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Mehrfrequenzradargeräte

Mehrfrequenzradargeräte strahlen mehrere Sendeimpulse unterschiedlicher Frequenz mit sich gegenseitig überdeckender Antennenrichtcharakteristik aus. Von jedem Ziel im Auffassungsbereich empfangen sie also mehrere Echosignale unterschiedlicher Frequenz, die einer gemeinsamen logischen Bearbeitung unterliegen.

Funktionsbeschreibung der Blöcke

Synchronizer

Der Synchronizer ist eine Impulszentrale und steuert alle zeitlichen Abläufe im Radargerät. Er erzeugt eine Reihe von Synchronimpulsen für den Sender, die Sichtgeräte sowie andere angeschlossene Baugruppen.

Modulator

Der Modulator schaltet für den Sendemoment die Hochspannung an den Sender.

Sender

Der Radarsender erzeugt einen sehr kurzen, hochfrequenten Impuls mit sehr hoher Leistung.

Kommutator

Ein Kommutator (das Wort kommt aus dem Lateinischen und bedeutet soviel wie „Sammelschiene” oder „Vermittlung”) ist eigentlich ein zeitlich gesteuerter Schalter.
Er kann entweder passiv arbeiten (alle ankommenden HF-Impulse auf den beiden Eingangsleitungen werden zum Ausgang geleitet), oder mittels Torimpulsen (siehe Bild) die HF- Eingangsimpulse zeitlich korrekt getrennt zum Ausgang schalten.

Oft wird er auch als Diplexer bezeichnet. Da sehr schnell sehr hohe Frequenzen geschaltet werden müssen, wird im Kommutator eine Technologie ähnlich wie im Sende-Empfangsumschalter eingesetzt.

Duplexer

Der Duplexer schaltet die Antenne im Sendemoment an den Sender und in der Empfangszeit an den Empfänger. Im Sendemoment muss er den empfindlichen Empfängereingang vor der großen Sendeleistung schützen.

Antenne

Die Antenne setzt die hochfrequente Energie des Senders in elektromagnetische Felder um und verteilt die Leistung in bestimmte Richtungen. Dieser Prozess ist umkehrbar für den Empfang der Echosignale.

Frequenzselektor

Der Frequenzselektor ist eine Frequenzweiche, um die ankommenden Echosignale frequenzmäßig dem passenden Empfänger zuzuordnen.

Empfänger

Die Empfänger verstärken und demodulieren das empfangene Echosignal. Am Ausgang der Empfänger liegen Videoimpulse an.

Synchronisator

Der Synchronisator erzeugt eine Reihe von Synchronimpulsen für den Sender, das Sichtgerät und andere angeschlossene Baugruppen.

Verzögerungsstufe

Der Impuls f₁ wurde im Sender um einen bestimmten Zeitbetrag gegenüber dem Impuls f₂ verzögert.

Diese Verzögerung auf dem Empfangsweg wieder rückgängig zu machen (Der Impuls f₁ wird uns zuliebe nicht schneller! ) das geht nur, indem nun auch der Impuls f₂ um genau diesen Zeitbetrag verzögert wird, damit die Echoverarbeitung beide Signale gleichzeitig verarbeiten kann.

Beachte, dass der als erstes gesendete Impuls auch als erstes auf dem Oszilloskop, also links gezeigt wird!

Signalverarbeitung

Bei einem Mehrfrequenzradargerät werden die Einzelsignale in getrennten Kanälen parallel bearbeitet, summiert und mit einem Schwellwert verglichen. Dabei kommen mehrere Bearbeitungsverfahren zur Anwendung:

• lineare Addition der Amplituden aller Kanäle (maximaler Reichweitengewinn bei geringer Störfestigkeit);
• Multiplikation der Amplituden aller Kanäle (maximaler Störschutz);
• Summierung der Quadrate der Amplituden aller Kanäle (optimales Verfahren!);
• lineare Addition der Amplituden mehrerer Kanäle mit nachfolgender Multiplikation der Summen (in diesem Blockschaltplan gezeichnet);
• Multiplikation der Amplituden mehrerer Kanäle mit nachfolgender Addition der Produkte.

Eine hohe Effektivität wird durch eine situationsangepasste Auswahlmöglichkeit einer der genannten Bearbeitungsverfahren erreicht.
Welches Verfahren in welchem Radargerät wann zur Anwendung kommt, bleibt meist Firmengeheimnis oder unterliegt mindestens einer Geheimhaltungsstufe.

