Inhaltsverzeichnis

1  Einleitung.  4

1.1  Kapitelübersicht.  4

2  Historie der Radartechnik.  5

3  Physikalische und technische Grundlagen.  6

3.1  Entfernungsmessung.  6

3.2  Geschwindigkeitsmessung.  9

3.3  Gerätetechnik.  10

3.3.1  Generierung des Signals.  11

3.3.2  Verstärkung des Signals.  12

3.3.3  Aussenden des Signals.  13

4  Radaranwendungen.  14

5  Anwendungsbeispiel.  16

5.1  Funktionsweise.  17

5.2  Technische Beschreibung.  18

5.3  Bewertung.  19

6  Zusammenfassung und Ausblick.  19

7  Literaturverzeichnis  21

1 Einleitung

In vielen Bereichen unseres täglichen Lebens hat moderne Technik Einzug gehalten. Oft nutzen wir diese Technik ohne deren Hintergründe oder Funktion zu kennen. Die vorliegende Arbeit beleuchtet die Radartechnik und bietet dem Leser interessante Einblicke in unterschiedliche Anwendungsgebiete. Ziel dieser Ausarbeitung ist die verständliche Darstellung eines Teils der uns umgebenden Welt, der Radartechnik. Dem Leser wird dadurch die kritische Bewertung dieser Technologie ermöglicht.

Ursprünglich als Akronym für Radio Aircraft Detection And Ranging steht RADAR heute für Radio Aim Detecting And Ranging bzw. nur noch für Radio Detection and Ranging, was zu der obigen Definition aus dem Fremdwörter Duden führt. Wie der Name schon sagt bestehen seine Aufgaben im Orten von Zielen und der Entfernungsmessung zum Empfänger durch Radiowellen. Verkehrsleittechnik und ein Teil der Verkehrsüberwachung, die uns allen bekannten Geschwindigkeitsmessungen der Polizei, werden mit Radargeräten realisiert. In größeren Höhen wird heutzutage der gesamte Luftverkehr von Radaranlagen überwacht. Selbst im Weltraum werden Vorgänge auf der Erde mit Hilfe militärischer Aufklärungssatelliten überwacht. Und auch in der Astronomie hat die Radartechnik Einzug gefunden. Somit wird klar, dass die Radartechnik als Mess- und Überwachungsinstrument in viele Bereiche unseres Lebens eingedrungen ist. Aufgrund der Komplexität des Themas und dem breiten Spektrum an Anwendungen stellt diese Arbeit lediglich die wichtigsten Sachverhalte dar. Nur einige ausgewählte Bereiche werden näher beleuchtet.

2 Kapitelübersicht

Kapitel 2 stellt die historische Entwicklung der Radartechnik dar. Anschließend erläutert Kapitel 3 die physikalisch-mathematischen und technischen Grundlagen aller Radargeräte. Die Betrachtung aktueller Anwendungen der Radartechnik in Kapitel 4 führt zu einer detaillierten Darstellung einer Anwendung in Form eines konkreten Fallbeispiels in Kapitel 5. Aufgrund der vielen

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Anwendungsbereiche stellt diese Arbeit nur eine Auswahl der wichtigsten Anwendungen vor. Mit einer Zusammenfassung und einem kritischen Ausblick im sechsten Kapitel schließt diese Arbeit ab.

3 Historie der Radartechnik

Bereits 1864 wurden elektromagnetische Wellen von Clerk Maxwell erforscht. Es dauerte jedoch 40 Jahre, bevor die elektromagnetischen Wellen zur Entfernungsbestimmung von Objekten genutzt werden konnten. Vor dem 2. Weltkrieg arbeiteten deutsche, amerikanische, britische und auch russische Wissenschaftler etwa zur selben Zeit an der Radartechnik. Während des Krieges wurde sie mit viel Kapital weiterentwickelt und auch eingesetzt. Tabelle 1 zeigt die wichtigen Ereignisse im Überblick.

Während des 2. Weltkrieges wurde im Südosten Englands ein groß angelegtes Frühwarnsystem gegen deutsche Luftangriffe errichtet. In Deutschland wurden vor allem in der deutschen Bucht und im besetzten Belgien Radaranlagen aufgestellt, um die großen alliierten Bomberverbände (bis zu 1000 Bomber) frühzeitig erkennen und abfangen zu können. Aufgrund des starken militärischen Interesses konnte die Radartechnik im Zweiten Weltkrieg große Fortschritte verzeichnen. Nicht zuletzt durch die im Krieg verfügbaren enormen finanziellen Mittel konnten Forschungen und Entwicklungen mit großem Materialaufwand betrieben werden.

Nach Ende des 2. Weltkrieges wurden vor allem während des Kalten Krieges Radaranlagen weiterentwickelt, besonders die Computertechnik ist zu erwähnen. Durch sie war man in der Lage Radaranlagen besser zu konstruieren, und leichter sowie effizienter zu betreiben.

4 Physikalische und technische Grundlagen

Es gibt grundsätzlich zwei Prinzipien, die in Radaranlagen genutzt werden. Einerseits die Ab-standsmessung eines Objektes zum Radarsender und andererseits dessen Geschwindigkeitsmessung. Im Folgenden geht es um die mathematisch-physikalische Herleitung dieser Prinzipien. Darüberhinaus werden die Grundlagen der Bauteile einer Radaranlage anhand des Signalweges erläutert.

