zelle wird unabhängig gefiltert, ähnlich wie bei einem Spektrumanalysator, der die verschiedenen Frequenzen anzeigt. Jeder unterschiedliche Abstand erzeugt ein anderes Spektrum. Diese Spektren werden zur Durchführung des Erkennungsprozesses verwendet. Dies ist erforderlich, um eine akzeptable Leistung in feindlichen Umgebungen mit Wetter, Gelände und elektronischen Gegenmaßnahmen zu erreichen.

Der Hauptzweck besteht darin, sowohl die Amplitude als auch die Frequenz des gesamten reflektierten Signals aus verschiedenen Entfernungen zu messen. Dies wird beim Wetterradar zur Messung der radialen Windgeschwindigkeit und der Niederschlagsmenge in jedem einzelnen Luftvolumen verwendet. Dies wird mit Computersystemen verknüpft, um eine elektronische Wetterkarte in Echtzeit zu erstellen. Die Sicherheit von Flugzeugen hängt vom ständigen Zugang zu genauen Wetterradarinformationen ab, die zur Vermeidung von Verletzungen und Unfällen eingesetzt werden. Wetterradar verwendet eine niedrige PRF. Die Anforderungen an die Kohärenz sind nicht so streng wie bei militärischen Systemen, da die einzelnen Signale in der Regel nicht getrennt werden müssen. Es ist eine weniger ausgefeilte Filterung erforderlich, und die Verarbeitung von Mehrdeutigkeiten ist beim Wetterradar im Vergleich zum Militärradar, das für die Verfolgung von Luftfahrzeugen eingesetzt wird, normalerweise nicht notwendig.

Der andere Zweck ist die "Look-Down/Shoot-Down"-Fähigkeit, die zur Verbesserung der Überlebensfähigkeit im militärischen Luftkampf erforderlich ist. Puls-Doppler wird auch für bodengestützte Überwachungsradare eingesetzt, die zum Schutz von Personen und Fahrzeugen erforderlich sind. Die Puls-Doppler-Signalverarbeitung erhöht die maximale Erfassungsreichweite bei geringerer Strahlung in unmittelbarer Nähe von Flugzeugpiloten, Schiffspersonal, Infanterie und Artillerie. Reflexionen von Gelände, Wasser und Wetter erzeugen Signale, die viel größer sind als die von Flugzeugen und Raketen, so dass sich schnell bewegende Fahrzeuge mit Hilfe von "Nap-of-the-Earth"-Flugtechniken und Tarnkappentechnologie verstecken können, um nicht entdeckt zu werden, bis ein Angriffsfahrzeug zu nahe ist, um es zu zerstören. Die Impuls-Doppler-Signalverarbeitung beinhaltet eine ausgefeiltere elektronische Filterung, die diese Art von Schwachstelle sicher beseitigt. Dies erfordert die Verwendung einer mittleren Pulswiederholfrequenz mit phasenkohärenter Hardware, die einen großen dynamischen Bereich aufweist. Militärische Anwendungen erfordern eine mittlere PRF, die verhindert, dass die Reichweite direkt bestimmt werden kann, und es ist eine Verarbeitung zur Auflösung der Mehrdeutigkeit erforderlich, um die wahre Reichweite aller reflektierten Signale zu ermitteln. Die Radialbewegung wird in der Regel mit der Dopplerfrequenz verknüpft, um ein Verriegelungssignal zu erzeugen, das nicht durch Radarstörsignale erzeugt werden kann. Die Impuls-Doppler-Signalverarbeitung erzeugt auch hörbare Signale, die zur Identifizierung von Bedrohungen verwendet werden können.

Verringerung von Störeffekten

Die Signalverarbeitung wird in Radarsystemen eingesetzt, um die Interferenzwirkungen des Radars zu verringern. Zu den Signalverarbeitungstechniken gehören die Anzeige von beweglichen Zielen, die Puls-Doppler-Signalverarbeitung, Prozessoren zur Erkennung von beweglichen Zielen, die Korrelation mit sekundären Überwachungsradarzielen, die adaptive Raum-Zeit-Verarbeitung und das Track-before-detect-Verfahren. In Umgebungen mit Störsignalen werden auch eine konstante Fehlalarmrate und die Verarbeitung digitaler Geländemodelle eingesetzt.

Plot und Spurextraktion

Ein Track-Algorithmus ist eine Strategie zur Verbesserung der Radarleistung. Tracking-Algorithmen ermöglichen die Vorhersage der künftigen Position mehrerer sich bewegender Objekte auf der Grundlage der von den Sensorsystemen gemeldeten Einzelpositionen.

Historische Informationen werden gesammelt und zur Vorhersage zukünftiger Positionen für die Flugsicherung, die Einschätzung von Bedrohungen, die Doktrin von Kampfsystemen, das Zielen von Waffen und die Lenkung von Raketen verwendet. Die Positionsdaten werden von den Radarsensoren über einen Zeitraum von einigen Minuten gesammelt.

Es gibt vier gängige Algorithmen zur Positionsbestimmung.

  • Algorithmus des nächsten Nachbarn
  • Probabilistische Datenassoziation
  • Verfolgung mit mehreren Hypothesen
  • Interaktives Mehrfachmodell (IMM)

Radarvideobilder von Flugzeugen können einem Plot-Extraktionsverfahren unterzogen werden, bei dem Störsignale aussortiert werden. Eine Folge von Zielerfassungen kann durch ein als Plot Extractor bekanntes Gerät überwacht werden.

