Radar

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Inhaltsverzeichnis
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1. Was ist ein Radar?
2. Wie wurde Radar erfunden?
3. Was kann man mit einem Radar machen?
4. Wie funktioniert ein Radar?
5. Wie wird ein Radar gebaut?
6. Welche Frequenz benutzt man fuer Radar?
7. Wie breitet sich eine Radarwelle aus?
8. Was reflektiert Radarwellen?
9. Welche Form reflektiert Radarwelle am besten?
10. Warum ist es schwieriger, erdnahe Objekte mit Radar zu detektieren?
11. Warum kann Radar trotzdem Signale empfangen, wenn die radarwellenreflektierende Flaeche nicht senkrecht zur Radarwelle steht?
12. Wie wird ein Radarsender gebaut?
13. Wie wird eine Radarantenne gebaut?
14. Warum kommt es nicht zu Störungen, wenn ein Radar mit der selben Antenne sowohl sendet aus auch empfaengt?
15. Wie wird ein Radarempfänger gebaut?
16. Wie wird ein Radaranzeiger gebaut?
17. Was macht man gegen Rauschen?
18. Was macht man gegen Hintergrundsignale?
19. Wie macht man mit der automatischen Objekterkennung?
20. Wie detektiert man die Geschwindigkeit des Ziels?
21. Was ist ECM?
22. Was macht man gegen ECM?
23. Wie funktioniert der B2-Bomber?

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Wenn nicht ausdruecklich gesagt, stammen die Daten aus dem Buch "Principles of Modern Radar" (ISBN 0-442-22104-5)

1.Was ist ein Radar?
Quelle: Mails von Peter Ludwig
Radar war ursprünglich ein Code-Name von der amerikanischen Marine im Zweiten Weltkrieg, das Wort steht ursprünglich für die Abkürzung: Radio Aircraft Detecting And Ranging. Also Radio Flugzeug Entdeckung und Ortung. Später wurde Aircraft weggelassen, da das Gerät offensichtlich mehr als nur Flugzeug entdecken und orten kann.

2. Wie wurde Radar erfunden?
1886:
Heinrich Hertz demonstriert, dass Radiowellen sowohl von Metall als auch von Isolatoren reflektiert werden können.
1903:
Hulsmeyer (deutscher Engieur) detektierte von Schiffe reflektierte Radiowellen.
1922:
Marconi machte einem Vortrag im Institute of Radio Engineers (heute Institute of Electrical and Electronics Engineers) über die Nutzung von Kurzwellen zur Objektortung.
1922:
Tylor und Young, die bei Naval Research Laboratory (NRL) tätig waren, detektierten Holzschiffe mit einem CW Radar mit 5m Wellenlänge.
1930:
Hyland (NRL) detektierte mit einem CW Radar Flugzeuge
1934-1936:
Sir Watson-Watt (Grossbritannien) und Page (NRL) demonstrierten Impulsradar.
Spät dreissiger Jahre:
Verstärkte Forschung von Radar in USA und Grossbritannien. Vorbereitung fuer den Zweiten Weltkrieg.
1940:
Britische Wissenschaftler demonstrierten Magnetron.
November 1940:
Aufbau des Radiation Laboratory in Massachusetts Institute of Technology (MIT). Am Anfang waren nur 40 Wissenschaftler (meistens Physiker) in diesem Labor tätig. Gegen Ende des Krieges waren 4000 Wissenschaftler darin beschäftigt. Nach dem 2. Weltkrieg wurde von diesem Labor ein 28-bändiger Wälzer über Radar und zusammenhängende Themen herausgegeben.
Nach dem Krieg wurde Radar-Technik weiter vervollkommnet und findet in weiten Felder Anwendungen.

3. Was kann man mit einem Radar machen?
Radar werden heute vielfältig verwendet. In der Luft- und Schiffahrt sind Radar unverzichtbare Ausstattung geworden. Mit Radar vermeiden Schiffe bei Nebel Kollisionen. Flugzeuge werden beim Start oder bei der Landung von Radar geleitet. Radar werden auch in vielen anderen zivilen Bereichen verwendet. In der Meteorologie verwendet man Radar um Wolkenformationen zu detektieren, um Unwetter vorherzusagen und evtl. Gegenmassnahmen zu ergreifen. Viele Erderkundungssatelliten sind mit Radar ausgestattet. Sie untersuchen Erdformationen oder Meeresoberflächen. Mit Radar erkundeten Astronomen Venus und Planetoiden.

