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Over-The-Horizon Radar (OTH)

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Bild 1: Radarabdeckung eines Over-The-Horizon Surface Wave radar (grün) im Vergleich zu einem En-Route Radar (rot)

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Bild 1: Radarabdeckung eines Over-The-Horizon Surface Wave radar (grün) im Vergleich zu einem En-Route Radar (rot)

Normalerweise haben Radargeräte ein Problem: die Krümmung der Erdoberfläche. Die maximal mögliche Reichweite wird durch den Radiohorizont begrenzt, der nur wenig weiter reicht als der visuelle oder optische Horizont. Over-The-Horizon Radargeräte verwenden extrem langwellige Trägerfrequenzen, welche besondere Eigenschaften in ihrer Ausbreitung haben. Over-The-Horizon Radargeräte sind in der Lage, Objekte auch weit hinter dem optischen Horizont aufzuklären. Durch diese extremen Wellenlängen nehmen die Antennenfelder dieser Radargeräte riesige Dimensionen an und können sich über mehrere Kilometer erstrecken. Einige dieser Geräte nutzen das FMCW- Prinzip um eine bessere Energiebilanz über die riesigen Messentfernungen zu erreichen und müssen deshalb getrennte Antennenfelder für Senden und Empfangen verwenden.

Mehrere OTH- Radarsysteme wurden anfang der 1950er bis 1960er Jahre aufgebaut und wurden als Teil eines globalen Frühwarnsystems genutzt. Sie wurden anfangs ausschließlich militärisch genutzt und wegen ihrer Störung des Funkverkehrs in den durch Funkamateure genutzten Kurzwellenbändern als „Woodpecker“ (Spechte) bezeichnet. Diese Geräte wurden bis heute meist wieder außer Betrieb genommen. Sehr weitreichende Systeme verloren mit Ende des kalten Krieges ihren Sinn, da satellitengestützte Aufklärungssysteme an ihrer Stelle weitaus bessere und genauere Ergebnisse erzielen können. Ein kleines Comeback erzielten diese Systeme jedoch als relativ billige Radargeräte entlang der Küstenlinien für die Meeresforschung und für polizeiliche Aufgaben, zum Beispiel zur Bekämpfung des Drogenhandels.

Over-The-Horizon Radargeräte verwendeten eine sehr niedrige Impulsfolgefrequenz bis hinab auf wenige zehn Hertz, um die großen Entfernungen von bis zu 2000 km ohne Entfernungsmehrdeutigkeiten überbrücken zu können.

Over–The–Horizon Surface Wave (OTH–SW)

OTH-SW Radargeräte nutzen eine Trägerfrequenz von 2…3 MHz bis maximal 20 MHz. Darüberliegende Frequenzen könnten zwar gegebenenfalls auch genutzt werden, bilden jedoch nicht so starke Bodenwellen aus und haben deswegen Verluste in der maximalen Reichweite. Die elektromagnetischen Wellen haben die Eigenschaft, an Ecken oder Krümmungen durch Beugung ihre Aubreitungsrichtung zu ändern. Mit sehr langen Wellenlängen werden sie an die recht gut leitende Oberfläche des Meeres gekoppelt und überwinden damit die Erdkrümmung. In Bild 1 wird die Radarabdeckung eines En-Route- Flugsicherungsradars (mit Wellenlängen im Gigahertzbereich die direkte Welle nutzend) in roter Farbe verglichen mit einem OTH-SW Radar in grüner Farbe.

Die Firma Rytheon hat im Auftrag des Kanadischen Militärs ein solches Radar entwickelt, welches unter dem Namen „HF-SWR-503“ bekannt wurde. Dies ist ein maritimes Aufklärungsradar um solche illegalen Aktivitäten wie Drogenhandel, Schmuggel, Piraterie, Fischräuberei und illegale Einwanderung zu bekämpfen. Zusätzlich kann es neben staatlichen hoheitlichen Aufgaben genauso genutzt werden wie für die Beobachtung von Wind und Wellen, der Drift von Eisbergen sowie für die Erkennung von Umweltverschmutzungen und eventuell ihrer Verursacher.

Es besteht aus einem 660 Meter langen Antennenfeld aus Viertelwellendipolen, die jeweils einen Abstand etwa 50 Metern haben, welches der halben Wellenlänge in dem genutzten Radarband von etwa 3 MHz entspricht. Das Antennenfeld kann Ziele innerhalb der 200 Meilenzone in einem Sektor von 120° beobachten. Die Genauigkeit der Positionsbestimmung bezträgt etwa 100 Meter. Der Hersteller erklärt, dass dieses System auch tieffliegende Marschflugkörper erkennen kann, wenn es in einem Frequenzbereich von 15 bis 20 MHz arbeitet.

Ein modernes ziviles Anwendungsbeispiel aus Deutschland ist das Radar WERA welches für ozeanografische Messungen (Meeresströmungen, Windrichtungen und Größe der Wellen)genutzt wird. Es nutzt das FMCW-Prinzip mit einer sehr langsamen Frequenzdrift innerhalb von 0,3 s und kann Echosignale über die Braggstreuung bis zu einer Entfernung von 200 km erfassen.

Aufklärungs-
gebiet
Empfänger-
stellung
Senderstellung

Bild 2: Prinzip eines Over-The-Horizon Backscatter Radar

Over–The–Horizon Backscattering (OTH–B)

Um den Effekt der Überhorizontaufklärung zu erreichen, kann auch eine andere Ausbreitungsart der elektromagnetischen Wellen genutzt werden. Hier werden die Wellen als sogenannte Raumwelle an einer ionisierten Schicht in der Ionosphäre zurück zur Erde gespiegelt oder reflektiert. Es werden Frequenzen im Kurzwellenbereich genutzt (bis etwa 50 MHz). Der Aufbau ist ähnlich dem OTH-SW Radar und benötigt ähnlich große Antennenfelder.

Die Radarsignalverarbeitung ist jedoch sehr schwierig, da die reflektierenden Schichten sich nicht in einer konstanten Höhe befinden sondern sich tageszeitlich stark ändern. Es ist also nicht einfach eine Spiegelung, sondern ein sehr komplizierter Prozess. Auch sind die Echosignale nach einer mehrfachen Reflexion äußerst schwach, so dass auf der Empfangsseite extrem hochwertige und empfindliche Empfänger genutzt werden müssen.

Die Berechnung der Entfernung ist ebenso schwierig und erhält Ungenauigkeiten, weil die Höhe der reflektierenden Schicht oft nur sehr ungenau bestimmt werden kann. Diese Ungenauigkeiten wurden jedoch in Kauf genommen, da diese Radargeräte ja nur die Funktion einer Frühwarnung vor anfliegenden feindlichen Bombern hatten.