Die nicht relevanten Echtzeit-Rückmeldungen können aus den angezeigten Informationen entfernt werden, und es wird eine einzige Darstellung angezeigt. In einigen Radarsystemen oder alternativ in dem Befehls- und Kontrollsystem, an das das Radar angeschlossen ist, wird ein Radar-Tracker verwendet, um die Abfolge von Plots, die zu einzelnen Zielen gehören, zuzuordnen und die Richtungen und Geschwindigkeiten der Ziele zu schätzen.

Technik

Bestandteile des Radars

Die Bestandteile eines Radars sind:

  • Ein Sender, der das Funksignal mit einem Oszillator wie einem Klystron oder einem Magnetron erzeugt und dessen Dauer mit einem Modulator steuert.
  • Ein Wellenleiter, der den Sender und die Antenne miteinander verbindet.
  • Ein Duplexer, der als Schalter zwischen der Antenne und dem Sender oder dem Empfänger für das Signal dient, wenn die Antenne in beiden Situationen verwendet wird.
  • Ein Empfänger. Wenn die Form des gewünschten Empfangssignals (eines Impulses) bekannt ist, kann ein optimaler Empfänger mit Hilfe eines angepassten Filters entworfen werden.
  • Ein Anzeigeprozessor zur Erzeugung von Signalen für für Menschen lesbare Ausgabegeräte.
  • Ein elektronischer Teil, der alle diese Geräte und die Antenne steuert, um den von der Software angeordneten Radarscan durchzuführen.
  • Eine Verbindung zu den Endbenutzergeräten und -anzeigen.

Antennenentwurf

Dreht man die Antenne eines Pulsradars, erhält man ein Rundsichtradar. Die scharfe Richtcharakteristik der Antenne wirkt sowohl beim Senden als auch beim Empfang. Aus der Abhängigkeit der Stärke des Echos von der Orientierung der Antenne kann sehr genau die Richtung bestimmt werden. Bekannteste Anwendungsgebiete eines solchen Rundsichtradars sind Luftraumüberwachung und Wetterradar.

Ein Flughafen-Rundsicht-Radar (ASR, Airport Surveillance Radar) kombiniert meist ein Primärradar mit einem Sekundärradar. Neben der allgemeinen Luftraumüberwachung hat es vor allem die Aufgabe, dem Anfluglotsen ein genaues Bild der Luftlage rund um den Flughafen zu liefern. Die Reichweite eines ASR beträgt üblicherweise 60 sm.

Ein Anflugradar besteht aus jeweils einer waagerecht und einer senkrecht bewegten Antenne und ermöglicht, Anflugwinkel, Anflugrichtung und Anflughöhe landender Flugzeuge zu bestimmen. Der Pilot erhält die Korrekturhinweise über Funk vom Bodenpersonal oder er hat ein Anzeigeinstrument an Bord, welches Abweichungen passiv anhand der empfangenen Radarimpulse angibt. Solche Instrumentenlandungen oder Blindlandungen sind besonders bei schlechter Sicht oder bei aus militärischen Gründen unbefeuerter oder getarnter Landebahn von Bedeutung. Kurz vor dem Aufsetzen ist jedoch Bodensicht erforderlich.

Das bodengestützte STCA-System (Short Term Conflict Alert) zur Kollisionsvermeidung verwendet das Luftraumüberwachungsradar. Es berechnet aus der Flugspur (Track) von Luftfahrzeugen die Wahrscheinlichkeit eines nahen Vorbeifluges (near miss) oder gar Zusammenstoßes und warnt optisch und akustisch den Fluglotsen.

Das Schwenken des Abtaststrahles eines Impulsradars kann statt durch die Ausrichtung der Antenne auch elektronisch durch phasengesteuerte Antennenarrays bewirkt werden. Damit können in schnellem Wechsel mehrere Objekte angepeilt und quasi simultan verfolgt werden.

Das Synthetic Aperture Radar erreicht eine hohe, entfernungsunabhängige Auflösung in Azimut. Die erforderliche Aperturgröße wird rechnerisch aus der realen Apertur einer kleinen, bewegten Antenne zusammengesetzt. Dazu muss die Bewegung der Antenne relativ zu dem beobachteten (starren) Objekt genau bekannt und die Phase der ausgesendeten Impulse kohärent zueinander sein. Erdsatelliten und Raumsonden verwenden solche Systeme zur Vermessung von Geländeprofilen.

AS-3263/SPS-49(V)-Antenne (US Navy)

Funksignale, die von einer einzigen Antenne ausgestrahlt werden, breiten sich in alle Richtungen aus, und ebenso empfängt eine einzige Antenne Signale aus allen Richtungen gleichermaßen. Dies stellt das Radar vor das Problem, zu entscheiden, wo sich das Zielobjekt befindet.

Frühe Systeme verwendeten in der Regel Rundstrahlantennen mit gerichteten Empfängerantennen, die in verschiedene Richtungen ausgerichtet waren. Das erste System, das zum Einsatz kam, Chain Home, verwendete beispielsweise zwei gerade Antennen, die im rechten Winkel zueinander standen und jeweils auf ein anderes Display gerichtet waren. Bei einer Antenne, die rechtwinklig zum Ziel ausgerichtet war, wurde ein maximaler Rücklauf festgestellt, bei einer direkt auf das Ziel ausgerichteten Antenne ein minimaler. Der Bediener konnte die Richtung des Ziels bestimmen, indem er die Antenne so drehte, dass auf einem Display ein Maximum und auf dem anderen ein Minimum angezeigt wurde. Eine schwerwiegende Einschränkung bei dieser Art von Lösung ist, dass die Sendung in alle Richtungen ausgesendet wird, so dass die Energiemenge in der untersuchten Richtung nur einen kleinen Teil der gesendeten Energie ausmacht. Um eine vernünftige Energiemenge auf dem "Ziel" zu erhalten, sollte die Sendeantenne ebenfalls gerichtet sein.

