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Maximale eindeutige Messentfernung

Bild 1: Das Echo aus einer Überreichweite wird in einer falschen Entfernung dargestellt.

Bild 1: Das Echo aus einer Überreichweite wird in einer falschen Entfernung dargestellt.

Bild 1: Das Echo aus einer Überreichweite wird in einer falschen Entfernung dargestellt.

Was sind Überreichweiten bei einem Radar?

Maximale eindeutige Messentfernung

Die maximale eindeutige Messentfernung (Rmax) ist für ein Impulsradar die größtmögliche Messentfernung für ein Echosignal, die innerhalb der Zeit zwischen zwei Sendeimpulsen gemessen werden kann. Die maximale eindeutige Messentfernung eines Radargerätes orientiert sich nicht nur an dem in der Radargleichung energetisch bedingten Wert, sondern ebenfalls zeitlich bedingt an der Dauer der Empfangszeit. Für den Empfang der durch die Laufzeit verzögerten Echosignale muss ausreichend Zeit vorgesehen werden.

Es besteht eine feste Beziehung zwischen der Impulsfolgefrequenz fp, derem Kehrwert (die Impulsfolgeperiode T, oder PRT) und der maximalen eindeutigen Messentfernung Rmax. Betrachten wir einen einzelnen Sendeimpuls, der vom Radar ausgesendet, an einem Reflektor reflektiert und wieder empfangen wird, so gibt es für die gemessene Laufzeit t folgende Möglichkeiten:

Im Bild 1 werden die gesendeten Impulse an einem Ziel in 200 km reflektiert. Sie werden vom Radar empfangen, bevor der folgende Impuls gesendet wird und ergeben ein eindeutiges Messergebnis. Im gleichen Bild wird aber auch ein Echosignal gezeigt, dass erst in der nächstfolgenden Impulsperiode empfangen wird. Hier müsste der Impuls also eigentlich in einer Entfernung von 400 km gezeigt werden. Aber das kann das Radar nicht erkennen, es zeigt ein Echosignal in einer falschen Entfernung von nur 100 km an.

Die maximale eindeutige Messentfernung Rmax ist deshalb eine Entfernung in welcher die Laufzeit t kleiner ist als die Impulsperiode T.

Rmax = c0 · (T - τ) mit Rmax = maximale eindeutige Messentfernung in [m]
c0 = Lichtgeschwindigkeit [3·108 m/s]
T = Impulsperiode (Pulse Repetition Time, PRT) [s]
τ = Sendeimpulsdauer [s]
(1)
2

Die Sendeimpulsdauer (τ) in dieser Formel beruht darauf, dass erst die gesamte Dauer des Echoimpulses empfangen werden muss, um ein Zielzeichen zu erzeugen. Ist dieser Sendeimpuls mit etwa 1 µs gegenüber der Empfangszeit (mehr als 1000 µs) sehr klein, dann kann er ignoriert werden. Aber manche Radargeräte verwenden sehr lange Sendeimpulse die dann im Empfänger komprimiert werden. Die Formel kann deswegen auf einen annähernden Wert gekürzt werden:

Rmax = c0 · T = c0 mit fp = Impulsfolgefrequenz (PRF) [Hz oder s-1] (2)
2 2 · fp

Je größer also die Impulsfolgefrequenz fp ist, desto kürzer ist die Impulsfolgeperiode und in der Folge die Empfangszeit und die maximale eindeutige Messentfernung: Rmax. Die angezeigte Entfernung auf dem Sichtgerät sollte also die maximale Messentfernung nach der Radargleichung übersteigen. Die Darstellung auf dem Sichtgerät, der sogenannten „instrumentierten“ Reichweite des Radars, sollte aber noch vor dem nächsten Sendeimpuls beendet sein.

Bei einem Radar mit einer Impulsfolgefrequenz von 1 000 Hz beträgt die Impulsperiode als Kehrwert der Impulsfolgefrequenz 1/ 1 000 = 1 ms. Die maximale eindeutige Messentfernung dieses Radars gemäß Formel (2) 150 km. Wenn das Radar ein Echosignal mit einer mutmaßlichen Laufzeit von 100 µs empfängt, ist das ein eindeutiges oder nichteindeutiges Zielzeichen?
 
Antwort: Das kann in diesem Kausalzusammenhang nicht beantwortet werden. Dieses Zielzeichen kann sowohl aus einer Entfernung von 15 km, als auch von einem Ziel aus 165 km entstanden sein.
 
Nur umgekehrt kämen wir zu einem eindeutigen Ergebnis: eine Messentfernung von einem realen Ziel in 15 km wäre ein eindeutiges Ergebnis und hätte eine Laufzeit von 100 µs.

