RADAR - Grundlagen und Anwendung

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Kapitelübersicht

2 Historie der Radartechnik

3 Physikalische und technische Grundlagen
3.1 Entfernungsmessung
3.2 Geschwindigkeitsmessung
3.3 Gerätetechnik
3.3.1 Generierung des Signals
3.3.2 Verstärkung des Signals
3.3.3 Aussenden des Signals

4 Radaranwendungen

5 Anwendungsbeispiel
5.1 Funktionsweise
5.2 Technische Beschreibung
5.3 Bewertung

6 Zusammenfassung und Ausblick

7 Literaturverzeichnis

1 Einleitung

Ra|dar [auch: radar; amerik. Kurzwort aus: r adio d etecting a nd r anging (re i dio u ditäkting e nd re i ndsching) ] der od. das; -s: Verfahren zur Ortung von Gegenständen im Raum mit Hilfe gebündelter elektromagnetischer Wellen, die von einem Sender ausgehen, reflektiert werden u. über einen Empfänger auf einem Anzeigegerät sichtbar gemacht werden.

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In vielen Bereichen unseres täglichen Lebens hat moderne Technik Einzug gehalten. Oft nutzen wir diese Technik ohne deren Hintergründe oder Funktion zu kennen. Die vorliegende Arbeit be- leuchtet die Radartechnik und bietet dem Leser interessante Einblicke in unterschiedliche Anwendungsgebiete. Ziel dieser Ausarbeitung ist die verständliche Darstellung eines Teils der uns umgebenden Welt, der Radartechnik. Dem Leser wird dadurch die kritische Bewertung dieser Tech- nologie ermöglicht.

Ursprünglich als Akronym für R adio A ircraft D etection A nd R anging steht RADAR heute für R adio A im D etecting A nd R anging bzw. nur noch für Ra dio D etection a nd R anging, was zu der obigen Definition aus dem Fremdwörter Duden führt. Wie der Name schon sagt bestehen seine Auf- gaben im Orten von Zielen und der Entfernungsmessung zum Empfänger durch Radiowellen.

Verkehrsleittechnik und ein Teil der Verkehrsüberwachung, die uns allen bekannten Geschwin- digkeitsmessungen der Polizei, werden mit Radargeräten realisiert. In größeren Höhen wird heutzu- tage der gesamte Luftverkehr von Radaranlagen überwacht. Selbst im Weltraum werden Vorgänge auf der Erde mit Hilfe militärischer Aufklärungssatelliten überwacht. Und auch in der Astronomie hat die Radartechnik Einzug gefunden. Somit wird klar, dass die Radartechnik als Mess- und Über- wachungsinstrument in viele Bereiche unseres Lebens eingedrungen ist.

Aufgrund der Komplexität des Themas und dem breiten Spektrum an Anwendungen stellt diese Arbeit lediglich die wichtigsten Sachverhalte dar. Nur einige ausgewählte Bereiche werden näher beleuchtet.

2 Kapitelübersicht

Kapitel 2 stellt die historische Entwicklung der Radartechnik dar. Anschließend erläutert Kapi- tel 3 die physikalisch-mathematischen und technischen Grundlagen aller Radargeräte. Die Betrach- tung aktueller Anwendungen der Radartechnik in Kapitel 4 führt zu einer detaillierten Darstellung einer Anwendung in Form eines konkreten Fallbeispiels in Kapitel 5. Aufgrund der vielen

Kapitelübersicht

Anwendungsbereiche stellt diese Arbeit nur eine Auswahl der wichtigsten Anwendungen vor. Mit einer Zusammenfassung und einem kritischen Ausblick im sechsten Kapitel schließt diese Arbeit ab.

3 Historie der Radartechnik

Bereits 1864 wurden elektromagnetische Wellen von Clerk Maxwell erforscht. Es dauerte je- doch 40 Jahre, bevor die elektromagnetischen Wellen zur Entfernungsbestimmung von Objekten genutzt werden konnten. Vor dem 2. Weltkrieg arbeiteten deutsche, amerikanische, britische und auch russische Wissenschaftler etwa zur selben Zeit an der Radartechnik. Während des Krieges wurde sie mit viel Kapital weiterentwickelt und auch eingesetzt. Tabelle 1 zeigt die wichtigen Er- eignisse im Überblick.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Radarhistorie

Historie der Radartechnik

Während des 2. Weltkrieges wurde im Südosten Englands ein groß angelegtes Frühwarnsystem gegen deutsche Luftangriffe errichtet. In Deutschland wurden vor allem in der deutschen Bucht und im besetzten Belgien Radaranlagen aufgestellt, um die großen alliierten Bomberverbände (bis zu 1000 Bomber) frühzeitig erkennen und abfangen zu können. Aufgrund des starken militärischen In- teresses konnte die Radartechnik im Zweiten Weltkrieg große Fortschritte verzeichnen. Nicht zu- letzt durch die im Krieg verfügbaren enormen finanziellen Mittel konnten Forschungen und Entwicklungen mit großem Materialaufwand betrieben werden.

