Radar

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Einleitung

Radar, ursprünglich die englische Abkürzung radar detection and ranging, für ein System zum Nachweis von außerhalb des Sichtbereichs liegenden Objekten mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen (so genannten Hert’schen Wellen).

Grob betrachtet arbeitet ein Radarsystem nach einem Echoprinzip: Das System sendet Funkwellen aus, die auf Objekte auftreffen und von diesen reflektiert werden. Die reflektierten Wellen (also das Echo) gelangen anschließend zum Radarsystem zurück und werden dort in entsprechender Weise weiterverarbeitet und auf geeigneten Geräten (z. B. Radarbildschirm) sichtbar gemacht. Allgemein unterscheidet man das so genannte Primärradar vom Sekundärradar (s. u.). Ersteres dient zur Rundsicht und zu reinen Ortungszwecken, während Letzteres darüber hinaus beispielsweise auch bei der Funknavigation zum Einsatz kommt (siehe Funkhilfen in der Navigation).

Der Ausdruck Radar wurde im 2. Weltkrieg von den alliierten Truppen für verschiedene Geräte verwendet. Diese Geräte zeigen nicht nur die Anwesenheit und die Entfernung von Objekten an, sondern stellen auch ihre Position im Raum, ihre Form, Größe, Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung fest. Ursprünglich für militärische Zwecke entwickelt, setzt man das Radar heute auch in vielen Zivilbereichen ein, z. B. in der Flugsicherung, der Bestimmung von Wetterlagen oder auch bei der Erkundung von Erzlagerstätten.

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Entwicklung

Alle Radarsysteme enthalten einen hochfrequenten Funksender, der einen elektromagnetischen Strahl in Wellenlängen (siehe Welle: Merkmale) von einigen Zentimetern bis ungefähr einen Meter aussendet. Objekte, auf die der Strahl auftrifft, werfen die Wellen in Form eines Echos zum Sender zurück. Die Funktionsweise des Radars baut auf die Gesetze der Reflexion von Funkwellen auf. Sie sind in den Gleichungen über das Verhalten elektromagnetischer Wellen verankert, die der britische Physiker James Clerk Maxwell 1864 aufstellte. Diese Grundlagen konnten zum ersten Mal 1886 durch Experimente von Heinrich Hertz veranschaulicht werden. In einem Versuch (um 1887) ordnete Hertz im Brennpunkt eines Parabolspiegels einen Dipol an. Dadurch gelang es ihm, eine Richtwirkung und damit einen Strahl (Zehnzentimeterbereich) zu erhalten.

1896 gelang es dem italienischen Ingenieur Guglielmo Marconi, mit Hilfe einer Richtantenne Signale über eine Entfernung von drei Kilometern zu senden. Marconi ließ sich seine Erfindung in Großbritannien patentieren.

Der deutsche Ingenieur und Elektrotechniker Christian Hülsmeyer schlug als Erster den Einsatz von Funkechos für ein Erfassungsgerät vor, das Kollisionen bei der Navigation auf See vermeiden sollte. Hülsmeyer war der erste Forscher, der an einem Ortungsprinzip arbeitete, das auf der Reflexion (Echo) von elektromagnetischen Wellen beruhte. 1904 erhielt er sowohl in Deutschland als auch in Großbritannien das Patent für sein Radarsystem, das Telemobiloskop. Erstaunlicherweise fand das Telemobiloskop nur wenig Anklang bei den offiziellen Stellen, die Hülsmeyer ansprach. Trotz dieser sensationellen Erfindung begann man fast 30 Jahre später mit der eigentlichen Radarentwicklung. Sie fand im Wesentlichen in Großbritannien und in den Vereinigten Staaten statt.

Das erste erfolgreiche Experiment zur Entfernungsmessung durch Funkwellen gelang 1924. Der britische Physiker Edward Victor Appleton setzte Funkechos zur Höhenbestimmung der Ionosphäre ein. Die Ionosphäre ist eine Schicht der oberen Atmosphäre, von der längere Funkwellen reflektiert werden. Im folgenden Jahr kamen die amerikanischen Physiker Gregory Breit und Merle Antony Tuve unabhängig zu den gleichen Messergebnissen wie Appleton. Dabei verwendeten Breit und Tuve die so genannte Pulstechnik, die später in den meisten Radarsystemen zum Einsatz kam.

1929 verbesserte der japanische Elektrotechniker Hidetsugu Yagi das Prinzip der Richtantenne. Die von ihm entwickelte Yagi-Antenne beruhte auf einem Prinzip, mit dem sich die Richtwirkung und der Empfangsgewinn deutlich erhöhen ließen.

1933/34 unternahm man in der Nachrichtenmittel-Versuchsanstalt Kiel Reflexionsexperimente mit Dezimeterwellen. Allerdings war die Sendeleistung der dabei verwendeten Anlagen nicht stark genug, die Ergebnisse nur teilweise zufrieden stellend.