Bild 2: Bei einer sich ständig ändernden Impulsfolgefrequenz hat ein Zielzeichen aus einer Überreichweite keine stabile Position zum folgenden Sendeimpuls.

Bild 2: Bei einer sich ständig ändernden Impulsfolgefrequenz hat ein Zielzeichen aus einer Überreichweite keine stabile Position zum folgenden Sendeimpuls.

Bild 2: Bei einer sich ständig ändernden Impulsfolgefrequenz hat ein Zielzeichen aus einer Überreichweite keine stabile Position zum folgenden Sendeimpuls.

Gestaffelte Impulsperioden

Bei einer sich ständig ändernden Impulsfolgefrequenz (staggered PRF) wird das Zielzeichen aus einer Überreichweite nicht mehr als kleiner Kreisbogen dargestellt. Durch die ständig von Impuls zu Impuls geänderten Empfangszeiten wird dieses Echo nur als eine Ansammlung von Punkten in einem bestimmten gerätetypischen Muster dargestellt. Durch dieses Unterscheidungsmerkmal könnte eine prozessorgesteuerte Signalverarbeitung die richtige Entfernung errechnen. (Dieser Vorgang wird „Entfaltung” genannt.)

eindeutiges Zielzeichen
Überreichweite

Bild 3: Normales Zielzeichen (mit IFF- Antwort) und eine Überreichweite

eindeutiges Zielzeichen
Überreichweite

Bild 3: Normales Zielzeichen (mit IFF- Antwort) und eine Überreichweite

Das normale Zielzeichen eines Primärradars ist ein kleines helles Kreissegment. Dahinter wird als weiteres Kreissegment oft die etwas dünnere Antwort des Sekundärradars dargestellt. Daneben ist ein Echo aus einer Überreichweite bei Verwendung einer sich ständig ändernden Impulsfolgefrequenz. Dieses wird als Ansammlung von dicht beieinanderliegenden Punkten angezeigt.
eindeutiges
Zielzeichen
Überreichweite

Bild 3: Normales Zielzeichen (mit IFF- Antwort) und eine Überreichweite.

Ein einfaches PPI-Sichtgerät beginnt bei jedem Sendeimpuls seine Auslenkung wieder in der Bildschirmmitte. Wenn also ein Echo aus sehr großer Entfernung erst nach dem nächsten Sendeimpuls eintrifft, wird auf dem Sichtgerät dieses Zielzeichen mit einer falschen Entfernung dargestellt.

Bild 3 zeigt ein normales Zielzeichen mit einer IFF- Antwort und daneben eine Überreichweite des IFF bei Nutzung einer sich ständig ändernden Impulsfolgefrequenz. Hier ist zusätzlich zur staggered PRT auch zu beobachten, dass das IFF nicht jeden Synchronimpuls des Primärradars benutzt. (Bei einem zu starken Auftreten solcher störenden IFF-Überreichweiten sollte doch versucht werden, die Sendeleistung des Abfragesenders zu reduzieren.)

Ausnahmen

Modernere 3D-Radargeräte mit einer Phased Array Antenne (wie etwa das RRP-117) kennen dieses Problem der Überreichweiten nicht, da hier der Systemcomputer nach einem festgelegten Schema praktisch jeden Sendeimpuls in eine andere Richtung aussendet. In der relativ langen Totzeit ist die Antenne nicht empfangsbereit, da ihre Phasenschieber gerade umprogrammiert werden. Sollte ein Echo in der folgenden Empfangszeit eintreffen, dann zeigt das Antennendiagramm längst in einen ganz anderen Höhenwinkel.

Verwendet das Radar die Intrapulsmodulation und nutzt praktisch in jedem Sendeimpuls eine andere Modulation, so hat die maximale eindeutige Messentfernung für das Radar keine Bedeutung mehr. Jedes empfangene Echosignal kann zu genau seinem Ursprung (dem individuell gesendeten Impuls) zugeordnet werden und so die Laufzeit über mehrere Impulsperioden hinweg gemessen werden.

Radargeräte in Satelliten für die Fernerkundung der Erde können aber durchaus auch Ziele in der richtigen Entfernung darstellen, wenn sie eigentlich uneindeutig sind. Die generelle Höhe des Orbits des Satelliten ist bekannt, es kann also nur eine Entfernung gemessen werden, die sich um wenige Kilometer von der Höhe des Orbits unterscheidet. Im Vergleich zu Bild 1 bedeutet dies, dass in einer Höhe von 400 km nur das in der zweiten Pulsperiode empfangene Messergebnis gültig sein kann.