Radar
Verschiedene Informationen können aus den empfangenen Wellen herausgelesen werden:
- aus dem Winkel gegenüber Norden ergibt sich die relative Richtung des angepeilten Objektes
- aus der Zeit zwischen Absenden und Empfangen kann die Entfernung berechnet werden (siehe Lichtgeschwindigkeit)
- aus der reflektierten Frequenz kann berechnet werden, ob und wie sich das Objekt relativ zum Beobachter nähert oder entfernt (siehe Doppler-Effekt)
- aus dem Verfolgen der einzelnen Meßvorgänge ergibt sich die bereits zurückgelegte Bahn bzw. Strecke des Objektes
- bei guter Auflösung des Radars können sogar Bilder des Objekts erzeugt werden.
| Inhaltsverzeichnis |
|
2 Einsatzgebiete 3 Siehe auch 4 Literatur 5 Weblinks |
Geschichte
Heinrich Hertz stellte 1886 beim experimentellen Nachweis von elektromagnetischen Wellen fest, dass Radiowellen von metallischen Gegenständen reflektiert werden.
Elf Jahre später wiederholte der Inder Jagadis Chandra Bose die Hertzschen Versuche in Kalkutta, diesmal jedoch mit einer kürzeren Wellenlänge als Hertz. Auf Grund dieser Versuche entwickelte Bose unter anderem Wellenleiter.
Die ersten Versuche der Ortung mittels Radiowellen führte 1904 der deutsche Hochfrequenztechniker Christian Hülsmeyer durch. Sein Telemobiloskop konnte die Laufzeit von Wellen, die von einem Schiff zurückgeworfen wurden, messen und wurde am 30. April 1904 zum Patent angemeldet.
Der Titel der Patentschrift Nr. 165546 lautete:
„Verfahren, um entfernte metallische Gegenstände mittels elektrischer Wellen einem Beobachter zu melden.
Vorliegende Erfindung hat eine Vorrichtung zum Gegenstand, durch welche die Annäherung beziehungsweise Bewegung entfernter metallischer Gegenstände (Schiffe, Züge oder dergleichen) mittels elektrischer Wellen einem Beobachter durch hör- oder sichtbare Signale gemeldet wird ...“
Der 23jährige Christian Hülsmeyer wollte eigentlich Lehrer werden. Bei Experimenten im Physiksaal des Bremer Lehrerseminars kam er auf eine - für die Entwicklung der Radartechnik - bahnbrechende Idee.
Beim Experimentieren mit den Hertz'schen Spiegelversuchen stellte Hülsmeyer fest, dass von einem Sender ausgesandte und von Metallflächen zurückgeworfene elektrische Wellen zur Ermittlung entfernter metallischer Objekte verwendet werden können - sein besonderes Interesse galt Schiffen.
Wahrscheinlich unbeeinflußt von Hülsmeyers Patent wurden 1911 in den USA die Grundprinzipien des Radars vom Science Fiction-Autor und Erfinder Hugo Gernsback in einem seiner Romane skizziert.
Geschichte der Radarentwicklung in Deutschland
Der Durchbruch zur breiten Anwendung kam für die Radartechnik erst im Zweiten Weltkrieg. Dr. Rudolf Kühnhold, der wissenschaftliche Direktor der Nachrichten-Versuchsabteilung der deutschen Marine, trieb die Entwicklung entscheidend voran. 1934 gelingen Dr. Rudolf Kühnhold im Kieler Hafen die ersten Versuche mit einem von ihm entwickelten Apparat, dem sogenannten Dezimeter-Telegraphie-Gerät bzw. DeTe-Gerät. Bei seinen Versuchen konnte er nicht nur wie geplant Schiffe, sondern auch über den Hafen fliegende Flugzeuge orten.Noch war die Entfernung, in der das Radar arbeitete, für die militärische Nutzung nicht geeignet, doch in den folgenden Monaten ging die Entwicklung schnell voran. Bereits im Oktober gelangen Entfernungsmessungen über rund 40 Kilometer.
Im Zweiten Weltkrieg erlangte die Radartechnik in der Seekriegs-, vor allem aber auch in der Luftkriegsführung große Bedeutung und wurde meist in Verbindung mit Flakstellungenstellungen eingesetzt. Der erste militärisch erfolgreiche radargeleitete Abfangeinsatz der Geschichte erfolgte am 18. Dezember 1939, als britische Bomber zum Angriff auf deutsche Kriegsschiffe in der Deutschen Bucht anflogen. Die nach der Ortung der Bomber aufsteigenden Abfangjäger fügten den Bombern schwere Verluste zu.
