Radar -Radar

Eine Langstrecken-Radarantenne, bekannt als ALTAIR, die zur Erkennung und Verfolgung von Weltraumobjekten in Verbindung mit ABM-Tests auf dem Ronald-Reagan-Testgelände auf dem Kwajalein-Atoll verwendet wird.
Langstrecken-Radarantenne zur Verfolgung von Weltraumobjekten und ballistischen Raketen.
Das israelische Militärradar ist typisch für den Radartyp, der für die Flugsicherung verwendet wird.  Die Antenne dreht sich mit konstanter Geschwindigkeit und überstreicht den lokalen Luftraum mit einem schmalen vertikalen fächerförmigen Strahl, um Flugzeuge in allen Höhen zu erkennen.
Radar des Typs, der zur Ortung von Luftfahrzeugen verwendet wird. Es dreht sich stetig und fegt den Luftraum mit einem schmalen Strahl.

Radar ( Radio Detection and Ranging ) ist ein Detektionssystem, das Funkwellen verwendet , um die Entfernung ( Ranging ), den Winkel und die radiale Geschwindigkeit von Objekten relativ zum Standort zu bestimmen. Es kann zur Erkennung von Flugzeugen , Schiffen , Raumfahrzeugen , Lenkflugkörpern , Kraftfahrzeugen , Wetterformationen und Gelände verwendet werden . Ein Radarsystem besteht aus einem Sender , der elektromagnetische Wellen im Radio- oder Mikrowellenbereich erzeugt , einer Sendeantenne, eine Empfangsantenne (häufig wird dieselbe Antenne zum Senden und Empfangen verwendet) und einen Empfänger und Prozessor , um Eigenschaften der Objekte zu bestimmen. Radiowellen (gepulst oder kontinuierlich) vom Sender werden von den Objekten reflektiert und kehren zum Empfänger zurück, wobei sie Informationen über die Position und Geschwindigkeit der Objekte liefern.

Radar wurde in der Zeit vor und während des Zweiten Weltkriegs von mehreren Ländern heimlich für militärische Zwecke entwickelt . Eine Schlüsselentwicklung war das Hohlraummagnetron im Vereinigten Königreich , das die Schaffung relativ kleiner Systeme mit einer Auflösung von weniger als einem Meter ermöglichte. Der Begriff RADAR wurde 1940 von der United States Navy als Akronym für „Radio Detection and Ranging“ geprägt. Der Begriff Radar ist seitdem als gebräuchliches Substantiv ins Englische und andere Sprachen eingegangen und hat jegliche Großschreibung verloren . Während der RAF -Radarkurse 1954–55 im Yatesbury Training Camp wurde "Radio Azimuth Direction and Ranging " vorgeschlagen. Die modernen Anwendungen von Radar sind sehr vielfältig, einschließlich Luft- und Landverkehrskontrolle, Radarastronomie , Luftverteidigungssysteme , Raketenabwehrsysteme , Marineradare zur Ortung von Landmarken und anderen Schiffen, Antikollisionssysteme für Flugzeuge, Meeresüberwachungssysteme , Weltraum Überwachungs- und Rendezvous -Systeme, meteorologische Niederschlagsüberwachung, Altimetrie- und Flugsteuerungssysteme , Lenkflugkörper- Zielortungssysteme, selbstfahrende Autos und Bodenradar für geologische Beobachtungen. High-Tech-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 radarähnliche Systeme nutzen andere Teile des elektromagnetischen Spektrums . Ein Beispiel ist Lidar , das statt Radiowellen überwiegend Infrarotlicht von Lasern nutzt. Mit dem Aufkommen fahrerloser Fahrzeuge soll Radar die automatisierte Plattform bei der Überwachung ihrer Umgebung unterstützen und so unerwünschte Zwischenfälle verhindern.

Geschichte

Erste Versuche

Bereits 1886 zeigte der deutsche Physiker Heinrich Hertz , dass Radiowellen von festen Objekten reflektiert werden können. Im Jahr 1895 entwickelte Alexander Popov , ein Physiklehrer an der Schule der kaiserlichen russischen Marine in Kronstadt , einen Apparat, der ein Kohärenrrohr zur Erkennung entfernter Blitzeinschläge verwendete. Im nächsten Jahr fügte er einen Funkenstreckensender hinzu . Als er 1897 diese Ausrüstung für die Kommunikation zwischen zwei Schiffen in der Ostsee testete , bemerkte er einen Interferenzschlag , der durch die Passage eines dritten Schiffes verursacht wurde. In seinem Bericht schrieb Popov, dass dieses Phänomen zur Erkennung von Objekten verwendet werden könnte, aber er tat nichts weiter mit dieser Beobachtung.

Der deutsche Erfinder Christian Hülsmeyer nutzte erstmals Radiowellen, um „das Vorhandensein entfernter metallischer Objekte“ zu erkennen. 1904 demonstrierte er die Machbarkeit, ein Schiff in dichtem Nebel zu erkennen, aber nicht seine Entfernung vom Sender. Er erhielt im April 1904 ein Patent für sein Ortungsgerät und später ein Patent für eine damit verbundene Änderung zur Schätzung der Entfernung zum Schiff. Außerdem erhielt er am 23. September 1904 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 nutzte bereits den klassischen Antennenaufbau einer Hornantenne mit Parabolreflektor und wurde deutschen Militärs in Praxistests im Kölner und Rotterdamer Hafen vorgestellt, aber abgelehnt.

1915 nutzte Robert Watson-Watt die Funktechnologie, um Flieger im Voraus zu warnen, und leitete in den 1920er Jahren die britische Forschungseinrichtung, um viele Fortschritte mit Funktechniken zu erzielen, darunter die Sondierung der Ionosphäre und die Erkennung von Blitzen auf große Entfernungen . Durch seine Blitzexperimente wurde Watson-Watt ein Experte für die Verwendung von Funkpeilungen, bevor er seine Untersuchung auf die Kurzwellenübertragung richtete. Da er einen geeigneten Empfänger für solche Studien benötigte, forderte er den „Neuen“ Arnold Frederic Wilkins auf, eine umfassende Überprüfung der verfügbaren Kurzwellengeräte durchzuführen. Wilkins würde ein General Post Office -Modell auswählen, nachdem er die Beschreibung seines Handbuchs eines "Fading" -Effekts (der damals übliche Begriff für Interferenz) beim Überfliegen von Flugzeugen zur Kenntnis genommen hatte.

Auf der anderen Seite des Atlantiks im Jahr 1922 entdeckten die Forscher der US Navy, A. Hoyt Taylor und Leo C. Young , nachdem sie einen Sender und einen Empfänger auf gegenüberliegenden Seiten des Potomac River platziert hatten, dass Schiffe, die durch den Strahlengang fuhren, das empfangene Signal ein- und ausblenden ließen. Taylor reichte einen Bericht ein, der vorschlug, dass dieses Phänomen verwendet werden könnte, um das Vorhandensein von Schiffen bei schlechten Sichtverhältnissen zu erkennen, aber die Marine setzte die Arbeit nicht sofort fort. Acht Jahre später beobachtete Lawrence A. Hyland vom Naval Research Laboratory (NRL) ähnliche Fading-Effekte von vorbeifliegenden Flugzeugen; Diese Entdeckung führte zu einer Patentanmeldung sowie zu einem Vorschlag für weitere intensive Forschung zu Funkechosignalen von sich bewegenden Zielen, die am NRL stattfinden sollten, wo Taylor und Young zu dieser Zeit ansässig waren.

In ähnlicher Weise meldete LS Alder in Großbritannien 1928 ein geheimes vorläufiges Patent für Marineradar an. WAS Butement und PE Pollard entwickelten eine Steckbrett-Testeinheit, die mit 50 cm (600 MHz) arbeitete und gepulste Modulation verwendete, die erfolgreiche Laborergebnisse lieferte. Im Januar 1931 wurde eine Beschreibung des Geräts in das von den Royal Engineers geführte Erfindungsbuch aufgenommen. Dies ist die erste offizielle Aufzeichnung in Großbritannien über die Technologie, die in der Küstenverteidigung verwendet wurde und als Chain Home (low) in Chain Home integriert wurde .

Kurz vor dem Zweiten Weltkrieg

Experimentelle Radarantenne, US Naval Research Laboratory , Anacostia, DC, aus den späten 1930er Jahren (Foto aufgenommen 1945).

Vor dem Zweiten Weltkrieg entwickelten Forscher in Großbritannien, 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 vor dem Krieg, und Ungarn entwickelte seine Radartechnologie während des Krieges.

In Frankreich begann 1934 nach systematischen Studien über das Magnetron mit geteilter Anode der Forschungszweig der Compagnie Générale de Télégraphie Sans Fil (CSF) unter der Leitung von Maurice Ponte mit Henri Gutton, Sylvain Berline und M. Hugon mit der Entwicklung einer Hindernisortung Funkgerät, dessen Teile 1935 auf dem Ozeandampfer Normandie installiert wurden.

Während der gleichen Zeit produzierte der sowjetische Militäringenieur PK Oshchepkov in Zusammenarbeit mit dem Leningrader Elektrotechnischen Institut einen experimentellen Apparat, RAPID, der in der Lage war, ein Flugzeug innerhalb von 3 km von einem Empfänger zu erkennen. Die Sowjets produzierten 1939 ihre ersten Massenproduktionsradare RUS-1 und RUS-2 Redut, aber die weitere Entwicklung wurde nach der Verhaftung von Oshchepkov und seiner anschließenden Gulag - Verurteilung verlangsamt. Insgesamt wurden während des Krieges nur 607 Redut-Stationen produziert. Das erste russische Luftradar, Gneiss-2 , wurde im Juni 1943 auf Pe-2- Tauchbombern in Dienst gestellt . Bis Ende 1944 wurden mehr als 230 Gneiss-2-Stationen produziert. Die französischen und sowjetischen Systeme verfügten jedoch über einen Dauerstrichbetrieb, der nicht die volle Leistung erbrachte, die letztendlich gleichbedeutend mit modernen Radarsystemen ist.