Radarsichtgeräte

Das Radarsichtgerät zeigt eine einfach zu erfassende grafische Darstellung der Position der Radarziele in Echtzeit. Es werden nach Möglichkeit auch zusätzliche Informationen, wie etwa die Identifikation des Zieles angezeigt.

Zusammenfassung

Mit dem Mehrfrequenzradarverfahren ist es möglich, bei gleicher Entdeckungswahrscheinlichkeit und gleicher Falschalarmrate eine wesentlich höhere Reichweite zu erzielen. Die physikalische Grundlage bildet die Glättung der Fluktuation des komplexen Echosignals. Infolge der Unterschiede im Sekundärstrahlungsdiagramm des Zieles für die unterschiedlichen Trägerfrequenzen sind die Extrema (Minima und Maxima) gegeneinander verschoben, was bei einer Summierung der Einzelsignale zu einer Glättung des resultierenden Signals führt. Notwendige Bedingung für diese Reichweitenerhöhung durch Erhöhung der Wahrscheinlichkeit der Zielerkennung ist die Unabhängigkeit der reflektierten Einzelsignale. Das ist genau dann der Fall, wenn sich die unterschiedlichen Spektren der Sende- und somit der Echosignale nicht überdecken.

Das Mehrfrequenzradarverfahren kann durch folgende technische Methoden realisiert werden:

1. Die gleichzeitige Ausstrahlung von mehreren Signalen unterschiedlicher Trägerfrequenz kann in der einfachsten Form mit mehreren gleichzeitig arbeitenden Sendern und Empfängern realisiert werden.
    
2. Bei der zeitlich gestaffelten Ausstrahlung mehrerer Signale kann die Änderung der Trägerfrequenz
   • von Sendeimpuls zu Sendeimpuls (Frequency Agility),
   • innerhalb der Dauer eines Sendeimpulses (Frequency Diversity) und
   • nach einer Impulsgruppe (bei hohen Impulsfolgefrequenzen)
   realisiert werden. Es sind auch Kombinationen mehrerer Methoden im Einsatz.

Mehrfrequenzradargeräte sind z.B. die ASR-910, welche mit zwei Frequenzen in zwei zeitlich versetzten Sendeimpulsen (Frequency Diversity) arbeitet, und das RRP-117, ebenfalls mit zwei Frequenzen und zusätzlicher Pulskompression ausgestattet. (Da sich in der Pulskompression aber die Spektren der Sendefrequenzen mit Sicherheit überdecken, sind hier andere Gesetzmäßigkeiten zu beachten.)

Die zeitlich gestaffelte Ausstrahlung mehrerer Signale hat gegenüber der gleichzeitigen Ausstrahlung mehrerer Sendesignale Vorteile:

• die verschiedenen Sendesignale beeinflussen sich nicht gegenseitig,
• günstigere Energieverhältnisse durch zeitverschobenen Bedarf der verschiedenen Sender und
• ein unkomplizierter Aufbau der Sender und der Antennenanlagen.

Ein wesentlicher Vorzug des Mehrfrequenzradarverfahrens ist die höhere Störfestigkeit des Verfahrens. Wesentlichen Einfluss dabei hat die Art und Weise der Weiterverarbeitung der einzelnen Empfangssignale. So bietet die lineare Summierung der Frequenzkomponenten des Mehrfrequenzsignals die größte Wahrscheinlichkeit für die Zielerkennung, bringt aber hinsichtlich der Störfestigkeit nur einen geringen Gewinn gegenüber einem Radargerät mit nur einer Sendefrequenz.

Oft wird fälschlicherweise die Arbeit mit zwei Sendern unterschiedlicher Frequenz (Beispiel ASR-910) nur aus Gründen der Redundanz betrachtet („Wenn ein Sender ausfällt, habe ich aber immer noch den anderen Sender!”). Dass sich dann aber die projektierte Reichweite der Radarstation auf 70... 75% ¹) verringert, wird zwar bei der Flugvermessung bemerkt, die Ursache dafür aber meist woanders gesucht.

¹) vierte Wurzel aus -3dB Verringerung der mittleren Sendeleistung plus (2 bis 2,5)dB Erhöhung der Fluktuationsverluste