Radar ist eine militärische Erfindung und wird auch immer neu vom Militär vervollkommnet. Mit Radar werden militärische Objekte (Flugzeuge, Raketen, Schiffe) überwacht, mit Radar werden Raketen zum Ziel gelenkt, etc.

4. Wie funktioniert ein Radar?
Quelle: Mail von Thomas Papenbrock
Ein Radargerät ist vergleichbar mit dem Echo auf dem Königssee (oder sonstwo). Wenn Du also diese sündhaft teure Fahrt auf dem Königssee machst, bleibt das Boot irgendwann stehen, um die Touristen abzukochen. Irgendjemand trötet dann in der Gegend rum, und Du hörst dann das Echo. Wenn Du also z.B. hustest und die Zeit stoppst, bis Du das Echo hörst, diese mit 330 multipliziert (Ausbreitung des Schalls 330 m/s in Luft) und durch 2 teilst (hin und zurueck), ist das Ergebnis die Entfernung zur Reflektionsfläche. Die Physik hält fuer solche Fälle immer eine passende Formel bereit. In diesem Falle:

                         Weg           s
      Geschwindigkeit = -----  ;  v = ---  oder  s = t * v
                         Zeit          t

Angenommen Du stoppst eine Zeit von 2 Sec. (vom Husten bis zum Echo) dann:

                          2s * 330 m/s
             Entfernung = -------------  = 330 m                            
                               2           =====

Das ist das Radar-Prinzip.
Damit der arme Radar-Bediener nicht immer husten muss und das ganze ein bischen schneller vonstatten geht, hat der liebe Gott die elektro- magnetischen Wellen erfunden.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der el. Welle ist so ungefaehr 300 000 Km/s. Du kannst hierfuer die gleiche Formel wie oben einsetzen:

           2 * Entfernung zum Ziel         2 * s
Laufzeit = ------------------------  ; t = ------
           Lichtgeschwindigeit               c

5. Wie wird ein Radar gebaut?
Die vier wichtigsten Komponenten eines Radars sind der Sender, die Antenne, der Empfaenger und der Anzeiger.

6. Welche Frequenz benutzt man fuer Radar?
Quelle: IEEE Standard 521-1976, 30.Nov.1976

Band    Frequenzbereich         Nutzung
HF      3-30MHz                 OTH (Over the horizon) Ueberwachung
VHF     30-300MHz               Sehrlangstrecke Ueberwachung
UHF     300-1000MHz             Sehrlangstrecke Ueberwachung
L       1-2GHz                  Langstrecke Ueberwachung
                                En route Verkehrskontrolle
S       2-4GHz                  Mittelstrecke Ueberwachung
                                Terminal Verkehrskontrolle
                                Langstrecke Wettererkundung
C       4-8GHz                  Langstrecke Verfolgung
                                Flugzeuggestuezte Wettererkundung
X       9-12GHz                 Kurzstrecke Verfolgung
                                Raketenlenkung
                                Kartenerstellung, Marine Radar
                                Flugkoerperabfang
Ku      12-18GHz                Hochaufloesende Kartenerstellung
                                Satelliten
K       18-27GHz                Wenig genutzt, da von Wasserdampf
                                absorbiert
Ka      27-40GHz                Sehrhochaufloesende Kartenerstellung
                                Flughafenueberwachung
Milli-  40-100+GHz              Versuchsanwendung
meter Wellen

7. Wie breitet Radarwelle aus?
Normalerweise breitet sich eine Radarwelle wie Lichtwelle aus, das heisst, sie laufen entlang einer geraden Linie. Jedoch kann eine Radarwelle, genau wie eine Lichtwelle, durch Dichteaenderung der Luft gebogen werden. Ausserdem werden Radarwellen oft vom Boden reflektiert.