Das Vollradar entwickelte sich als gepulstes System, und der erste derartige elementare Apparat wurde im Dezember 1934 von dem Amerikaner Robert M. Page demonstriert , der am Naval Research Laboratory arbeitete . Im folgenden Jahr testete die US-Armee erfolgreich ein primitives Bodenradar, um nachts Küstenbatterie- Suchscheinwerfer auszurichten. Diesem Design folgte ein gepulstes System, das im Mai 1935 von Rudolf Kühnhold und der Firma GEMA  [ de ] in Deutschland demonstriert wurde, und dann ein weiteres im Juni 1935 von einem Team des Luftfahrtministeriums unter der Leitung von Robert Watson-Watt in Großbritannien.

Die erste funktionsfähige Einheit, die 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 gab eine Reihe von Berechnungen zurück, die zeigten, dass das System im Grunde unmöglich war. Als Watson-Watt dann fragte, was ein solches System leisten 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 ihr GPO-Empfänger auf einem Feld aufgestellt wurden, während ein Bomber über das Gelände flog. Als das Flugzeug eindeutig entdeckt wurde, war Hugh Dowding , Air Member for Supply and Research , sehr beeindruckt vom Potenzial ihres Systems und es wurden sofort Mittel für die weitere betriebliche Entwicklung bereitgestellt. Watson-Watts Team patentierte das Gerät in GB593017.

Ein Chain Home Tower 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 stark ausgeweitet, als Watson-Watt Superintendent einer neuen Einrichtung unter dem britischen Luftfahrtministerium , der Bawdsey Research Station, wurde, die sich in Bawdsey Manor in der Nähe von Felixstowe, Suffolk, befand. Die dortigen Arbeiten führten rechtzeitig zum Ausbruch des Zweiten Weltkriegs im Jahr 1939 zum Entwurf und zur Installation von Flugzeugortungs- und Verfolgungsstationen namens " Chain Home " entlang der Ost- und Südküste Englands. Dieses System lieferte die entscheidenden Vorabinformationen, die der Royal halfen Luftwaffe gewinnt die Luftschlacht um England ; ohne sie hätte immer eine beträchtliche Anzahl von Kampfflugzeugen, die Großbritannien nicht zur Verfügung hatte, in der Luft sein müssen, um schnell reagieren zu können. Hätte sich die Ortung deutscher Flugzeuge ausschließlich auf die Beobachtungen bodengestützter Personen verlassen, hätte Großbritannien die Luftschlacht um England möglicherweise verloren. Das Radar bildete einen Teil des „ Dowding-Systems “ zum Sammeln von Meldungen feindlicher Flugzeuge und zum Koordinieren der Reaktion.

Angesichts der erforderlichen Finanzierung und Entwicklungsunterstützung produzierte das Team 1935 funktionierende Radarsysteme und begann mit dem Einsatz. Bis 1936 waren die ersten fünf Chain Home (CH)-Systeme in Betrieb und erstreckten sich bis 1940 über ganz Großbritannien, einschließlich Nordirland. Selbst nach damaligen Maßstäben war CH grob; Anstatt von einer gezielten Antenne zu senden und zu empfangen, sendete CH ein Signal, das den gesamten Bereich davor beleuchtete, und verwendete dann einen von Watson-Watts eigenen Funkpeilern, um die Richtung der zurückgegebenen Echos zu bestimmen. Diese Tatsache bedeutete, dass CH-Sender viel leistungsstärker sein mussten und bessere Antennen als konkurrierende Systeme haben mussten, ermöglichten aber ihre schnelle Einführung unter Verwendung bestehender Technologien.

Während des Zweiten Weltkriegs

Eine Schlüsselentwicklung war das Hohlraummagnetron in Großbritannien, das die Schaffung relativ kleiner Systeme mit einer Auflösung von weniger als einem Meter ermöglichte. Großbritannien teilte die Technologie während der Tizard-Mission von 1940 mit den USA .

Im April 1940 zeigte Popular Science in einem Artikel über Luftverteidigung ein Beispiel einer Radareinheit, die das Patent von Watson-Watt verwendete. Außerdem hatte Popular Mechanics Ende 1941 einen Artikel, in dem ein US-Wissenschaftler über das britische Frühwarnsystem an der englischen Ostküste spekulierte und dem nahe kam, was es war und wie es funktionierte. Watson-Watt wurde 1941 in die USA geschickt, um nach dem Angriff Japans auf Pearl Harbor bei der Luftverteidigung zu beraten . Alfred Lee Loomis organisierte das geheime MIT Radiation Laboratory am Massachusetts Institute of Technology , Cambridge, Massachusetts, das in den Jahren 1941–45 die Mikrowellenradartechnologie entwickelte. Später, im Jahr 1943, verbesserte Page das Radar mit der Monopulstechnik , die viele Jahre lang in den meisten Radaranwendungen verwendet wurde, erheblich.

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

Anwendungen

Kommerzielle Marine-Radarantenne. Die rotierende Antenne strahlt einen vertikalen fächerförmigen Strahl ab.

Die vom Radar bereitgestellten Informationen umfassen die Peilung und die Entfernung (und damit die Position) des Objekts vom Radarscanner. Es wird daher in vielen verschiedenen Bereichen verwendet, in denen die Notwendigkeit einer solchen Positionierung von entscheidender Bedeutung ist. Der erste Einsatz von Radar erfolgte für militärische Zwecke: 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 auf ihrem Weg warnen oder sich ihnen nähern, Wetterinformationen anzeigen und genaue Höhenmesswerte liefern. Das erste kommerzielle Gerät, das in Flugzeuge eingebaut wurde, war eine Bell Lab-Einheit von 1938 in einigen Flugzeugen von United Air Lines . Flugzeuge können im Nebel auf Flughäfen landen, die mit radargestützten bodengesteuerten Anflugsystemen ausgestattet sind, bei denen die Position des Flugzeugs auf Präzisionsanflugradarbildschirmen von Bedienern beobachtet wird, die dadurch dem Piloten Funklandeanweisungen geben und das Flugzeug auf einem definierten Anflugweg halten Der Laufsteg. Militärische Kampfflugzeuge sind normalerweise mit Luft-Luft-Zielradaren ausgestattet, um feindliche Flugzeuge zu erkennen und anzugreifen. Darüber hinaus tragen größere spezialisierte Militärflugzeuge leistungsstarke Bordradare, um den Luftverkehr über ein weites Gebiet zu beobachten und Kampfflugzeuge auf Ziele zu lenken.

Schiffsradare werden verwendet, um die Peilung und Entfernung von Schiffen zu messen, um Kollisionen mit anderen Schiffen zu verhindern, zu navigieren und ihre Position auf See zu bestimmen, wenn sie sich in Reichweite der Küste oder anderer fester Referenzen wie Inseln, Bojen und Feuerschiffe befinden. Im Hafen oder im Hafen werden Radarsysteme des Schifffahrtsdienstes eingesetzt, um Schiffsbewegungen in stark befahrenen Gewässern zu überwachen und zu regeln .

Meteorologen verwenden Radar, um Niederschlag und Wind zu überwachen. Es ist zum wichtigsten Werkzeug für kurzfristige Wettervorhersagen und die Beobachtung von Unwettern wie Gewittern , Tornados , Winterstürmen , Niederschlagsarten usw. geworden. Geologen verwenden spezielle Bodenradare , um die Zusammensetzung der Erdkruste abzubilden . Polizeikräfte verwenden Radarpistolen , um die Fahrzeuggeschwindigkeiten auf den Straßen zu überwachen. Kleinere Radarsysteme werden verwendet, um menschliche Bewegungen zu erkennen . Beispiele sind die Erkennung von Atemmustern für die Schlafüberwachung und die Erkennung von Hand- und Fingergesten für die Computerinteraktion. Automatische Türöffnung, Lichtaktivierung und Einbrucherkennung sind ebenfalls üblich.

Prinzipien

Radarsignal

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

Ein Radarsystem hat einen Sender , der als Radarsignale bekannte Funkwellen in vorbestimmte Richtungen aussendet . Wenn diese Signale ein Objekt berühren, werden sie normalerweise in viele Richtungen reflektiert oder gestreut , obwohl einige von ihnen absorbiert werden und in das Ziel eindringen. Radarsignale werden besonders gut von Materialien mit beträchtlicher elektrischer Leitfähigkeit reflektiert – wie den meisten Metallen, Meerwasser und nassem Boden. Dies ermöglicht in bestimmten Fällen den Einsatz von Radarhöhenmessern . Die Radarsignale, die zum Radarempfänger zurückreflektiert werden, sind die erwünschten, die die Radarerkennung funktionieren lassen. Wenn sich das Objekt entweder auf den Sender zu oder von ihm weg bewegt , ändert sich die Frequenz der Funkwellen aufgrund des Doppler-Effekts geringfügig .

Radarempfänger befinden sich normalerweise, aber nicht immer, am selben Ort wie der Sender. Die von der Empfangsantenne erfassten reflektierten Radarsignale sind in der Regel sehr schwach. Sie können durch elektronische Verstärker verstärkt werden . Es werden auch ausgefeiltere Verfahren der Signalverarbeitung verwendet, um nützliche Radarsignale wiederzugewinnen.

