Das radar. Entwicklung

Transkript

1 Das radar Ein Radar ist ein elektronisches System das benutzt wird, um weit entfernet Objekte zu lokalisieren. Dies geschieht indem Radiowellen (auch Funkwellen, elektromagnetische Signale) auf das zu ortende Objekt geworfen, und davon reflektiert werden. Das Wort Radar selbst entstand durch die Phrase RAdio Detection And Ranging. Dieser Name wurde von der USA für die Positionsortungen der feindlichen Ziele während des 2. Weltkrieges verwendet. Durch ein Radar war es nicht nur möglich die Anwesenheit und Reichweite eines weit entfernten Ziels zu orten, sondern auch seine genaue Position, die Grösse, Form, Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung festzustellen. Obwohl die Radartechnik ursprünglich zu Kriegszwecken entwickelt wurde, so ist sie heutzutage in vielen Bereichen des Lebens bereits unentbehrlich geworden, zum Beispiel bei der Kontrolle des Luftverkehrs und der Erfassung des Wetters. Entwicklung Alle RadarSysteme senden mittles eines Hoch-Frequenz Transmitters einen Satz elektromagnetischer Wellen aus. Die Wellenlänge rangiert hierbei ungefähr zwischen ein paar Zentimetern und 1 Meter. Objekte, die im Weg der elektromagnetischen Wellen stehen, reflektieren diese zurück zum Transmitter. Das Konzept beruht auf dem Verhalten von Radiowellen-Reflektionen, wobei der deutsche Techniker Christian Hülsmeyer (ca. 1900) der Erste war, der die Radio-Echos einsetzen wollte um Kollisionen in der Marine zu verhindern. Das erste erfolgreiche Radiowellenexperiment fand 1924 statt, als der britische Physiker, Sir Edward Victor Appleton, Radio-Echos benutzte um die Höhe der Ionosphäre festzustellen (Die Ionosphäre, eine ionisierte Schicht der oberen Atmosphäre, reflektiert längere Radio-Wellen). Das praktisch erste Radar-System wurde 1935 von dem britische Physiker Sir Robert Watson-Watt entwickelt. Die Briten waren somit die ersten, die mit dieser wichtigen Technologie umgegangen waren, und schon 1939 besaßen sie eine Reihe von Radar- Stationen um feindliche Luft- und Wasserangreifer zu entdecken. Noch im selben Jahr waren zwei Briten für den wichtigsten Fortschritt der Radartechnologie verantwortlich. Der Physiker Henry Boot und der Biophysiker John T. Randall führten eine 1

2 Elektronenröhre ein, die fähig war, hochfrequente Radio-Impulse mit gewaltiger Kraft auszusenden. Mittels dieser Röhre konnte das Mikrowellenradar erschaffen werden, welches in der Wellenlänge von unter 1cm operiert. Das Mikrowellenradar, auch genannt LIDAR ( LIght Detection And Ranging ), wird heutzutage für Kommunikation und die Messung der atmosphärischen Verschmutzung verwendet. Die fortgeschrittenen Radar-Systeme wurden in den 1930ern entwickelt und spielten eine wichtige Rolle in der großen Luftschlacht in Großbritanien, von August bis Oktober, wo Hitlers Luftwaffe die englischen Himmel nicht einnehmen konnte. Obwohl die Deutschen ihre eigenen Radar- Systeme hatten, waren die der Amerikaner und der Briten technisch überlegen. Die Technik genauer betrachtet Radiowellen breiten sich mit rund km/sec aus, also Lichtgeschwindigkeit. Die Radarausrüstung besteht aus einem Transmitter, einer Antenne, einem Receiver und einem Indikator. Der Transmitter und der Receiver sind für gewöhnlich an der selben Stelle angebracht. Der Transmitter sendet einen Satz von elektromagnetischen Wellen, die mit Hilfe der Antenne einem Punkt konzentriert werden, in die gewünschte Richtung. Treffen diese nun an ein Objekt, so werden einige Wellen reflektiert und formen ein Echo-Signal. Die Antenne sammelt die Energie des Echo-Signals und liefert sie weiter an den Receiver. Durch einen Computer werden die vom Receiver verarbeiteten Daten in ein visuelles Bild umgewandelt, das man an einem Computer Monitor oder Display begutachten kann. Der Transmitter Damit ein Radar funktionieren kann, muß ein Transmitter einen riesigen Stoß an Energie senden können, gleichzeitig aber eine winzig kleine Menge an Energie wieder auffangen und messen können (ca. ein Billionstel von einem Billionstel). Das Doppler-Radar, welches oft zum Messen der Geschwindigkeit eines Objekts verwendet wird, überträgt Signale mit einer konstanten Frequenz. Die Signale die von dem (sich bewegenden) Objekt reflektiert werden, haben eine andere Frequenz als die ursprünglichen Signale, aufgrund des Doppler-Effekts. Der Unterschied der reflektierten Frequenz ist im selben Verhältnis zur übertragenen Frequenz, wie die Geschwindigkeit des Objekts zur 2