4.1 Entfernungsmessung

Für die Abstandsmessung eines Objektes wird eine elektromagnetische Welle ausgesandt. Der Empfänger registriert das Echo. Durch die Zeit, welche die Welle vom Sender zum Ziel und wieder zurück zum Empfänger braucht, lässt sich die Entfernung berechnen. Die Laufzeit gibt die direkte Entfernung an, während die Position mit Hilfe der Ausrichtung der Radaranlage und dem Abstrahlwinkel bestimmt wird.

Es wird von einem Kugelstrahler ausgegangen, der Radarwellen aussendet, welche sich kugelförmig und gleichmäßig in alle Richtungen ausbreiten. Die Entfernung R zu einem Objekt lässt sich mit der folgenden Formel aus der Ausbreitungsgeschwindigkeit c und der Signallaufzeit t berechnen.

Gleichzeitig mit der Entfernung kann aus dem Winkel, mit dem die Radaranlage die Wellen aussendet, skizziert in Abbildung 4.1, die Zielhöhe (Höhe über Senderebene, 0°) errechnet werden.

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Über ein rechtwinkliges Dreieck und die entsprechenden trigonometrischen Funktionen erhalten wir die Höhe H des Objektes über der Erdoberfläche. Eine exakte Höhenberechnung kann bei großen Entfernung zu den Objekten nur durch Berücksichtigung der Erdkrümmung erreicht werden.

Für die maximale Reichweite Rmax eines Radargerätes sind ebenfalls die Erdkrümmung sowie die Sendeleistung der Anlage die begrenzenden Faktoren, wobei in der Praxis die zur Verfügung stehenden und umsetzbaren Energien und damit die Sendeleistung den einzig begrenzenden Wert darstellt. Zunächst ist die Leistungsdichte PDichte eines Radarstrahlers von Interesse. Sie ergibt sich aus der Gesamtsendeleistung der Anlage PGesamt, die sich auf eine Kugelfläche A mit dem Radius rKugel (=Entfernung zum Ziel) verteilt. Das Zielobjekt befindet sich auf der gedachten Kugeloberfläche.

Die Leistungsdichte sinkt quadratisch mit der Zielentfernung. Da in der Praxis Radarantennen nicht kugelförmig, sondern gerichtet abstrahlen, muss man die Formel noch um den sogenannten Antennengewinn G ergänzen, was die Verstärkung des Sendesignals durch den Parabolspiegel ausdrückt.

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Der Rückweg der Radarwelle vom Objekt zur Radarantenne wird mit der gleichen Formel berücksichtigt. Daraus ergibt sich die Sendeleistungsdichte PS, welche beim Empfänger wieder ankommt. Durch Einsetzen in die obige Gleichung für PDichte ergibt sich die tatsächlich empfangene Leistung PEmpfang.

Die Reichweite Rmax eines Radarsystems ergibt sich durch Auflösen der Formel für PEmpfang nach R.

Die Reichweite wird auch durch atmosphärische und technische Verlustleistungen beeinflusst, die allgemein im Faktor Cverlust zusammengefasst werden. Ein weiteres Problem stellt die Erfassung der Rückstreufläche F des Zielobjektes dar. Sie wird durch die Zielgröße, Materialeigenschaften und die elektrischen Eigenschaften der Oberfläche des Ziels bestimmt. Zusätzlich dazu wird die Rückstreufläche durch die Wellenlänge beeinflusst. Je nach Verhältnis von Wellenlänge zur tatsächlichen Zielgröße ist die effektive Rückstrahlfläche unterschiedlich. Das spielt z.B. beim Wetterradar eine Rolle, wo es durchaus zu Problemen bei der Detektion von Wolken kommen kann. Diese können, abhängig von der Tröpfchengröße, ein undurchdringbares Hindernis darstellen, was eine entsprechende Wahl der Wellenlänge erfordert. Um nun die maximale Reichweite Rmax einer Radaranlage bestimmen zu können, setzt man vereinfachend eine mittlere Rückstrahlfläche von 1m² voraus. CVerlust wird in den Nenner der Formel für Rmax gebracht. Bis auf die Rückstreufläche des

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Ziels sind alle Faktoren vom Radaroperator beeinflussbar. Somit lässt sich aus den gewonnenen Daten die Rückstreufläche F errechnen und die Zielgröße bestimmen. (nach [I2]; [L1], S.41ff; [L2]; [L3]; [L4]; [L5], S.201ff)

4.2 Geschwindigkeitsmessung

Für die Messung der Geschwindigkeit eines bewegten Objektes wäre eine Laufzeitmessung zu umständlich. In zeitlichen Abständen müssten mehrere Messungen durchgeführt werden, um eine genaue Geschwindigkeit berechnen zu können. Deshalb bedient man sich z.B. in der Verkehrsüberwachung (Radarkontrolle) eines bekannten Effektes, des DOPPLER-Effektes. Mit ihm lässt sich die Geschwindigkeit eines bewegten Objektes anhand der Frequenz der reflektierten Welle berechnen. Je nach Geschwindigkeit und Richtung zum Empfänger ergibt sich eine Frequenzänderung. Christian DOPPLER (1803-1853) beschrieb diesen Effekt erstmals 1842. Er verwendete einen Sender, der sich auf einen Empfänger zubewegte.