Einen ungewollten und verhängnisvollen Neben-Effekt hatte das übereilte Ausrüsten deutscher U-Boote mit noch nicht ausgereiften Radar-Warnempfängern. Sie wurden eingesetzt, um herannahende, feindliche Aufklärungsflugzeuge mit aktiviertem Radar frühzeitig zu erkennen. Diese Radar-Überwachungsempfänger strahlten jedoch eine intern erzeugte Oszillatorfrequenz praktisch ungehindert ab. Dies machte sie ortbar: Die unabsichtlich abgestrahlte Oszillatorfrequenz gestattete nicht nur die Bestimmung der Richtung, in der sich ein U-Boot befand, sondern bedeutete auch, dass dieses aufgetaucht war und mit feindlicher Radar-Aufklärung rechnete. Die U-Boote wurden damit zu einem leicht zu findenden Ziel. Der vermeintliche Vorteil kehrte sich ins Gegenteil um.
Geschichte der Radarentwicklung in England
Während sich die Radarentwicklung in Deutschland am Anfang mit dem Erkennen von Schiffszielen beschäftigte, war in England die Erkennung von Flugzeugen der Ausgangspunkt der Entwicklung.Bereits in der Ionosphären-Forschung hatte man Funkimpulse verwendet und aus der Laufzeit bis zum Eintreffen des reflektierten Signals die Höhe der Ionosphäre bestimmt. Diese Methode wurde nun für die Funkortung weiterentwickelt. Der Leiter der Radioversuchsstation in Slough Robert Watson-Watt und sein Mitarbeiter der Physiker Arnold Wilkins legten am 12. Februar 1935 ihren Bericht "Erkennen und Orte von Flugzeugen durch Funk" vor, in dem sie bereits alle wesentlichen Grundzüge des Radars beschrieben.
Bereits am 26. Februar 1935 wurde der erste Feldversuch durchgeführt. Der BBC-Sender in Daventry sendete ein Signal mit 49m Wellenlänge. Dies war auf die Flügelspannweite üblicher Bomber-Flugzeuge abgestimmt, die bei ungefähr der Hälfte dieser Länge lagen und somit Halbwellendipole darstellten. Hiervon wurden gute Reflektionseigenschaften erwartet. Eine mobile Empfangsstation, ausgerüstet mit einem für damalige Zeit sehr modernen Kathodenstrahl-Oszilloskop, befand sich in ca. 1 Meile Entfernung. Das über diesem Gebiet fliegende Testflugzeug erzeugte tatsächlich durch die an seinem Rumpf reflektierten Funkwellen einen zusätzlichen Leuchtpunkt auf dem Schirm des Oszilloskops. Das Flugzeug konnte bereits bei diesem ersten Test bis zu einer Entfernung von 13km verfolgt werden.
Nach diesen erfolgreichen Testergebnissen wurde die englische Radarentwicklung mit hohem Aufwand begonnen. Bereits im Januar 1936 waren für alle Aspekte der Radarortung (Entfernung, Höhenwinkel und Ortungsrichtung) Lösungen gefunden worden. Sogar das Prinzip eines Zielfolgeradars konnte am 20. Juni 1939 Winston Churchill praktisch demonstriert werden.
Im Jahre 1937 begann man, an der Ostküste der britischen Insel ein Kette von 20 Küsten-Radar-Stellungen, die sogenannte "Chain Home" zu installieren. Sie arbeitete bei 10 bis 13,5 m Wellenlänge (22-30 MHz), sendete 25 Pulse pro s mit 200 kW Leistung und hatte eine Reichweite von 200 km. Ab Karfreitag 1939 war diese Radarkette im 24-Stunden Dauerbetrieb.
Den Deutschen blieb die Installation der hohen Masten natürlich nicht verborgen. Anfang Mai und im August 1939 unternahmen sie deshalb zwei elektronische Aufklärungsflüge mit dem Luftschiff LZ130 "Graf Zeppelin" über dem Ärmelkanal, um den Stand der englischen Radartechnik zu erkunden. Sie haben jedoch keine Radarsignale gefunden. Dies lag daran, dass die deutsche Radarentwicklung im Bereich von 1,5 bis 0,5 m Wellenlänge stattfand, die Radarstationen an der englischen Kanalküste, die seit Karfreitag 1939 im Einsatz waren, den für die deutschen Ingenieure völlig abwegigen Bereich von 10 m Wellenlänge benutzten.
"Chain Home" hatte zwar ein hohe Reichweite, konnte aber keine Tiefflieger entdecken. Deshalb wurde zusätzlich "Chain Home Low", eine Tiefflug-Radarkette mit 80 km Reichweite bei 1,5 m Wellenlänge (200 MHz) installiert.