3 Lichtgeschwindigkeit. Durch diese Unterschiede der Frequenz kann also die Geschwindigkeit des Objekts berechnet werden, wie es das Polizeiradar oft und gerne tut. Ein anderer Typ des Radars ist das Frequency-modulated radar (FM). Es sendet ein kontinuierliches Signal, das die Frequenz uniform (=gleich) ändert. Während der Zeit des Übertragens, Reflektierens und Empfangens ändert sich die Übertragunsfrequenz. Der Unterschied zwischen der Echo-Frequenz und der Transmitter-Frequenz wird gemessen und übersetzt in die Distanz zwischen Transmitter und Objekt. Die Antenne Radarantennen müssen sehr gut auszurichten sein, das heißt, sie müssen einen vergleichsweise genauen (schmalen) Strahl liefern. Die nötige Bewegung der Radarwellen wird durch die Bewegung der Antenne veranlasst; diese Bewegung nennt man scannen. Die simpelste Form des Scannens wird durch eine kontinuierliche, langsame Drehung der Antenne erreicht. Antennen können heutzutage natürlich auch elektronisch gelenkt werden. 3

4 DER Receiver Ein idealer Receiver muß ein extrem schwaches Signal mit einer extrem hohen Frequenz wahrnehmen können und diese dann an einen Computer versenden. Computerprozesse Die meisten modernen Radars wandeln die empfangenen analogen Signale in eine Kette von Nummern, mit Hilfe eines analog-zu-digital Konverters. Diese Nummern werden von sehr schnellen Computern bearbeitet um Informationen über das Ziel zu speichern. Ungewollte Objekte werden von einem Moving Target Indicator (MTI) gefiltert und entfernt, dann werden die Frequenz-Komponenten von einem Fast Frequenzy Transformer (FFT) getrennt. Zum Schluss, nachdem die Impulse wieder kombiniert wurden, wird das Ziel von einem Constant False Alarm Rate (CFAR) processor festgelegt. Radar-Systeme, dessen primäres Anliegen es ist, Ziele zu erkennen, müssen die Anwesenheit oder die Absenz eines Ziels überwachen. Damit es nicht zu falschen Meldungen kommt, muß der CFAR Computer die Ergebnisse in bestem Wege vor Falschalarm schützen. Secondary Radar-Systems Die bisher genannten Radar-Systeme sind als Primäre Systeme bekannt, betrieben durch das Prinzip eines passiven Echos von einem Ziel. Eine andere Gruppe von Radar-Einrichtungen werden als Sekundär-Systeme bezeichnet; sie werden in der Navigation und Kommunikation verwendet. Der Transponder Ein Transponder ist ein sekundäres System, das einen Impuls aussendet, wann immer es einen Impuls empfängt. Der Vorteil: Ein übertragener Impuls ist immer weit stärker als ein Echo, auch wenn es von einem schwachen Transmitter gesendet wird. Der Radar-Transmitter, der den Impuls aussendet, wird Interrogator genannt, und die 4

5 Aktion des Zurücksenden des Impulses wird Triggering genannt. Diese Systeme sind sehr nützlich für Navigationszwecke und um die eigene Position feststellen zu können. GegenmaSSnahmen Während des 2.Weltkrieges war es von strategischer Wichtigkeit, die gegnerischen Radarübertragungen zu stören und zu verfälschen, da beide Seiten sehr abhängig von ihrem Radar waren. Zwei primäre Methoden dafür waren damals das Electronic Jamming, das Übertragen auf Frequenzen die sich mit den gegnerischen Receivern überschneiden, und das Mechanical Jamming, das Verstreuen von metallischem Material das störende Echos erzeugen könnte. Heutzutage, mit der ganzen Fernsehübertragung, Handyübertragung und anderem radartechnischem Material, hat die Störung des anderen Radars an bedeutung verloren. Die Verwendungszwecke des Radars Neben der strategischen Verwendung zu Kriegszwecken, Erfassen von gegnerischen Zielen, wird die Radartechnik auch für weit friedlichere Unterfangen benützt. Das Radar auf Satelliten in der Erdumlaufbahn wird verwendet, um die gesamten Wetterveränderungen zu überwachen; in einer Zeit des globalen Erwärmung extrem wichtig. Radar-Systeme werden von der Polizei verwendet, um die Gschwindigkeiten von Fahrzeugen zu bestimmen. Verkehrsxperten erfassen das Verkehrsaufkommen mittels Radar, um somit Kreuzungsampeln und Umleitungen zu kontrollieren und so den schnellstmöglichen Verkehrsfluss garantieren zu können. Eines der allerwichtigsten Gebiete ist die Kontrolle des Flugverkehrs: Kollisionen in der Luft, als auch am Flughafen, müssen nun mal vermieden werden, der Pilot muß auch immer genauestens wissen wo er sich befindet (GPS). Weiters ist die astronomische Forschung ohne Radar undenkbar. 5