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Impulsradar

Radarprinzip:
Ein elektromagnetischer Impuls bewegt sich (mit Lichtgeschwindigkeit) von einer Antenne bis zu einem Flugziel. Dort wird die Energie reflektiert und das Echo bewegt sich mit gleicher Geschwindigkeit zurück und wird von der Antenne empfangen. Die Zeitmessung (im Bild mit einer mitlaufenden Stoppuhr symbolisiert) ermöglicht aus der bekannten Geschwindigkeit die Entfernung des Flugzieles zu errechnen.

Bild 1: Laufzeitmessung mit Impulsradar

Sendeenergie
Echosignale

Bild 1: Laufzeitmessung mit Impulsradar

Hintergrundbild transparente Animation:
Ein elektromagnetischer Impuls bewegt sich (mit Lichtgeschwindigkeit) von einer Antenne bis zu einem Flugziel. Dort wird die Energie reflektiert und das Echo bewegt sich mit gleicher Geschwindigkeit zurück und wird von der Antenne empfangen. Auf einem Oszilloskop läuft zeitgleich ein Leuchtfleck mit. Zum Zeitpunkt des Empfangs des Echosignales wird dort ein Echoimpuls geschrieben. Der Abstand dieses Echoimpulses zum Sendeimpuls ist proportional zur Zielentfernung.

Bild 1: Laufzeitmessung mit Impulsradar (Beachte die maßstabsgerechte X-auslenkung des Sichtgerätes zu der Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen.)

Impulsradar

Inhaltsverzeichnis « Impulsradar »
  1. Sendesignal
  2. Empfangssignal
  3. Aufbau, Blockschaltbild
  4. Anwendung
Sendeimpuls
Echosignal
τ
Τ

Bild 2: Zeitablauf eines Impulsradars

Sendeimpuls
Echosignal
τ
Τ

Bild 2: Zeitablauf eines Impulsradars

Ein Impulsradar oder Pulsradar ist ein Radargerät, welches zeitlich kurze und leistungsstarke Impulse aussendet und in der Sendepause deren Echosignale empfängt. Im Gegensatz zu Dauerstrichradar wird der Sender bereits vor Beendigung des Messvorganges abgeschaltet. Dieses Radarverfahren ist gekennzeichnet durch eine Impulsmodulation mit sehr kurzen Sendeimpulsen (typischerweise mit einer Sendeimpulsdauer von τ ≈ 0,1 … 1 µs). Zwischen den Sendeimpulsen liegen als Empfangszeit bezeichnete sehr große Tastpausen Τ >> τ (typischerweise Τ ≈ 1 ms). Die Entfernung der reflektierenden Objekte werden durch Laufzeitmessung bestimmt (bei einem feststehenden Radar) oder durch einen Vergleich der für eine Entfernung charakteristischen Änderungen des Dopplerspektrums mit den in einer Datenbank gespeicherten Werten für eine gegebene Entfernung ermittelt (bei einem Radar auf einer bewegten Plattform). Impulsradare werden meist für große Entfernungen konzipiert und senden mit relativ starker Impulsleistung.

Wichtigstes Unterscheidungsmerkmal zu anderen Radarverfahren ist die notwendige zeitliche Steuerung aller Abläufe innerhalb des Impulsradars. Der Beginn des Sendeimpulses ist die Referenz für die Laufzeitmessung. Sie endet mit dem Übergang der steigenden Flanke des Echosignales in das Impulsdach. Systematische Verzögerungen in der Signalverarbeitung können und müssen bei der Berechnung der Entfernung korrigiert werden. Zufällige Abweichungen beinflussen die Genauigkeit der Ortung des Impulsradars.

Sendesignal

Der Spannungsverlauf des gesendeten Signals lässt sich mathematisch beschreiben als:

s(t) = A(t)· sin[2πf(t)·t + φ(t)] (1)

Bild 3: Frequenzspektrum einer Folge von Rechteckimpulsen in der Umgebung der Sendefrequenz ftx

Bild 3: Frequenzspektrum einer Folge von Rechteckimpulsen in der Umgebung der Sendefrequenz ftx

