www.radartutorial.eu Grundlagen der Radartechnik

Die Unterschiede zwischen Radar, Sonar und Lidar

Die Gemeinsamkeiten zwischen Radar, Sonar und Lidar sollten klar sein: alle drei Technologien verwenden eine Laufzeitmessung von ausgesendeten Signalen zu deren Reflexionen und berechnen daraus eine Entfernung und oft sogar eine bildliche Darstellung einer Umgebung.

Schwingungsrichtung
Ausbreitungsrichtung

Bild 1: Transversalwellen (oben) gegenüber Longitudinalwellen

Schwingungsrichtung
Ausbreitungsrichtung

Bild 1: Transversalwellen (oben) gegenüber Longitudinalwellen

Schwingungsrichtung
Ausbreitungsrichtung

Bild 1: Transversalwellen (oben) gegenüber Longitudinalwellen
(siehe Java-Applet zu Transversal- und Longitudinalwellen)

Radar

Im Radar werden für die Laufzeitmessung elektromagnetische Wellen genutzt. Deren Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Atmosphäre liegt nahe der Lichtgeschwindigkeit. Die Frequenz dieser Wellen wird zwischen etwa 30 Kilohertz und (derzeit) 230 Gigahertz gewählt. Innerhalb dieses Frequenzspektrums bestehen für die elektomagnetischen Wellen unterschiedliche Ausbreitungsarten und Ausbreitungsbedingungen, welche die Leistungsfähigkeit des Radars in eine gewünschte Richtung beeinflussen.

Elektromagnetische Wellen sind Transversalwellen, sie schwingen auf einer Ebene quer zur Ausbreitungsrichtung. In welche Richtung genau, das wird durch die Polarisation festgelegt. Unterschiedliche Polarisation wird genutzt, um unterschiedliche Reflexionseigenschaften der zu ortenden Objekte gezielt für eine bessere Erkennung auszunutzen.

Sonar

Bei einem Sonar werden zur Laufzeitmessung Schallwellen genutzt. Meist ist es Ultraschall: die Frequenz liegt also nicht in einem hörbaren Bereich. Schallwellen breiten sich nur als Longitudinalwellen aus: sie schwingen nur auf der Linie der Ausbreitungsrichtung. Eine Polarisation ähnlich der elektromagnetischen Wellen ist nicht möglich. Schallwellen benötigen ein Medium für die Ausbreitung. Jedes Medium hat eine spezifische Ausbreitungsgeschwindigkeit. Eine Bildberechnung ist nur möglich, wenn ein annähernd homogenes Ausbreitungsmedium existiert. Das ist zum Beispiel unter Wasser der Fall, weshalb Sonar meist maritime Anwendungsgebiete hat.

Lidar

Lidar nutzt Lichtimpulse für die Laufzeitmessung und ist deshalb mit dem Radar am besten vergleichbar. Meist werden Laser als Sender genutzt. Deren sehr hohe Frequenz liegt im Petahertzbereich und wird meist als deren Äquivalent in einer Wellenlänge im Vakuum angegeben. Sie kann auch im Infrarotbereich liegen. Eine unterschiedliche Polarisation ist möglich, allerdings können Begriffe aus der Radartechnologie sehr vereinfachte Bedeutungen gegenüber gleichlautenden Begriffen in der Optik haben und sind deshalb nur mit Vorsicht vergleichbar.

Bild 2: Kohärenzlängen bei Licht: oben relativ große Kohärenzlänge, unten kleine Kohärenzlängen, die Pfeile verweisen auf die chaotisch angeordneten Phasensprünge, welche gleichzeitig auch eine Änderung der Polarisationsrichtung sein können.

Bild 2: Kohärenzlängen bei Licht: oben relativ große Kohärenzlänge, unten kleine Kohärenzlängen, die Pfeile verweisen auf die chaotisch angeordneten Phasensprünge, welche gleichzeitig auch eine Änderung der Polarisationsrichtung sein können.

Bild 2: Kohärenzlängen bei Licht: oben relativ große Kohärenzlänge, unten kleine Kohärenzlängen, die Pfeile verweisen auf die chaotisch angeordneten Phasensprünge, welche gleichzeitig auch eine Änderung der Polarisationsrichtung sein können.

Messungen von Dopplerfrequenzen unterliegen bei Lidar anderen technologischen Bedingungen. Bei Licht wird der Begriff Kohärenz nur innerhalb einer bestimmten Kohärenzlänge verwendet und liegt meist im Mikrobereich. Danach entstehen unbestimmte Phasensprünge, die eine weitere kohärente Signalverarbeitung verhindern. Bei Radar mit voll-kohärenter Erzeugung des Sendesignals ist diese Kohärenzlänge hingegen unendlich. Aufgrund der Beschränkung auf eine Kohärenzlänge sind CW und FMCW- Anwendungen mit Lidar praktisch nicht realisierbar.

Aus diesem Grunde wird bei einem Radar die Depolarisation auch nur als reine Drehung der Polarisationsebene gemessen, da sich die unterschiedlichen Teilkomponenten einer Reflexion kohärent zu einer Welle mit einer neuen Polarisationsrichtung überlagern. Die unterschiedliche Kohärenzlänge hat so direkte Auswirkungen auf die Reflexion an Volumenzielen, bei denen sich Reflexionen von Radar kohärent überlagern und sogar komplett auslöschen können (siehe zirkulare Polarisation). Deshalb ist die Anwendung von Lidar vor allem in der Wetterbeobachtung stark verbreitet. Als Laser-Entfernungsmesser gibt es auch militärische Applikationen, die jedoch nur bei guter optischer Sicht nutzbar sind (zur Erinnerung: die Unabhängigkeit von Sicht- und Lichtverhältnissen bei Radar).