Beim Doppler-Effekt muss zwischen mediengebundenen und -ungebundenen Wellen differenziert werden. Bei Radarwellen handelt es sich um medienungebundene Wellen, ähnlich wie Licht- oder -Strahlung. Man ermittelt bei solchen Wellen die Frequenzverschiebung anders als bei mediengebundenen Wellen (z.B. Schallwellen) [I1]. Schließlich ergibt sich eine Gleichung für die Frequenzverschiebung bei nicht mediengebundenen Wellen. ([I1], Kap. 3.2, Kap. 4.1.2; [L1], S. 37f)

Da sich die zu überwachenden Objekte selten direkt auf den Empfänger zubewegen, muss, wie in Abbildung 4.2 angegeben, der Winkel  zwischen der tatsächlichen Bewegungsrichtung und der Strecke Ziel-Empfänger berücksichtigt werden. Somit lässt sich aus der ermittelten Geschwindigkeit die tatsächliche Geschwindigkeit berechnen. Dies wird besonders auf dem Gebiet der Verkehrsgeschwindigkeitsmessung deutlich, wo es schon bei kleinen Ungenauigkeiten während der Winkelerfassung, zu deutlichen Messfehlern kommen kann. Wird bei einem tatsächlichen Winkel von

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22° ein Fehlwinkel von 32° eingestellt, ergibt sich bereits ein Geschwindigkeitsmessfehler von ca. 9% ([L1], S. 39 oben). ([L1], S. 38 2-11/2-12, S. 38f)

4.3 Gerätetechnik

Neben den physikalischen Grundlagen müssen auch diverse Voraussetzungen im Bereich der Gerätetechnik erfüllt werden, um ein funktionstüchtiges Radarsystem zu erhalten. Zunächst können

die verschiedenen Radartypen, wie in Abbildung 4.3 skizziert, unterschieden werden. (nach [I2]; [L1], S.16f, S.117ff, S.73ff; [L5], S.212ff, S.204ff)

Radaranlagen können aus mehreren Radargeräten bestehen. Man spricht von bistatischem bzw. multistatischem Radar. Bei „normalem“, monostatischem Radar sitzen Sender und Empfänger in einer Einheit. Bei bistatischem Radar gibt es separate Radaranlagen für Sendung und Empfang. Dazu muss natürlich eine Kommunikation zwischen den jeweiligen Radargeräten bestehen, um Daten wie Sende- und Pulsfrequenz auszutauschen.

Primärgeräte stehen dabei für die „klassischen“ Radargeräte. Nach Aussenden von Radarwellen werden die von Objekten reflektierten Wellen empfangen und analysiert. Demgegenüber stehen die Sekundärgeräte. Sie empfangen Signale, die von Objekten ausgesandt wurden. Dazu muss das zu überwachende Objekt einen eigenen Sender besitzen, der elektromagnetische Wellen abstrahlt (Transponder). Diese Wellen werden dann von einem anderen Radargerät empfangen und ausgewertet.

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Der Vorteil von Sekundärgeräten liegt in der prinzipiellen Anordnung des kompletten Systems. Der Sender befindet sich im zu überwachenden Objekt, wodurch die Radarwellen nur den halben Weg zurücklegen müssen. Damit kommen entsprechend leistungsreduzierte Sender zum Einsatz. Darüberhinaus funktioniert dieses System mit mehreren vorher festgelegten Trägerfrequenzen, die in ebenfalls festgelegten Zeitintervallen wechseln, womit störende Echos eliminiert werden. Durch eine gezielte Kommunikation zwischen Sender und Empfänger wird eine hohe Überwachungssicherheit erreicht.

In der zivilen Luftfahrt wird für eine lückenlose Überwachung eine Mischform von Sekundär-und Primärradargeräten genutzt. Kleinere Flugzeuge, beispielsweise Sportmaschinen, besitzen kein Sekundärsystem und werden daher von dem Primärradar der Flugüberwachung erfasst. In großen Flugzeugen, beispielsweise Passagiermaschinen, muss ein Sekundärradar installiert sein, welches im Zusammenspiel mit dem Transponder die Identifikation und Flugnummer der Maschine überträgt. Damit ist sogar eine teilautomatische Überwachung des Flugverkehrs möglich. (nach [L1]; [L2]; [L5])