Die schwache Absorption von Funkwellen durch das Medium, durch das sie hindurchtreten, ermöglicht es Radargeräten, Objekte auf relativ große Entfernungen zu erkennen – Bereiche, in denen andere elektromagnetische Wellenlängen wie sichtbares Licht , infrarotes Licht und ultraviolettes Licht zu stark gedämpft werden. Wetterphänomene wie Nebel, Wolken, Regen, fallender Schnee und Graupel, die sichtbares Licht blockieren, sind normalerweise für Funkwellen durchlässig. Bestimmte Funkfrequenzen, die von Wasserdampf, Regentropfen oder atmosphärischen Gasen (insbesondere Sauerstoff) absorbiert oder gestreut werden, werden bei der Konstruktion von Radargeräten vermieden, es sei denn, ihre Erkennung ist beabsichtigt.

Erleuchtung

Radar stützt sich eher auf seine eigenen Übertragungen als auf Licht von der Sonne oder dem Mond oder auf elektromagnetische Wellen , die von den Zielobjekten selbst emittiert werden, wie z. B. Infrarotstrahlung (Wärme). Dieser Vorgang des Richtens künstlicher Funkwellen auf Objekte wird als Beleuchtung bezeichnet , obwohl Funkwellen für das menschliche Auge und optische Kameras unsichtbar sind.

Betrachtung

Helligkeit kann Reflektivität anzeigen, wie in diesem Wetterradarbild von 1960 (vom Hurrikan Abby ). Frequenz, Impulsform, Polarisation, Signalverarbeitung und Antenne des Radars bestimmen, was es beobachten kann.

Wenn elektromagnetische Wellen , die durch ein Material wandern, auf ein anderes Material treffen, das eine andere Dielektrizitätskonstante oder diamagnetische Konstante als das erste hat, werden die Wellen von der Grenze zwischen den Materialien reflektiert oder gestreut. Dies bedeutet, dass ein festes Objekt in Luft oder Vakuum oder eine signifikante Änderung der atomaren Dichte zwischen dem Objekt und seiner Umgebung normalerweise Radarwellen (Radiowellen) von seiner Oberfläche streut. Dies gilt insbesondere für elektrisch leitfähige Materialien wie Metall und Kohlefaser, wodurch sich Radar gut für die Erkennung von Flugzeugen und Schiffen eignet. Radarabsorbierendes Material , das resistive und manchmal magnetische Substanzen enthält, wird in Militärfahrzeugen verwendet, um die Radarreflexion zu reduzieren . Dies ist das Funkäquivalent dazu, etwas in einer dunklen Farbe zu malen, damit es nachts nicht mit dem Auge gesehen werden kann.

Radarwellen werden je nach Größe (Wellenlänge) der Funkwelle und der Form des Ziels auf verschiedene Weise gestreut. Wenn die Wellenlänge viel kürzer als die Größe des Ziels ist, wird die Welle auf ähnliche Weise abprallen, wie Licht von einem Spiegel reflektiert wird . Wenn die Wellenlänge viel länger als die Größe des Ziels ist, ist das Ziel aufgrund schlechter Reflexion möglicherweise nicht sichtbar. Die Niederfrequenz-Radartechnologie ist auf Resonanzen zur Erkennung, aber nicht zur Identifizierung von Zielen angewiesen. Dies wird durch die Rayleigh-Streuung beschrieben , ein Effekt, der den blauen Himmel der Erde und rote Sonnenuntergänge erzeugt. Wenn die beiden Längenskalen vergleichbar sind, kann es zu Resonanzen kommen . Frühe Radargeräte verwendeten sehr lange Wellenlängen, die größer waren als die Ziele und empfingen daher ein vages Signal, während viele moderne Systeme kürzere Wellenlängen (einige Zentimeter oder weniger) verwenden, die Objekte so klein wie ein Brotlaib abbilden können.

Kurze Funkwellen werden von Kurven und Ecken reflektiert, ähnlich wie das Glitzern einer abgerundeten Glasscheibe. Die reflektierendsten Ziele für kurze Wellenlängen haben 90°-Winkel zwischen den reflektierenden Oberflächen . Ein Eckreflektor besteht aus drei ebenen Flächen, 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 erkennbar zu machen. Eckreflektoren an Booten zum Beispiel machen sie besser erkennbar, um Kollisionen oder während einer Rettung zu vermeiden. Aus ähnlichen Gründen haben Objekte, die eine Erkennung vermeiden sollen, keine inneren Ecken oder Oberflächen und Kanten, die senkrecht zu wahrscheinlichen Erkennungsrichtungen sind, was zu "seltsam" aussehenden Stealth-Flugzeugen führt . Diese Vorsichtsmaßnahmen eliminieren die Reflexion aufgrund der Beugung nicht vollständig , insbesondere bei längeren Wellenlängen. Halbe Wellenlänge lange Drähte oder Streifen aus leitendem Material, wie z. B. Spreu , sind sehr reflektierend, lenken aber die gestreute Energie nicht zurück zur Quelle. Das Ausmaß, in dem ein Objekt Funkwellen reflektiert oder streut, wird als Radarquerschnitt bezeichnet .

Radarentfernungsgleichung

Die zur Empfangsantenne zurückkehrende Leistung P r ergibt sich aus der Gleichung:

wo

  • P t = Sendeleistung
  • G t = Gewinn der Sendeantenne
  • A r = effektive Apertur (Fläche) der Empfangsantenne; dies kann auch ausgedrückt werden als , wo
  • = übertragene Wellenlänge
  • G r = Gewinn der Empfangsantenne
  • σ = Radarquerschnitt oder Streukoeffizient des Ziels
  • F = Musterfortpflanzungsfaktor
  • R t = Entfernung vom Sender zum Ziel
  • R r = Entfernung vom Ziel zum Empfänger.

Im allgemeinen Fall, in dem sich Sender und Empfänger am selben Ort befinden, kann R t = R r und der Term R t ² R r ² durch R 4 ersetzt werden , wobei R die Reichweite ist. Dies ergibt:

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

Zusätzliches Filtern und Pulsintegration modifiziert die Radargleichung leicht für die Puls-Doppler-Radarleistung , die verwendet werden kann, um die Erfassungsreichweite zu erhöhen und die Sendeleistung zu reduzieren.

Die obige Gleichung mit F = 1 ist eine Vereinfachung für die störungsfreie Übertragung im Vakuum. Der Ausbreitungsfaktor berücksichtigt die Auswirkungen von Mehrwegeausbreitung und Abschattung und hängt von den Einzelheiten der Umgebung ab. In einer realen Situation werden auch Pathloss - Effekte berücksichtigt.

Doppler-Effekt

Wellenlängenänderung durch Bewegung der Quelle.

Die Frequenzverschiebung wird durch Bewegung verursacht, die die Anzahl der Wellenlängen zwischen dem Reflektor und dem Radar ändert. Dies kann die Radarleistung verschlechtern oder verbessern, je nachdem, wie es den Erkennungsprozess beeinflusst. Beispielsweise kann die Anzeige eines sich bewegenden Ziels mit Doppler interagieren, um bei bestimmten Radialgeschwindigkeiten eine Signalauslöschung zu erzeugen, was die Leistung verschlechtert.

Seegestützte Radarsysteme, halbaktives Radar-Homing , aktives Radar-Homing , Wetterradar , Militärflugzeuge und Radarastronomie verlassen sich auf den Doppler-Effekt, um die Leistung zu verbessern. Dies erzeugt während des Detektionsprozesses Informationen über die Zielgeschwindigkeit. Dadurch können auch kleine Objekte in einer Umgebung erkannt werden, in der sich viel größere, sich langsam bewegende Objekte in der Nähe befinden.

Die Dopplerverschiebung hängt davon ab, ob die Radarkonfiguration aktiv oder passiv ist. Aktives Radar sendet ein Signal, das zum Empfänger zurückreflektiert wird. Passives Radar hängt davon ab, ob das Objekt ein Signal an den Empfänger sendet.

Die Doppler-Frequenzverschiebung für aktives Radar ist wie folgt, wobei die Doppler-Frequenz, die Sendefrequenz, 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 maximale Doppler-Frequenzverschiebung.

Wenn die Sendefrequenz ( ) gepulst ist und eine Impulsfolgefrequenz von verwendet wird, enthält das resultierende Frequenzspektrum harmonische Frequenzen darüber und darunter mit einem Abstand von . Folglich ist die Doppler-Messung nur dann eindeutig, wenn die Doppler-Frequenzverschiebung kleiner als die Hälfte von ist, die Nyquist-Frequenz genannt wird, da die zurückgegebene Frequenz ansonsten nicht von der Verschiebung einer harmonischen Frequenz nach oben oder unten unterschieden werden kann, was Folgendes erfordert:

Oder beim Ersetzen durch :

Beispielsweise kann ein Doppler-Wetterradar mit einer Impulsrate von 2 kHz und einer Sendefrequenz von 1 GHz die Wettergeschwindigkeit bis zu höchstens 150 m / s (340 mph) zuverlässig messen und kann daher die Radialgeschwindigkeit eines Flugzeugs, das sich 1.000 m bewegt, nicht zuverlässig bestimmen /s (2.200 mph).

Polarisation

Bei allen elektromagnetischen Strahlungen steht das elektrische Feld senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, und die elektrische Feldrichtung ist die Polarisation der Welle. Für ein gesendetes Radarsignal kann die Polarisation gesteuert werden, um unterschiedliche Wirkungen zu erzielen. Radare verwenden horizontale, vertikale, lineare und zirkulare Polarisation, um verschiedene Arten von Reflexionen zu erkennen. Beispielsweise wird Zirkularpolarisation verwendet, um die durch Regen verursachten Störungen zu minimieren. Lineare Polarisationsechos weisen normalerweise auf Metalloberflächen hin. Zufällige Polarisationsechos weisen normalerweise auf eine fraktale Oberfläche wie Felsen oder Erde hin und werden von Navigationsradaren verwendet.

