Radartechnik

Technik: Prinzip des Radars

Senden eines Signals (Sender, Transmitter)
Empfangen des vom Zielobjekt reflektierten Signals (Empfänger, Receiver)
Bestimmen und Anzeigen der Position (Winkel und Entfernung) des Zielobjekts bezogen auf die Antenne

Technik: Wellenlänge

Technik: Arbeitsweise

Radarsystem besteht aus: Sender, Antenne,Duplexer, Empfänger und Bildschirm
[Duplexer = Umschalter zwischen Senden und Empfangen]
Unterschied zum Rundfunk: Radarsender und -empfänger befinden sich am gleichen Ort.

Technik: Etwas Physik

Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen

Geradlinige Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen
Konstante Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen (mit Lichtgeschwindigkeit c₀ = 300.000 km/s)
Reflexion elektromagnetischer Wellen (nach dem Reflexionsgesetz)

Bestimmung der Entfernung des Zielobjekts

Entfernung Radargerät - Zielobjekt:

R = (c₀ · t) / 2

c₀ = Lichtgeschwindigkeit =
300.000 km/s = 300.000.000 m/s
t = Laufzeit des Signals
(von Sender über Objekt bis zum Empfänger) in s
R = Entfernung Antenne - Zielobjekt in m;
R (von engl. Range)

Exkurs: Licht- und Schallgeschwindigkeit

Lichtgeschwindigkeit:
c₀ = 300.000 km/s = 300.000.000 m/s
Schallgeschwindigkeit in Luft:
v_s = 330 m/s

Beispiel:
In 4 km Entfernung wird gleichzeitig ein Licht- und ein Schallsignal abgegeben. Nach welcher Zeit sind die Signale beim Beobachter/Hörer?

Lösung:
Lichtsignal: nach t = 0,000013 s
Schallsignal: nach ca. t = 12 s

Exkurs: Herleitung der Formel für die Entfernung zwischen Sender und Zielobjekt

Geschwindigkeit allgemein: v = s / t in m/s oder km/h

Geschwindigkeit des Radarimpulses: v = c₀(Lichtgeschwindigkeit)

Zeitdauer für den Weg des Radarimpulses vom Sender zum Zielobjekt und zurück zum Empfänger: t
Weg des Radarimpulses vom Sender zum Zielobjekt und zurück zum Empfänger: s = 2 * R mit R = Abstand Antenne - Zielobjekt

Einsetzen ergibt: c₀ = 2 * R / t
Umstellen nach R ergibt: R = (c₀ * t) / 2

Bestimmung der Peilung (Richtung des Zielobjekts)

Radaranlagen haben eine sich im Betrieb ständig drehende Antenne (Schlitzstrahler, dient zum Senden und Empfangen)
Bewegungsgeschwindigkeit des gesendeten und reflektierten Impulses ist so hoch, dass sich die Antenne zwischen "Senden" und "Empfangen" nicht wahrnehmbar dreht, d. h. der Winkel unter dem der Impuls gesendet wird ist gleich dem Winkel des empfangenen Echos

Exkurs: Drehung der Antenne bei einem Range von 1,2 km

Typische Einstellung Flussradar (Streckenfahrt): Range R = 1,2 km = 1.200 m

Für s = 2 * R (2.400 m) benötigte Laufzeit des Radarimpulses:
t = (2 * R) / c₀ = 2.400 m / 300.000.000 m/s = 0,000008 s

Antenne dreht min. 24mal pro Minute, alle 2,5 s ein vollständiges Rundumbild (= 360°)
Drehgeschwindigkeit in Grad pro 1s: 360°/2,5 s = 144 °/s
Antenne dreht in 0,000008 s um 0,001° = 1/1000 Grad!

Reflexion des Radarimpulses

Antenne kann nur die Signale empfangen, die in Richtung der Antenne reflektiert (zurückgeworfen) werden.

Impulse, die unter 90° auf Objekt treffen und unter 90° reflektiert werden
Aber auch über mehrere "Flächen" abgelenkte Impulse (wie bei einem Radarreflektor)
Prinzip: "Einfallswinkel" gleich "Ausfallswinkel" Reflexion des Radarimpulses

Horizontale und vertikale Bündelung

Die Sendeimpulse werden horizontal und vertikal gebündelt.

Horizontale Bündelung ist abhängig von der Antennenlänge (1,8 m lange Antenne: 1,2°, 3 m lange Antenne: 0,7°, Sportboot mit 60 cm Antenne: 3,9°)
Horizontale Bündelung ist wichtig für die Winkelauflösung und macht sich besonders in großer Entfernung bemerkbar
Vertikale Bündelung ist deutlich größer (max. 25° - 30°; Flussradar ca. 14° - 24°), um bei Schiffsschwankungen noch die Wasseroberfläche beobachten zu können sowie z. B. Brücken oder Hochspannungsleitungen erfassen zu können

Auswirkung der horizontalen (azimutalen) Bündelung

Nah beieinander liegende Zielobjekte (z. B. zwei Tonnen) lassen sich nur auf dem Radarbildschirm unterscheiden, wenn der Öffnungswinkel so klein ist, dass die Breite der Radarkeule in Höhe der Objekte kleiner als deren Abstand ist!