Die Unterscheidung der Primärgeräte in Dauerstrich- und Pulsradargeräte ist in der Art der Messung begründet. Die Entfernungsmessung wird durch Pulsradargeräte realisiert. In periodischen Zeitabständen werden kurze und sehr energiereiche Impulse ausgesandt, deren zeitversetztes Echo analysiert und in die Entfernung der Radaranlage zum Zielobjekt umgerechnet wird. Pulsradargeräte senden meist im hochfrequenten Bereich und verbrauchen im Durchschnitt weniger Energie als Dauerstrichradargeräte bzw. erreichen eine viel höhere Reichweite bei gleicher Leistung. Geschwindigkeiten werden mit einem Dauerstrichgerät gemessen, welches einen kontinuierlichen Radarstrahl aussendet. Unmodulierte Dauerstrichgeräte nutzen eine konstante Amplitude und Frequenz für die gesendeten Wellen. Somit sind nur noch Geschwindigkeitsmessungen möglich (DOPPLER-Effekt). Sie werden im öffentlichen Straßenverkehr von der Polizei eingesetzt. Die neuesten Geräte arbeiten im Frequenzbereich von Laserwellen. Modulierte Dauerstrichradargeräte senden und empfangen ununterbrochen. Sie verändern die Frequenz des Signals (FM = Frequenzmodulation), sodass sich sowohl Entfernung als auch Geschwindigkeit von Objekten ermitteln lassen. Diese Geräte sind als CW-Radargeräte (cw = continuous wave = Dauerstrichwelle) bekannt. Wie in Abbildung 4.4 zu sehen, besteht eine Radaranlage grundsätzlich aus 4 Baugruppen. In den folgenden Abschnitten wird der Signalweg des Radarsignals ausgehend vom Oszillator, über den Modulator, den Verstärker bis hin zur Antenne der Anlage verfolgt. Dabei wird auf die einzelnen Baugruppen genauer eingegangen. (nach [I4]; [L2]; [L5], S.215ff, S.209ff)

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4.3.1 Generierung des Signals

Der Oszillator erzeugt die Trägerfrequenz, die vom Modulator mit einem Signal überlagert wird. Dieses Signal geht dann durch den Verstärker, um eine hohe Reichweite erzielen zu können. Das Signal wird heutzutage auf Basis der Halbleitertechnik erzeugt, wohingegen die Generatoren früher in Röhrentechnik hergestellt wurden. Eine verbreitete Form war beispielsweise die Wanderfeldröhre (TWT, Traveling Wave Tube).

Je nach erzeugter Frequenz werden Radargeräte nach Abbildung 4.5 unterschieden.

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4.3.2 Verstärkung des Signals

Früher musste der Oszillator selbst ein starkes Signal liefern, da es noch keine Verstärker gab. Schnell jedoch wurden erste Verstärker entwickelt, die in Röhrentechnik gefertigt wurden. In Bereichen der Radartechnik mit niedrigen Leistungsanforderungen haben moderne Halbleiter Einzug gehalten, Sie ermöglichen höhere Frequenzen und sind gleichzeitig billiger, kleiner und zuverlässiger als die Röhrentechnik. Hohe Leistungsanforderungen können jedoch auch heute nur in Röhrentechnik gefertigt werden. Diese sogenannten Senderöhren beschleunigen Elektronen im Hochvakuum und fügen ihnen Hochfrequenzenergie zu. Dies geschieht durch starke elektrische, hochfrequente Felder, die die Elektronengeschwindigkeit und -frequenz erhöhen. Eine weit verbreitete und relativ einfach aufgebaute Senderöhre ist das Klystron. Es gehört zu den sogenannten Laufzeitröhren. Sie modulieren Elektronen hinsichtlich ihrer Geschwindigkeit. Durch Abbremsen, Beschleunigen und Überholen ergibt sich daraus eine Dichtemodulation. Die Bildung von Elektronenpaketen ist die Folge. Aus dem anfänglichen Gleichstrom entwickelt sich ein pulsierender Strom. Jetzt kann man diesem Elektronenstrom Hochfrequenzenergie entnehmen. Dabei kommt fast keine Verlustleistung zustande, da die Energie vorher nahezu leistungslos übertragen wurde.

Das Klystron verstärkt, indem es im Elektronenstrahl Geschwindigkeits- in Dichtemodulation umwandelt. Elektronen mit der Geschwindigkeit V0 durchlaufen ein Doppelgitter. Zwischen den beiden Gitterwänden liegt eine Wechselspannung Uw an. Durchlaufen die Elektronen das Gitter im „Nullpunkt“ der Spannung, bleibt ihre Geschwindigkeit unverändert. Liegt jedoch eine Spannung bzw. Gegenspannung an, ändert sich die Geschwindigkeit entsprechend. Da dem Schwingkreis beim Abbremsen Energie hinzugefügt wird und er beim Beschleunigen Energie abgibt, gibt es bei diesem Vorgang kaum einen Energieverlust. (nach [L5], S.120f, S.107f)