Limitierende Faktoren

Strahlengang und Reichweite

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






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

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

  • Sichtlinie, die von der Höhe über dem Boden abhängt. Ohne direkte Sichtverbindung ist der Strahlengang blockiert.
  • Die maximale Eindeutigkeitsreichweite, die durch die Pulswiederholfrequenz bestimmt wird . Die maximale eindeutige Reichweite ist die Distanz, zu der der Puls reisen und von der er zurückkehren kann, bevor der nächste Puls emittiert wird.
  • Radarempfindlichkeit und die Leistung des Rücksignals, wie in der Radargleichung berechnet. Diese Komponente umfasst Faktoren wie die Umgebungsbedingungen und die Größe (oder den Radarquerschnitt) des Ziels.

Lärm

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

Reflektierte Signale nehmen mit zunehmender Entfernung schnell ab, sodass Rauschen eine Radarbereichsbegrenzung einführt. Das Grundrauschen und das Signal-Rausch-Verhältnis sind zwei verschiedene Leistungsmaße , die die Reichweitenleistung beeinflussen. Zu weit entfernte Reflektoren erzeugen zu wenig Signal, um das Grundrauschen zu überschreiten, und können nicht erkannt werden. Die Detektion erfordert ein Signal, das das Grundrauschen um mindestens das Signal-Rausch-Verhältnis überschreitet.

Rauschen erscheint typischerweise als zufällige Variationen, die dem im Radarempfänger empfangenen gewünschten Echosignal überlagert sind. 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 im Vergleich zu einem idealen Empfänger erzeugte Rauschen, das es zu minimieren gilt.

Schrotrauschen wird durch Elektronen beim Durchgang über eine Diskontinuität erzeugt, die in allen Detektoren auftritt. Schrotrauschen ist die dominierende Quelle in den meisten Empfängern. Es wird auch Flimmerrauschen geben, das durch den Elektronendurchgang durch Verstärkungsvorrichtungen verursacht wird, das unter Verwendung von Überlagerungsverstärkung reduziert wird . Ein weiterer Grund für die heterodyne Verarbeitung besteht darin, dass für eine feste Teilbandbreite die momentane Bandbreite linear in der Frequenz ansteigt. Dies ermöglicht eine verbesserte Entfernungsauflösung. Die einzige bemerkenswerte Ausnahme von heterodynen (Abwärtswandlungs-)Radarsystemen ist das Ultrabreitbandradar . Hier wird ähnlich wie bei der UWB-Kommunikation ein einzelner Zyklus oder eine transiente Welle verwendet, siehe Liste der UWB-Kanäle .

Rauschen wird auch durch externe Quellen erzeugt, am wichtigsten ist die natürliche Wärmestrahlung des Hintergrunds, der das interessierende Ziel umgibt. In modernen Radarsystemen ist das interne Rauschen typischerweise etwa gleich oder geringer als das externe Rauschen. Eine Ausnahme ist, wenn das Radar nach oben auf einen klaren Himmel gerichtet ist, wo die Szene so "kalt" ist, dass es sehr wenig thermisches Rauschen erzeugt . Das thermische Rauschen ist gegeben durch k B TB , wobei T die Temperatur ist, B die Bandbreite (Post-Matched-Filter) und k B die Boltzmann-Konstante ist . Es gibt eine ansprechende intuitive Interpretation dieser Beziehung in einem Radar. Angepasste Filterung ermöglicht die Komprimierung der gesamten von einem Ziel empfangenen Energie in einem einzigen Bin (sei es ein Entfernungs-, Doppler-, Elevations- oder Azimut-Bin). An der Oberfläche scheint es, dass dann innerhalb eines festen Zeitintervalls eine perfekte, fehlerfreie Erkennung erhalten werden könnte. Dies geschieht durch Komprimieren aller Energie in eine infinitesimale Zeitscheibe. Was diesen Ansatz in der realen Welt einschränkt, ist, dass die Zeit zwar beliebig teilbar ist, der Strom jedoch nicht. Das Quantum elektrischer Energie ist ein Elektron, und das Beste, was getan werden kann, ist, die gesamte Energie in ein einzelnes Elektron zu filtern. Da sich das Elektron bei einer bestimmten Temperatur ( Planck-Spektrum ) bewegt, kann diese Rauschquelle nicht weiter abgebaut werden. Letztendlich wird Radar, wie alle Entitäten im Makromaßstab, tiefgreifend von der Quantentheorie beeinflusst.

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

Interferenz

Radarsysteme müssen unerwünschte Signale überwinden, um sich auf die interessierenden Ziele zu konzentrieren. Diese unerwünschten Signale können von internen und externen Quellen, sowohl passiven als auch aktiven, stammen. Die Fähigkeit des Radarsystems, diese unerwünschten Signale zu überwinden, definiert sein Signal-Rausch-Verhältnis (SNR). 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 das SNR eines Systems ist, desto besser kann es tatsächliche Ziele von Rauschsignalen unterscheiden.

Unordnung

Clutter bezieht sich auf Hochfrequenz-(HF)-Echos, die von Zielen zurückgesendet werden, die für die Radaroperatoren uninteressant sind. Solche Ziele umfassen 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 z Ionosphärenreflexionen , Meteoritenspuren und Hagelspitzen . Clutter kann auch von künstlichen Objekten wie Gebäuden und absichtlich durch Radar-Gegenmaßnahmen wie Spreu zurückgegeben werden .

Etwas Störechos kann auch durch einen langen Radarwellenleiter zwischen dem Radartransceiver und der Antenne verursacht werden. Bei einem typischen PPI-Radar ( Plan Position Indicator ) mit einer rotierenden Antenne wird dies normalerweise als "Sonne" oder "Sonnendurchbruch" in der Mitte des Displays angezeigt, wenn der Empfänger auf Echos von Staubpartikeln und fehlgeleiteter HF im Wellenleiter reagiert . Das Anpassen des Timings zwischen dem Senden eines Impulses durch den Sender und dem Aktivieren der Empfängerstufe reduziert im Allgemeinen den Sunburst, ohne die Genauigkeit der Reichweite zu beeinträchtigen, da die meisten Sunbursts durch einen diffusen Sendeimpuls verursacht werden, der reflektiert wird, bevor er die Antenne verlässt. Clutter gilt als passive Störquelle, da es nur als Reaktion auf vom Radar gesendete Radarsignale auftritt.

Clutter wird auf verschiedene Weise erkannt und neutralisiert. Clutter scheint zwischen Radarscans statisch zu erscheinen; bei nachfolgenden Abtastechos scheinen sich wünschenswerte Ziele zu bewegen, und alle stationären Echos können eliminiert werden. Seeechos können durch horizontale Polarisation reduziert werden, während Regen durch zirkulare Polarisation reduziert wird (meteorologische Radare wünschen sich den gegenteiligen Effekt und verwenden daher lineare Polarisation , um Niederschlag zu erkennen). Andere Verfahren versuchen, das Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen.

Clutter bewegt sich mit dem Wind oder ist stationär. Zwei gängige Strategien zur Verbesserung der Messung oder Leistung in einer unübersichtlichen Umgebung sind:

  • Bewegliche Zielanzeige, die aufeinanderfolgende Impulse integriert
  • Doppler-Verarbeitung, die Filter verwendet, um Clutter von erwünschten Signalen zu trennen

Die effektivste Clutter-Reduktionstechnik ist Puls-Doppler-Radar . Doppler trennt Clutter von Flugzeugen und Raumfahrzeugen mithilfe eines Frequenzspektrums , sodass einzelne Signale von mehreren Reflektoren, die sich im selben Volumen befinden, mithilfe von Geschwindigkeitsunterschieden getrennt werden können. Dies erfordert einen kohärenten Sender. Eine andere Technik verwendet einen Anzeiger für sich bewegende Ziele , der das Empfangssignal von zwei aufeinanderfolgenden Impulsen unter Verwendung der Phase subtrahiert, um Signale von sich langsam bewegenden Objekten zu reduzieren. Dies kann für Systeme angepasst werden, denen ein kohärenter Sender fehlt, wie z. B. Zeitbereichs-Impulsamplitudenradar .

Die konstante Fehlalarmrate , eine Form der automatischen Verstärkungsregelung (AGC), ist eine Methode, die auf Clutter-Returns beruht, die die Zahl der Echos von interessierenden Zielen bei weitem übersteigt. Die Verstärkung des Empfängers wird automatisch angepasst, um einen konstanten Pegel an insgesamt sichtbaren Störungen aufrechtzuerhalten. Während dies nicht hilft, Ziele zu erkennen, die durch stärkere umgebende Störechos maskiert sind, hilft es, starke Zielquellen zu unterscheiden. In der Vergangenheit wurde die Radar-AGC elektronisch gesteuert und beeinflusste die Verstärkung des gesamten Radarempfängers. Als sich Radargeräte weiterentwickelten, wurde AGC computersoftwaregesteuert und beeinflusste die Verstärkung mit größerer Granularität in bestimmten Erkennungszellen.