Nach Ende des 2. Weltkrieges wurden vor allem während des Kalten Krieges Radaranlagen wei- terentwickelt, besonders die Computertechnik ist zu erwähnen. Durch sie war man in der Lage Radaranlagen besser zu konstruieren, und leichter sowie effizienter zu betreiben.

4 Physikalische und technische Grundlagen

Es gibt grundsätzlich zwei Prinzipien, die in Radaranlagen genutzt werden. Einerseits die Ab- standsmessung eines Objektes zum Radarsender und andererseits dessen Geschwindigkeitsmessung. Im Folgenden geht es um die mathematisch-physikalische Herleitung dieser Prinzipien. Darüberhin- aus werden die Grundlagen der Bauteile einer Radaranlage anhand des Signalweges erläutert.

4.1 Entfernungsmessung

Für die Abstandsmessung eines Objektes wird eine elektromagnetische Welle ausgesandt. Der Empfänger registriert das Echo. Durch die Zeit, welche die Welle vom Sender zum Ziel und wieder zurück zum Empfänger braucht, lässt sich die Entfernung berechnen. Die Laufzeit gibt die direkte Entfernung an, während die Position mit Hilfe der Ausrichtung der Radaranlage und dem Abstrahl- winkel bestimmt wird.

Es wird von einem Kugelstrahler ausgegangen, der Radarwellen aussendet, welche sich kugel- förmig und gleichmäßig in alle Richtungen ausbreiten. Die Entfernung R zu einem Objekt lässt sich mit der folgenden Formel aus der Ausbreitungsgeschwindigkeit c und der Signallaufzeit t berech- nen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gleichzeitig mit der Entfernung kann aus dem Winkel, mit dem die Radaranlage die Wellen aussendet, skizziert in Abbildung 4.1, die Zielhöhe (Höhe über Senderebene, 0°) errechnet werden.

Über ein rechtwinkliges Dreieck und die entsprechenden trigonometrischen Funktionen erhalten wir die Höhe H des Objektes über der Erdoberfläche. Eine exakte Höhenberechnung kann bei großen Entfernung zu den Objekten nur durch Berücksichtigung der Erdkrümmung erreicht werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.1: Höhenberechnung

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Für die maximale Reichweite Rmax eines Radargerätes sind ebenfalls die Erdkrümmung sowie die Sendeleistung der Anlage die begrenzenden Faktoren, wobei in der Praxis die zur Verfügung stehenden und umsetzbaren Energien und damit die Sendeleistung den einzig begrenzenden Wert darstellt. Zunächst ist die Leistungsdichte PDichte eines Radarstrahlers von Interesse. Sie ergibt sich aus der Gesamtsendeleistung der Anlage PGesamt, die sich auf eine Kugelfläche A mit dem Radius rKugel (=Entfernung zum Ziel) verteilt. Das Zielobjekt befindet sich auf der gedachten Kugeloberflä- che.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Leistungsdichte sinkt quadratisch mit der Zielentfernung. Da in der Praxis Radarantennen nicht kugelförmig, sondern gerichtet abstrahlen, muss man die Formel noch um den sogenannten Antennengewinn G ergänzen, was die Verstärkung des Sendesignals durch den Parabolspiegel aus- drückt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Rückweg der Radarwelle vom Objekt zur Radarantenne wird mit der gleichen Formel be- rücksichtigt. Daraus ergibt sich die Sendeleistungsdichte PS, welche beim Empfänger wieder an- kommt. Durch Einsetzen in die obige Gleichung für PDichte ergibt sich die tatsächlich empfangene Leistung PEmpfang.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Reichweite Rmax eines Radarsystems ergibt sich durch Auflösen der Formel für PEmpfang nach

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Reichweite wird auch durch atmosphärische und technische Verlustleistungen beeinflusst, die allgemein im Faktor Cverlust zusammengefasst werden. Ein weiteres Problem stellt die Erfassung der Rückstreufläche F des Zielobjektes dar. Sie wird durch die Zielgröße, Materialeigenschaften und die elektrischen Eigenschaften der Oberfläche des Ziels bestimmt. Zusätzlich dazu wird die Rückstreufläche durch die Wellenlänge beeinflusst. Je nach Verhältnis von Wellenlänge zur tat- sächlichen Zielgröße ist die effektive Rückstrahlfläche unterschiedlich. Das spielt z.B. beim Wetter- radar eine Rolle, wo es durchaus zu Problemen bei der Detektion von Wolken kommen kann. Diese können, abhängig von der Tröpfchengröße, ein undurchdringbares Hindernis darstellen, was eine entsprechende Wahl der Wellenlänge erfordert. Um nun die maximale Reichweite Rmax einer Radar- anlage bestimmen zu können, setzt man vereinfachend eine mittlere Rückstrahlfläche von 1m² voraus. CVerlust wird in den Nenner der Formel für Rmax gebracht. Bis auf die Rückstreufläche des Ziels sind alle Faktoren vom Radaroperator beeinflussbar.