Vollkohärentes Radar
Vollkohärentes Radar
Vorverstärker
Verstärker
Verstärker
Verstärker
Signal-
prozessor
mischer
synthesizer
mischer
detektor
Digital
Konverter
Generator
oszillator
steuerung
Bild 1: einfaches Blockschaltbild eines vollkohärenten Radargerätes
Vorverstärker
Verstärker
Verstärker
Verstärker
Signal-
prozessor
mischer
synthesizer
mischer
detektor
Digital
Konverter
Generator
oszillator
steuerung
Bild 1: einfaches Blockschaltbild eines vollkohärenten Radargerätes
Vorverstärker
Verstärker
Bild 1: einfaches Blockschaltbild eines vollkohärenten Radargerätes (interaktives Bild)
Vollkohärentes Radar
Bei einem vollkohärenten Radar werden alle notwendigen Takte und Frequenzen aus der hochstabilen Schwingung eines Masteroszillators abgeleitet und sind mit dessen Schwingung synchron. Alle abgeleiteten Frequenzen haben zu diesem Masteroszillator einen festen Phasenbezug.
Das Blockschaltbild zeigt die Funktion eines voll kohärenten Radargerätes. Das Grundprinzip ist, dass alle zeit- und phasenkritischen Signale aus einem hochstabilen Generator kleiner Leistung abgeleitet werden und somit ein optimales kohärentes System bilden. Der Sender besteht typischerweise aus einer Klystron- oder Wanderfeldröhrenendstufe oder er wird aus Halbleiterverstärkermodulen zusammengesetzt. Das vollkohärente Radargerät hat nicht die Beeinträchtigungen des pseudo-kohärenten Radargerätes, welche im vorherigen Abschnitt erläutert wurden.
Die farblich hinterlegten Baugruppen werden oft zusammengefasst, zum Beispiel hier zu Sender (blau), Empfänger (grün), Signalgenerator (pink) und Radarsignalverarbeitung (ocker). Die Zugehörigkeit der einzelnen Unterbaugruppen ist jedoch von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich.
Der Begriff Kohärenz hat damit in Radargeräten eine Funktion, die sich von den Betrachtungen in der Optik stark unterscheidet. In der Optik wird von einer Kohärenzlänge gesprochen, nur innerhalb derer eine Interferenz möglich ist. Bei vollkohärenten Radargeräten ist diese Kohärenzlänge praktisch unendlich: Der Masteroszillator kann hier mit einem ununterbrochen schwingenden Dipol verglichen werden. Von dieser ständig andauernden Schwingung wird immer nur ein Teilstück ausgeschnitten und als Sendeimpuls verwendet. Ungewollte Phasensprünge und auch Polaritätsänderungen sind auf der Senderseite nicht möglich. Zum Beispiel sind bei einem Satellitenradar alle Echosignale (aus konstanter Entfernung) sowohl untereinander als auch zu der Sendefrequenz kohärent, unabhängig davon, aus welcher Impulsperiode und sogar unabhängig davon, aus welcher Erdumrundung sie stammen. Die Kohärenzlänge ist damit tatsächlich praktisch unendlich und endet erst mit dem Ausschalten des Radars oder dem Wechsel der Arbeitsfrequenz.
Funktionsbeschreibung der Einzelkomponenten
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. In der Empfangszeit muss er verhindern, dass der Sender die schwachen Signale zusätzlich bedämpft.
Rauscharmer Vorverstärker
Ein rauscharmer Vorverstärker (Low-Noise Preamplifier LNA) verstärkt die extrem schwachen Eingangssignale. Das geringe Eigenrauschen ist extrem wichtig, da alle folgenden Verstärkerstufen dieses Rauschen verstärken würden! Die Verstärkung beträgt etwa 18...25 dB. Eine höhere Verstärkung würde den Dynamikbereich des Empfängers verschlechtern und bei starken Eingangssignalen die folgende Mischstufe übersteuern, wenn keine geeigneten Verstärkungsregelungen ergriffen werden.