Radar - Mehrwegeechos von einem Ziel lassen Geister erscheinen

Clutter kann auch von Mehrwegeechos von gültigen Zielen stammen, die durch Bodenreflexion, atmosphärische Kanalführung oder ionosphärische Reflexion / Refraktion (z. B. anomale Ausbreitung ) verursacht werden. Dieser Clutter-Typ ist besonders störend, da er sich wie andere normale (Punkt-)Ziele von Interesse zu bewegen und zu verhalten scheint. In einem typischen Szenario wird ein Flugzeugecho vom Boden darunter reflektiert und erscheint dem Empfänger als identisches Ziel unter dem richtigen. Das Radar kann versuchen, die Ziele zu vereinheitlichen, indem es das Ziel in einer falschen Höhe meldet oder es aufgrund von Jitter oder einer physikalischen Unmöglichkeit eliminiert. Beim Terrain Bounce Jamming wird diese Reaktion ausgenutzt, indem das Radarsignal verstärkt und nach unten gerichtet wird. Diese Probleme können überwunden werden, indem eine Bodenkarte der Umgebung des Radars integriert wird und alle Echos eliminiert werden, die unter der Erde oder über einer bestimmten Höhe zu stammen scheinen. Monopulse kann verbessert werden, indem der Höhenalgorithmus geändert wird, der bei niedriger Höhe verwendet wird. In neueren Flugsicherungsradargeräten werden Algorithmen verwendet, um die falschen Ziele zu identifizieren, indem die aktuellen Impulsrückgaben mit denen benachbarter verglichen werden, sowie die Unwahrscheinlichkeiten der Rücksendungen berechnet werden.

Jammen

Radarstörung bezieht sich auf Funkfrequenzsignale, die von Quellen außerhalb des Radars stammen, in der Frequenz des Radars übertragen und dadurch interessierende Ziele maskieren. Das Stören 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 angesehen, da es von Elementen außerhalb des Radars initiiert wird und im Allgemeinen nichts mit den Radarsignalen zu tun hat.

Das Stören ist für das Radar problematisch, da das Störsignal nur in eine Richtung (vom Störsender zum Radarempfänger) laufen muss, während die Radarechos in zwei Richtungen gehen (Radar-Ziel-Radar) und daher bei ihrer Rückkehr erheblich leistungsreduziert sind an den Radarempfänger gemäß dem Abstandsgesetz . Störsender können daher viel weniger leistungsfähig sein als ihre gestörten Radargeräte und dennoch effektiv Ziele entlang der Sichtlinie vom Störsender zum Radar maskieren ( Hauptkeulenstörung ). Störsender haben einen zusätzlichen Effekt, indem sie Radare entlang anderer Sichtlinien durch die Nebenkeulen des Radarempfängers beeinflussen ( Nebenkeulenstörung ).

Hauptkeulenstörung kann im Allgemeinen nur durch Verengen des Hauptkeulenraumwinkels reduziert werden und kann nicht vollständig eliminiert werden, wenn man direkt einem Störsender gegenübersteht, der dieselbe Frequenz und Polarisation wie das Radar verwendet. Nebenkeulenstörungen können überwunden werden, indem Empfangsnebenkeulen im Radarantennendesign reduziert werden und eine Rundstrahlantenne verwendet wird , um Nicht-Hauptkeulensignale zu erkennen und zu ignorieren. Andere Anti-Jamming-Techniken sind Frequenzspringen und Polarisation .

Radarsignalverarbeitung

Entfernungsmessung

Transitzeit

Impulsradar: Die Umlaufzeit des Radarimpulses bis zum Ziel und zurück wird gemessen. Der Abstand ist proportional zu dieser Zeit.

Eine Möglichkeit, eine Entfernungsmessung zu erhalten, basiert auf der Laufzeit : Senden Sie einen kurzen Impuls eines Funksignals (elektromagnetische Strahlung) und messen Sie die Zeit, die es dauert, bis die Reflexion zurückkehrt. Die Entfernung ist die Hälfte der Umlaufzeit multipliziert mit der Geschwindigkeit des Signals. Der Faktor 1/2 kommt dadurch zustande, dass das Signal zum Objekt und wieder zurück laufen muss. Da sich Funkwellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten , erfordert eine genaue Entfernungsmessung eine Hochgeschwindigkeitselektronik. In den meisten Fällen erkennt der Empfänger die Rückkehr nicht, während das Signal gesendet wird. Durch die Verwendung eines Duplexers schaltet das Radar mit einer vorbestimmten Rate zwischen Senden und Empfangen um. Ein ähnlicher Effekt erzwingt auch eine maximale Reichweite. Um die Reichweite zu maximieren, sollten längere Zeiten zwischen Impulsen verwendet werden, die als Impulswiederholungszeit oder ihr Kehrwert Impulswiederholungsfrequenz bezeichnet werden.

Diese beiden Effekte stehen tendenziell im Widerspruch zueinander, und es ist nicht einfach, sowohl eine gute kurze Reichweite als auch eine gute lange Reichweite in einem einzigen Radar zu kombinieren. Dies liegt daran, dass die kurzen Impulse, die für eine gute Übertragung mit minimaler Reichweite benötigt werden, weniger Gesamtenergie haben, wodurch die Rücksendungen viel kleiner und das Ziel schwerer zu erkennen sind. Dies könnte durch Verwendung von mehr Impulsen ausgeglichen werden, aber dies würde die maximale Reichweite verkürzen. Jedes Radar verwendet also einen bestimmten Signaltyp. Radargeräte mit großer Reichweite verwenden tendenziell lange Impulse mit langen Verzögerungen dazwischen, und Radargeräte mit kurzer Reichweite verwenden kleinere Impulse mit weniger Zeit zwischen ihnen. Da sich die Elektronik verbessert hat, können viele Radargeräte jetzt ihre Impulswiederholungsfrequenz ändern, wodurch sich ihre Reichweite ändert. Die neuesten Radargeräte feuern während einer Zelle zwei Impulse ab, einen für kurze Reichweite (ca. 10 km (6,2 mi)) und ein separates Signal für größere Reichweiten (ca. 100 km (62 mi)).

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 das Teilen dieser Entfernung durch die Lichtgeschwindigkeit (299.792.458 m/s) und das anschließende Multiplizieren des Ergebnisses mit 2 ein Ergebnis von 12,36 μs Dauer.

Frequenzmodulation

Dauerstrichradar (CW). Durch die Verwendung von Frequenzmodulation kann die Reichweite extrahiert werden.

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

Diese Technik kann beim Dauerstrichradar verwendet werden und findet sich häufig in Flugzeugradar -Höhenmessern . In diesen Systemen wird ein "Träger"-Radarsignal auf vorhersagbare Weise frequenzmoduliert, wobei es typischerweise mit einer Sinuswelle oder einem Sägezahnmuster bei Audiofrequenzen nach oben und unten variiert. Das Signal wird dann von einer Antenne gesendet und von einer anderen empfangen, die sich normalerweise am Boden des Flugzeugs befindet, und das Signal kann kontinuierlich mit einem einfachen Schwebungsfrequenzmodulator verglichen werden , der aus dem zurückgesendeten Signal und einem Teil davon einen Audiofrequenzton erzeugt das übertragene Signal.

Der auf dem Empfangssignal reitende Modulationsindex ist proportional zur Zeitverzögerung zwischen dem Radar und dem Reflektor. Die Frequenzverschiebung wird mit größerer Zeitverzögerung größer. Die Frequenzverschiebung ist direkt proportional zur zurückgelegten Strecke. Dieser Abstand kann auf einem Instrument angezeigt werden und kann auch über den Transponder verfügbar sein . Diese Signalverarbeitung ähnelt derjenigen, die beim Geschwindigkeitserfassungs-Doppler-Radar verwendet wird. Beispielsysteme, 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 mit mehreren Durchgängen analysiert, wodurch ein computerisiertes synthetisches Bild erzeugt wird. Es werden Doppler-Effekte verwendet, die es ermöglichen, sich langsam bewegende Objekte zu erkennen sowie "Rauschen" von den Oberflächen von Gewässern weitgehend zu eliminieren.

Pulskompression

Die beiden oben skizzierten Techniken haben beide ihre Nachteile. Die Impulszeitgebungstechnik hat insofern einen inhärenten Kompromiss, als die Genauigkeit der Entfernungsmessung umgekehrt proportional zur Länge des Impulses ist, während die Energie und somit der Richtungsbereich in direktem Zusammenhang stehen. 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 im zweistelligen Megawattbereich arbeiteten. Die Dauerstrichverfahren verteilen diese Energie über die Zeit und erfordern daher im Vergleich zu Impulstechniken eine viel geringere Spitzenleistung, erfordern jedoch ein Verfahren, mit dem die gesendeten und empfangenen Signale gleichzeitig arbeiten können, und erfordern häufig zwei separate Antennen.

Die Einführung neuer Elektronik in den 1960er Jahren ermöglichte die Kombination der beiden Techniken. Es beginnt mit einem längeren Impuls, der ebenfalls frequenzmoduliert ist. Das zeitliche Verteilen der Sendeenergie bedeutet, dass niedrigere Spitzenenergien verwendet werden können, wobei moderne Beispiele typischerweise in der Größenordnung von mehreren zehn Kilowatt liegen. Beim Empfang wird das Signal in ein System gesendet, das verschiedene Frequenzen um unterschiedliche Zeiten verzögert. Die resultierende Ausgabe ist ein viel kürzerer Impuls, der für eine genaue Entfernungsmessung geeignet ist, während er auch die empfangene Energie zu einer viel höheren Energiespitze komprimiert und somit das Signal-Rausch-Verhältnis reduziert. Die Technik ist auf modernen Großradaren weitgehend universell.

Geschwindigkeitsmessung

Geschwindigkeit ist die zeitliche Änderung der Entfernung zu einem Objekt. Somit reicht das vorhandene System zur Entfernungsmessung, kombiniert mit einer Speicherkapazität, um zu sehen, wo das Ziel zuletzt war, aus, um die Geschwindigkeit zu messen. Früher bestand der Speicher aus einem Benutzer, der auf dem Radarbildschirm Fettstiftstriche machte und dann die Geschwindigkeit mit einem Rechenschieber berechnete . Moderne Radarsysteme führen den äquivalenten Vorgang mit Computern schneller und genauer durch.