Parabolischer Reflektor

Antenne eines Überwachungsradars

Modernere Systeme verwenden eine lenkbare Parabolantenne, um einen engen Sendestrahl zu erzeugen, wobei in der Regel die gleiche Antenne wie der Empfänger verwendet wird. Bei solchen Systemen werden oft zwei Radarfrequenzen in einer Antenne kombiniert, um eine automatische Lenkung bzw. eine Radarsperre zu ermöglichen.

Parabolreflektoren können entweder symmetrische Parabeln oder verzogene Parabeln sein: Symmetrische Parabolantennen erzeugen sowohl in der X- als auch in der Y-Dimension einen schmalen "Bleistiftstrahl" und haben daher einen höheren Gewinn. Das NEXRAD-Puls-Doppler-Wetterradar verwendet eine symmetrische Antenne, um detaillierte volumetrische Abtastungen der Atmosphäre durchzuführen. Spoiled-Parabolantennen erzeugen einen schmalen Strahl in einer Dimension und einen relativ breiten Strahl in der anderen. Diese Eigenschaft ist nützlich, wenn die Zielerfassung über einen großen Winkelbereich wichtiger ist als die Zielortung in drei Dimensionen. Die meisten 2D-Überwachungsradargeräte verwenden eine Spoiled-Parabolantenne mit enger azimutaler und breiter vertikaler Abstrahlbreite. Mit dieser Strahlkonfiguration kann der Radarbediener ein Flugzeug in einem bestimmten Azimut, aber in einer unbestimmten Höhe erfassen. Im Gegensatz dazu verwenden so genannte "Nodder"-Höhenortungsradare eine Schüssel mit enger vertikaler und breiter azimutaler Strahlungsbreite, um ein Flugzeug in einer bestimmten Höhe, aber mit geringer azimutaler Genauigkeit zu erkennen.

Arten der Abtastung

  • Primäre Abtastung: Eine Abtasttechnik, bei der die Hauptantennenantenne bewegt wird, um einen Abtaststrahl zu erzeugen, z. B. Kreisabtastung, Sektorabtastung usw.
  • Sekundärer Scan: Ein Abtastverfahren, bei dem die Antennenspeisung bewegt wird, um einen Abtaststrahl zu erzeugen, z. B. Kegelabtastung, unidirektionale Sektorabtastung, Keulenschaltung usw.
  • Palmer-Scan: Ein Abtastverfahren, bei dem ein Abtaststrahl durch Bewegen der Hauptantenne und ihrer Speisung erzeugt wird. Ein Palmer Scan ist eine Kombination aus einem Primary Scan und einem Secondary Scan.
  • Kegelförmige Abtastung: Der Radarstrahl wird in einem kleinen Kreis um die auf das Ziel ausgerichtete "Zielachse" gedreht.

Schlitzhohlleiter

Schlitzhohlleiterantenne

Ähnlich wie der Parabolreflektor wird der Schlitzhohlleiter mechanisch bewegt, um das Ziel abzutasten, und eignet sich besonders für nicht nachgeführte Oberflächenscan-Systeme, bei denen das vertikale Muster konstant bleiben kann. Aufgrund der geringeren Kosten und der geringeren Windbelastung wird dieses Verfahren heute bei Radaranlagen für Schiffe, Flughäfen und Häfen anstelle einer Parabolantenne eingesetzt.

Phased Array

Phasengesteuerte Anordnung: Nicht alle Radarantennen müssen sich drehen, um den Himmel abzutasten.

Bei einem Phased-Array-Radar wird eine andere Methode der Steuerung verwendet.

Phased-Array-Antennen bestehen aus gleichmäßig verteilten, ähnlichen Antennenelementen, wie z. B. Antennen oder Reihen von geschlitzten Hohlleitern. Jedes Antennenelement oder jede Gruppe von Antennenelementen weist eine diskrete Phasenverschiebung auf, die einen Phasengradienten über das Array erzeugt. Beispielsweise erzeugen Antennenelemente, die eine Phasenverschiebung von 5 Grad pro Wellenlänge über die gesamte Antennenfläche aufweisen, einen Strahl, der um 5 Grad von der Mittellinie abweicht, die senkrecht zur Antennenfläche verläuft. Signale, die sich entlang dieses Strahls bewegen, werden verstärkt. Signale, die von diesem Strahl abweichen, werden ausgelöscht. Das Ausmaß der Verstärkung ist der Antennengewinn. Das Ausmaß der Auslöschung ist die Nebenkeulenunterdrückung.

Phased-Array-Radargeräte werden seit den ersten Jahren des Radars im Zweiten Weltkrieg (Mammut-Radar) eingesetzt, aber die Einschränkungen der elektronischen Geräte führten zu einer schlechten Leistung. Phased-Array-Radare wurden ursprünglich für die Raketenabwehr eingesetzt (siehe z. B. Safeguard-Programm). Sie sind das Herzstück des schiffsgestützten Aegis-Kampfsystems und des Patriot-Raketensystems. Die massive Redundanz, die mit einer großen Anzahl von Phasenelementen verbunden ist, erhöht die Zuverlässigkeit auf Kosten einer allmählichen Leistungsverschlechterung, die beim Ausfall einzelner Phasenelemente auftritt. In geringerem Umfang werden Phased-Array-Radare auch für die Wetterüberwachung eingesetzt. Ab 2017 plant die NOAA, innerhalb von 10 Jahren ein landesweites Netz von Multifunktions-Phased-Array-Radaren für meteorologische Studien und die Flugüberwachung in den Vereinigten Staaten einzurichten.