4.3.3 Aussenden des Signals

Das aufbereitete Signal verlässt über die Antenne die Radaranlage. Verschiedene Antennentypen sind möglich, basieren jedoch alle auf einer einfach aufgebauten Vergleichsantenne, der in Abbildung 4.7 skizzierten Dipol-Antenne. Sie besteht nur aus einem einzigen Metallstab, der Schwingungen über die Luft weiterleitet. Der „Stab“ ist in der Mitte unterbrochen, so entstehen zwei Kontakte, die den Dipol zum Schwingen anregen. Entstanden ist der Dipol aus einer simplen Schaltung. Ein Kondensator wurde „nach hinten verbogen“, so wirkt das Feld, was vorher zwischen den Kondensatorplatten anlag, nun senkrecht zum Dipol. Ursprünglich für den Funkwellen- und Hochfrequenzbereich entwickelt, kommt die Yagiantenne, als Weiterentwicklung des Dipols auch im Radarbereich zum Einsatz. Dem einfachen und kostengünstigen Aufbau steht die im Gegensatz zur Parabolantenne nicht vorhandene Verstärkungsfunktion gegenüber. Eine durch die Bauart bedingte Verstärkung bei gleichzeitiger Ausrichtung der Abstrahlung bietet der Hornstrahler. Vereinfacht ist ein Hornstrahler ein Hohlleiter, der für den hochfrequenten und hochenergetischen Bereich aufgrund der geringen Signaldämpfung gut geeignet ist. Hohe Frequenzbereiche und die Abstrahlung hoher Energiemengen sind Grundeigenschaften von Radaranlagen, wodurch Hornstrahler sehr gut für diesen Einsatzzweck geeignet sind. Damit dienen Hornstrahler als Ausgangspunkt der eigentlichen Radarantennen. Diese sind vom Grundaufbau alle gleich. Ein Hornstrahler sendet elektromagnetische Wellen in Richtung einer Reflexionsfläche, welche die Signale wiederum reflektiert, jedoch sind die Wellen jetzt nahezu parallel. Um den Aufbau vereinfacht darzustellen, kann man sich den Hornstrahler im Brennpunkt eines Halbkreises denken. Die von ihm gesendeten Wellen werden ohne Gangunterschied reflektiert. Umgekehrt werden eintreffende Signale natürlich auch ohne Gangunterschied an der Reflexionsfläche auf den Hornstrahler konzentriert. Da der Hornstrahler die Signale bündelt, also nicht in alle Richtungen strahlt, wird ein sog. Parabol eingesetzt, welcher einen guten Antennengewinn (Strahlbündelung) und eine gute Richtwirkung (Parallelität der reflektierten Wellen) bietet. Damit erreichen Parabolantennen den höchsten baubedingten Antennengewinn. Sie stellen einen „geometrischen Verstärker“ dar, der einfachen Hornstrahlern oder Dipol- bzw. Yagiantennen weit überlegen ist. Der Sender / Empfänger wird vor einer Reflexionsfläche, dem Parabolspiegel, in

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Richtung dieser Fläche befestigt. Parabolantennen erzeugen annähernd parallele Wellen, die sogenannten „Keulen“. Als gängigste Antennenform in der Radartechnik, gibt es unterschiedliche Modelle, die in diesem Rahmen nicht weiter erläutert werden, da allen Modellen dieselben Prinzipien zugrunde liegen. Lediglich Unterschiede in Eigenschaften, wie Raumabtastung, Frequenzbereich oder Leistung, unterscheiden diese Bauformen (See-, Land-, Flugradar). (nach [L1], S.23ff; [L5], S.11ff)

5 Radaranwendungen

Im Rahmen der vorliegenden Betrachtungen werden Anwendungsbeispiele erläutert. Prinzipiell gibt es keine Unterschiede zwischen ziviler und militärischer Radartechnik. Es ist jedoch offensichtlich, dass die viel größeren Budgets der Militärs bessere, d.h. moderne, komplexe und sehr teure Radargeräte zulassen. In der zivilen Technik muss vermehrt auf Vorschriften beim Betrieb einer Radaranlage geachtet werden, während militärischen Erprobungen und Einsatzszenarien aus ökologischer Sicht freie Hand gelassen wird. ([L1], S.171ff)

Radartechnik wird in vielen Gebieten der zivilen Luft-, See- und Raumfahrt verwendet. Im folgenden Kapitel soll in Abbildung 5.1 ein Überblick über diese Anwendungsbereiche gegeben werden. Danach werden einige der im Diagramm angegebenen Anwendungen genauer erläutert und ein konkretes Beispiel näher in seiner Funktionsweise beschrieben.

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Das Gefechtsfeldradar bestimmt mittels Doppler-Radar und Laufzeitmessung die Position und Geschwindigkeit von Objekten auf dem Gefechtsfeld. Da die zu überwachenden Objekte hier vergleichsweise klein sind (Personen, Fahrzeuge), besitzt dieses Radar eine spezielle „Festzeichenunterdrückung“. Echos von Hügeln, Waldflächen oder Gebäuden werden unterdrückt. Auch in weniger offensichtlichen Bereichen wird Radar vermehrt eingesetzt. Im Umfeld der Materialuntersuchungs- und Herstellungstechnik werden Bauteile überprüft. Dies hat den Vorteil, dass das zu untersuchende Material berührungsfrei untersucht werden kann. Dieses Gebiet hängt eng mit dem Gebiet der Prozess- und Fertigungstechnik zusammen, wo es auf sehr genaue und verschleißfreie Untersuchung der Produkte ankommt, um eine hohe Qualität zu gewährleisten. Ein weiterer Vorteil einer radartechnischen Untersuchung ist die Geschwindigkeit, mit der abgetastet werden kann. Sie ist viel höher und dazu noch genauer als beispielsweise eine optische Untersuchung.