Es wurden alsbald auch Radargeräte für den Einsatz in Flugzeugen entwickelt. Nachdem die ersten Geräte aufgrund ihrer Wellenlänge von minimal 50 cm nur mäßig brauchbar waren, gelang zwei britischen Forschern am 21. Februar 1940 der Aufbau des ersten Laborgerätes eines Magnetrons zur Erzeugung von 10 cm Wellen. Hieraus wurde das H2S-Gerät entwickelt, ein Bordradar für Flugzeuge, mit dem die Konturen der Landschaft wie auf einer Karte dargestellt wurden. Der erstmalige Einsatz erfolgte am 30.-31. Januar 1943 bei einem Bombenangriff auf Hamburg.
Es gab ein einfaches Mittel, um die Nutzung von Radar zu stören. Beide Seiten, Deutschland und England, hatten dieses Mittel unabhängig voneinander entdeckt und hielten diese Entdeckung dann streng geheim, um damit nicht der Gegenseite die Methode zu verraten, wie wiederum das eigene Radar gestört werden könnte. Es handelte sich hierbei im Stanniolstreifen, die auf die halbe Wellenlänge der verwendeten Radargeräte zugeschnitten und von Flugzeugen in großer Menge abgeworfen wurden. Es waren dann die Engländer, die diese Methode dann noch bei der Operation "Gomorrha", dem Bombenangriff auf Hamburg am 24. Juli 1943, einsetzten. Es wurden 92 Mio Streifen oder 40 Tonnen abgeworfen. Die Entwicklung eines geeigneten Gegenmittels hatte auf deutscher Seite dann Erfolg. Das "Würzlaus"-Gerät konnte die Geschwindigkeit des Radarziels anhand des Dopplereffekts bestimmen. Langsam fliegende oder stillstehende Objekte, wie die Staniolstreifen, wurden dann einfach ausgeblendet.
Einsatzgebiete
FuMG 65, etwa 1940-43Radargeräte wurden für verschiedene Verwendungszwecke entwickelt:
- Frühwarnstationen, die vor anfliegenden Flugzeugen warnen, wie das Freya-Radar
- Radargeräte zur Zielverfolgung, als "Schüsseln"; siehe Würzburg-Riese
- Bomber bekamen Bordradar, um auch bei Nacht am Boden Einzelheiten erkennen zu können
- Nachtjäger bekamen Radar, um bei Nacht gegnerische Flugzeuge angreifen zu können
- Schiffsradar, um feindliche Schiffe und Flugzeuge zu entdecken oder um Kollisionen zu vermeiden.
- Wetterradar, Erkennung und Ortung von Schlechtwetterfronten
- Radargeräte zur Geschwindigkeitsmessung im Strassenverkehr mit Geräten u.a. der Fa. Multanova und Traffipax.
- Kfz-Technik. Seit Ende der 1990er Jahre sind für Fahrzeuge der gehobenen Mittelklasse und der Oberklasse radarbasierte Abstandshalter erhältlich. Allerdings ist die Marktdurchdringung noch relativ dünn (ca. 300.000 bis 700.000 Systeme weltweit im Jahr 2003). Der Generationswechsel in Richtung kostengünstiger Systeme hat 2003/2004 begonnen. Analysten sehen durch die gekoppelte Nutzung solcher Systeme mit sog. "Notbrems"-Funktionalitäten ein enormes Wachstumpotenzial von >500.000 Systemen / Jahr bis 2012. Ein weiteres Anwendungsgebiet stellen Nahbereichsfunktionen dar. Die entsprechende Frequenzzulassung für die "hoffnungsvollste" Technologie (24GHz, Kurzpuls) wurde Ende 2004 erteilt. Allerdings ist diese Zulassung an etliche Auflagen gekoppelt, weswegen die Markführer (Raytheon, Siemens, etc.) an Technologien für das 77-79 GHz-Band arbeiten.
- Miniatur-Radargeräte als Bewegungs- oder Füllstandsmelder
- Wissenschaftliche Forschung: Kartierung von Himmelskörpern mit undurchsichtiger Atmosphäre wie dem Planeten Venus, Vermessung des Sonnensystems
Als die Radargeräte leistungsfähiger wurden, entdeckte auch die Wissenschaft diese Technologie. Wetterradargeräte helfen in der Meteorologie oder an Bord von Flugzeugen bei der Wettervorhersage. Mittels großer Stationen können vom Boden aus Radarbilder vom Mond, der Sonne sowie einigen Planeten erzeugt werden. Umgekehrt kann auch die Erde vom Weltraum aus durch satellitengestütze Radargeräte vermessen und erforscht werden.
Technische Funktion
Bei Radargeräten unterscheidet man prinzipiell zwischen Puls- und CW-Radargeräten.