Phased-Array-Antennen können so gebaut werden, dass sie bestimmten Formen entsprechen, wie Raketen, Infanteriefahrzeuge, Schiffe und Flugzeuge.

Da die Preise für Elektronik gesunken sind, werden Phased-Array-Radare immer häufiger eingesetzt. Fast alle modernen militärischen Radarsysteme basieren auf Phased Arrays, bei denen die geringen Mehrkosten durch die höhere Zuverlässigkeit eines Systems ohne bewegliche Teile ausgeglichen werden. Herkömmliche Systeme mit beweglichen Antennen sind immer noch weit verbreitet in Bereichen, in denen die Kosten eine wichtige Rolle spielen, wie z. B. bei der Überwachung des Luftverkehrs und ähnlichen Systemen.

Phased-Array-Radare werden für den Einsatz in Flugzeugen geschätzt, da sie mehrere Ziele verfolgen können. Das erste Flugzeug, das ein Phased-Array-Radar verwendete, war die B-1B Lancer. Das erste Kampfflugzeug, das ein Phased-Array-Radar verwendete, war die Mikoyan MiG-31. Das SBI-16 Zaslon Passive Electronically Scanned Array Radar der MiG-31M galt als das leistungsfähigste Jagdradar der Welt, bis das AN/APG-77 Active Electronically Scanned Array in der Lockheed Martin F-22 Raptor eingeführt wurde.

Phased-Array-Interferometrie oder Apertur-Synthese-Techniken, bei denen ein Array von separaten Schüsseln verwendet wird, die in eine einzige effektive Apertur phasengesteuert werden, sind nicht typisch für Radaranwendungen, obwohl sie in der Radioastronomie weit verbreitet sind. Wegen des dünnen Arrays führen solche Arrays mit mehreren Aperturen bei der Verwendung in Sendern zu schmalen Strahlenbündeln auf Kosten einer geringeren Gesamtleistung, die zum Ziel übertragen wird. Im Prinzip könnte man mit solchen Techniken die räumliche Auflösung erhöhen, aber die geringere Leistung bedeutet, dass dies im Allgemeinen nicht effektiv ist.

Die Apertursynthese durch Nachbearbeitung von Bewegungsdaten einer einzigen sich bewegenden Quelle ist dagegen in Weltraum- und Flugradarsystemen weit verbreitet.

Älteres Impulsmagnetron eines Radarsenders (ca. 9 GHz, 7 kW, Impulsdauer 0,1 bis 1 µs), links unten isolierter Heiz- und Kathodenanschluss, rechts oben Hohlleiterflansch
der Sender (PAT-Konzept), die Empfänger und Signalprozessor des polarimetrischen Wetterradars „Meteor 1500 S“

Die Antenne ist eines der auffälligsten Teile der Radaranlage. Die Antenne sichert durch das Antennendiagramm und ggf. eine Drehbewegung die erforderliche Verteilung der Sendeleistung im Raum. Die Antenne wird meist im Zeitmultiplexbetrieb verwendet. Während der Empfangszeit empfängt sie dann die reflektierte Energie.

Das Antennendiagramm muss sehr stark bündeln, damit ein gutes laterales und vertikales Auflösungsvermögen erreicht wird. Das Entfernungs-Auflösungsvermögen wird dagegen durch die Impulsdauer bestimmt. Im Falle einer mechanischen Raumabtastung wird die Antenne gedreht oder hin- und hergeschwenkt. Diese Bewegung kann ein erhebliches mechanisches Problem bereiten, weil die Antennenreflektoren bei großen Wellenlängen bzw. hoher Bündelung sehr große Dimensionen erreichen. Bei Radargeräten sind folgende Antennenbauformen üblich:

  • Passive Phased-Array-Antennen (siehe auch Gruppenantenne, Panelantenne)
  • Active Electronically Scanned Array (AESA), wie vor, jedoch mit aktiver elektronischer Ansteuerung der Einzelelemente, elektronische Strahlschwenkung, Zielverfolgung
  • Parabolantennen

Modernere Radargeräte mit Multifunktionseigenschaften verwenden immer eine Phased-Array-Antenne, ältere Gerätesysteme meist die Parabolantenne, die zur Erzeugung eines Cosecans²-Diagramms von der idealen Parabolform abweicht.

Frequenzbänder

Antennen müssen im Allgemeinen ähnlich groß sein wie die Wellenlänge der Betriebsfrequenz, normalerweise innerhalb einer Größenordnung. Dies bietet einen starken Anreiz, kürzere Wellenlängen zu verwenden, da dies zu kleineren Antennen führt. Kürzere Wellenlängen führen auch zu einer höheren Auflösung aufgrund von Beugung, was bedeutet, dass der geformte Reflektor, der bei den meisten Radargeräten zu sehen ist, für jede gewünschte Strahlbreite verkleinert werden kann.