Das Synthetic Aperture Radar (SAR) beobachtet die Erde unabhängig von Tageszeit und Wetterlage aus dem Weltall. Die optische Abtastung wurde damit (infrarot und sichtbares Licht) durch Radarabtastung abgelöst.

Um einen möglichst hohen Detaillierungsgrad erzielen zu können, muss bei der Auflösung auf zweierlei Aspekte geachtet werden:

1. Die Winkelauflösung (Azimutauflösung), abhängig von der Antennenfläche. 2. Die Entfernungsauflösung, beeinflusst durch die Impulsdauer. Eine höhere Pulsfrequenz bedeutet eine bessere Auflösung, wobei jedoch mehr Leistung benötigt wird. Die Antenne strahlt senkrecht zur Flugbahn Radarstrahlen auf die Erde. Aus der bestrahlten Fläche und der Flugbahn wird so ein Streifen um die Erde gebildet. Aus den gewonnenen Informationen wird dann computergestützt ein 3-D-Bild errechnet und an die Kontrollstation auf der Erde gesendet.

Die Auflösung kann je nach beobachtetem Objekt oder Gebiet unterschiedlich sein. So wird bei Beobachtungen von Uferabschnitten nur eine niedrigere Auflösung benötigt als bei Observation einzelner Gebäude, Fahrzeuge oder gar Personen. Das SAR verhilft sich durch folgenden „Trick“ zu einer größeren Antennenfläche und so zu einer höheren Auflösung: Die Anlage bewegt sich relativ zum bestrahlten Objekt, d.h. in der Zeit, die der Radarstrahl bis zur Erde und zurück braucht, bewegt sich die Antenne. SAR wird sowohl in Flugzeugen, als auch satellitengestützt verwendet. Somit können sehr hohe Bahngeschwindigkeiten erreicht werden. Dies wiederum bedeutet eine hohe Auflösung und räumliche Darstellung (3-D). Aus der Pulsfrequenz und der Bahngeschwindigkeit lässt sich so der räumliche Impulsabstand AImpuls berechnen:

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Bei einer Frequenz von 3kHz und einer Bahngeschwindigkeit von 300m/s ergibt sich damit ein Abstand von x=1,0m zwischen 2 Sendeimpulsen. Zeitlich summiert, ergibt sich eine entsprechend große, seitlich ausgerichtete Antennenfläche. Die Signale müssen dazu natürlich entsprechend aufwendig ausgewertet werden (kohärente Summation). ([L1], S.155ff, S.192ff)

6 Anwendungsbeispiel

In diesem Kapitel wird ein System zur Abstandsmessung in PKWs beschrieben. Um dem Fahrer ein noch erholsameres Reisen zu ermöglichen, wurde bei Daimler-Benz an einer Weiterentwicklung des Tempomaten gearbeitet. Dieser sollte nicht mehr passiv agieren, d.h. stur eine gewählte Geschwindigkeit beibehalten, sondern auch aktiv auf das Verkehrsgeschehen reagieren und den Fahrer vor eventuellen Gefahren warnen. Seit 1970 wird an diversen Radar-Systemen zur Bewältigung dieser Aufgabe gearbeitet. 1995 wurde das System zur Serienreife entwickelt. Ergebnis dieser Entwicklung ist das System Distronic (DTR). Es ermöglicht ein sehr ermüdungsfreies Fahren auf längeren Strecken, insbesondere auf Autobahnen. Das DTR ist als reines Komfort- und Sicherheitssystem konzipiert. Es soll dem Fahrer ausschließlich beim „Mitschwimmen“ im Verkehr unterstützen, ohne ihn zum Überholen anzuregen. Dennoch nimmt es dem Fahrer seine Arbeit nicht komplett ab. Es kann durch Gasgeben „überredet“ und durch Bremsen abgeschaltet werden, wie ein normaler Tempomat.

6.1 Funktionsweise

Fährt man alleine, das heißt ohne vorausfahrendes Fahrzeug, so verhält sich das System wie ein Tempomat. Es hält das Fahrzeug auf einer konstanten Geschwindigkeit. Unter besonderen Bedingungen, wie langer Bergabfahrt, schaltet es in einen tieferen Gang, um die Bremsanlage zu entlasten.

Nähert man sich jedoch einem Fahrzeug, so kommt das DTR zum Einsatz. Der im Kühlergrill befindliche Sensor ermittelt stets die Geschwindigkeit des Vorausfahrenden und vergleicht sie mit der eigenen Geschwindigkeit. So kann es auf Geschwindigkeitsänderungen des vorausfahrenden Fahrzeugs reagieren. Verschwindet das Fahrzeug aus dem Bereich des Sensors, wird die zuletzt eingestellte Geschwindigkeit wieder aufgenommen.

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Bei einem abrupten Auftauchen eines beweglichen Hindernisses (z.B. auf die eigene Spur wechselndes Auto), warnt das DTR optisch und akustisch den Fahrer und bremst das Fahrzeug ab. Aus Komfortgründen wurde die maximale Verzögerung auf 2m/s² festgelegt. Der Fahrer wird durch den sog. „Übernahmeton“ so lange informiert, bis er auf das Hindernis reagiert hat, oder sich die Lage von selbst entschärft hat. Bei einem stehenden Hindernis gibt das System nur den Warnton und die Leuchtanzeige am Armaturenbrett aus. Es greift hier nicht ins Geschehen ein, sondern überlässt es dem Fahrer, ob er bremsen oder ausweichen soll.