Wenn der Ausgang des Senders kohärent (phasensynchronisiert) ist, gibt es einen weiteren Effekt, der verwendet werden kann, um fast sofortige Geschwindigkeitsmessungen durchzuführen (kein Speicher erforderlich), der als Doppler-Effekt bekannt ist . 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 durch Verwendung des Doppler-Effekts bestimmt werden, aber sie kann bestimmt werden, indem der Azimut des Ziels über die Zeit verfolgt wird.

Es ist möglich, ein Doppler-Radar ohne jegliches Pulsen herzustellen, das als Dauerstrichradar (CW-Radar) bekannt ist, indem ein sehr reines Signal mit bekannter Frequenz ausgesendet wird. CW-Radar ist ideal für die Bestimmung der radialen Komponente der Geschwindigkeit eines Ziels. CW-Radar wird normalerweise von der Verkehrsüberwachung verwendet, um die Fahrzeuggeschwindigkeit schnell und genau zu messen, wenn die Reichweite nicht wichtig ist.

Bei Verwendung eines gepulsten Radars ergibt die Variation zwischen den Phasen aufeinanderfolgender Echos die Entfernung, die sich das Ziel zwischen den Impulsen bewegt hat, und somit kann seine Geschwindigkeit berechnet werden. Andere mathematische Entwicklungen in der Radarsignalverarbeitung umfassen die Zeit-Frequenz-Analyse (Weyl Heisenberg oder Wavelet ) sowie die Chirplet-Transformation , die sich die Änderung der Frequenz von Echos von sich bewegenden Zielen ("Chirp") zunutze macht.

Puls-Doppler-Signalverarbeitung

Puls-Doppler-Signalverarbeitung. Die Range-Sample -Achse stellt einzelne Samples dar, die zwischen jedem Sendeimpuls genommen wurden. Die Bereichsintervallachse stellt jedes aufeinanderfolgende Sendeimpulsintervall dar, während dessen Abtastwerte genommen werden. Der Prozess der schnellen Fourier-Transformation wandelt Zeitbereichsabtastwerte in Frequenzbereichsspektren um. Dies wird manchmal als Nagelbett bezeichnet .

Die Puls-Doppler-Signalverarbeitung umfasst eine Frequenzfilterung im Detektionsprozess. Der Raum zwischen jedem Sendeimpuls ist in Entfernungszellen oder Entfernungstore unterteilt. Jede Zelle wird unabhängig gefiltert, ähnlich dem Prozess, der von einem Spektrumanalysator verwendet wird , um die Anzeige zu erzeugen, die verschiedene Frequenzen zeigt. Jeder unterschiedliche Abstand erzeugt ein anderes Spektrum. Diese Spektren werden verwendet, um den Detektionsprozess durchzuführen. Dies ist erforderlich, um in widrigen Umgebungen mit Wetter, Gelände und elektronischen Gegenmaßnahmen eine akzeptable Leistung zu erzielen.

Der Hauptzweck besteht darin, sowohl die Amplitude als auch die Frequenz des gesamten reflektierten Signals aus mehreren Entfernungen zu messen. Dies wird mit Wetterradar verwendet , um die radiale Windgeschwindigkeit und die Niederschlagsrate in jedem unterschiedlichen Luftvolumen zu messen. Dies ist mit Computersystemen verbunden, um eine elektronische Echtzeit-Wetterkarte zu erstellen. Die Sicherheit von Flugzeugen hängt vom kontinuierlichen Zugriff auf genaue Wetterradarinformationen ab, die zur Vermeidung von Verletzungen und Unfällen verwendet werden. Wetterradar verwendet eine niedrige PRF . Kohärenzanforderungen sind nicht so streng wie die für militärische Systeme, da einzelne Signale normalerweise nicht getrennt werden müssen. Eine weniger ausgeklügelte Filterung ist erforderlich, und eine Bereichsmehrdeutigkeitsverarbeitung ist normalerweise bei Wetterradar im Vergleich zu Militärradar, das zum Verfolgen von Luftfahrzeugen vorgesehen ist, nicht erforderlich.

Der alternative Zweck ist die " Look-Down/Shoot-Down "-Fähigkeit, die erforderlich ist, um die Überlebensfähigkeit von militärischen Luftkämpfen zu verbessern. Puls-Doppler wird auch für bodengestütztes Überwachungsradar verwendet, das zur Verteidigung von Personal und Fahrzeugen erforderlich ist. Die Puls-Doppler-Signalverarbeitung erhöht die maximale Erkennungsreichweite, indem weniger Strahlung in unmittelbarer Nähe zu Flugzeugpiloten, Schiffspersonal, Infanterie und Artillerie verwendet wird. Reflexionen von Gelände, Wasser und Wetter erzeugen Signale, die viel größer sind als Flugzeuge und Raketen, wodurch sich schnell bewegende Fahrzeuge mithilfe von Flugtechniken und Stealth-Technologie verstecken können , um eine Entdeckung zu vermeiden, bis ein Angriffsfahrzeug zu nahe ist, um es zu zerstören. Die Puls-Doppler-Signalverarbeitung beinhaltet eine ausgeklügeltere elektronische Filterung, die diese Art von Schwäche sicher eliminiert. Dies erfordert die Verwendung einer mittleren Pulswiederholfrequenz mit phasenkohärenter Hardware, die einen großen Dynamikbereich hat. Militärische Anwendungen erfordern eine mittlere PRF , die verhindert, dass die Entfernung direkt bestimmt wird, und eine Verarbeitung zur Auflösung der Entfernungsmehrdeutigkeit ist erforderlich, um die wahre Entfernung aller reflektierten Signale zu identifizieren. Die radiale Bewegung ist normalerweise mit der Dopplerfrequenz verknüpft, um ein Verriegelungssignal zu erzeugen, das nicht durch Radarstörsignale erzeugt werden kann. Die Puls-Doppler-Signalverarbeitung erzeugt auch hörbare Signale, die zur Bedrohungserkennung verwendet werden können.

Reduzierung von Interferenzeffekten

Signalverarbeitung wird in Radarsystemen verwendet, um die Radarinterferenzeffekte zu reduzieren . Zu den Signalverarbeitungstechniken gehören die Anzeige von sich bewegenden Zielen , die Puls-Doppler-Signalverarbeitung , Prozessoren zur Erkennung von sich bewegenden Zielen, die Korrelation mit sekundären Überwachungsradarzielen , die adaptive Raum-Zeit-Verarbeitung und die Spur-vor-Erkennung . Konstante Fehlalarmrate und Verarbeitung digitaler Geländemodelle werden auch in unübersichtlichen Umgebungen verwendet.

Plot- und Track-Extraktion

Ein Track-Algorithmus ist eine Strategie zur Verbesserung der Radarleistung. Verfolgungsalgorithmen bieten die Möglichkeit, die zukünftige Position mehrerer sich bewegender Objekte basierend auf der Historie der einzelnen Positionen, die von Sensorsystemen gemeldet werden, vorherzusagen.

Historische Informationen werden gesammelt und verwendet, um die zukünftige Position zur Verwendung bei der Luftverkehrskontrolle, der Bedrohungsabschätzung, der Kampfsystemdoktrin, der Geschützausrichtung und der Raketenführung vorherzusagen. Positionsdaten werden von Radarsensoren über einen Zeitraum von wenigen Minuten gesammelt.

Es gibt vier gängige Track-Algorithmen.

Radar-Videorücksendungen von Flugzeugen können einem Plot-Extrahierungsprozess unterzogen werden, wodurch Stör- und Interferenzsignale verworfen werden. Eine Folge von Zielrückgaben kann durch ein Gerät überwacht werden, das als Plot Extractor bekannt ist.

Die nicht relevanten Echtzeit-Rückgaben können aus den angezeigten Informationen entfernt und ein einzelnes Diagramm angezeigt werden. In einigen Radarsystemen oder alternativ in dem Befehls- und Steuersystem, mit dem das Radar verbunden ist, wird ein Radarverfolger verwendet, um die Folge von Diagrammen, die zu einzelnen Zielen gehören, zuzuordnen und die Richtungen und Geschwindigkeiten der Ziele abzuschätzen.

Maschinenbau

Radarkomponenten

Die Komponenten eines Radars sind:

  • Ein Sender , der das Funksignal mit einem Oszillator wie einem Klystron oder einem Magnetron erzeugt und seine Dauer durch einen Modulator steuert .
  • Ein Wellenleiter , der den Sender und die Antenne 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 empfangenen Signals (eines Impulses) bekannt ist, kann ein optimaler Empfänger unter Verwendung eines angepassten Filters entworfen werden .
  • Ein Anzeigeprozessor zur Erzeugung von Signalen für vom Menschen lesbare Ausgabegeräte .
  • Ein elektronischer Abschnitt, der all diese Geräte und die Antenne steuert, um den von der Software angeforderten Radarscan durchzuführen.
  • Ein Link zu Endbenutzergeräten und Displays.

Antennendesign

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

Funksignale, die von einer einzelnen Antenne ausgestrahlt werden, breiten sich in alle Richtungen aus, und ebenso empfängt eine einzelne Antenne Signale gleichermaßen aus allen Richtungen. Damit bleibt dem Radar das Problem, zu entscheiden, wo sich das Zielobjekt befindet.

