Funkmeßtechnik

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Funkmeßtechnik

Radar ist die Abk√ľrzung f√ľr Radio Detection and Ranging (frei √ľbersetzt: ‚ÄěFunkortung und -abstandsmessung‚Äú), urspr√ľnglich Radio Aircraft Detection and Ranging (frei √ľbersetzt: ‚ÄěFunkbasierte Flugzeugortung und -abstandsmessung‚Äú) und ist die Bezeichnung f√ľr verschiedene Erkennungs- und Ortungsverfahren und -ger√§te auf der Basis elektromagnetischer Wellen im Radiofrequenzbereich (Funkwellen). Der Begriff Radar hat in der Vergangenheit die urspr√ľngliche, deutsche Bezeichnung ‚ÄěFunkme√ü‚Äú ersetzt.

Radarantenne

Inhaltsverzeichnis

Allgemeines

Radarmonitor in der Flug√ľberwachung

Ein Radarger√§t ist ein Ger√§t, das elektromagnetische Wellen geb√ľndelt als sogenanntes Prim√§rsignal aussendet, die von Objekten reflektierten "Echos" als Sekund√§rsignal empf√§ngt und nach verschiedenen Kriterien auswertet. So k√∂nnen Informationen √ľber die Objekte gewonnen werden. Meist handelt es sich um eine Ortung (Bestimmung von Entfernung und Winkel). Es gibt je nach Einsatzzweck unterschiedliche Radarprinzipien wie das Wetterradar, das harmonische Radar und das √úberhorizontradar.

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

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

Die aus dem Deutschen kommende urspr√ľngliche Bezeichnung Funkme√ütechnik wurde nach dem Zweiten Weltkrieg in der Bundesrepublik Deutschland durch den Begriff Radar ersetzt. In der DDR wurde in der Fachsprache weiterhin von Funkme√ütechnik gesprochen.

Geschichte

Das Radom der FGAN in Wachtberg
Die Radarkuppel, die das Radar DRBI¬†23 sch√ľtzt. (Juli 1998)

Heinrich Hertz stellte 1886 beim experimentellen Nachweis von elektromagnetischen Wellen fest, dass Radiowellen von metallischen Gegenständen reflektiert werden.

Elf Jahre sp√§ter wiederholte der Inder Jagadish Chandra Bose die Hertzschen Versuche in Kalkutta, diesmal jedoch mit einer k√ľrzeren Wellenl√§nge als Hertz. Auf der Basis dieser Versuche entwickelte Bose unter anderem den Wellenleiter - eine wichtige Komponente von Radarger√§ten.

Die ersten Versuche der Ortung mittels Radiowellen f√ľhrte 1904 der deutsche Hochfrequenztechniker Christian H√ľlsmeyer durch. Beim Experimentieren stellte H√ľlsmeyer fest, dass von einem Sender ausgesandte und von Metallfl√§chen zur√ľckgeworfene elektrische Wellen zur Ermittlung entfernter metallischer Objekte verwendet werden k√∂nnen. Das von ihm entwickelte Telemobiloskop konnte die Laufzeit von Wellen, die von einem Schiff zur√ľckgeworfen wurden, messen.

Das zugrundeliegende Verfahren wurde am 30. April 1904 zum Patent angemeldet.[1][2]

Der Titel der Patentschrift Nr. 165546 lautete:

‚ÄěVerfahren, um entfernte metallische Gegenst√§nde mittels elektrischer Wellen einem Beobachter zu melden.
Vorliegende Erfindung hat eine Vorrichtung zum Gegenstand, durch welche die Ann√§herung beziehungsweise Bewegung entfernter metallischer Gegenst√§nde (Schiffe, Z√ľge oder dergleichen) mittels elektrischer Wellen einem Beobachter durch h√∂r- oder sichtbare Signale gemeldet wird [...]
“

Wahrscheinlich unbeeinflusst von H√ľlsmeyers Patent wurden 1911 in den USA die Grundprinzipien des Radars vom Science-Fiction-Autor und Erfinder Hugo Gernsback in seinem Science-Fiction-Roman Ralph 124C 41+ skizziert. Gernsbacks Buch geht auf einen Fortsetzungsroman zur√ľck, der in der Technikzeitschrift Modern Electrics zwischen April 1911 und M√§rz 1912 ver√∂ffentlicht wurde.

Die Suche nach neuen physikalischen Prinzipien zur L√∂sung des Problems der Erkennung und Standortbestimmung von Luft- und Seezielen f√ľhrte Mitte der 1930er Jahre in mehreren L√§ndern nahezu gleichzeitig zur Entwicklung der Radartechnik.

Geschichte der Radarentwicklung in Deutschland

Radarger√§t "W√ľrzburg" (1942)

Der Durchbruch zur breiten Anwendung kam f√ľr die Radartechnik erst im Zweiten Weltkrieg. Dr. Rudolf K√ľhnhold, der wissenschaftliche Direktor der Nachrichten-Versuchsabteilung der Reichsmarine, trieb die Entwicklung entscheidend voran. 1934 wurden im Kieler Hafen die ersten Versuche mit einem von ihm entwickelten Apparat durchgef√ľhrt, der zur Tarnung DeTe-Ger√§t (Dezimeter-Telegraphie) genannt wurde. Bei seinen Versuchen konnte er nicht nur wie geplant Schiffe, sondern auch √ľber den Hafen fliegende Flugzeuge orten.