Dem Übergang zu kleineren Wellenlängen stehen eine Reihe praktischer Probleme entgegen. Zum einen war die Elektronik, die zur Erzeugung sehr kurzer Wellenlängen mit hoher Leistung erforderlich war, im Allgemeinen komplexer und teurer als die für längere Wellenlängen benötigte Elektronik oder existierte überhaupt nicht. Ein weiteres Problem besteht darin, dass die effektive Apertur der Radargleichung bedeutet, dass eine bestimmte Antennen- (oder Reflektor-) Größe bei größeren Wellenlängen effizienter ist. Außerdem können kürzere Wellenlängen mit Molekülen oder Regentropfen in der Luft interagieren, wodurch das Signal gestreut wird. Sehr lange Wellenlängen haben auch zusätzliche Beugungseffekte, die sie für Radargeräte mit Überhorizont geeignet machen. Aus diesem Grund wird eine breite Palette von Wellenlängen für verschiedene Aufgaben verwendet.

Die traditionellen Bandnamen entstanden als Codenamen während des Zweiten Weltkriegs und werden auch heute noch im Militär und in der Luftfahrt auf der ganzen Welt verwendet. Sie wurden in den Vereinigten Staaten vom Institute of Electrical and Electronics Engineers und international von der International Telecommunication Union übernommen. In den meisten Ländern gibt es zusätzliche Vorschriften, die regeln, welche Teile der einzelnen Bänder für die zivile oder militärische Nutzung zur Verfügung stehen.

Andere Nutzer des Funkspektrums, wie z. B. die Rundfunk- und elektronische Gegenmaßnahmenindustrie, haben die traditionellen militärischen Bezeichnungen durch ihre eigenen Systeme ersetzt.

Radar-Frequenzbänder
Bandname Frequenzbereich Wellenlängenbereich Anmerkungen
HF 3-30 MHz 10-100 m Küstenradarsysteme, Over-the-Horizon (OTH)-Radare; "Hochfrequenz".
VHF 30-300 MHz 1-10 m Sehr große Reichweite, Bodendurchdringung; "sehr hohe Frequenz". Frühe Radarsysteme arbeiteten im Allgemeinen im VHF-Band, da für den Rundfunk bereits eine geeignete Elektronik entwickelt worden war. Heute ist dieses Band stark überlastet und aufgrund von Interferenzen für Radar nicht mehr geeignet.
P < 300 MHz > 1 m P" für "früher", rückwirkend angewandt auf frühe Radarsysteme; im Wesentlichen HF + VHF. Wegen der guten Durchdringung der Vegetation häufig für die Fernerkundung verwendet.
UHF 300-1000 MHz 0.3-1 m Sehr große Reichweite (z. B. Frühwarnung vor ballistischen Raketen), Bodendurchdringung, Durchdringung von Laub; "Ultrahochfrequenz". Effiziente Erzeugung und Empfang von sehr hohen Energieniveaus, die auch die Auswirkungen eines nuklearen Blackouts verringern, was sie für die Raketenerkennung nützlich macht.
L 1-2 GHz 15-30 cm Langstrecken-Flugverkehrskontrolle und -Überwachung; 'L' für 'long'. Weit verbreitet für Langstrecken-Frühwarnradare, da sie gute Empfangseigenschaften mit angemessener Auflösung kombinieren.
S 2-4 GHz 7,5-15 cm Überwachung mit mittlerer Reichweite, Flugsicherung, Wetterradar mit großer Reichweite, Schiffsradar; 'S' für 'sentimetric', sein Codename im Zweiten Weltkrieg. Weniger leistungsfähig als L, aber mit höherer Auflösung, wodurch sie sich besonders für bodengesteuerte Abfangeinsätze mit großer Reichweite eignen.
C 4-8 GHz 3,75-7,5 cm Satellitentransponder; ein Kompromiss (daher 'C') zwischen X- und S-Bändern; Wetter; Fernverfolgung
X 8-12 GHz 2,5-3,75 cm Raketensteuerung, Schiffsradar, Wetter, Kartierung mit mittlerer Auflösung und Bodenüberwachung; in den Vereinigten Staaten wird der schmale Bereich 10,525 GHz ±25 MHz für Flughafenradar verwendet; Verfolgung im Nahbereich. Benannt als X-Band, weil die Frequenz während des Zweiten Weltkriegs geheim war. Die Beugung von Regentropfen bei starkem Regen schränkt die Reichweite des Radars ein und macht es nur für Kurzstreckenradare oder solche geeignet, die gezielt Regen aufspüren.
K 18-24 GHz 1,11-1,67 cm Von Deutsch kurz, was 'kurz' bedeutet. Eingeschränkte Nutzung aufgrund der Absorption durch Wasserdampf bei 22 GHz, daher werden stattdessen Ku- und Ka-Bänder für die Überwachung verwendet. Das K-Band wird von Meteorologen zum Aufspüren von Wolken und von der Polizei zum Aufspüren von zu schnell fahrenden Autos verwendet. K-Band-Radarpistolen arbeiten bei 24,150 ± 0,100 GHz.
Ku 12-18 GHz 1,67-2,5 cm Hochauflösend, wird auch für Satellitentransponder verwendet, Frequenz unter K-Band (daher 'u')
Ka 24-40 GHz 0,75-1,11 cm Kartierung, kurze Reichweite, Flughafenüberwachung; Frequenz knapp oberhalb des K-Bandes (daher 'a') Fotoradar, wird zur Auslösung von Kameras verwendet, die Bilder von Nummernschildern von Autos machen, die bei Rot über die Ampel fahren, arbeitet bei 34,300 ± 0,100 GHz.
mm 40-300 GHz 1,0-7,5 mm Millimeterband, unterteilt wie unten. Der Sauerstoff in der Luft ist ein äußerst wirksamer Dämpfer bei 60 GHz, ebenso wie andere Moleküle bei anderen Frequenzen, was zu dem so genannten Ausbreitungsfenster bei 94 GHz führt. Selbst in diesem Fenster ist die Dämpfung höher als die von Wasser bei 22,2 GHz. Daher sind diese Frequenzen im Allgemeinen nur für hochspezifische Radarsysteme mit kurzer Reichweite nützlich, wie z. B. Systeme zur Vermeidung von Stromleitungen bei Hubschraubern oder für den Einsatz im Weltraum, wo die Dämpfung kein Problem darstellt. Diesen Bändern sind von verschiedenen Gruppen mehrere Buchstaben zugewiesen worden. Diese stammen von Baytron, einer inzwischen nicht mehr existierenden Firma, die Testgeräte herstellte.
V 40-75 GHz 4,0-7,5 mm Sehr starke Absorption durch atmosphärischen Sauerstoff, der bei 60 GHz in Resonanz geht.
W 75-110 GHz 2,7-4,0 mm Wird als visueller Sensor für experimentelle autonome Fahrzeuge, hochauflösende meteorologische Beobachtung und Bildgebung verwendet.