Frühe Systeme neigten dazu, omnidirektionale Sendeantennen mit gerichteten Empfangsantennen zu verwenden, die in verschiedene Richtungen gerichtet waren. Beispielsweise verwendete das erste System, das eingesetzt wurde, Chain Home, zwei gerade Antennen im rechten Winkel für den Empfang, jede auf einem anderen Display. Die maximale Rückstrahlung würde mit einer Antenne im rechten Winkel zum Ziel erfasst werden, und eine minimale, wenn die Antenne direkt darauf gerichtet wäre (end on). Der Bediener konnte die Richtung zu einem Ziel bestimmen, indem er die Antenne so drehte , dass eine Anzeige ein Maximum und die andere ein Minimum zeigte. Eine schwerwiegende Einschränkung bei dieser Art von Lösung besteht darin, dass die Sendung in alle Richtungen gesendet wird, sodass die Energiemenge in der untersuchten Richtung nur einen kleinen Teil der übertragenen ausmacht. Um eine angemessene Leistung auf das "Ziel" zu bekommen, sollte die Sendeantenne auch gerichtet sein.

Parabolischer Reflektor

Überwachungsradarantenne

Modernere Systeme verwenden eine lenkbare parabolische "Schüssel", um einen engen Sendestrahl zu erzeugen, wobei normalerweise dieselbe Schüssel wie der Empfänger verwendet wird. Solche Systeme kombinieren häufig zwei Radarfrequenzen in derselben Antenne, um eine automatische Lenkung oder Radarsperre zu ermöglichen .

Parabolreflektoren können entweder symmetrische Parabeln oder verdorbene Parabeln sein: Symmetrische Parabolantennen erzeugen sowohl in der X- als auch in der Y-Dimension einen schmalen "Bleistift" -Strahl und haben folglich eine höhere Verstärkung. Das Puls-Doppler- Wetterradar von NEXRAD verwendet eine symmetrische Antenne, um detaillierte volumetrische Scans der Atmosphäre durchzuführen. Spoiled-Parabolantennen erzeugen einen schmalen Strahl in einer Dimension und einen relativ breiten Strahl in der anderen. Diese Funktion ist nützlich, wenn die Zielerkennung über einen großen Winkelbereich wichtiger ist als die Zielortung in drei Dimensionen. Die meisten 2D-Überwachungsradare verwenden eine verwöhnte Parabolantenne mit einer schmalen Azimut- und einer breiten vertikalen Strahlbreite. Diese Strahlkonfiguration ermöglicht es dem Radarbediener, ein Flugzeug in einem bestimmten Azimut, aber in einer unbestimmten Höhe zu erkennen. Umgekehrt verwenden sogenannte "Nodder"-Höhenfindradare eine Schüssel mit einer schmalen vertikalen Strahlbreite und einer breiten Azimutstrahlbreite, um ein Flugzeug in einer bestimmten Höhe, aber mit geringer Azimutgenauigkeit zu erfassen.

Arten von Scans

  • Primärabtastung: Eine Abtasttechnik, bei der die Hauptantennenantenne bewegt wird, um einen Abtaststrahl zu erzeugen, Beispiele umfassen kreisförmige Abtastung, Sektorabtastung usw.
  • Sekundäre Abtastung: Eine Abtasttechnik, bei der die Antenneneinspeisung bewegt wird, um einen Abtaststrahl zu erzeugen, Beispiele umfassen konische Abtastung, unidirektionale Sektorabtastung, Keulenumschaltung usw.
  • Palmer-Scan: Eine Scan-Technik, die einen Scan-Strahl erzeugt, indem die Hauptantenne und ihre Einspeisung bewegt werden. Ein Palmer-Scan ist eine Kombination aus einem primären Scan und einem sekundären Scan.
  • Konische Abtastung : Der Radarstrahl wird in einem kleinen Kreis um die „Boresight“-Achse gedreht, die auf das Ziel gerichtet ist.

Geschlitzter Wellenleiter

Geschlitzte Hohlleiterantenne

Ähnlich wie beim Parabolreflektor angewendet, wird der geschlitzte Wellenleiter zum Abtasten mechanisch bewegt und eignet sich besonders für nicht nachführende Oberflächenabtastsysteme, bei denen das vertikale Muster konstant bleiben kann. Aufgrund der geringeren Kosten und der geringeren Windbelastung verwenden Schiffs-, Flughafen-Oberflächen- und Hafenüberwachungsradare diesen Ansatz jetzt gegenüber einer Parabolantenne.

Phased-Array

Phased Array : Nicht alle Radarantennen müssen sich drehen, um den Himmel zu scannen.

Ein anderes Lenkverfahren wird in einem Phased-Array -Radar verwendet.

Phased-Array-Antennen bestehen aus gleichmäßig beabstandeten ähnlichen Antennenelementen, wie z. B. Antennen oder Reihen von geschlitzten Wellenleitern. Jedes Antennenelement oder jede Gruppe von Antennenelementen enthält eine diskrete Phasenverschiebung, die einen Phasengradienten über das Array erzeugt. Zum Beispiel werden Array-Elemente, die eine Phasenverschiebung von 5 Grad für jede Wellenlänge über die Array-Fläche erzeugen, einen Strahl erzeugen, der 5 Grad von der Mittellinie weg gerichtet ist, die senkrecht zu der Array-Fläche ist. Signale, die sich entlang dieses Strahls ausbreiten, werden verstärkt. Von diesem Strahl versetzte Signale werden gelöscht. Die Stärke der Verstärkung ist der Antennengewinn . Der Betrag der Auslöschung ist die Nebenkeulenunterdrückung.

Phased-Array-Radare werden seit den frühesten Jahren des Radars im Zweiten Weltkrieg ( Mammut-Radar ) verwendet, aber die Einschränkungen elektronischer Geräte führten zu einer schlechten Leistung. Phased-Array-Radare wurden ursprünglich zur Raketenabwehr eingesetzt (siehe beispielsweise Safeguard Program ). Sie sind das Herzstück des schiffsgestützten Aegis-Kampfsystems und des Patriot-Raketensystems . Die mit einer großen Anzahl von Array-Elementen verbundene massive Redundanz erhöht die Zuverlässigkeit auf Kosten einer allmählichen Leistungsverschlechterung, die auftritt, wenn einzelne Phasenelemente ausfallen. In geringerem Umfang wurden Phased-Array-Radare in der Wetterüberwachung eingesetzt . Ab 2017 plant die NOAA, innerhalb von 10 Jahren ein nationales Netzwerk von multifunktionalen Phased-Array-Radaren in den Vereinigten Staaten für meteorologische Studien und Flugüberwachung zu implementieren.

Phased-Array-Antennen können so gebaut werden, dass sie sich an bestimmte Formen anpassen, wie Raketen, Infanterie-Unterstützungsfahrzeuge, Schiffe und Flugzeuge.

Da der Preis für Elektronik gesunken ist, sind Phased-Array-Radare immer häufiger geworden. Fast alle modernen Militärradarsysteme basieren auf Phased Arrays, wobei die geringen zusätzlichen Kosten durch die verbesserte Zuverlässigkeit eines Systems ohne bewegliche Teile ausgeglichen werden. Herkömmliche bewegliche Antennendesigns werden immer noch häufig in Rollen verwendet, in denen die Kosten ein wesentlicher Faktor sind, wie z. B. in der Luftverkehrsüberwachung und ähnlichen Systemen.

Phased-Array-Radare werden für die Verwendung 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 Phased-Array-Radar einsetzte, war die Mikojan MiG-31 . Das elektronisch gescannte Array -Radar SBI-16 Zaslon der MiG-31M galt als das leistungsstärkste Kampfradar der Welt, bis das elektronisch gescannte Array AN/APG-77 Active auf der Lockheed Martin F-22 Raptor eingeführt wurde .

Phased-Array- Interferometrie- oder Apertursynthesetechniken , bei denen eine Reihe separater Schalen verwendet werden, die in eine einzige effektive Apertur phasengesteuert sind, sind nicht typisch für Radaranwendungen, obwohl sie in der Radioastronomie weit verbreitet sind . Aufgrund des ausgedünnten Array-Fluchs führen solche Mehrfachapertur-Arrays, wenn sie in Sendern verwendet werden, zu schmalen Strahlen auf Kosten der Reduzierung der zum Ziel übertragenen Gesamtleistung. Im Prinzip könnten solche Techniken die räumliche Auflösung erhöhen, aber die geringere Leistung bedeutet, dass dies im Allgemeinen nicht effektiv ist.

Aperture-Synthese durch Nachbearbeitung von Bewegungsdaten von einer einzelnen sich bewegenden Quelle wird andererseits in Weltraum- und Luftradarsystemen weit verbreitet verwendet .

Frequenzbänder

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

Dem Übergang zu kleineren Wellenlängen stehen eine Reihe praktischer Probleme gegenüber. Zum einen war die Elektronik, die zur Erzeugung sehr kurzer Wellenlängen mit hoher Leistung benötigt wird, im Allgemeinen komplexer und teurer als die Elektronik, die für längere Wellenlängen benötigt wird, oder es gab sie überhaupt nicht. Ein weiteres Problem ist, dass die effektive Aperturzahl der Radargleichung bedeutet, dass für jede gegebene Antennen- (oder Reflektor-) Größe bei längeren Wellenlängen effizienter ist. Außerdem können kürzere Wellenlängen mit Molekülen oder Regentropfen in der Luft interagieren und das Signal streuen. Sehr lange Wellenlängen haben auch zusätzliche Beugungseffekte, die sie für Over-the-Horizon-Radare geeignet machen . Aus diesem Grund werden unterschiedlichste Wellenlängen in unterschiedlichen Rollen eingesetzt.