Noch war die Entfernung, bis zu der das Radar arbeitete, f√ľr eine breite Nutzung ungeeignet, doch bereits im Oktober 1934 gelangen Entfernungsmessungen bis etwa 40¬†km. Einer der ersten Hersteller von Radarger√§ten war die Anfang 1934 gegr√ľndete GEMA (Gesellschaft f√ľr elektroakustische und mechanische Apparate mbH, Berlin). Hans Karl Freiherr von Willisen und Paul-G√ľnther Erbsl√∂h entwickelten und erprobten in Pelzerhaken die Systeme Freya, Mammut (PESA), Wassermann und Seetakt sowie Seeartger√§t. Nach Kriegsende wurde die GEMA als R√ľstungsbetrieb aufgel√∂st und die Standorte in den Ausweichquartieren Pelzerhaken und Lensahn demontiert.

Neben der GEMA waren Siemens und vor allem Telefunken die Firmen mit den größten Anteilen an der Weiterentwicklung der deutschen Radartechnik, die Funkmeßtechnik genannt wurde. Die Geräte wurden daher auch mit FuMG (Funkmessgerät) bezeichnet. Weitere auf dem Gebiet tätige Firmen waren Blaupunkt (Ideal-Radio, Berlin) und die C. Lorenz AG, Berlin.

Im Zweiten Weltkrieg erlangte die Radartechnik in der Seekriegs-, vor allem aber auch in der Luftkriegsf√ľhrung gro√üe Bedeutung und wurde dort in Verbindung mit Flakstellungen und zur F√ľhrung von Jagdflugzeugen eingesetzt. Der erste erfolgreiche radargeleitete Abfangeinsatz der Geschichte war am 18. Dezember 1939, als 24 britische Bomber einen Angriff auf Wilhelmshaven flogen. Nach deren Ortung wurden durch J√§ger zehn Bomber abgeschossen und drei schwer besch√§digt.[3] Eines der ersten in Deutschland verf√ľgbaren Bordradarsysteme f√ľr die Nachtj√§ger war das ‚ÄěLichtenstein‚Äú-Ger√§t von Telefunken. Die √ľber 1000 km lange Kammhuber-Linie von D√§nemark bis Nordfrankreich war ein Abwehrsystem gegen n√§chtliche Bombergeschwader auf das Deutsche Reich. Es bestand unter anderem aus Radarger√§ten der Typen W√ľrzburg Riese und Freya.

Noch bis in die 1950er Jahre wurde im deutschsprachigen Raum der Begriff ‚ÄěFunktastsinn‚Äú f√ľr das Radarverfahren verwendet.

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 Ionosph√§ren-Forschung hatte man Funkimpulse verwendet und aus der Laufzeit bis zum Eintreffen des reflektierten Signals die H√∂he der Ionosph√§re bestimmt. Diese Methode wurde nun f√ľr 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 zum Thema Erkennung und Ortung von Flugzeugen durch Funk vor, in dem sie bereits alle wesentlichen Grundz√ľge des Radars beschrieben.

Bereits am 26. Februar 1935 wurde der erste Feldversuch durchgef√ľhrt. Der BBC-Sender in Daventry sendete ein Signal mit 49¬†m Wellenl√§nge. Dies war auf die Fl√ľgelspannweite √ľblicher Bomber-Flugzeuge abgestimmt, die bei ungef√§hr der H√§lfte dieser L√§nge lagen und somit Halbwellendipole darstellten. Hiervon wurden gute Reflexionseigenschaften erwartet. Eine mobile Empfangsstation, ausger√ľstet mit einem f√ľr damalige Zeit sehr modernen Kathodenstrahl-Oszilloskop, befand sich in ca. einer Meile Entfernung. Das √ľber diesem Gebiet fliegende Testflugzeug erzeugte tats√§chlich durch die an seinem Rumpf reflektierten Funkwellen einen zus√§tzlichen Leuchtpunkt auf dem Schirm des Oszilloskops. Das Flugzeug konnte bereits bei diesem ersten Test bis zu einer Entfernung von 13¬†km verfolgt werden.

Nach diesen erfolgreichen Testergebnissen wurde die englische Radarentwicklung mit hohem Aufwand begonnen. Bereits im Januar 1936 waren f√ľr alle Aspekte der Radarortung (Entfernung, H√∂henwinkel und Ortungsrichtung) L√∂sungen gefunden worden. Sogar das Prinzip eines Zielfolgeradars konnte am 20. Juni 1939 vor Winston Churchill praktisch demonstriert werden.

Im Jahre 1937 begann man, an der Ostk√ľste der britischen Insel eine Kette von 20 K√ľsten-Radar-Stellungen, die sogenannte Chain Home, zu installieren. Sie arbeitete bei 10 bis 13,5¬†m Wellenl√§nge (22 bis 30¬†MHz), sendete 25 Pulse pro Sekunde mit 200¬†kW Leistung und hatte eine Reichweite von 200¬†km. Ab Karfreitag 1939 war diese Radarkette im 24-Stunden-Dauerbetrieb.

Die Deutschen entdeckten die hierzu installierten hohen Masten und unternahmen daher mit dem Luftschiff LZ¬†130 Graf Zeppelin¬†II im Mai und August 1939 zwei Aufkl√§rungsfl√ľge entlang der britischen Ostk√ľste bis zu den Shetland-Inseln, um den Stand der englischen Radartechnik zu erkunden. Sie fanden jedoch keine Radarsignale, da sie Signale im Bereich von 1,5 bis 0,5¬†m Wellenl√§nge erwarteten, die englischen Radarstationen jedoch den f√ľr die deutschen Ingenieure v√∂llig abwegigen Bereich von 10¬†m Wellenl√§nge benutzten.

Chain Home hatte zwar eine 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.