8. Was reflektiert Radarwellen?
Radarwellen können von ziemlich allem reflektiert werden. Wo immer eine Grenzschicht herrscht, wird ein Teil der Radarwellen reflektiert, ein anderes Teil gebrochen, wie das Licht an einer Wasseroberfläche. Radarwellen werden ausserdem von der Ionosphaere reflektiert.

9. Welche Form reflektiert Radarwelle am besten?
Je mehr Fläche ein Objekt zur Reflektion von Radarwellen hat, desto besser reflektiert sie. Eine Ebene zum Beispiel reflektiert besser als ein Zylinder oder eine Kugel. Am schlechtesten reflektieren Objekte mit spitzen Ecken oder Kanten, wie zum Beispiel ein Kegel.

10. Warum ist es schwieriger, erdnahe Objekte zu detektieren?
Dank der Reflektion der Radarwellen durch die Erdoberfläche kann das Radar nahe der Erdoberflaeche eigentlich eine groessere Reichweite haben als hoch in die Luft. Die Radarwelle kriecht sozusagen am Boden. Allerdings ist dieses Phänomen nur schwer zu verwenden. Erstens reflektieren Bäume, Gebäude, Hügel und andere Objekte das Radarsignal und verstecken das eigentliche Ziel. Zweitens ist die Luft in Bodennähe auch etwas turbulenter, an der Grenze unterschiedlicher Luftdichte und -temperatur kann die Radarwelle gebogen werden. Die Radarwelle wird zudem oft mehrfach vom Boden reflektiert, was die Interpretation der empfangenen Signale zusätzlich erschwert.

11. Warum kann Radar trotzdem Signale empfangen, wenn die radarwellenreflektierende Flaeche nicht senkrecht zur Radarwelle steht?
In der Schule haben wir in Physik gelernt, dass bei der Reflexion der einfallende Winkel dem ausfallenden Winkel gleicht. Demnach wird das Signal nur dann zum Sender zurueckgeworfen, wenn die Reflexionsfläche senkrecht zur Radarwelle steht. Dies trifft aber nur für die Reflexion zu. Die Radarwelle wird aber nicht nur reflektiert. Die Radarwelle wird auch gebeugt. Beugung ist ein ähnliches Phänomen wie Reflexion, der Unterschied ist, dass sich die gebeugte Welle in alle Richtungen verbreitet. Beugung tritt immer dann auf, wenn die Wellenlaenge der einfallenden Welle in der Grössenordnung der Kantenlänge oder des Durchmessers der Reflexionsfläche liegt. Radar operieren meistens bei einer Wellenlaenge von einigen Metern und einigen Zentimetern (siehe Frage 6 - Frequenzen), daher sind sie besonders geeignet für Ortung von Fahrzeugen, Flugkörpen oder Schiffen.

12. Wie wird ein Radarsender gebaut?
Ein Radarsender wird genau so aufgebaut, wie ein normaler Radiosender. Die drei wichtigsten Blöcke eines Senders sind der Oszillator, der Verstärker und der Modulator. Der Oszillator erzeugt die Trägerfrequenz des Signals. Der Modulator überlagert auf der Trägerfrequenz ein Signal (meistens pulsfoermig). Der Verstärker schliesslich pumpt genug Energie fuer das Signal, damit es auch genügend weit gesendet werden kann. Die früheren Sender haben keinen Verstärker; daher muss der Oszillator in der Lage sein, Signale hinreichender Leistung zu erzeugen. Der älteste Oszillator ist der sogenannte Magnetron. Durch magnetische Induktionen wird ein starkes schwingendes magnetisches Feld in einem Hohlraum in der Mitte des Gerätes erzeugt. Das Magnetfeld wird dann von einem Hohlleiter zur Antenne geleitet. Heute wird als Oszillator immer heufiger Halbleiterbauelemente (Gunn-Elemente,Lawinendioden) verwendet, da der Oszillator nicht mehr die Sendeleistung aufzubringen braucht. Die Halbleiterbauelemente sind im Vergleich zu den elektromagnetischen Geräten kleiner und zuverlässiger und können auch höhere Frequenzen erreichen. Als Verstärker wird heute meistens immer noch eine Vakuumröhre verwendet. Je nach ihrer Ausführung werden sie Klystron, TWT (Traveling-Wave Tubes) oder so ähnliche genannt. Im Prinzip funktionieren sie immer gleich: ein gesteuerter Elektronenfluss erzeugt ein starkes elektromagnetisches Feld, das sich mit dem Strom ändert. Die neueste Entwicklung fuer Verstärker ist die sogenannte Gyrotron. Natürlich sind die Modulatoren auch sehr wichtig. Die Pulslänge soll genügend klein sein, die Zuverlässigkeit und Wirkungsgrad möglichst hoch. Die Kosten möglichst niedrig. Verwendet werden heute sowohl Modulatoren aus Röhren als auch aus Halbleitern (Shunt-Diode).