Die traditionellen Bandnamen entstanden als Codenamen während des Zweiten Weltkriegs und werden immer noch weltweit in Militär und Luftfahrt verwendet. Sie wurden in den Vereinigten Staaten vom Institute of Electrical and Electronics Engineers und international von der International Telecommunication Union übernommen . Die meisten Länder haben zusätzliche Vorschriften, um zu kontrollieren, welche Teile jedes Bandes für zivile oder militärische Zwecke verfügbar sind.

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

Radarfrequenzbänder
Band-Name Frequenzbereich Wellenlängenbereich Anmerkungen
HF 3–30 MHz 10–100 m Küstenradarsysteme, Over-the-Horizon (OTH)-Radare; 'Hochfrequenz'
UKW 30–300 MHz 1–10 m Sehr große Reichweite, bodendurchdringend; 'sehr hohe Frequenz'. Frühe Radarsysteme arbeiteten im Allgemeinen in UKW, da für den Rundfunk bereits geeignete Elektronik entwickelt worden war. Heute ist dieses Band stark überlastet und aufgrund von Interferenzen nicht mehr für Radar geeignet.
P < 300MHz > 1 m 'P' für 'vorherige', rückwirkend angewendet auf frühe Radarsysteme; im Wesentlichen HF + VHF. Aufgrund der guten Durchdringung der Vegetation häufig für die Fernerkundung verwendet.
UHF 300–1000 MHz 0,3–1 m Sehr große Reichweite (z. B. Frühwarnung für ballistische Flugkörper ), Bodendurchdringung, Laubdurchdringung; 'Ultrahochfrequenz'. Effizient produziert und empfangen bei sehr hohen Energieniveaus und reduziert auch die Auswirkungen eines nuklearen Blackouts , wodurch sie in der Rolle der Raketenerkennung nützlich sind.
L 1–2 GHz 15–30cm _ Flugverkehrskontrolle und -überwachung mit großer Reichweite ; „L“ für „lang“. Weit verbreitet für Frühwarnradare mit großer Reichweite , da sie gute Empfangsqualitäten mit angemessener Auflösung kombinieren.
S 2–4 GHz 7,5–15 cm Moderate Range Surveillance, Terminal Air Traffic Control, Langstreckenwetter, Seeradar; 'S' für 'sentimetric', sein Codename während des Zweiten Weltkriegs. Weniger effizient als L, bieten aber eine höhere Auflösung, wodurch sie sich besonders für bodengesteuerte Abhöraufgaben mit großer Reichweite eignen .
C 4–8 GHz 3,75–7,5 cm Satellitentransponder; ein Kompromiss (daher 'C') zwischen X- und S-Bändern; Wetter; Langstreckenverfolgung
X 8–12 GHz 2,5–3,75 cm Raketenführung , Marineradar , Wetter, Kartierung mit mittlerer Auflösung und Bodenüberwachung; in den Vereinigten Staaten wird der schmale Bereich 10,525 GHz ±25 MHz für Flughafenradar verwendet; Verfolgung auf kurze Distanz. Genannt X-Band, weil die Frequenz während des Zweiten Weltkriegs ein Geheimnis war. Die Beugung von Regentropfen bei starkem Regen schränkt die Reichweite in der Erkennungsrolle ein und macht diese nur für Rollen mit kurzer Reichweite oder solche geeignet, die Regen absichtlich erkennen.
K 18–24 GHz 1,11–1,67 cm Aus dem Deutschen kurz , was „kurz“ bedeutet. Eingeschränkte Verwendung aufgrund der Absorption durch Wasserdampf bei 22 GHz, daher werden K u und K a auf beiden Seiten stattdessen zur Überwachung verwendet. Das K-Band wird von Meteorologen zur Erkennung von Wolken und von der Polizei zur Erkennung von zu schnell fahrenden Autofahrern verwendet. K-Band-Radarkanonen arbeiten bei 24,150 ± 0,100 GHz.
Ku _ 12–18 GHz 1,67–2,5 cm Hochauflösend, auch für Satellitentransponder verwendet, Frequenz unter dem K-Band (daher 'u')
K ein 24–40 GHz 0,75–1,11 cm Kartierung, Nahbereich, Flughafenüberwachung; Frequenz knapp über dem K-Band (daher „a“) ​​Fotoradar, das zum Auslösen von Kameras verwendet wird, die Bilder von Nummernschildern von Autos aufnehmen, die an roten Ampeln vorbeifahren, arbeitet mit 34,300 ± 0,100 GHz.
mm 40–300 GHz 1,0–7,5  mm Millimeterband , unterteilt wie unten. Sauerstoff in der Luft ist ein äußerst wirksames Dämpfungsglied um 60 GHz, ebenso wie andere Moleküle bei anderen Frequenzen, was zu dem sogenannten Ausbreitungsfenster bei 94 GHz führt. Auch in diesem Fenster ist die Dämpfung höher als bei 22,2 GHz durch Wasser. Dies macht diese Frequenzen im Allgemeinen nur für hochspezifische Kurzstreckenradare nützlich, wie z. B. Stromleitungsvermeidungssysteme für Hubschrauber oder die Verwendung im Weltraum, wo Dämpfung kein Problem darstellt. Diesen Bändern werden von verschiedenen Gruppen mehrere Buchstaben zugeordnet. Diese stammen von Baytron, einem inzwischen aufgelösten Unternehmen, das Testgeräte herstellte.
v 40–75 GHz 4,0–7,5 mm Sehr stark absorbiert durch Luftsauerstoff, der bei 60 GHz schwingt.
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 dazu, die Wellenform des HF-Impulses bereitzustellen. Es gibt zwei verschiedene Radarmodulator-Designs:

  • Hochspannungsschalter für nicht kohärent getastete Leistungsoszillatoren Diese Modulatoren bestehen aus einem Hochspannungsimpulsgenerator, der aus einer Hochspannungsversorgung, einem Impulsformungsnetzwerk und einem Hochspannungsschalter wie einem Thyratron gebildet wird . Sie erzeugen kurze Stromimpulse, um beispielsweise das Magnetron zu speisen, eine spezielle Art von Vakuumröhre, die Gleichstrom (normalerweise gepulst) in Mikrowellen umwandelt. Diese Technologie ist als gepulste Leistung bekannt . Auf diese Weise wird der Sendepuls der HF-Strahlung auf eine definierte und meist sehr kurze Dauer gehalten.
  • Hybridmischer, gespeist von einem Wellenformgenerator und einem Exciter für eine komplexe, aber kohärente Wellenform. Diese Wellenform kann durch Eingangssignale mit niedriger Leistung/niedriger Spannung erzeugt werden. In diesem Fall muss der Radarsender ein Leistungsverstärker sein, z. B. ein Klystron oder ein Festkörpersender. Auf diese Weise wird der gesendete Puls intrapulsmoduliert und der Radarempfänger muss Pulskompressionstechniken verwenden.

Kühlmittel

Kohärente Mikrowellenverstärker, die über 1.000 Watt Mikrowellenleistung arbeiten, wie Wanderfeldröhren und Klystrons , erfordern flüssiges Kühlmittel. Der Elektronenstrahl muss 5- bis 10-mal mehr Leistung enthalten als die Mikrowellenleistung, die genug Wärme erzeugen kann, um ein Plasma zu erzeugen. Dieses Plasma fließt vom Kollektor zur Kathode. Dieselbe magnetische Fokussierung, die den Elektronenstrahl führt, zwingt das Plasma in den Weg des Elektronenstrahls, fließt aber in die entgegengesetzte Richtung. Dies führt eine FM-Modulation ein, die die Dopplerleistung verschlechtert. Um dies zu verhindern, ist ein flüssiges Kühlmittel mit minimalem Druck und minimaler Durchflussrate erforderlich, und in den meisten Hochleistungs-Oberflächenradarsystemen, die Doppler-Verarbeitung verwenden, wird normalerweise entionisiertes Wasser verwendet.

Coolanol ( Silikatester ) wurde in den 1970er Jahren in mehreren Militärradaren verwendet. Es ist jedoch hygroskopisch , was zur Hydrolyse und Bildung von leicht entzündlichem Alkohol führt. Der Verlust eines Flugzeugs der US Navy im Jahr 1978 wurde einem Silikatesterbrand zugeschrieben. Coolanol ist außerdem teuer und giftig. Die US Navy hat ein Programm namens Pollution Prevention (P2) eingeführt, um das Volumen und die Toxizität von Abfällen, Luftemissionen und Abwassereinleitungen zu beseitigen oder zu reduzieren. Aus diesem Grund wird Coolanol heute seltener verwendet.

Vorschriften

Radar (auch: RADAR ) ist gemäß Artikel 1.100 der ITU Radio Regulations (RR) der International Telecommunication Union (ITU) wie folgt definiert:

Ein Funkbestimmungssystem, das auf dem Vergleich von Referenzsignalen mit Funksignalen basiert, die von der zu bestimmenden Position reflektiert oder zurückgesendet werden. Jedes Funkortungssystem ist nach dem Funkdienst zu klassifizieren , in dem es ständig oder vorübergehend betrieben wird. Typische Radaranwendungen sind Primärradar und Sekundärradar , diese können im Ortungsdienst oder im Ortungsfunkdienst über Satelliten betrieben werden .

Konfigurationen

Radar gibt es in einer Vielzahl von Konfigurationen in Bezug auf Sender, Empfänger, Antenne, Wellenlänge, Scanstrategien usw.

Siehe auch

Definitionen
Anwendung
Hardware
Ähnliche Erkennungs- und Ranging-Methoden
Historische Radargeräte

Anmerkungen und Referenzen

Literaturverzeichnis

Verweise

Allgemein

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Technische Lektüre

Externe Links