Die Radarkette erwies sich als wichtiger Vorteil in der Luftschlacht um England, da die deutschen Angriffe rechtzeitig erkannt werden konnten.

Bald wurden auch Radarger√§te f√ľr den Einsatz in Flugzeugen entwickelt. Erste Ger√§te waren aufgrund ihrer Wellenl√§nge von minimal 50¬†cm nur m√§√üig brauchbar. Zwei britischen Forschern gelang am 21. Februar 1940 der Aufbau des ersten Laborger√§tes eines Magnetrons zur Erzeugung von 10-cm-Wellen. Hieraus wurde das H2S-Ger√§t entwickelt, ein Bordradar f√ľr Flugzeuge, mit dem die Konturen der Landschaft wie auf einer Karte dargestellt wurden. Der erstmalige Einsatz erfolgte am 30. und 31. Januar 1943 bei einem Bombenangriff auf Hamburg.

Es wurden sogenannte D√ľppel entwickelt - ein einfaches Mittel, um Radar zu st√∂ren. Deutschland und England hatten dieses Mittel unabh√§ngig voneinander entwickelt und es geheim gehalten, um nicht zu verraten, wie das eigene Radar gest√∂rt werden k√∂nnte. D√ľppel sind Metallfolienstreifen, die etwa auf die halbe Wellenl√§nge der verwendeten Radarger√§te zugeschnitten und von Flugzeugen in gro√üer Menge abgeworfen wurden. Die Engl√§nder setzten diese Methode bei der Operation Gomorrha, dem Brandbombenangriff auf Hamburg am 24. Juli 1943, ein. Es wurden 92 Mio. Streifen, das entspricht 40 Tonnen, abgeworfen. Auf deutscher Seite dauerte die Entwicklung eines geeigneten Gegenmittels nicht lange: Das verbesserte W√ľrzburg-Radarger√§t konnte bewegte Objekte wie Flugzeuge von den stillstehenden Metallstreifen trennen und die Geschwindigkeit des Ziels anhand des Dopplereffektes bestimmen.

Geschichte der Radarentwicklung in der Sowjetunion

Die Tatsache einer eigenständigen Entwicklung in der Sowjetunion wird von westlichen Quellen kaum erwähnt, dabei zeichnet sich diese durch eine Reihe interessanter Lösungen aus. Die sowjetische Radarentwicklung erfolgte unter den Bedingungen der internationalen Isolierung der UdSSR und später der Auslagerung von Konstruktions- und Produktionskapazitäten nach Osten.

Popow hat 1895 in Sankt Petersburg die ersten Radiosignale √ľbertragen und hat dabei auch Eigenschaft der Reflektierung von Radiowellen an Gegenst√§nden entdeckt. In den 1920er Jahren erbrachten russische und ukrainische Wissenschaftler theoretische Vorleistungen bez√ľglich der Anwendung der R√ľckstrahlortung mittels elektromagnetischer Wellen. Bontsch-Brujewitsch, Arenberg und Wwedenski untersuchten das Reflexionsverhalten elektromagnetischer Wellen. Durch Mandelstam und Papaleksi erfolgten phasometrische Entfernungsmessungen zur Bestimmung der H√∂he der Ionosph√§re mit elektromagnetischen Impulsen.

Die Idee der Anwendung von Funkwellen zur Entdeckung und Standortbestimmung von Flugk√∂rpern entstand gleichzeitig in zwei Verwaltungen des Volkskommissariats f√ľr Verteidigung - in der Milit√§rtechnischen Verwaltung 1930 im Plan f√ľr ein Aufkl√§rungsmittel der Flakartillerie und in der Verwaltung Luftverteidigung 1932/33 zur Verbesserung der Luftraumaufkl√§rung. Ende 1933 wurden auf Initiative des Milit√§ringenieurs M.M. Lobanow im Zentralen Radiolaboratorium Untersuchungen zur R√ľckstrahlortung mit Dezimeterwellen begonnen. Unter Leitung von J.K. Korowin wurde erstmals ein Flugzeug mit einer Versuchsanordnung geortet, die aus einem 60-cm-Dauerstrichsender, einem Superregenerativempf√§nger und zwei Parabolantennen f√ľr Senden und Empfang bestand.

Im Januar 1934 fand unter Leitung des Akademiemitglieds A.F. Joffe eine Beratung namhafter Spezialisten statt, die die Ideen des Ingenieurs P.K. Ostschepkow f√ľr ein System der Luftraumaufkl√§rung mittels elektromagnetischer Wellen unterst√ľtzte. In der ‚ÄúZeitschrift der Luftverteidigung‚ÄĚ, Heft 2/1934, ver√∂ffentlichte Ostschepkow seine Gedanken √ľber ein Aufkl√§rungssystem der Luftverteidigung, die Vorteile der Impulsmethode f√ľr die Ortung von Luftzielen und der Idee einer Rundblickstation, die gleichzeitig Entfernung und Seitenwinkel eines Flugk√∂rpers bestimmt.

RUS-1

Noch 1934 begannen umfangreiche Arbeiten zur Realisierung der Funkortung unter Nutzung von Dauerstrichstrahlung. Im August 1934 wurde die Versuchsanordnung ‚ÄúRapid‚ÄĚ erprobt, die aus einem 200-W-Sender auf der Wellenl√§nge 4,7¬†m und zwei im Abstand von 50 bzw. 70¬†km aufgebauten Empfangsanlagen bestand. Der Durchflug eines Flugzeuges in 5200¬†m H√∂he konnte anhand der Schwebungen, die durch Interferenz von direkter und reflektierter Welle gebildet wurden, zuverl√§ssig registriert werden. Daraus entstand sp√§ter das System ‚ÄúRewen‚ÄĚ, welches 1939 als RUS-1 (radioulowitel samoljotow) in die Ausr√ľstung der Roten Armee √ľbernommen wurde. Zu Kriegsbeginn 1941 waren in der Luftverteidigung Moskaus und Leningrads 41 Ger√§tes√§tze RUS-1 eingesetzt.

