Radar

Das Radom mit Radar der Fraunhofer-Gesellschaft (vormals FGAN) in Wachtberg

Radarkuppel, die das Radar eines französischen Kriegsschiffs schützt (1998)

1886 stellte der deutsche Physiker Heinrich Hertz beim experimentellen Nachweis elektromagnetischer Wellen fest, dass Radiowellen an metallischen Gegenständen reflektiert werden. 1900 wurde von Nikola Tesla ein Rückstrahlortungsgerät vorgeschlagen.

Die ersten Versuche zur Ortung mit Hilfe von Radiowellen führte der deutsche Hochfrequenztechniker Christian Hülsmeyer im Jahr 1904 durch. Er fand heraus, dass von Metallflächen zurückgeworfene elektromagnetische Wellen verwendet werden können, um entfernte metallische Objekte zu detektieren. Sein Telemobiloskop zur Erkennung von Schiffen gilt als Vorläufer heutiger Radarsysteme und wurde am 30. April 1904 zum Patent angemeldet,[5] das wegen fehlender technischer Voraussetzungen (Elektronenröhre noch nicht verfügbar) nicht realisierbar war. Der Nutzen der Radartechnik wurde jedoch zunächst nicht erkannt und so geriet die Erfindung vorläufig in Vergessenheit.

Die Entdeckung und Entwicklung der Radartechnik kann weder ein einzelner Staat noch eine einzelne Person für sich verbuchen. Man muss sie als eine Anhäufung vieler Entwicklungen und Verfeinerungen ansehen, an denen Wissenschaftler mehrerer Nationen parallel Anteil hatten.

Der Durchbruch der Radartechnik folgte kurz vor und während des Zweiten Weltkrieges. Im Zuge der militärischen Aufrüstung in dieser Zeit wurden ab Mitte der 1930er Jahre in mehreren Ländern unabhängig voneinander intensiv Radargeräte und -systeme entwickelt, besonders von Deutschen und Briten. Auch in Australien gab es erfolgreiche Tests mit einem Radargerät.[6] Beim Kriegsbeginn 1939 gab es auch in den USA, in der Sowjetunion, in Frankreich, Japan, Italien und den Niederlanden Radaranlagen.

Im September 1935 präsentierte die GEMA aus Berlin als erste ein voll funktionsfähiges Funkmessgerät. Auf deutscher Seite wurden viele verlegbare Radaranlagen entwickelt und gebaut. Neben der GEMA, die Systeme wie Freya, Mammut, Wassermann und Seetakt entwickelte, war auch Telefunken mit den Systemen Würzburg und Würzburg-Riese maßgeblich an der deutschen Radartechnik beteiligt. Am 18. Dezember 1939 flog die Luftwaffe ihren ersten radargeleiteten Abfangeinsatz gegen 22 britische Bomber, die einen Angriff auf Wilhelmshaven flogen. Beim Luftgefecht über der Deutschen Bucht gelang es ihr, zwölf davon abzuschießen und drei schwer zu beschädigen. Das deutsche Abwehrsystem gegen Bombergeschwader, die Kammhuber-Linie, führte über eine Länge von mehr als 1000 km von Dänemark bis Nordfrankreich.

Die Briten errichteten ab 1936 mit Chain Home ebenfalls eine Kette von Radarstationen an der Ostküste, die auf einer anderen Wellenlänge als die der Deutschen arbeitete und von diesen zunächst nicht erkannt wurde. Diese Radarstationen waren in einem Luftverteidigungsnetzwerk eingebunden. Schon ab 1939 wurde das System mit einem Freund-Feind-Erkennungsgerät in den Flugzeugen ergänzt. Da dieses ursprüngliche System Tiefflieger nur sehr schlecht orten konnte, wurde mit Chain Home Low ein zweites System mit höheren Sendefrequenzen aufgebaut und in das Netzwerk integriert.

Eine Wende im U-Boot-Krieg brachte die Entwicklung eines leistungsfähigen Magnetrons an der Universität Birmingham, welches ab 1940 für den Einsatz in kleinen mobilen Radargeräten zur Verfügung stand. Ende Januar 1943 setzen die Briten bei einem Angriff auf Hamburg erstmals ein solches mobiles Radarsystem in Flugzeugen ein, welches zur Navigation und Zielsuche verwendet wurde (H2S). Beide Seiten entwickelten sogenannte Düppel, einfache Metallfolienstreifen, um die gegnerischen Radarsysteme zu stören. Schnell wurden jedoch verbesserte Systeme entwickelt, die diese Störungen herausfiltern konnten.

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. Heute sind ACC-Systeme (Adaptive Cruise Control = Abstandsregelanlage) bei PKWs und LKWs weit verbreitet; meist in Verbindung mit einem Tempomat. Jedwede Form von autonomem Fahren benötigt ein ACC-System.

In der Raumfahrt wird Radartechnik seit Mitte der 1990er zur Vermessung der Erde und anderer Planeten sowie militärisch genutzt. Zur Erfassung von Wetterdaten werden zudem Wetterradare eingesetzt.

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 ${\displaystyle \Delta t}$ des Impulses ist die Zeit zwischen dem Senden und dem Empfang des Echos. Sie wird zur Entfernungsbestimmung genutzt. Für die Entfernung ${\displaystyle r}$ gilt der Zusammenhang:

${\displaystyle r\;=\;{\frac {c}{2}}\Delta t}$

Die Gruppengeschwindigkeit ${\displaystyle c}$ ist näherungsweise gleich der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, da der Brechungsindex von Luft für Radiowellen sehr nahe an 1 ist. Je nach Reichweite des Radargerätes wird nach einem gesendeten Impuls einige Mikro- bis Millisekunden lang empfangen, bevor der nächste Impuls ausgesendet wird.

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.

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.

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.

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.

Eine in älteren Radargeräten, jedoch auch heute verwendete[7] 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.

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.

Ein CW-Radar (CW für engl. continuous wave – Dauersender) konstanter Frequenz kann keine Entfernungen messen, aber über die Richtwirkung seiner Antenne den Azimut zu einem Ziel. Es wird zur Geschwindigkeitsmessung genutzt. Dabei wird die über eine Antenne abgestrahlte Frequenz vom Ziel (beispielsweise einem Auto) reflektiert und mit einer gewissen Doppler-Verschiebung, also geringfügig geändert, wieder empfangen. Da nur bewegte Objekte erkannt werden, fehlen störende Einflüsse von Festzielen. Durch einen Vergleich der gesendeten mit der empfangenen Frequenz (Homodyne Detektion) kann die radiale Geschwindigkeitskomponente bestimmt werden, die um einen Kosinusfaktor kleiner ist als der Betrag des Geschwindigkeitsvektors.

• An Schienenfahrzeugen werden Geschwindigkeitssensoren nach diesem Prinzip eingesetzt, sie strahlen schräg ins Gleisbett. Die erforderlichen Sendeleistungen sind sehr gering und werden oft mit Gunn-Dioden erzeugt.
• Erste Radargeräte der Verkehrspolizei waren ebenfalls Dauerstrichradar-Geräte. Da sie keine Entfernung messen konnten, arbeiteten sie noch nicht automatisch.
• Flugabwehr-Radargeräte mit Doppler-Erfassungsradar, wie das AN/MPQ-55 (CWAR), erkennen ihr Ziel auch bei starker Düppel-Störung.
• Radar-Bewegungsmelder arbeiten ebenfalls nach diesem Prinzip, sie müssen jedoch hierzu auch langsame Änderungen der Empfangsfeldstärke aufgrund sich ändernder Interferenzverhältnisse registrieren können.

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).[8] 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.