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Didactical Noiseradar

Bild 1: Das hochentwickelte Schulungsradar mit Quadcopter als Zielzeichen in einem Schulungsraum.

Bild 1: Das Schulungsradar mit einem Quadcopter als Zielzeichen in einem Schulungsraum.

Bild 2: PPI-scope des Noiseradar, die Geometrie des Schulungsraumes ist auf dem PPI-scope gut erkennbar.

Bild 2: PPI-scope des Noiseradar, die Geometrie des Schulungsraumes ist auf dem PPI-scope gut erkennbar.

Auf Basis der bewährten Module für Schulungsradargeräte entstand das Noiseradar. Es arbeitet als gepulstes Rauschradar mit einer mittleren Arbeitsfrequenz von 24 GHz und einer Bandbreite von bis zu 8 Ghz. Die Sendeleistung beträgt nur 4 … 5 dBm und somit ist das Radar in den meisten Ländern als UWB-Radar genehmigungsfrei nutzbar. Diese großzügige Genehmigungsfreiheit beruht im Grunde darin, dass die Abstrahlung einer kleinen Gruppe von wenigen Impulsen pro Sekunde, die je eine Länge im unteren Nanosekundenbereich haben, messtechnisch überhaupt nicht registriert werden kann. Somit kann auch nicht behauptet werden, dass sie irgendwo stören würden.

Aufbau

Das Noiseradar bietet zu einem Radar mehrere Arbeitsplätze. Einer davon ist mit besonderen Rechten (zum Beispiel für die Antennensteuerung) ausgestattet und wird für Demonstrationszwecke vom Lehrpersonal genutzt. Dessen Bildschirm kann mit einem Beamer reproduziert werden und ist somit für alle Schulungsteilnehmer sichtbar. Zusätzliche Arbeitsplätze sind für die Schulungsteilnehmer vorgesehen, die einzeln oder paarweise am einem eigenen Arbeitsplatz „ihren“ Kanal des Radarempfängers frei modifizieren können. Die Übertragung der Rohdaten zu den Schülerarbeitsplätzen wird mit Wireless LAN realisiert.

Diese WLAN-Lösung lässt es zu, dass auch systemfremde Rechner oder Smartphones mit WLAN sich einloggen können. Entweder muss das unterbunden werden durch die Wahl eines sicheren Passwortes, oder es muss ein zusätzlicher Server installiert werden (kann auf dem Lehrer-Rechner geschehen), der die direkten Zugriffe auf den sonst überlasteten Radar-Rechner reduziert.

Dieser Radar-Rechner ist im einfachsten Fall ein RaspBerry Pi der mittels dem Betriebssystem Linux ebenfalls als WLAN-Server arbeitet. Auf Wunsch kann auch ein Pico-ITX-Board mit Windows-Serversoftware eingesetzt werden.

Technische Daten

Das Radar arbeitet innerhalb eines Schulungsraumes bis zu einer Entfernung von 9 m und mit einer Entfernungsauflösung von theoretisch nur 3,75 cm. Die maximale Reichweite von 9 m bei einer Bandbreite von 8 GHz wird begrenzt durch die Anzahl der möglichen Rangecells. Diese sind hier durch den verwendeten FPGA mit 256 konstruktiv vorgegeben. Diese so berechneten 3,75 cm entsprechen also der möglichen Genauigkeit der Ortung mit diesem Radar. Das Auflösungsvermögen ist jedoch auch von der Bildschirmauflösung sowie der Genauigkeit der Radarsignalumwandlung abhängig. Ist der Bildschirm im Durchmesser kleiner als 512 Pixel, dann verschlechtert sich die Entfernungsauflösung. In der Praxis werden bei einem normalen Bildschirm im Entfernungsauflösungsvermögen insgesamt etwa 7 bis 10 cm erreicht (entspricht 2 bis 3 Rangecells), was für die Anwendung in einem Schulungsraum völlig ausreicht. Das beruht darauf, dass die Berechnung der absoluten Position auf dem Bildschirm aus Seitenwinkel und Entfernung mittels trigonometrischer Funktionen erfolgt. Die meisten reflektierenden Objekte belegen aufgrund ihrer geometrischen Ausdehnung mehrere Rangecells. Wird nur ein einzelnes Pixel aufgehellt, so wird das meist als Rauschen interpretiert. Durch eine Verringerung der Bandbreite kann eine größere Reichweite erzielt werden, allerdings bei gleichzeitiger Verschlechterung der Genauigkeit und des Auflösungsvermögens, da die Anzahl der Rangecells gleich bleibt. Die maximale Reichweite ist aber praktisch ebenfalls von der maximal möglich gesendeten Leistung sowie vom Antennengewinn abhängig, deren Werte durch die Bundesnetzagentur begrenzt wurden.