Ein Pulsradargerät sendet Impulse mit einer typischen Länge im unteren Mikrosekundenbereich und wartet dann auf Echos. Die Entfernung wird durch die Formel
R = Entfernung
t = Zeit
ermittelt. Je nach Reichweite des Radargerätes wird nun einige Mikro- bis Millisekunden empfangen, bevor der nächste Impuls ausgesendet wird. Bekannteste Anwendungsgebiete sind Luftraumüberwachung und Wetterradar. Dreht sich die Antenne, kann mit einer entsprechenden Anzeige eine Karte reflektierender Objekte erzeugt werden. Durch Verfahrenstechnik (Festzeichenunterdrückung, MTI) können elektronisch dabei feststehende Objekte ausgeblendet werden. Transponder an Flugzeugen können zur Identifikation beitragen, indem sie dem auftreffenden Radarsignal beim Reflektieren aktiv ein charakteristisches Digital-Muster hinzufügen, das die vom Operator zugewiesene Flugzeug-Kennung, die Höhe über Grund und die Geschwindigkeit über Grund, die vom Flugzeug gemessen sind, kodieren. Mit einer entsprechenden Auswerte-Elektronik lässt sich auch die relative Geschwindigkeit der georteten Objekte, deren Höhe und auch die Größe ermitteln. Auswertungen von Oberwellen für die Luftraumüberwachung erlauben Rückschlüsse auf den Flugzeugtyp, der das Echo generiert hat. Stationäre Pulsradargeräte erreichen Leistungen bis zu 100 MW als Spitzenimpulsleistung.
Ein Anflugradar an Flughäfen sendet zwei senkrecht aufeinander stehende Fächer aus, diese dienen der Kontrolle von Anflugrichtung und -winkel und gestattet Piloten bei schlechter Sicht eine sog. Instrumentenlandung. Dabei wird ihnen jede Abweichung vom idealen Landekurs an Bord angezeigt (sog. Instrument Landing System, ILS).
Das Bodengestützte STCA (Short Term Collision Avoidance) System zur Kollisionsvermeidung verwendet das Luftraumüberwachungsradar. Es berechnet aus Geschwindigkeit, Position und Orientierung von Flugobjekten die Wahrscheinlichkeit eines nahen Vorbeifluges (near miss) oder gar Zusammenstoßes von Flugzeugen und warnt optisch und akustisch den Fluglotsen.
Um in Impulsradar-Geräten die hohen Sendeleistungen zu erzeugen, welche zur Ortung z.B. über einige 100 km nötig sind, werden Magnetrons verwendet. Dazu wird ein Magnetron z.B. mittels Hochspannungs-Schaltröhren gepulst betrieben. Da in diesen Schaltröhren dabei auch Röntgenstrahlung entstand, führte dies öfter zu Strahlenschäden an früher unzureichend abgeschirmtem Bedien- und Wartungs-Personal militärischer Radar-Geräte.
Ein CW-Radar (CW = Continuous Wave, Dauersender) kann z.B. auch zur Geschwindigkeitsmessung genutzt werden. Dabei wird über eine Antenne eine konstante Frequenz abgestrahlt, die vom Ziel (beispielsweise einem Auto) reflektiert wird und mit einer gewissen Dopplerverschiebung zurückkommt. Durch einen Vergleich der gesendeten mit der empfangenen Frequenz kann die Geschwindigkeit bestimmt werden. Diese CW-Radargeräte können keine Entfernungen messen. Die erforderlichen Sendeleistungen sind sehr gering. Die Radargeräte der Verkehrs-Polizei ("Radar-Fallen") sind solche CW-Radargeräte. Eine weitere Art sind die "Modulated CW-Radar" oder FM-Radar-Geräte. Sie senden mit einer sich ständig ändernden Frequenz. Die Frequenz steigt entweder linear an, um bei einer bestimmten Frequenz abrupt auf den Anfangswert wieder abzufallen (Sägezahnmuster), oder sie steigt und fällt abwechselnd mit konstanter Änderungsgeschwindigkeit. Durch die lineare Änderung der Frequenz und das stetige Senden ist es möglich, neben der Differenzgeschwindigkeit zwischen Sender und Objekt auch gleichzeitig deren absolute Entfernung voneinander zu ermitteln. Radar-Höhenmesser von Flugzeugen und Abstandswarngeräte /-radare in Autos arbeiten nach diesem Prinzip.
Siehe auch
passives Radar, Radarkuppel, Stealth, Sekundärradar, Synthetic Aperture Radar, Überhorizont-Radar ('OTH'-Radar, over the horizon - radar) Radargeräte als Verkehrsüberwachung, Radarschirm, Ground Controlled Approach, Ionosonde, Lidar
Literatur
- Fritz Trenkle: Die deutschen Funkmessverfahren bis 1945. - Heidelberg [u.a.], 1986, ISBN: 3-7785-1400-8
- B.Johnson Streng geheim, Wissenschaft und Technik im Zweiten Weltkrieg, Wiener Verlag, Wien 1978, ISBN 3-89350-818-X
Weblinks
- http://www.itnu.de/radargrundlagen/grundlagen/gl36-de-t.html Radargrundlagen
- * "SRE-LL und SRT-4 Radaranlage"