Aus Sicherheitsgründen lässt sich das DTR nur zwischen 30 und 180km/h aktivieren. Über-oder unterschreitet der Fahrer dieses Intervall, reagiert das System entsprechend. Bei unterschreiten der 30km/h Marke schaltet sich das System ab, eine evtl. Bremsung wird gleichmäßig beendet und der Fahrer erhält ein akustisches Warnsignal. Bei überschreiten der 180km/h Marke bleibt die Funktion des DTR aktiv. Es kann also immer noch auf Hindernisse reagieren. Nach Beendigung des Übertretens regelt es die Geschwindigkeit wieder auf die zuletzt eingestellte. Der Fahrer bedient das System ähnlich wie einen normalen Tempomat. Geschwindigkeit kann eingestellt werden, und der Abstand kann zwischen 1,0 und 2,0 Sekunden gewählt werden. Das DTR zeigt zusätzlich immer die Geschwindigkeit des gewählten Fahrzeugs an. Auch wenn das System nicht aktiviert wurde, warnt es den Fahrer bei Unterschreitung des Mindestabstandes für länger als 3 Sekunden durch ein optisches Signal. Liegt eine drastische Geschwindigkeitsveränderung vor wird eine zusätzliche Warnlampe aktiviert und ein Intervallton ertönt.

6.2 Technische Beschreibung

Der Sender arbeitet mit einer Frequenz zwischen 76 und 77GHz und hat eine mittlere Leistung von 200µW. Die Pulsfrequenz beträgt 20Hz. Er besitzt damit eine Reichweite von ca. 150m, wobei

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Entfernungen mit 1m Auflösung angegeben werden können. Der Sensor kann Geschwindigkeiten zwischen -50 und 200km/h ermitteln, wobei die Auflösung hier 1km/h ist. Bei der Laufzeitmessung kann die Eigengeschwindigkeit vernachlässigt werden, anders bei der Messung der Frequenzverschiebung. Hier muss eine ähnliche Formel wie in Kapitel 3.2 verwendet werden. Jedoch kann der Winkel  (siehe Kapitel 3.2) vernachlässigt werden. Das Radarsystem arbeitet mit einer Kombination aus Laufzeitmessung und Frequenzverschiebungsmessung. So werden Entfernung und Geschwindigkeit des Vorausfahrenden ermittelt. Nach Verarbeitung durch einen D/A Wandler werden die Signale an das Steuergerät übergeben. Um mögliche Konflikte zwischen Motor, Getriebe und Bremsanlage zu verhindern, werden die Signale zuerst über den sog. CAN-Bus eingespeist und an das ESP-Steuergerät übertragen, skizziert in Abbildung 6.1. Dieses analysiert die Signale und führt die entsprechenden Aktionen, wie Bremsen, Beschleunigen oder Schalten aus.

Für einen Überblick der erfassten Objekte, ermittelt das System die Plausibilität der gesammelten Daten, indem es die Werte auf ihre physikalische Korrektheit prüft. Aus den gewonnenen Daten entwickelt das DTR einen sog. „Fahrschlauch“. Hier werden alle relevanten Objekte eingefügt. Vorher wurden den Objekten Daten, wie Geschwindigkeit und Position, zugeordnet. Die Objekte werden in stationäre und bewegte Objekte eingeteilt. Aus den erfassten Daten lassen sich dann Vorhersagen berechnen. So können die folgenden Ergebnisse den Objekten sofort zugeordnet werden. Außerdem lassen sich Fehlmessungen besser unterbinden und neue Objekte schneller erfassen.

Die Daten der Objekte werden mit den Daten des eigenen Fahrzeugs verglichen und eine mögliche Geschwindigkeitsänderung wird berechnet. Hier kommen sowohl Objektgeschwindigkeit und Abstand zum eigenen Fahrzeug als auch Eigengeschwindigkeit zum Einsatz. Aus diesen Daten errechnet das System dann die optimale Reaktion auf das Verkehrsgeschehen. [S1]

6.3 Bewertung

Das DTR erledigt besonders auf Autobahnen und autobahnähnlichen Straßen die Längsregleraufgabe des Fahrers. Speziell im dichten Verkehr wird dem Fahrer das Fahren angenehmer gemacht. Um auch im innerstädtischen und bei stockendem Verkehr möglichst genau arbeiten zu können, wird in den Forschungslabors schon an einer Erweiterung des DTR gearbeitet. Es wird an Sensoren gearbeitet, die auch bei sehr geringen Geschwindigkeiten - bis hin zum Stillstand - arbeiten können. Damit ist das Distronic System ein weiterer Schritt in die Zukunft des autonomen Fahrens.

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7 Zusammenfassung und Ausblick

In der Radartechnik bedient man sich der beiden grundlegenden Formeln für Laufzeitmessung und Geschwindigkeitsbestimmung, wobei die Umsetzung der beiden Formeln einen großen technischen Aufwand erfordert.