Impulsfunkmessstation RUS-2

Anfang 1935 begannen im Physikalisch-Technischen Institut der Akademie der Wissenschaften unter Leitung von J.B. Kobsarew Arbeiten, die zur Konstruktion der ersten sowjetischen Impulsfunkmessstation f√ľhrten. Noch im selben Jahr wurde der Beweis erbracht, dass man mit einem Impulsradar auf der Wellenl√§nge von 4¬†m eine Ortungsentfernung von 100¬†km erreichen kann. Es folgten erfolgreiche Versuche mit Uda-Yagi-Antennen und die Entwicklung spezieller Impulssender√∂hren (IG-7, IG-8). Bis 1939 entstand so die mobile Impulsfunkmessstation ‚ÄúRedoute‚ÄĚ, die nach erfolgreicher Truppenerprobung im Juli 1940 als RUS-2 in die Ausr√ľstung √ľbernommen wurde. In ihrer urspr√ľnglichen Variante bestand die RUS-2 aus einer drehbaren Kabine mit dem 50-kW-Sender und der Sendeantenne auf einem Kraftfahrzeug ZIS-6, einer Kabine mit Empfangsantenne, Empfangsapparatur und einer Elektronenstrahlr√∂hre als Sichtger√§t auf einem Kraftfahrzeug GAZ-3A sowie einem Stromversorgungsger√§t auf der Pritsche eines weiteren GAZ-3A. Die f√ľr Senden und Empfang gleichartigen Antennen, die synchron bewegt wurden, bestanden aus einem aktiven Strahler, einem Reflektor und f√ľnf Direktoren f√ľr die Wellenl√§nge von 4¬†m. Mit der Realisierung des Sendens und Empfangens mit nur einer Antenne mittels eines Antennenumschalters konnte die gesamte Apparatur auf einem Fahrzeug untergebracht und die Drehung auf die Antenne beschr√§nkt werden. Bis Kriegsbeginn 1941 wurden 15 Ger√§te der Einantennenvariante ausgeliefert.

Die RUS-2 erm√∂glichte die Entdeckung von Luftzielen in gro√üer Entfernung und in allen damals geflogenen H√∂hen und die Bestimmung ihrer Entfernung und ihres Azimuts, der ungef√§hren Geschwindigkeit und des Bestandes von Flugzeuggruppen (auf der Grundlage der Interferenzen) sowie die Darstellung der Luftlage im Radius bis 100¬†km. Sie spielte eine gro√üe Rolle bei der Luftverteidigung Moskaus und Leningrads. Im Jahre 1943 erfolgte der Einbau eines Freund-Feind-Kennungsger√§tes und eines H√∂henmesszusatzes auf der Grundlage der Goniometermethode. 1940‚Äď1945 wurden 607 RUS-2 in verschiedenen Varianten ausgeliefert, darunter auch eine Einantennen-Variante in Transportkisten RUS-2s (‚ÄěPegmatit‚Äú). Die Impulsfunkmessstation RUS-2 war Ausgangspunkt der Entwicklung mehrerer Generationen von mobilen und station√§ren Meterwellen-Funkmessger√§ten in der Sowjetunion (P-3, P-10, P-12, P-18, P-14, Oborona-14, Njebo).

Dezimeterwellenradar f√ľr die Flak

Die erste sowjetische Dezimeterwellenanlage entstand ab 1935 unter Leitung von B.K. Schembel im Zentralen Radiolaboratorium. Zwei 2-m-Spiegel, je einer f√ľr das Senden und das Empfangen auf Wellenl√§ngen von 21 bis 29¬†cm, waren nebeneinander auf einer Plattform angeordnet. Bei einer ausgestrahlten Leistung von 8 bis 15¬†W und einer Empf√§ngerempfindlichkeit von 100¬†¬ĶV wurde ein Flugzeug in 8¬†km Entfernung entdeckt. Bei Erprobungen auf der Krim konnte die Reflexion von 100¬†km entfernten Bergen beobachtet und zur Entfernungsmessung erstmals die Frequenzmodulation angewendet werden.

Im Jahr 1937 f√ľhrte man zur genaueren Bestimmung der Winkelkoordinaten das Verfahren der signalgleichen Zone mittels rotierendem Dipol ein (heute unter dem Begriff Minimumpeilung bekannt). In den folgenden Jahren wurde an der Schaffung eines Richtger√§ts f√ľr die Flak in Leningrad und Charkow gearbeitet. Dabei entstand eine ganze Serie verschiedener Magnetrons f√ľr den Dezimeter- und Zentimeterwellenbereich. 1940 erfand Degtarjow das Reflexklystron, welches im Empf√§nger ben√∂tigt wurde.

Die Konstruktion eines Funkmesskomplexes f√ľr die Flak wurde praktisch 1940 abgeschlossen. Der Komplex bestand aus einem Dauerstrichger√§t f√ľr die Bestimmung der Winkelkoordinaten auf der Wellenl√§nge 15¬†cm mit 20¬†W Leistung und einem Impulsger√§t zur Entfernungsmessung auf der Wellenl√§nge 80¬†cm mit 15¬†kW Impulsleistung. Wegen der Evakuierung des Betriebes im Herbst 1941 kam es allerdings nicht zur Aufnahme der Serienproduktion; einige Versuchsger√§te setzte man in der Luftverteidigung Moskaus und Leningrads ein.