Modulatoren

Modulatoren dienen zur Erzeugung der Wellenform des HF-Impulses. Es gibt zwei verschiedene Arten von Radarmodulatoren:

  • Hochspannungsschalter für nichtkohärente getastete Leistungsoszillatoren Diese Modulatoren bestehen aus einem Hochspannungsimpulsgenerator, der aus einer Hochspannungsversorgung, einem impulsformenden Netzwerk und einem Hochspannungsschalter wie einem Thyratron besteht. Sie erzeugen kurze Stromimpulse, um z. B. das Magnetron zu speisen, eine spezielle Art von Vakuumröhre, die Gleichstrom (normalerweise gepulst) in Mikrowellen umwandelt. Diese Technologie wird als gepulste Leistung bezeichnet. Auf diese Weise wird der gesendete Puls der HF-Strahlung auf eine bestimmte, meist sehr kurze Dauer begrenzt.
  • Hybridmischer, gespeist von einem Wellenformgenerator und einem Erreger für eine komplexe, aber kohärente Wellenform. Diese Wellenform kann durch Eingangssignale mit geringer Leistung/Niederspannung erzeugt werden. In diesem Fall muss der Radarsender ein Leistungsverstärker sein, z. B. ein Klystron oder ein Festkörpersender. In diesem Fall ist der gesendete Impuls intrapulsmoduliert und der Radarempfänger muss Pulskompressionstechniken verwenden.

Kühlmittel

Kohärente Mikrowellenverstärker mit einer Mikrowellenleistung von mehr als 1.000 Watt, wie Wanderfeldröhren und Klystrons, benötigen ein flüssiges Kühlmittel. Der Elektronenstrahl muss die 5- bis 10-fache Leistung des Mikrowellenausgangs enthalten, wodurch genügend Wärme zur Erzeugung eines Plasmas erzeugt werden kann. Dieses Plasma fließt vom Kollektor zur Kathode. Die gleiche magnetische Fokussierung, die den Elektronenstrahl leitet, zwingt das Plasma in den Weg des Elektronenstrahls, aber in die entgegengesetzte Richtung. Dies führt zu einer FM-Modulation, die die Doppler-Leistung verschlechtert. Um dies zu verhindern, ist ein flüssiges Kühlmittel mit minimalem Druck und Durchfluss erforderlich. In den meisten Hochleistungs-Oberflächenradarsystemen, die mit Doppler-Verfahren arbeiten, wird normalerweise deionisiertes Wasser verwendet.

Coolanol (Silikatester) wurde in den 1970er Jahren in mehreren Militärradargeräten verwendet. Es ist jedoch hygroskopisch, was zur Hydrolyse und zur Bildung von hochentzündlichem Alkohol führt. Der Verlust eines Flugzeugs der US-Marine im Jahr 1978 wurde auf einen Silikatesterbrand zurückgeführt. Coolanol ist außerdem teuer und giftig. Die U.S. Navy hat ein Programm zur Vermeidung von Umweltverschmutzung (Pollution Prevention, P2) eingeführt, um das Volumen und die Toxizität von Abfällen, Luftemissionen und Abwassereinleitungen zu vermeiden oder zu reduzieren. Aus diesem Grund wird Coolanol heute weniger häufig verwendet.

Vorschriften

Radar (auch: RADAR) wird in Artikel 1.100 der Vollzugsordnung für den Funkdienst (RR) der Internationalen Fernmeldeunion (ITU) definiert als:

Ein Funkbestimmungssystem, das auf dem Vergleich von Referenzsignalen mit Funksignalen beruht, die von der zu bestimmenden Position reflektiert oder weitergesendet werden. Jedes Funkbestimmungssystem wird durch den Funkdienst klassifiziert, in dem es ständig oder vorübergehend betrieben wird. Typische Radarnutzungen sind Primärradar und Sekundärradar, die im Funkortungsdienst oder im Funkortungs-Satellitendienst eingesetzt werden können.