Die Funktion A(t) steht für eine Veränderung der Amplitude in Abhängigkeit der Zeit t – also eine Amplitudenmodulation. Im einfachsten Fall wird der Sender für die Zeit τ nur kurzzeitig eingeschaltet und verbleibt in der übrigen Zeit im Zustand „Aus“. A(t) ist dann für den Sendefall = 1, sonst = 0. Die Abhängigkeit von der Zeit wird dann durch die Impulsfolgefrequenz und das Tastverhältnis bestimmt. Da die Radarechos vielfältigen Dämpfungsursachen unterliegen, ist eine tatsächliche Amplitudenmodulation außer eben dieser Schaltfunktion (engl. on/off–keying oder on/off–keyed transmitter) wenig sinnvoll. Die Hüllkurve des Frequenzspektrums einer Folge von Rechteckimpulsen wird durch einen (sin U)/U- Verlauf wiedergegeben. Die wesentlichen Leistungsanteile (beachte die logarithmische Skala der Ordinate in dem Bild 3) liegen in einem Band BHF = 2/τ in der Umgebung der Sendefrequenz ftx.

Die Impulsfolgefrequenz fPRF sowie die einzelnen Zeiten zum Beispiel für die Sendeimpulsdauer τ oder die Empfangszeit (Τ − τ) haben einen Einfluss auf die Leistungsparameter des Radars wie die minimal mögliche Messentfernung (der Sendeimpuls muss vollständig die Antenne verlassen haben) und die maximal mögliche eindeutige Messentfernung (das Echosignal muss noch vor den nächsten Sendeimpuls empfangen werden).

Die Dauer des Sendeimpulses τ beeinflusst wesentlich die Entfernungsauflösung ΔR des Impulsradars. Sie beträgt:

ΔR = 0,5·τ·c (2)

Je kürzer dieser Sendeimpuls, desto dichter hintereinander können zwei Reflektoren positioniert sein, um trotzdem als zwei Reflektoren erkannt zu werden. Die Senderbandbreite BHF des Impulsradars steigt wegen der Abhängigkeit

BHF = τ−1 (3)

mit wachsender Entfernungsauflösung an. Das begrenzt bei einfacher Impulsmodulation die Reichweite. Unter diesen Bedingungen kann bei einem geforderten Entfernungsauflösungsvermögen die Pulsenergie Ep nur über die Pulsleistung PS gesteigert werden.

Für die Reichweite des Impulsradars ist nicht vordergründig seine Impulsleistung entscheidend, sondern dessen Impulsenergie:

Ep = Ps· τ = Pav· Τ = Pav mit Ep = Energiegehalt des Impulses
PS = Sendeimpulsleistung
Pav = mittlere Leistung
(4)

fPRF

Wesentliche Verbesserungen dieser Situation können mit einer internen Modulation des Sendeimpulses (intrapulse Modulation) erzielt werden. Mit der im Empfänger dann möglichen Pulskompression wird der Zusammenhang zwischen Sendeimpulsdauer und Impulsdauer des Echosignals aufgelöst. Eine entfernungsmäßige Lokalisation diverser Reflektoren kann dann auch innerhalb der Dauer des Sendeimpulses vorgenommen werden.

Die Funktion φ(t) in Gleichung (1) ist der Ausdruck für eine Phasenverschiebung des gesamten Signals. Die Anfangsphase des Sendesignals kann bedingt durch die Erzeugung der Schwingung entweder bekannt und berechenbar sein. In diesem Fall ist das Impulsradar zu den kohärenten Radargeräten zuzurechnen. Die aktuelle Phasenlage kann aber auch zwar bekannt, aber der Anfangszustand unberechenbar sein. Dann zählt das Radar zu den pseudo-kohärenten Radargeräten. Ist diese Anfangsphase völlig unbestimmt (chaotisch), dann zählt das Radar zu den nicht-kohärenten Radargeräten. Erst bei einer möglichen phasenkodierten Intrapulse Modulation erhält diese Funktion weitere Bedeutung.

Echosignal

Meist wird davon ausgegangen, dass die Dauer des Sendeimpulses gleich der Dauer des reflektierten Echoimpulses ist. Somit kann in dem Verhältnis Sendeleistung zur Empfangsleistung welches in der Radargrundgleichung genutzt wird, eine Zeitangabe entfallen. In der Praxis ist dieses Echosignal dem Sendesignal jedoch nur entfernt ähnlich.

Alles in Allem: das Echosignal unterliegt derart vielen Einflüssen, dass die Form des Echosignals im Ergebnis als unbekannt angesehen werden muss. Um trotzdem einen optimalen Empfänger oder ein optimales Filter aufbauen zu können, müssen mehrere Empfangskanäle parallel aufgebaut werden, die sämtliche mögliche Verformungen des Signals berücksichtigen. In einer Auswahlschaltung (greatest-of) wird dann das Echosignal mit dem besten Abstand zum Rauschen oder zu Störsignalen weiterverarbeitet. Die „Schalterstellung“ des greatest-of-Schalters wird dabei als wichtige Information zur Identifizierung zu diesem Echosignal abgespeichert.