Flugzeugradar

Das Arbeiten zur Schaffung eines Radars f√ľr Jagdflugzeuge begann 1940. Im Versuchsger√§t ‚ÄěGneis-1‚Äú wurde im Sender ein Klystron mit der Wellenl√§nge 15‚Äď16¬†cm verwendet, das aber infolge der Kriegseinwirkungen nicht mehr hergestellt werden konnte. Deshalb wurde unter Leitung von W.W. Tichomirow das Funkmessger√§t ‚ÄěGneis-2‚Äú zum Einsatz in zweimotorigen Flugzeugen vom Typ Pe-2 mit einem R√∂hrensender der Wellenl√§nge 1,5¬†m und einer Auffassungsentfernung von 4¬†km entwickelt. Die ersten Versuchsmuster bestanden ihre Bew√§hrungsprobe im Dezember 1942 bei Stalingrad. Die Aufnahme in die Bewaffnung erfolgte 1943.

Nach dem Krieg bedeutete die starke Ausweitung des zivilen Luftverkehrs auch eine zunehmende Bedeutung der Luftraum√ľberwachung und damit verbunden eine st√§ndige Weiterentwicklung des Bordradars. Der milit√§rische Bereich wiederum war von dem Wettr√ľsten der Superm√§chte USA und UdSSR gekennzeichnet; damit verbunden war eine st√§ndige Leistungssteigerung bei Kampfflugzeugen. H√∂here Geschwindigkeiten, seit den 1980er Jahren auch schnelle, tieffliegende Lenkwaffen sowie Marschflugk√∂rper verlangten nach immer leistungsf√§higeren, weitreichenden und genauen Bordradar-Systemen. Auch in den Flugk√∂rpern wurde zur Zielansteuerung zunehmend Radar eingesetzt, so erstmals bei dem Luft-Luft-Marschflugk√∂rper Bomarc.

Einsatzgebiete

Radarturm Hooksielplate ausger√ľstet mit Radar- und Peilanlage, ist Teil des Schifffahrtsverkehrssicherungs- systems Jade und Deutsche Bucht
Deutsches Feuerleitradar W√ľrzburg-Riese FuMG 65, etwa 1940‚Äď43
Doppler-Radarantenne f√ľr den Kfz-Einsatz
Sturmfront auf einem Doppler-Radar-Schirm
Sea-Based X-Band Radar (SBX) (USA) das weltgrößte X-Band-Radar, hier während Modernisierungsarbeiten in Pearl Harbour im Januar 2006. Es dient ab 2007 dem US-Raketenabwehrsystem National Missile Defense und wird auf den Aleuten bei Alaska stationiert.

Radarger√§te wurden f√ľr verschiedene Verwendungszwecke entwickelt:

  • Rundsichtradar; √úberwachung von Schiffs- und Flugverkehr (auch Fr√ľhwarnstationen, z.¬†B. das Freya-Radar), entweder als feste Station oder mobil auf Fahr- und Flugzeugen (AWACS) sowie auf Schiffen
  • Radarger√§te zur Zielverfolgung (Ground Control Intercept) als Radarstellung der Luftverteidigung, bodengebunden (z.¬†B. W√ľrzburg, W√ľrzburg-Riese) oder an Bord von Fahr- und Flugzeugen, Schiffen und Raketen
  • Bordradar auf Flugzeugen (Radarnase), um Wetterfronten zu entdecken (Wetterradar) oder andere Flugzeuge und Raketen zu entdecken (Antikollisionssysteme, Zielsuchradar)
  • Radar zur Fernerkundung und milit√§rischer Aufkl√§rung, um am Boden bei schlechter Sicht Einzelheiten erkennen zu k√∂nnen
  • Wetterradar, Erkennung und Ortung von Schlechtwetterfronten, Messung der Windgeschwindigkeit
  • Artillerieradar, zur Feuerkorrektur der eigenen Artillerie und Raketen sowie der Ortung der feindlichen Artilleriestellungen
  • Radar-Bewegungsmelder zur √úberwachung von Geb√§uden und Gel√§nde, z.¬†B. als T√ľr√∂ffner oder Lichtschalter
  • Radarger√§te zur Messung der Geschwindigkeit im Stra√üenverkehr.
  • Kfz-Technik: radarbasierte Abstandshalter ACC (Adaptive Cruise Control) bzw. ADC, Kopplung mit Notbremsfunktion in PSS1 bis PSS3 (Predictive Safety System), Nahbereichsfunktionen wie Abstandswarner und automatisches Einparken (24¬†GHz, Kurzpuls im Bereich 350‚Äď400 Pikosekunden, sowie im 77‚Äď79-GHz-Band).
  • In der Bahntechnik durch Einf√ľhrung elektronischer Stellwerke und des fahrerlosen Betriebes: Mit Radarger√§ten wird z.¬†B. erkannt, ob ein Fahrzeug auf einem Bahn√ľbergang liegengeblieben ist oder ob ein Hindernis vor dem Zug ins Gleis f√§llt. Auch die Geschwindigkeit von Z√ľgen kann mit Radarger√§ten gemessen werden. Ger√§te arbeiten im ISM-Band um 24¬†GHz nach dem CW- oder FMCW-Verfahren (Doppler-Radar).
  • Radarsensoren als Bewegungs- oder F√ľllstandsmelder
  • Astronomie: Kartierung von Planeten (z.¬†B. Venus, Mars), von der Erde aus oder von Bord einer Raumsonde, Vermessung der Bahnen von Planeten, Asteroiden und Raumsonden sowie von Weltraumm√ľll

Nach dem Zweiten Weltkrieg kam auch die Lenkung radargesteuerter Waffen wie Flugabwehrraketen dazu. Au√üerdem wurde das Radar auch f√ľr die zivile Schiff- und Luftfahrt eingesetzt. Die heutige Passagierluftfahrt w√§re ohne Luftraum√ľberwachung durch Radar nicht denkbar. Auch Satelliten und Weltraumschrott werden heute durch Radar √ľberwacht.