Mischstufen
Die Mischstufen setzt die empfangenen hochfrequenten Signale in eine niedrigere, leichter zu verarbeitende Zwischenfrequenz (ZF) um. Moderne Radargeräte mit breitbandigem Sendesignal und einem Doppelsuperheterodynempfänger verwenden als erste ZF eine Mittenfrequenz von bis zu 450 MHz, als zweite ZF Frequenzen um 75 MHz. Bei älteren Radargeräten liegt diese ZF bei etwa 30 oder 60 MHz. In der Mischstufe wird das empfangene Signal mit einer Oszillatorfrequenz überlagert, so dass eine Differenzfrequenz entsteht. Durch die Mischvorgang gehen die Amplitude und die Phaseninformation des empfangenen Signals nicht verloren.
ZF-Verstärker
Nach dem Heruntermischen zur ZF wird das Signal in mehreren ZF-Verstärkerstufen verstärkt. Die ersten, meist sehr breitbandigen ZF- Verstärker verhindern dem Empfang von Spiegelfrequenzen. Bei sehr hohen Sendefrequenzen befinden sich die automatischen Verstärkungsregelungen, wie zum Beispiel die STC hier am Eingang des Verstärkers. Die Verstärker der 2. ZF müssen die meiste Verstärkung in einem Empfänger aufbringen. Sie sind meist schmalbandiger als die erste ZF. Die Gesamt-Bandbreite des Empfängers wird durch diese ZF-Verstärker bestimmt.
Leistungsverstärker
In diesem System wird der Sendeimpuls in kleiner Leistung durch den Waveform- Generator erzeugt und muss folglich durch den Leistungsverstärker auf die erforderliche Sendeleistung verstärkt werden. Er besteht entweder aus einer Klystron- oder Wanderfeldröhrenstufe oder besteht aus einer Kaskade von Halbleiterverstärkermodulen.
Frequency Synthesizer
Der Frequenz Synthesizer erzeugt verschiedene Basisfrequenzen aus dem Masteroszillator, welche für die Frequenzagilität des Radars benötigt werden. Ältere Radargeräte nutzen meist einen analogen Synthesizer. Modernere Radargeräte verwenden eine Phase Lock Loop (PLL) Architectur.
Mixer/Exciter
Diese Mischstufe ist ein Aufwärtsmischer, welcher aus der komplexen Waveform (als I- und Q-Information vom Waveform Generator anliegend) und einer zum gleichen Zeitpunkt getastet anliegenden Dauerschwingung einen phasenstabilen Impuls auf der Zwischenfrequenz erzeugt.
In dem Aufwärtsmischer des Sendeweges werden die Sendesignale von dem Waveform Generator mit den Frequenzen des Synthesizers (phasenstabile Dauerschwingung) in das Radarband hochgemischt. Sie haben hier noch eine geringe Leistung.
Waveform-Generator
Der Waveform-Generator erzeugt den fertigen Sendeimpuls in kleiner Leistung auf der Zwischenfrequenz. Er ermöglicht die Modulation von komplexen Impulsformen, die auch für eine Pulskompression geeignet sind.
Phasendetektor
Der Phasendetektor mischt das ZF-Signal unter Berücksichtigung der Phaseninformation (I & Q- Verfahren) in das Grundband für die weitere Dopplerfrequenzverarbeitung.
Analog/Digital Konverter
Der Analog/Digital Konverter setzt die Amplituden der Videosignale des Empfängers in digitale Worte um. Die Abtastrate muss sehr hoch liegen, damit eine sehr kleine Rangecell und somit eine gute Entfernungsauflösung erzielt wird.
Signalprozessor
Der Signalprozessor ist der Teil des Radargerätes, der aus den Impulsgemischen aus Echosignal, Störungen und Rauschen die Zielinformation herausfiltert. Das kann ein leistungsfähiger Prozessorkern sein, oder auch eine superschnelle festverdrahtete Logik. Die Zielinformation wird in ein standardisiertes Format (Plots und Tracks) umgewandelt, das eine ortsunabhängige Anzeige ermöglicht.
Radarscope / Monitor
Das Radarsichtgerät zeigt eine einfach zu erfassende grafische Darstellung der Positionen der Radarziele in Echtzeit. Es werden auf Wunsch auch zusätzliche Informationen, wie etwa die Identifikation und Kurs des Zieles angezeigt. In heutigen Radargeräten ist das Radarsichtgerät meist ein großes Computerdisplay.