Grundlagen der Radartechnik

2D oder 3D Radargeräte

2D- Radar

Ein Luftraumaufklärungsradar muss einen Raum bestimmter Größe um das Radar herum nach Echosignalen von Flugzeugen abtasten. Sein Antennendiagramm ist dabei für die jeweilige Aufgabe angepasst. Meist wird ein rotierendes Fächerdiagramm oder ein Cosecans²- Diagramm verwendet. Diese Form der Raumabtastung wird dann 2D- Radar genannt. Mit solchem Radar können nur zwei Koordinaten zur Positionsermittlung gemessen werden. Zwei übereinander fliegende Flugzeuge können mit diesem Radar nur als ein einzelnes (aber dann größeres) Ziel erkannt werden.

Für die dritte Koordinate, die Höheninformation (entweder als Höhenwinkel oder als daraus berechnete Flughöhe), mussten am Anfang der Radartechnik (etwa im 2. Weltkrieg und noch in der Nachkriegszeit) 2 Radargeräte im Verbund arbeiten. Ein Radar arbeitete als Rundsichtradar und das zweite Radargerät war dann spezialisiert als sogenannter Höhenfinder. Beide Typen, das Rundsuchradar und das Höhensuchradar konnten jeweils nur zwei Koordinaten messen, es handelte sich also in beiden Fällen um ein 2D- Radar.

Bei militärisch genutzten Radargeräten spielt der Kostenfaktor eine eher untergeordnete Rolle. Bei Radargeräten der Flugsicherung darf das Radar dagegen nicht zu teuer werden. Deshalb werden hier zur Luftraumaufklärung meist nur 2D- Radargeräte eingesetzt. Die Flughöhe wird dann durch das Sekundärradar bereitgestellt.

Bild 2: Diagramm eines typischen 3D-Radargerätes, eine Kombination von schneller elektronischer Schwenkung eines Pencil- Beams und mechanischer Drehung.

Bild 2: Diagramm eines typischen 3D-Radargerätes, eine Kombination von schneller elektronischer Schwenkung eines Pencil- Beams und mechanischer Drehung

3D-Radar

Wenn die Messungen aller drei Raumkoordinaten innerhalb eines Radargerätes vorgenommen werden, spricht man von einem 3D-Radar.

Eine Sonderform des 3D-Radars bildet das Wetterradar. Es tastet mit einem vertikal und horizontal sehr schmalen Antennendiagramm spiralförmig den Raum ab. Für einen kompletten Durchgang mit Drehung und Schwenkung der Antenne in alle Richtungen benötigt es jedoch bis zu 15 Minuten. Dieser Zeitansatz kommt für ein Luftraumaufklärungsradar nicht in Frage, da sehr schnelle Flugzeuge in diesen 15 Minuten eine riesige Entfernung zurücklegen können. Ein Flugzeug mit Schallgeschwindigkeit legt in 15 Minuten fast 300 km zurück!

Bei 3D-Radar für eine Luftraumaufklärung wurde ursprünglich ein großer technischer Aufwand betrieben. Es mussten mehrere Empfangskanäle parallel existieren und die Antenne musste mehrere Empfangsdiagramme bereitstellen. Ein derartiges Radar war zum Beispiel das Medium Power Radar (MPR)  welches heute nicht mehr im Dienst steht. Deren riesige Parabolantenne hatte 36  Hornstrahler und bildete insgesamt 12 verschiedene schmale Empfangsdiagramme, die übereinander in unterschiedliche Höhenwinkel ausgerichtet waren. Aus der Information, in welchen der 12 Empfangskanäle das Echosignal verarbeitet wurde und in welche Richtung deren Diagramme zeigen, konnte ein genauer Höhenwinkel interpoliert und eine Zielhöhe mit Hilfe der gemessenen Entfernung errechnet werden. Im Sendefall musste eine extrem große Sendeleistung in alle 12 Richtungen gleichzeitig gesendet werden. Deshalb bestanden beide Senderendstufen aus gepulsten Hochleistungsklystronen die eine Impulsleistung von bis zu 20 Megawatt bereitstellten.

Ältere 3D-Radargeräte mit einer planaren oder nur linearen Phased-Array-Antenne senden nicht in alle zu observierenden Richtungen gleichzeitig. Diese Antennen können nur Räume innerhalb eines begrenzten Winkels absuchen. Hier gibt es zwei Möglichkeiten: entweder die Antenne rotiert im Seitenwinkel und tastet nur den Höhenwinkel elektronisch ab, oder es werden vier Antennen rund um einen Träger statisch verteilt, die jeweils nur 90° abdecken, aber insgesamt eine Aufklärung von 360° ermöglichen. Hier wird auch im Sendefall nur in eine bestimmte Richtung gesendet und dann auf das Echosignal aus dieser Richtung gewartet.

Die drehende Antenne hat einen entscheidenden Nachteil. Da die einzelnen Höhenwinkel zeitlich nacheinander abgesucht werden, darf sie sich nicht zu schnell drehen, damit durch das begrenzte Zeitbudget keine Lücken in der Aufklärung entstehen. Die Version mit den statischen Antennen hat dagegen den zeitlichen Vorteil, dass praktisch vier Radargeräte gleichzeitig den Raum absuchen und nur einer gemeinsamen Radardatenverarbeitung unterliegen. Hier kann das Radarsystem sehr viel flexibler eingesetzt werden und mehrere Aufgaben als Multifunktionsradar übernehmen. Modernere Radargeräte sind deshalb immer Multifunktionsradargeräte.

Erst mit der Möglichkeit der digitalen Strahlformung und der daraus folgenden parallelen Verarbeitung aller Empfangskanäle wird dieses zeitliche Problem komplett überwunden. Allerdings muss dann wie damals beim MPR  im Sendemoment der gesamte abzutastende Raum mit der Sendeenergie ausgeleuchtet werden. Mit einer einzelnen, sehr speziellen Krähennestantenne, ein Patent des Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik (FHR), könnte die gesamte Hemisphäre rund um den Radarstandort gleichzeitig überwacht werden.