Als die Radarger√§te leistungsf√§higer wurden, entdeckte auch die Wissenschaft diese Technologie. Wetterradarger√§te helfen in der Meteorologie oder an Bord von Flugzeugen bei der Wettervorhersage. Mittels gro√üer Stationen k√∂nnen vom Boden aus Radarbilder vom Mond, der Sonne sowie einigen Planeten erzeugt werden. Umgekehrt kann auch die Erde vom Weltraum aus durch satellitengest√ľtzte Radarger√§te vermessen und erforscht werden.

Einteilung und Funktionsweise

Bei aktiven Radargeräten unterscheidet man zwischen Impuls- und CW- bzw. Dauerstrich-Radargeräten. Solche Geräte sind ihrerseits mittels Peilempfängern erkenn- und ortbar.

Als Primärradar werden Pulsradar-Geräte bezeichnet, die ausschließlich das passiv reflektierte Echo des Zieles auswerten.

Ein Sekund√§rradar umfasst ebenfalls ein Impulsradarger√§t, jedoch befinden sich an den Zielobjekten Transponder, die auf die Pulse reagieren und ihrerseits ein Signal zur√ľcksenden. Hierdurch erh√∂ht sich die Reichweite, die Objekte sind identifizierbar und k√∂nnen ggf. ihre Kennung und weitere Daten zur√ľcksenden.

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

Impulsradar

Entfernungsbestimmung mit dem Impulsverfahren

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

Ein Pulsradarger√§t sendet Impulse mit einer typischen Dauer im unteren Mikrosekundenbereich und wartet dann auf Echos. Die Laufzeit t des Impulses, also die Zeit zwischen dem Senden und dem Empfang des Echos, wird zur Entfernungsbestimmung genutzt. F√ľr die Entfernung r gilt:


r = \frac{c \cdot t}{2}
r = Entfernung
c = Lichtgeschwindigkeit (‚Čą Lichtgeschwindigkeit im Vakuum)
t = Laufzeit

Die Lichtgeschwindigkeit ist näherungsweise die im Vakuum, da die Brechzahl von Luft näherungsweise 1 ist. Je nach Reichweite des Radargerätes wird nun 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 ma√üstabsgerecht mit der Anzeige. Wird ein Echo empfangen, dann ist der Abstand des Echoimpulses auf dem Sichtger√§t ein Ma√ü f√ľr die Entfernung des reflektierenden Objektes (hier: des Flugzeugs) zum Radarger√§t.

Pulserzeugung

Um in Pulsradar-Ger√§ten die hohen Sendeleistungen im Megawattbereich zu erzeugen, welche zur Ortung z.¬†B. √ľber einige 100¬†km n√∂tig sind, werden auch heute Magnetrons verwendet. Dazu wird ein Magnetron z.¬†B. mittels Hochspannungs-Schaltr√∂hren, Thyratrons oder neuerdings auch Halbleiterschaltern gepulst betrieben.

Die in den Schaltr√∂hren entstehende R√∂ntgenstrahlung f√ľhrte zu Strahlensch√§den des Bedienungs- und Wartungspersonals an unzureichend abgeschirmten milit√§rischen Radarger√§ten u.¬†a. auch der NVA und der Bundeswehr. Da sich die Sendefrequenz eines Magnetrons in Abh√§ngigkeit von Temperatur und Betriebszustand √§ndern kann, wird bei Messungen der relativen Radialgeschwindigkeit die Frequenzreferenz beim Empfang aus der Sendefrequenz abgeleitet (siehe pseudokoh√§rentes Radar).

Moderne Radarger√§te ben√∂tigen f√ľr Reichweiten von mehreren 100¬†km sehr viel weniger Energie und senden teilweise Pulse mit einer Pulsleistung unter einem Megawatt. Bei der Verwendung vieler kleiner Sender kann auf strahlende Schaltr√∂hren ganz verzichtet werden. Diese Sender erzeugen den Puls dann im Verbund. Ger√§te mit aktiven Phased-Array-Antennen verwenden diese Technik.

Richtungsbestimmung

Dreht man die Antenne eines Pulsradars, erh√§lt man ein Rundsichtradar. Es werden drehbare Richtantennen mit einer sehr starken B√ľndelung der Energie in nur eine Richtung eingesetzt, die zum Senden und auch zum Empfang verwendet werden. Aus der aktuellen Position der Antenne zum Zeitpunkt des Empfanges des Echosignals kann also sehr genau die Richtung bestimmt werden.