Konfigurationen

Radar#ImpulsradarStructure radar.svg
Über dieses Bild

Aktive Radargeräte werden in bildgebend und nicht bildgebend eingeteilt. Ferner unterscheidet man zwischen Impuls- und Dauerstrichradargeräten sowie zwischen mono- und bistatischen Anlagen; bei letzteren sind Sender und Empfänger räumlich getrennt, was auf astronomische Entfernung eine höhere Empfindlichkeit erlaubt. Radarsender sind mittels Peilempfängern erkenn- und ortbar.

Als Primärradar werden Pulsradar-Geräte bezeichnet, die ausschließlich das passiv reflektierte Echo des Zieles auswerten. Es lassen sich neben der Entfernung auch die radiale Geschwindigkeit der Objekte und deren ungefähre Größe ermitteln. Auswertung reflektierter Oberwellen erlaubt Rückschlüsse auf den Flugzeugtyp.

Ein Sekundärradar umfasst ebenfalls ein Impulsradargerät, jedoch befinden sich an den Zielobjekten Transponder, die auf die Pulse reagieren und ihrerseits ein Signal zurücksenden. Hierdurch erhöht sich die Reichweite, die Objekte sind identifizierbar und können ggf. weitere Daten zurücksenden.

Peilempfänger, die die Quelle von Funkwellen (von Radar- und anderen Geräten und deren Störabstrahlung) zu militärischen Zwecken orten können, nennt man auch passives Radar. Ein passives Radar ist daher nicht anhand seiner Funkwellenaussendung zu entdecken.

Eine weitere Art von Radargeräten, die nur schwer zu entdecken sind, ist das Rauschradar, welches lange Pulse aussendet, welche wie zufällige Störstrahlung aussehen.

Radargeräte gibt es in einer Vielzahl von Konfigurationen in Bezug auf den Sender, den Empfänger, die Antenne, die Wellenlänge, die Abtaststrategien usw.

Allgemeines

Radarmonitor in der Flugüberwachung eines Flugzeugträgers

Ein Radargerät ist ein Gerät, das ein sogenanntes Primärsignal als gebündelte elektromagnetische Welle aussendet, die von Objekten reflektierten Echos als Sekundärsignal empfängt und nach verschiedenen Kriterien auswertet. So können Informationen über die Objekte gewonnen werden. Meist handelt es sich um eine Ortung (Bestimmung von Entfernung und Winkel). Es gibt je nach Einsatzzweck unterschiedliche Radarprinzipien wie das Wetterradar, das harmonische Radar und das Überhorizontradar.

Aus den empfangenen, vom Objekt reflektierten Wellen können u. a. folgende Informationen gewonnen werden:

  • der Winkel bzw. die Richtung zum Objekt
  • die Entfernung zum Objekt (aus der Zeitverschiebung zwischen Senden und Empfangen, siehe Lichtgeschwindigkeit)
  • die Relativbewegung zwischen Sender und Objekt – sie kann durch den Doppler-Effekt aus der Verschiebung der Frequenz des reflektierten Signals berechnet werden
  • das Aneinanderreihen einzelner Messungen liefert die Wegstrecke und die Absolutgeschwindigkeit des Objektes
  • bei guter Auflösung des Radars können Konturen des Objektes erkannt werden (z. B. der Flugzeugtyp) oder sogar Bilder gewonnen werden (Erd- und Planetenerkundung).

Die sich ausbreitende elektromagnetische Welle des Radars wird mitunter auch als Radarstrahlung bezeichnet. Man spricht auch von einem Radarstrahl, insbesondere wenn die Abstrahlung von dem Radargerät aufgrund des Antennenentwurfs weitgehend gebündelt in eine Richtung erfolgt. Die Strahlungscharakteristik der Antenne hat dann eine sogenannte Keulenform.

Da die Wellenlänge des Radars je nach Anwendung und Stand der Technik im Bereich der Funkwellen im Kurz- bis Mikrowellenbereich liegt, wurde ursprünglich die Bezeichnung Funkmeßtechnik (kurz Funkmeß) verwendet. Sie wurde nach dem Zweiten Weltkrieg in der Bundesrepublik Deutschland durch den Begriff Radar ersetzt. In der DDR wurde in der Fachsprache weiterhin von Funkmeßtechnik gesprochen.

Impulsradar

Pulserzeugung

Um in Pulsradar-Geräten die hohen Sendeleistungen im Megawattbereich zu erzeugen, welche zur Ortung z. B. über einige 100 km nötig sind, werden auch heute Magnetrons verwendet. Dazu wird ein Magnetron z. B. mittels Trigatron, Thyratron oder neuerdings auch Halbleiterschaltern gepulst betrieben.

Da sich die Sendefrequenz eines Magnetrons in Abhängigkeit von Temperatur und Betriebszustand ändern kann, wird bei Messungen der relativen Radialgeschwindigkeit die Frequenzreferenz beim Empfang aus der Sendefrequenz abgeleitet (siehe pseudokohärentes Radar).

Stationäre Pulsradargeräte erreichten Leistungen bis zu 100 MW als Spitzenimpulsleistung. Moderne Radargeräte benötigen für Reichweiten von mehreren 100 km sehr viel weniger Energie und senden teilweise Pulse mit einer Pulsleistung unter einem Megawatt.

Bei der Verwendung vieler kleiner, in Verbund arbeitender Sender oder bei Geräten mit aktiven Phased-Array-Antennen kann auf die Röntgenstrahlen aussendenden Schaltröhren verzichtet werden.