Etwa im gleichen Zeitraum gelang es amerikanischen Technikern der Bell Laboratories, die Reflexion von Flugzeugen zu messen. Die offizielle Radarentwicklung begann in den USA 1934.

Das erste brauchbare Radarsystem zur Luftwarnung entwickelte 1935 der Radartechniker Robert Watson-Watt. Dieses System war in der Lage, Flugzeuge in einer Entfernung von 10 bis 60 Kilometer zu orten. Bis zum Ausbruch des 2. Weltkrieges hatte die Royal Navy das Frühwarnsystem Chain Home für den Osten und den Süden der Britischen Inseln bereits fertig gestellt. Während des 2. Weltkrieges war das Radar von großer militärischer Bedeutung.

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Arbeitsweise

Funkwellen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit (ca. 300 000 Kilometer pro Sekunde). Ein Radarsystem besteht aus einem Sender, einer Antenne, einem Empfänger und einem Anzeigegerät. Im Unterschied zum Rundfunk, bei dem ein Sender Funkwellen abgibt, die von einem Empfänger abgefangen werden, befinden sich Radarsender und -empfänger üblicherweise am gleichen Ort. Der Sender gibt elektromagnetische Wellen über eine Antenne ab, die sie zu einem Strahl bündelt und in die gewünschte Richtung lenkt. Treffen die Wellen auf ein Objekt, werden einige davon reflektiert und erzeugen ein Echosignal. Die Antenne nimmt die im Echosignal enthaltene Energie auf und leitet sie an den Empfänger weiter. Nachdem die Energie elektronisch verstärkt und die Daten verarbeitet wurden, erzeugt der Radarempfänger ein sichtbares Signal auf dem Bildschirm des Anzeigegeräts.

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Sender

Damit ein Radar erfolgreich arbeitet, muss die Anlage einen starken Energiepuls abgeben und einen winzigen Bruchteil (ungefähr ein Milliardstel einer Milliarde) der gesamten Funkwellenenergie empfangen, aufspüren und messen. Eine Möglichkeit, das winzige Echo bei gleichzeitigem, enorm starkem Suchsignal aufzuspüren, ist der Einsatz des Pulssystems. Dabei wird ein Energieimpuls 0,1 bis fünf Sekunden lang gesendet. Danach ist der Sender für die Dauer von hundertstel oder tausendstel Mikrosekunden in Ruhe. Während der Puls- (oder Sende-)Phase wird der Empfänger durch einen TR-Schalter (Transmit-Receive, Sende-Empfangsschalter) von der Antenne getrennt. Während der Zeit zwischen den Pulsen wird der Sender durch einen ATR-(Anti-TR-)Schalter von der Antenne getrennt.

Das Dauerstrichradar sendet statt Pulse ein kontinuierliches Signal (CW-Radar, Continuous Wave). Das so genannte Doppler-Radar wird häufig für Geschwindigkeitsmessungen von Objekten wie Fahrzeugen verwendet. Bei diesem System strahlt der Sender elektromagnetische Wellen auf einer festen Frequenz aus. Signale, die von sich relativ zur Antenne bewegenden Objekten reflektiert werden, besitzen aufgrund des Doppler-Effekts eine andere Frequenz. Das Verhältnis von Frequenzunterschied zu Sendefrequenz ist gleich dem Verhältnis von Zielobjektgeschwindigkeit zu Lichtgeschwindigkeit. Demnach verschiebt ein Zielobjekt, das sich beispielsweise mit 179 Kilometern pro Stunde auf das Radar zubewegt, die Frequenz eines Radarsignals von 10 Zentimetern um genau 1 Kilohertz.

Stellt man einen Radarempfänger so ein, dass er Echos derselben Frequenz des Empfängers ignoriert und nur die Echos einer anderen Frequenz verstärkt, so zeigt er nur Objekte in Bewegung an. Mit Hilfe dieses Empfängers lassen sich z. B. die Geschwindigkeiten von Fahrzeugen registrieren. Anlagen und Radargeräte, die auf diesem Funktionsprinzip beruhen, setzt beispielsweise die Verkehrspolizei im Straßenverkehr ein.

Das frequenzmodulierte (FM) Radar sendet ein ständiges Signal auf einer sich gleichmäßig ändernden Frequenz. Während der Zeit, in der das Signal gesendet, reflektiert und empfangen wird, ändert sich die Sendefrequenz. Die Differenz zwischen der Echofrequenz und der Sendefrequenz wird gemessen und in den Abstand zwischen Sender und Objekt umgerechnet. Derartige Systeme sind zwar genauer als das Pulsradar, jedoch ist die Reichweite einer FM-Radaranlage wesentlich geringer.