13. Wie wird eine Radarantenna gebaut?
Für Radar ist es wichtig, dass die Antenne eine schmale Sende- und Empfangsrichtung hat. Verwendet wird eine parabolische Antenne (wie die Sat-Schuessel) oder ein Antennenfeld (mehrere parallelstehende Antennenmasten neben einander). Heute werden hochkomplizierte Programme verwendet, um eine Antenne zu berechnen.

14. Warum kommt es nicht zu Störungen, wenn ein Radar mit der selben Antenne sowohl sendet aus auch empfaengt?
Direkt hinter der Antenne gibt es ein Gerät, das Zirkulator heisst. Ein Zirkulator hat drei Anschluesse (auch Tore genannt), wobei das Eingangssignal des ersten Tors zum Ausgangssignal des zweiten Tors gereicht wird, das Eingangssignal des zweiten Tors zum Ausgangssignal des dritten Tors gereicht wird, usw. Daher auch der Name. Damit wird die Empfangsschaltung und die Senderschaltung voneinander getrennt, obwohl beide die selbe Antenna benutzen.Ein Oszillator ist meistens ein Kristall mit nicht linearer elektromagnetischer Eigenschaft.

15. Wie wird ein Radarempfänger gebaut?
Ein Radarempfänger wird im Prinzip genau so gebaut wie ein Radioempfänger. Natürlich wird hier anderer Anforderungen gestellt wie bei einem Radioempfänger, so ist zum Beispiel fuer ein Radar seine Empfindlichkeit sehr wichtig, deswegen wird beim Design sehr auf Rauschen geachtet. Andere Faktoren sind zum Beispiel Grösse, Gewicht und Kosten.

16. Wie wird ein Radaranzeiger gebaut?
Die meisten Radaranzeiger sind genau wie Bildschirme, nämlich Vakuumröhren. Wobei im Fall von Radar der Elektronenstrahl anders gelenkt wird als bei Bildschirmen, nämlich nicht horizontal und vertikal, sondern radial (kreisfoermig). Dies erfordert eine etwas kompliziertere Strahlsteuerung.

17. Was macht man gegen Rauschen?
Rauschen ist eine der grössten Probleme des Radars (wahrscheinlich der Hochfrequenzelektronik überhaupt). Es gibt eigentlich zwei Sorte von Rauschen. Die eine ist das Rauschen des Radars selbst. Alle elektronische Bauelemente (bis auf die Stromleiter) erzeugen Rauschen. Dagegen kann man bessere Bauelemente, effektivere Schaltung verwenden. Zur Not kann man die Bauelemente tiefkühlen, was auch das Rauschen vermindert. Die zweite Sorte ist das Rauschen, das von der Umgebung erzeugt wird. Wir kennen das störende Geräusch im Radio oder "Schnee" auf dem Fernsehbildschirm bei schlechtem Empfang. Gegen dieses Rauschen behilft man sich mit zweierlei.

Erstens sind diese Rauschen meistens relativ klein, man kann einen Filter einbauen, um die schwachen Rauschsignale zu unterdrücken. Zweitens sind diese Rauschen meistens stochastisch. Plötzlich gibt es einen grossen Peak, und im nächsten Moment ist er weg. Durch Filter lassen auch die meisten solchen Rauschen unterdrücken. Zuletzt gibt es immer noch erfahrene Radaroperatoren, die Rauschen von eigentliche Signale unter- scheiden können. Dennoch, falsche Signale bei Radar sind unvermeidbar.