Bekannteste Anwendungsgebiete des Rundsichtradars sind Luftraum√ľberwachung und Wetterradar. Dreht sich die Antenne, kann mit einer entsprechenden Anzeige eine Karte reflektierender Objekte erzeugt werden. Durch digitale Signalverarbeitung (Festzeichenunterdr√ľckung, MTI) k√∂nnen feststehende Objekte elektronisch ausgeblendet werden. Transponder an Flugzeugen k√∂nnen zur Identifikation beitragen, indem sie dem auftreffenden Radarsignal beim Reflektieren aktiv ein charakteristisches Digital-Muster hinzuf√ľgen, das die vom Operator zugewiesene Flugzeug-Kennung, die H√∂he √ľber Grund und die Geschwindigkeit √ľber Grund, die vom Flugzeug gemessen sind, kodieren. Mit einer entsprechenden Auswerteelektronik l√§sst sich auch die relative Geschwindigkeit der georteten Objekte, deren H√∂he und auch die Gr√∂√üe ermitteln. Auswertung reflektierter Oberwellen erlauben R√ľckschl√ľsse auf den Flugzeugtyp, der das Echo hervorgerufen hat. Station√§re Pulsradarger√§te erreichen Leistungen bis zu 100¬†MW als Spitzenimpulsleistung.

Ein Flughafen-Rundsicht-Radar (ASR, Airport Surveillance Radar) besteht meist aus einem Prim√§rradar und einem Sekund√§rradar. Neben der allgemeinen Luftraum√ľberwachung hat es vor allem die Aufgabe dem Anfluglotsen ein genaues Bild der Luftlage rund um den Flughafen zu liefern. Die Reichweite eines ASR betr√§gt √ľblicherweise 60¬†sm.

Ein Anflugradar besteht aus jeweils einer waagerecht und einer senkrecht bewegten Antenne und erm√∂glicht, Anflugwinkel, Anflugrichtung und Anflugh√∂he landender Flugzeuge zu bestimmen. Der Pilot erh√§lt die Korrekturhinweise √ľber 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 milit√§rischen Gr√ľnden unbefeuerter oder getarnter Landebahn von Bedeutung. Kurz vor dem Aufsetzen ist jedoch Bodensicht erforderlich.

Das bodengest√ľtzte STCA-System (Short Term Conflict Alert) zur Kollisionsvermeidung verwendet das Luftraum√ľberwachungsradar. Es berechnet aus der Flugspur (Track) von Luftfahrzeugen die Wahrscheinlichkeit eines nahen Vorbeifluges (near miss) oder gar Zusammensto√ües und warnt optisch und akustisch den Fluglotsen.

Die Bewegung des Abtaststrahles eines Impulsradars kann statt mit einer bewegten Antenne auch elektronisch durch phasengesteuerte Antennenarrays erzeugt werden. Diese als Synthetic Aperture Radar bezeichneten Systeme finden mehr und mehr Verwendung, da sie flexibel sind und keinen mechanischen Verschleiß aufweisen. Auch Erdsatelliten und Raumsonden zur Fernerkundung von Geländeprofilen verwenden solche Systeme.

Radarbaugruppen im Impulsradar

Radarantennen
√Ąlteres Impulsmagnetron eines Radarsenders (ca. 9¬†GHz, 7¬†kW, Impulsdauer 0,1 bis 1¬†¬Ķs), links unten isolierter Heiz- und Kathodenanschluss, rechts oben Hohlleiterflansch
der Sender (PAT-Konzept), die Empf√§nger und Signalprozessor des polarimetrischen Wetterradars ‚ÄěMeteor¬†1500¬†S‚Äú

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 b√ľndeln, damit ein gutes laterales und vertikales Aufl√∂sungsverm√∂gen erreicht wird. Das Entfernungs-Aufl√∂sungsverm√∂gen 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 gro√üen Wellenl√§ngen bzw. hoher B√ľndelung sehr gro√üe Dimensionen erreichen. Bei Radarger√§ten sind folgende Antennenbauformen √ľblich:

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.

Radarsender

Eine in √§lteren Radarger√§ten, jedoch auch heute verwendete[4] 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‚Ķ10¬†¬Ķs, Leistung einige kW bis einige MW). Der Hochspannungsimpuls f√ľr das Magnetron wird durch einen Modulator (Schaltr√∂hre oder heute auch Halbleiterschalter mit MOSFET) bereitgestellt. Dieses Sendesystem wird auch POT (Power-Oszillator-Transmitter) genannt. Radarger√§te mit einem POT sind entweder nicht koh√§rent oder pseudokoh√§rent.

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 Dopplerfrequenz eingesetzt werden.

Empfänger

Der Empf√§nger nutzt meist die Sendeantenne und muss daher vor dem Sendeimpuls gesch√ľtzt werden, Das geschieht mit Zirkulatoren, Richtkopplern und Nulloden. Der Empfang erfolgt mit dem √úberlagerungsprinzip, fr√ľher wurde als Oszillator ein Reflexklystron verwendet, zur Mischung und Demodulation dienten koaxial aufgebaute, in Hohlleiter eingeschraubte Spitzendioden. Heutige Empf√§nger arbeiten vollst√§ndig mit Halbleitern und sind in Streifenleitertechnik aufgebaut.

Dauerstrichradar (CW-Radar)

Ein CW-Radar (CW f√ľr engl. continuous wave - Dauersender) konstanter Frequenz kann zur Geschwindigkeitsmessung genutzt werden. Dabei wird die √ľber eine Antenne abgestrahlte Frequenz vom Ziel (beispielsweise einem Auto) reflektiert und mit einer gewissen Dopplerverschiebung, also geringf√ľgig ge√§ndert, wieder empfangen. Durch einen Vergleich der gesendeten mit der empfangenen Frequenz (√úberlagerungsempfang) kann die Geschwindigkeit bestimmt werden. Diese CW-Radarger√§te k√∂nnen keine Entfernungen messen. Die erforderlichen Sendeleistungen sind sehr gering und werden oft mit Gunn-Dioden erzeugt. Erste Radarger√§te der Verkehrspolizei waren solche CW-Radarger√§te. Da sie keine Entfernung messen konnten, arbeiteten sie noch nicht automatisch.