Antenne

Die Antenne ist eine einfach gewölbte Parabolantenne. Sie fokussiert den Strahl der Hornstrahler nur im Seitenwinkel. Es entsteht somit ein Fächerdiagramm. Im Höhenwinkel bleibt das Diagramm des verwendeten Hornstrahlers erhalten. Der Antennenreflektor muss jedoch sehr vorsichtig behandelt werden. Eine zulässige Verformung liegt im Bereich von λ /₆₄. Bei einer Wellenlänge von 12,4 mm entspricht das einem zulässigen Fehler von etwa 0,2 mm. Im Zentrum der Parabolantenne (Ort mit der maximalen Leistungsdichte) ist die Oberfläche durch die beiden Traversen derart fixiert, dass keine Verformungen möglich sind.

Die Richtwirkung der Parabolantenne fokussiert das horizontale Antennendiagramm auf eine Breite von etwa einem Grad. Innerhalb eines Schulungsraumes können somit die Wände, Fenster und das Mobiliar sowie auch die anwesenden Personen auf dem Bildschirm dargestellt werden. Selbst herumliegendes Werkzeug wird durch das Radar erfasst. Diese Angabe von einem Grad ist jedoch mit Vorsicht zu betrachten. Der durch den Parabolreflektor fokussierte Strahl kann bei idealer paralleler Ausrichtung aller abgestrahlten Energieanteile nicht wesentlich schmaler werden, als der Reflektor selbst ist. Das hat in dem Nahbereich innerhalb eines Schulungsraumes die Folge, dass das der durch die Antenne geformte Strahl eine Breite von etwa 70 cm hat wie eben dieser Reflektor. Bei diesem Radar kann aber der Abstand zwischen Reflektor und Strahler kontinuierlich geändert werden. Die Energieanteile müssen also nicht unbedingt ideal parallel zueinander reflektiert werden. Es kann ein geringfügig größerer Abstand vom Reflektor eingestellt werden, bei dem der Parabolreflektor alle Energieanteile einer Ebene des Strahles in einem Punkt in zum Beispiel 5 m Entfernung fokussiert. In der Nähe dieser speziell gewünschten Entfernung kann so eine wesentlich bessere Winkelauflösung von tatsächlich diesem einen Grad erreicht werden. In diesem Fall beträgt die Seitenwinkelauflösung in 5 m Entfernung etwa 9 cm. Diese Eigenschaft kann genutzt werden, um zum Beispiel die Konturen von Flugzeugmodellen im Maßstab von 1:25 mit dem Radar darzustellen. Diese Flugzeugmodelle aus Plast erhalten eine Lackierung mit einem kupferhaltigen Abschirmlack. Deren effektive Reflexionsfläche kann jetzt in Abhängigkeit des Aspektwinkels bestimmt werden. Bei einem Maßstab von 1:100 entspricht das den realen Verhältnissen wie bei einem VHF-Radar, bei 1:25 wie bei einem Luftverteidigungsradar im L–Band. Diese Messungen können als Laborversuch durchgeführt werden mit dem Ziel, ein vollständiges Diagramm für die effektive Reflexionsfläche dieses Flugzeugtyps zu erstellen.

Betriebsmodi

Die kontinuierlich drehbare Antenne kann sowohl als Rundsichtradar mit 360° Rundumsuche eingestellt werden, als auch einen frei wählbaren Schwenkbetrieb in einem Sektor wie bei einem Zielverfolgungsradar genutzt werden. Sie kann auch manuell schrittweise in einen bestimmten Winkel ausgerichtet werden. Ein Einnorden des Radars ist nicht notwendig. Eine Ortsveränderung und damit eine geänderte Winkelausrichtung wird durch dieses Radar automatisch korrigiert.

Die Software ermöglicht eine Darstellung der Radarinformationen auf einem A-scope, PPI-scope und einem B-scope, welches sowohl als echtes B-scope (mit einer Winkelauflösung auf der x-Achse) als auch als als modifiziertes B-scope mit einer Zeitauflösung auf der x-Achse konfiguriert werden kann. Eine solche Darstellung wird oft bei einem Ground Penetrating Radar verwendet. Hier im Noiseradar ist diese Variante B-scope sinnvoll, wenn die Antenne sich nicht dreht. Verschiedene Filter können zugeschaltet werden, welche die Darstellung auf den Sichtgeräten optimieren. Eine freie Wahl der STC-Funktion und ein weiter Regelbereich für Schwellwerte als Rauschsperre und als Begrenzung ermöglicht den Schulungsteilnehmern ein optimales Signal-/Rauschverhältnis auf ihrem Bildschirm einzustellen und somit die Entdeckungswahrscheinlichkeit von Objekten auf ihrem Radar-Bildschirm zu verbessern.

Die Endmontage und der Vertrieb wird jetzt durch Köster Systemtechnik vorgenommen. Eine Version mit auf HTML und Javascript basierender Software wird als Skyradar PRO bezeichnet.