Betrachtet man die stetige Entwicklung beginnend mit den theoretischen Anfängen 1865 über die bedeutenden Fortschritte während des 2. Weltkrieges bis hin zu modernen Anlagen heute, wird deutlich, dass aus den anfänglich friedlichen Forschungen schnell der militärische Wert der Projekte in den Vordergrund rückte. Erst nach dem Entwicklungsschub eines Weltkrieges steht die Radartechnik im 21. Jahrhundert der breiten Masse zur Verfügung.

Die scheinbar unerschöpflichen finanziellen Mittel der Militärs führten und führen zu sehr umfangreichen Einsatzszenarien der Radartechnik. Atomraketen mit radargestützter Zielfindung, spezielle Munitionsarten oder die Entwicklung von radar-

technisch nicht sichtbaren Bombern sind nur einige dieser Szenarien. Ohne Zweifel wurden beeindruckende Ergebnisse erzielt. Der Tarnkappenbomber „B-2“ kann mit heutigen Radargeräten höchstens als Objekt von der Größe eines Vogels wahrgenommen werden. Leider steht dem publizierten Sinn dieser Anlagen, der Verteidigung einer friedliebenden Nation, die Auslöschung vieler Menschenleben bei einem tatsächlichen Einsatz gegenüber. Wie so oft bleibt eine Frage im Raum stehen, heiligt der Zweck die Mittel?

Im Bereich der militärischen und geheimdienstlichen Radaraufklärung konnten viele Ergebnisse der militärischen Forschungen in zivilen Bereichen umgesetzt werden. Auf der einen Seite ist ein Sicherheitsgewinn sicher möglich und notwendig. Auf der anderen Seite steht die Unverletzlichkeit der Privatsphäre. Erst im letzten Herbst wurde die Diskussion um die Diskrepanz zwischen Privatsphäre und notwendiger Überwachung durch die Vorfälle in New York erneut aufgerollt. Schließlich sind Radaranlagen starke elektromagnetische Strahler und erzeugen somit die gleichen Nebeneffekte wie alle Antennen. Nicht nur Veröffentlichungen in Bezug auf die negativ wirkende Abstrahlung der uns allen bekannten Mobiltelefone, sondern auch wissenschaftliche Untersuchungen von Radarsendern haben gezeigt, dass Menschen, die in der Nähe dieser Sender leben, einem erhöhten Krebsrisiko ausgesetzt sind, wie selbst bundeswehrinterne Forschungen ergaben.

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Die Radartechnik ist aus dem heutigen Leben kaum noch wegzudenken. Flugverkehrüberwachung, Abstandsmessung, Wetterüberwachung und effiziente Materialprüfungen sind Beiträge zu unser aller Sicherheit. Wichtig ist jedoch, dass sich Forscher und Ingenieure ihrer Verantwortung bewusst sind. Wie aber können die direkten und indirekten Gefahren moderner Forschung und hochtechnologischer Anlagen erkannt und berücksichtigt werden? Aufklärung, Bildung und fundierte In-formation sind die Voraussetzungen damit sich Personen eine eigene Meinung bilden können. Mit diesen Voraussetzungen ist jeder in der Lage seine Umgebung zu verstehen, zu bewerten und kritisch zu beurteilen.

In Zukunft werden neue Entwicklungen im Radarbereich versuchen unser Leben weiter zu vereinfachen. Ein System wie das DTR ist sicher eine Möglichkeit den zukünftigen Anforderungen an die Verkehrsleittechnik zur Bewältigung des ständig anwachsenden Verkehrsaufkommens zu begegnen. Die weitere Automatisierung der Flugüberwachung wird zur Entlastung des Personals führen und eine Erhöhung der Flugsicherheit nach sich ziehen. Letztlich bleibt zu hoffen, dass uns allen die zukünftigen Entwicklungen mehr Nutzen als Probleme bringen werden.

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8 Literaturverzeichnis

[L1] Göbel, Jürgen: Radartechnik, Grundlagen und Anwendungen. Berlin, Offenbach: VDE,

2001 [L2] Honold, Peter: Sekundär Radar, Grundlagen und Gerätetechnik. Berlin, München:

Siemens, 1971 [L3]

[L4] Raemer, Harold R.: Radar System Principles, Boca Raton (Florida): CRC Press, 1997

[L5] Unger, Hans-Georg: Hochfrequenztechnik in Funk und Radar, Stuttgart: B. G. Teubner,

1984

[I1]

[I2]

[I3] http://member.aol.com/aunkelbach/schulcd/physik/radar.htm: Übersicht

[I4] http://www.unki.de/schulcd/physik/radar.htm#12: „Radar: FAQ der WISSEN.GER“

[S1] Mercedes-Benz, Entwicklung PKW, Projekt ART: Die elektronische Abstandsregelung

DISTRONIC [S2]

[S3] Bild S.19: „B-2“-„Stealth“-Bomber ©BOEING; Photo: ©Northrop Grumman Corp.

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Ich erkläre hiermit, dass ich die Facharbeit ohne fremde Hilfe angefertigt und nur die im Literaturverzeichnis aufgeführten Quellen und Hilfsmittel benützt habe.

Erlangen, den 01.02.2002