Generell wird eine Empfangsbandbreite so klein wie möglich gehalten, damit nicht unnötig viel Rauschen einfällt und man wählt deswegen bei einem einfachen Impulsradar die Bandbreite nur mit BHF = 1/τ. Der Einfluss des Rauschens kann im Empfänger mittels der Pulsintegration zurückgedrängt werden. Hierbei wird eine Summe von Impulsperioden gebildet, bei welchen des reflektierende Objekt während der Zeit dieser Impulsperioden als ortskonstant angenommen wird. Da das Rauschen statistisch verteilt ist, kann dessen Summe nicht die Summe der Echosignale erreichen. Das Signal-/Rauschverhältnis verbessert sich durch diese Maßnahme.

Aufbau, Blockschaltbild
Antenne
Sender
Sende-/Empfangs-
Umschalter
Empfänger
Modulator
Taktgeber
Bildschirm

Bild 4: Aufbau eines monostatischen Impulsradars

Taktgeber Modulator Sender Duplexer Antenne Empfänger Bildschirm ACPs ACPs

Bild 4: Aufbau eines monostatischen Impulsradars (interaktives Bild)

Der Aufbau eines Impulsradars hängt davon ab, ob sich Sender und Empfänger am gleichen Ort befinden (monostatisches Radar) oder ob beide Komponenten an völlig unterschiedlichen Standorten betrieben werden (bistatisches Radar).

Ein monostatisches Impulsradar hat neben dem kompakten Aufbau den Vorteil, dass die für Impulsradargeräte wichtige Zeitsteuerung mittels einem System von Radartriggern in einem zentralen Synchronisatorblock konzentriert sein kann. Interne Laufzeiten der Synchronimpulse können somit gering gehalten werden. Eine aufwändige Radarantenne kann im Multiplexverfahren sowohl zum Senden als auch zum Empfangen verwendet werden. Nachteilig ist, dass für den Sendemoment oft der hochempfindliche Radarempfänger durch einen Sende-/Empfangsumschalter zu seinem eigenen Schutz abgeschaltet werden muss.

Beschreibung der Baugruppen im Blockschaltbild

Bei einem bistatischen Impulsradar befindet sich der Empfänger mit einer eigenen Antenne an einem anderen Ort als der Sender. Das hat den Vorteil, dass der Empfänger ohne wesentliche Schutzmaßnahmen gegenüber einer zu hohen Sendeleistung betrieben werden kann. Im einfachsten Fall wird zu einem monostatischen Impulsradar ein Netzwerk von zusätzlichen Empfängerstandorten errichtet. (Beispiel: Wetterradar Poldirad, Oberpfaffenhofen). Die Empfangsantennen sind nicht sehr direktiv: sie müssen aus mehreren Richtungen gleichzeitig empfangen können. Nachteilig ist hier die sehr aufwändige Synchronisation. Der Empfänger muss parallel zu den Echosignalen auch das direkte Sendesignal empfangen und daraus sowie der bekannten Entfernung zum Sender ein Synchronsignal generieren. Hauptsächliches militärisches Anwendungsgebiet von bistatischen Konfigurationen sind die Over-The-Horizon Radare (OTH Radar).

Eine Abart des bistatischen Radars sind die Passiv-Radare. Diese nutzen parasitär diverse HF-Emissionen (Rundfunk- oder Fernsehsender, oder fremde Impulsradargeräte) und errechnen aus der Differenz zwischen der Zeit des direkten Empfanges eines Signales sowie der zusätzlichen Laufzeit von Echosignalen die Zielposition. Mehrdeutigkeiten bei der Messung können einerseits durch direktes Anpeilen von Störemissionen des Zieles oder durch Synchronisation zweier Passiv-Radare welche an unterschiedlichen Standorten arbeiten, ausgeschlossen werden.

Anwendung

Impulsradargeräte werden überwiegend für große Reichweiten konzipiert. Hauptanwendungsgebiet ist nach wie vor der militärische Bereich. Weitere Anwendungsgebiete sind die Flugsicherung, die Wetterbeobachtung (vor allem Niederschlagsradar) sowie die satellitengestützte Fernerkundung der Erdoberfläche.