18. Was macht man gegen Hintergrundsignale?
Bäume, Gebäude, Vogel- oder Insektenschwärme, Regen, Schnee, Wasserwellen reflektieren Radarsignale, die das eigentliche Signal verdecken. Um das Problem zu lösen, wird grosse Anstrengungen gemacht. So hat man die Reflexionscharakteristik der verschiedene Terraine untersucht. Man ermittelt die Reflexionsvermögen der verschiedene Terraine in Abhängigkeit von der Frequenz oder vom Einstrahlwinkel, und versucht, durch diese Charakteristik der Hintergrund zu erkennen. Bei Festlandhintergrund bewegen sich die Signale kaum, bei Wasser hingegen fluktuiert das Signal dagegen stark.

19. Wie realisiert man automatische Objekterkennung?
Die Form der reflektierten Radarwelle (Amplitude, Phase und Frequenz) hängt mit von der Form und Groesse des Objektes zusammen. Daraus kann man Rückschlüsse auf das Zielobjekt schliessen. Fuer besonders interessante Objekte (wie Flugzeuge, Schiffe, Panzer etc.) werden auch die sogenannte RCS (Radar Cross Section) polar plots angefertigt, die zeigen, wie das reflektierte Signal eines Ziels aus welchem Winkel aussieht. Um Fehlinterpretation und Rauschen zu vermeiden, erkennt das Radar normaleweise ein Objekt erst dann an, wenn etwa drei bis fuenf Signale mit der gleichen Form, Geschwindigkeit und Richtung zurückgeworfen werden. Besonders wertvoll erweist sich die Polarisationseigenschaft des Zielobjektes. Je nach seiner Form kann das Objekt die eintreffende elektromagnetische Welle polarisiert zurueckwerfen. Aus dieser Information kann man dann auf die Form des Objektes rueckschliessen.
Diese Technik ist erst vor kurzem entwickelt worden.

20. Wie detektiert man die Geschwindigkeit des Ziels?
Man bedient sich des Doppler-Effekts, um die Geschwindigkeit des Ziels festzustellen. Wenn ein Objekt zum Radar bewegt, wird der spätere Impuls etwas weniger Zeit brauchen, um von dem Objekt reflektiert zu werden als der frühere Impuls. Das ist der sogenannte Doppler-Effekt. Je schneller das Objekt sich bewegt, desto grösser ist die Änderung des Impulsintervalls. Theoretisch kann man damit die Geschwindigkeit des Ziels sehr genau bestimmen. Praktisch ist die Bestimmung wegen des Rauschens, des Hintergrundes und der Mehrfachreflexion nicht so einfach zu bewerkstelligen.

21. Was ist ECM?
ECM ist die Abkuerzung fuer electronic counter measures, also elektronische Antimessung. Mit ECM wird versucht, das Ziel fuer Radar unsichtbar und unbemerkbar zu machen.

Es gibt verschiedene Wege, um ECM zu verwirklichen. Eine Möglichkeit ist die aktive Störung. Dabei erzeugt man künstlich ein Rauschen, das so stark ist, dass es alle möglichen Signale des Radars in sich ertränkt. Elektronische ECM wird quasi in allen Bandbreite betrieben, folgend ist eine Liste der verwendete Band (Quelle: AFR 55-44)

Bandbezeichnung         Frequenz (MHz)
Alpha                   0-250
Bravo                   250-500
Charlie                 500-1.000
Delta                   1.000-2.000
Echo                    2.000-3.000
Foxtrot                 3.000-4.000
Golf                    4.000-6.000
Hotel                   6.000-8.000
India                   8.000-10.000
Juliett                 10.000-20.000
Kilo                    20.000-40.000
Lima                    40.000-60.000
Mike                    60.000-100.000

Ausser elektronische ECM kann man Köder auswerfen, um das Radar zu verwirren. Diese Taktik ist besonders erfolgreich wenn das Objekt verfolgt wird. Die ausgeworfene Köder kann ähnliche Signalreflexion wie das Zielobjekt aufweisen und bewegt wegen seine Trägheit zunächst ähnlich wie das Zielobjekt selbst, erst allmählich trennen sich die beiden Wege. Es ist fuer das Radar sehr schwierig in diesem Fall, das falsche Ziel mit dem richtigen zu unterscheiden.