Radar-Bewegungsmelder arbeiten ebenfalls nach diesem Prinzip, sie m√ľssen jedoch hierzu auch langsame √Ąnderungen der Empfangsfeldst√§rke aufgrund sich √§ndernder Interferenzverh√§ltnisse registrieren k√∂nnen.

‚ÄěRadar-Fallen‚Äú der Verkehrspolizei arbeiten auf diese Weise und l√∂sen bei Geschwindigkeits√ľberschreitung bei einer bestimmten Entfernung zum Ziel den Fotoblitz aus.

Moduliertes Dauerstrichradar (FMCW-Radar)

Eine weiterentwickelte Art sind die FMCW (frequency modulated continuous wave) Radarger√§te, auch "Modulated CW-Radar" oder FM-Radar. Sie senden mit einer sich st√§ndig √§ndernden Frequenz. Die Frequenz steigt entweder linear an, um bei einer bestimmten Frequenz abrupt auf den Anfangswert wieder abzufallen (S√§gezahnmuster), oder sie steigt und f√§llt abwechselnd mit konstanter √Ąnderungsgeschwindigkeit. Durch die lineare √Ąnderung der Frequenz und durch das stetige Senden ist es m√∂glich, neben der Differenzgeschwindigkeit zwischen Sender und Objekt auch gleichzeitig deren absolute Entfernung voneinander zu ermitteln. Radar-H√∂henmesser von Flugzeugen und Abstandswarnger√§te -radare in Autos arbeiten nach diesem Prinzip.

Sekundärradar

Das Sekund√§rradarverfahren ist eigentlich mehr ein Datenfunknetz, wird aber aus historischen Gr√ľnden noch als Radar bezeichnet. Heute ist diese Bezeichnung noch zul√§ssig, weil auch im Sekund√§rradar eine Richtungs- und Entfernungsbestimmung wie beim Prim√§rradar vorgenommen wird. Im Zuge der Weiterentwicklung des Sekund√§rradarverfahrens (Mode S) tritt diese Zuordnung jedoch mehr und mehr in den Hintergrund.

Siehe auch

Literatur / Referenzen

  • Cajus Bekker: Augen durch Nacht und Nebel, Die Radarstory , 1964, Stalling Verlag
  • Harry von Kroge: GEMA-Berlin - Geburtsst√§tte der deutschen aktiven Wasserschall- und Funkortungstechnik, 1998, ISBN 3-00-002865-X
  • Robert Buderi: The Invention That Changed the World: How a Small Group of Radar Pioneers Won the Second World War and Launched a Technological Revolution. Simon & Schuster Ltd, 1996, ISBN 978-0-6848-1021-8.¬†
  • Fritz Trenkle: Die deutschen Funkmessverfahren bis 1945. H√ľthig, 1987, ISBN 978-3-7785-1400-9.¬†
  • Brian Johnson: Streng geheim. Sonderausgabe. Wissenschaft und Technik im Zweiten Weltkrieg. Weltbild, Augsburg 1994, ISBN 978-3-8935-0818-1.¬†
  • Ulrich Kern: Die Entstehung des Radarverfahrens. Zur Geschichte der Radartechnik bis 1945. Dissertation, Stuttgart 1984
  • David Pritchard: Durch Raum und Zeit: Radarentwicklung und -einsatz 1904‚Äď1945. Stuttgart 1992
  • Frank Reuter: Funkme√ü. Die Entwicklung und der Einsatz des RADAR-Verfahrens in Deutschland bis zum Ende des Zweiten Weltkriegs. Opladen 1971
  • M.M. Lobanow: Die Anf√§nge der sowjetischen Funkmesstechnik , Verlag Sowjetskoje Radio (ru), Moskau 1975
  • J.D. Schirman u.¬†a. Theoretische Grundlagen der Funkortung , Milit√§rverlag der DDR, Berlin 1977
  • Albrecht Ludloff: Handbuch Radar und Radarsignalverarbeitung. 3.¬†Auflage. Vieweg Verlag, 2002, ISBN 978-3-5282-6568-7.¬†
  • Albert Sammt: Mein Leben f√ľr den Zeppelin. 2.¬†Auflage. Pestalozzi Kinderdorf Wahlwies, 1989, ISBN 978-3-9215-8302-9.¬†
  • Harald Rockstuhl: Sowjetische Radarstation bei Eigenrieden im Hainich in Th√ľringen 1983-1995. Rockstuhl, Bad Langensalza 2006, ISBN 978-3-9371-3579-3.¬†
  • M. Skolnick: Radar Handbook. 3.¬†Auflage. Mcgraw-Hill Professional, 2008, ISBN 978-0-0714-8547-0.¬†
  • David K. Barton: Radar evaluation handbook.Artech House, Boston 1991, ISBN 0-89006-488-1

Einzelnachweise

  1. ‚ÜĎ Patent¬†DE¬†165546 Verfahren, um metallische Gegenst√§nde mittels elektrischer Wellen einem Beobachter zu melden.
  2. ‚ÜĎ Patent¬†DE¬†169154 Verfahren zur Bestimmung der Entfernung von metallischen Gegenst√§nden (Schiffen o. dgl.), deren Gegenwart durch das Verfahren nach Patent 165546 festgestellt wird.
  3. ‚ÜĎ http://www.uboat.net/allies/aircraft/wellington.htm
  4. ‚ÜĎ Funknavigation - Radar gestern und heute

Weblinks


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