Radarbaugruppen im Impulsradar

Radarsender

Eine in älteren Radargeräten, jedoch auch heute verwendete Senderbauart sind selbstschwingende Impuls-Oszillatoren, die aus einem Magnetron bestehen. Das Magnetron wird durch einen Hochspannungsimpuls gespeist und erzeugt einen Hochfrequenz-Impuls hoher Leistung (0,1…10 µs, Leistung einige kW bis einige MW). Der Hochspannungsimpuls für das Magnetron wird durch einen Modulator (Schaltröhre oder heute auch Halbleiterschalter mit MOSFET) bereitgestellt. Dieses Sendesystem wird auch POT (Power-Oszillator-Transmitter) genannt. Radargeräte mit einem POT sind entweder nicht kohärent oder pseudokohärent.

Ein in moderneren Radargeräten verwendetes Konzept ist der PAT (Power-Amplifier-Transmitter). Bei diesem Sendersystem wird in einem Generator der fertige Sendeimpuls mit kleiner Leistung erzeugt und dann mit einem Hochleistungsverstärker (Amplitron, Klystron, Wanderfeldröhre oder Halbleiter-Sendermodulen) auf die nötige Leistung gebracht. Radargeräte mit einem PAT sind in den meisten Fällen vollkohärent und können deshalb besonders gut zur Erkennung von bewegten Objekten durch Ausnutzung der Doppler-Frequenz eingesetzt werden.

Empfänger

Der Empfänger nutzt meist die Sendeantenne und muss daher vor dem Sendeimpuls geschützt werden, Das geschieht mit Zirkulatoren, Richtkopplern und Nulloden. Der Empfang erfolgt mit dem Überlagerungsprinzip, früher wurde als Oszillator ein Reflexklystron verwendet, zur Mischung und Demodulation dienten koaxial aufgebaute, in Hohlleiter eingeschraubte Spitzendioden. Heutige Empfänger arbeiten vollständig mit Halbleitern und sind in Streifenleitertechnik aufgebaut.

Dauerstrichradar (CW-Radar)

Moduliertes Dauerstrichradar (FMCW-Radar)

Industriell gefertigtes 61-GHz-FMCW-Radar zur Entfernungsmessung

Eine weiterentwickelte Art sind die FMCW (frequency modulated continuous wave) Radargeräte, auch Modulated CW-Radar oder FM-Radar. Sie senden mit einer sich ständig ändernden Frequenz. Die Frequenz steigt entweder linear an, um bei einem bestimmten Wert abrupt wieder auf den Anfangswert abzufallen (Sägezahnmuster), oder sie steigt und fällt abwechselnd mit konstanter Änderungsgeschwindigkeit. Durch die lineare Änderung der Frequenz und durch das stetige Senden ist es möglich, neben der Differenzgeschwindigkeit zwischen Sender und Objekt auch gleichzeitig deren absolute Entfernung voneinander zu ermitteln. Radar-Fallen der Verkehrspolizei arbeiten auf diese Weise und lösen bei Geschwindigkeitsüberschreitung bei einer bestimmten Entfernung zum Ziel den Fotoblitz aus. Radar-Höhenmesser von Flugzeugen und Abstandswarngeräte in Autos arbeiten nach diesem Prinzip. Diese Technologie wird auch für Rundsichtradar im marinen Bereich eingesetzt (Broadband Radar). Eine Nutzung dieses Broadband-Radars zur Luftraumaufklärung ist nicht möglich, da die Dopplerfrequenz von Flugzeugen zu groß ist und dadurch Messfehler von bis zu mehreren Kilometern entstehen. Ursache dafür ist die verwendete sägezahnförmige Modulation, wegen der das Broadband Radar nicht zwischen Frequenzdifferenz verursacht durch Laufzeit und Frequenzdifferenz verursacht durch Doppler-Effekt unterscheiden kann.

FMCW-Radare werden außerdem in industriellen Anwendungen zur Abstandsmessung und zur Messung von Füllstandshöhe in Tanks eingesetzt.

Neue Technologien

Begünstigt durch höhere Integration einzelner Baugruppen können komplette Radargeräte als kleinste Module aufgebaut werden. Der komplette Hochfrequenzteil eines Radars lässt sich zum Beispiel in einem einzelnen integrierten Schaltkreis unterbringen. Das ermöglicht neue Konzepte beim Aufbau größerer Radarsysteme. Durch eine Vielzahl kleiner synchron und kohärent arbeitender Radarmodule kann ein Phased-Array-Radarsystem auch in einem unebenen Gelände verteilt werden. Laufzeitunterschiede der einzelnen Module durch die Unebenheit werden durch Software ausgeglichen. Ein solches System wird dann Distributed Radar System (DRS) genannt. Es kann zum Beispiel auf einem Berghang oder auch auf der Außenhaut eines Kriegsschiffes verteilt zu einem Großraumradar aufgebaut werden.

Gesundheitsschäden durch Radar

Die in den Schaltröhren entstehende Röntgenstrahlung war bis mindestens in die 1980er Jahre bei militärischen Radaranlagen häufig unzureichend abgeschirmt. Darüber hinaus mussten Wartungs- und Justierarbeiten oft am geöffneten Gerät durchgeführt werden. Dies führte zu Strahlenschäden bei vielen Bedienungs- und Wartungssoldaten der NVA und der Bundeswehr. Eine große Zahl von Soldaten, vor allem ehemalige Radartechniker, erkrankte dadurch später an Krebs, viele sind bereits in relativ jungem Alter verstorben. Die Zahl der Geschädigten (Radaropfer) beträgt mehrere Tausend. Grundsätzlich wurde der Zusammenhang von der Bundeswehr anerkannt und in vielen Fällen eine Zusatzrente gezahlt.