22. Was macht man gegen ECM?
Grundsätzlich gilt, dass jedes Radar gestört werden kann. Was man dagegen tun kann, ist die Störung zu erschweren.
Eine Möglichkeit (gegen die aktive Stoerung) ist das Radarsignal zu bündeln. An die Störung von einem einzigen oder von einigen wenigen lokalisierten Sender kommen, dann kann man durch die Bündelung des Radarsignals die Stoerung vermindern. Das Radar wird nur dann geblendet, wenn es genau auf die Störsender guckt, aber sonst wenig (nur durch die reflektierte Störsignale).
Man kann das gesendete Radarsignal auch polarisieren. Da es höchst wahrscheinlich einen Unterschied zwischen der Polarisation des Radars und der des Störsenders gibt, kann man die Störung ausschalten, wenn man nur in eine Richtung polarisiertes Signal auswertet.
Man kann auch versuchen, die Leistung des Radarsenders zu steigern. Damit wird das reflektierte Signal auch staerker und aus dem allgemeinen Rauschen hervorgehoben.
Ferner kann man die Frequenz des Radars ändern. Manche Radar fahren mit der Zeit ein breites Frequenzbereich durch. Um solche Radar zu stören, muss man auch eine breitfrequentige Störsender haben.
Zu allerletzt kann man das Radarsignal kompliziert verschlüsseln und nur genau so verschlüsselt zurückgeworfene Signale auswerten.

23. Wie funktioniert der B2-Bomber?
Quelle: Mail von Matthias Krawen
Ich habe hier noch die PM 11/88, da ist ein Artikel ueber den B2-Bomber drin. Ich habe das mal ein bisschen zusammengefasst:
Im Flügelinneren, der aus mehreren Schichten besteht (Radarstrahlen schluckend im Breich von 3,5 - 20 Gigaherz), sind ungefähr daumengrosse sechseckige Zellen, in denen sich die Radarstrahlen "auslaufen". Der Bomber ist mit einer Farbe gestrichen, die eisenartige Partikel (sog. Ferrite) enthält, die elektromagnetische Wellen schlucken.
Das Triebwerk liegt vollkommen im Inneren der Maschine. Am Lufteinlass wird der Luftstrom durch eine besondere Grenzfläche beruhigt. Der Luftkanal ist weich gekrümmt.
Die aus dem Triebwerk austretende Luft wird bevor sie wieder "freigelassen" wird erst gekühlt und durch "Abgas-Dissipatoren" gejagt, wodurch sie zerstreut wird.
Der Treibstofftank ist strahlenabweisend Beschichtet. Gesteuert wir durch Spoiler. Wird einseitig gebremst, geht der Bomber in die Kurve. (Durch das Querruder wurde bei herkömmlichen Flugzeugen viel reflektiert. Das Querruder ist jetzt nicht mehr vorhanden, und das Höhenruder in den Flügel integriert)
Die Zacken an der Rückseite der Fluegel streuen die Radarstrahlen. Insgesamt beruht die Technik auf Zerstreuung der Radarstrahlen, so dass es beinahe unmöglich ist, den Bomber mit einer Station zu orten.
Mit bistatischem Rader (Sender+ viele Empfänger an unterschiedlichen Orten) ist es jedoch ev. wie bisher möglich.
Zum Vergleich: Der B-52 hat eine Radarrueckstrahlfläche von ca. 100 m*m, die fast ebenso grosse B-1b nur noch ein Hunderstel davon (halb so viel wie ein Privatflugzeug vom Typ Cessna 172, mit dem Mathias Rust auf dem Roten Platz gelandet ist). Von der B-2 wird behauptet, dass sie nur noch ein paar Quadratzentimeter Rückstrahlflaeche aufweist, nicht viel mehr als ein Vogel.

Buchtitel: