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Technisches Prinzip eines Wetterradars

Wetter picture

Bild 1: Wetterbild

Technisches Prinzip eines Wetterradars

Das technische Prinzip eines Wetterradars ist dem eines gewöhnlichen Primärradars sehr ähnlich und es unterliegt auch vielen gleich gearteten Problemen.

Der wichtigste Unterschied besteht darin, dass bei einem Radargerät für die Luftraumaufklärung ein Ziel nur detektiert wird (Target vorhanden: ja/nein), gemessen werden nur die Koordinaten des Zielstandortes. Bei einem Wetterradar hingegen wird das Echosignal auch in der Amplitude gemessen. Diese Daten geben schließlich Aufschluss darüber, in welcher Intensität und in welcher Konsistenz reflektierende Objekte im Beobachtungsraum existieren.

Es existieren aber auch noch mehr größere Unterschiede. Dies ist oft durch die Tatsache bedingt, dass das gesuchte Objekt eine unterschiedliche Form aufweist. Wolkenfelder haben nun mal bedeutend größere Ausmaße als ein Flugkörper, sind dafür aber für manche Frequenzen halbdurchlässig. Beste Ergebnisse im Sinne eines Wetterradars erzielen hier Mehrfrequenzradargeräte. (Die im Wetterradar eine andere Bedeutung haben, als in einem Mehrfrequenzaufklärungsradar.)

Sendeenergie
reflektierte Energie

Bild 2: Radarprinzip

Sendeenergie
reflektierte Energie

Bild 2: Radarprinzip

Die bekannte Radargrafik zeigt, wie ein starker leistungsfähiger Sendeimpuls an einem Gegenstand reflektiert wird und als Echo in Richtung der Antenne zurückgeworfen wird. Das Sendesignal hat zwar eine außergewöhnlich hohe Leistung, aber das wieder empfangene Echo ist normalerweise sehr, sehr schwach und benötigt somit einen extrem empfindlichen Empfänger zur Auswertung und Interpretation der Echos.

Bei einem gewöhnlichen Primärradar werden Echos von Flugzeugen oder anderen fliegenden Objekten erwartet. Für dieses Primärradar bedeuten die Echos von Wettererscheinungen eine unerwünschte Störung, die es herauszufiltern gilt. Im Gegensatz dazu ist bei einem Wetterradar das Echo von Flugzeugen Störungsursache. Beide Radargeräte müssen aber gegen Störungen von Festzielen geeignete Maßnahmen ergreifen.

Vergleich Aufklärungsradar mit Wetterradar

Vergleichen wir doch einmal Wetterradargeräte mit Flugsicherungs- oder Luftverteidigungsradargeräten

CharacteristicPSRWetter Radar
Sendefrequenz L, S-band S,C & X-band (+L-band)
Doppler- Verfahren Wird in beiden Systemen verwendet.
Scanning Azimut oder Elevation Azimut und Elevation
Verarbeitung Komplex und in Echtzeit sehr komplex, aber nicht zeitkritisch
Polarisation Linear und/oder Zirkular Dual (vertikal und horizontal)
Sendeimpulsleistung variabel (kW - Mw) variabel (kW - Mw)
Datenverarbeitung I (in-phase) & Q (quadrature)
Aktualisierung des Radar-„Bildes” 6 - 12 Sekunden 5 - 15 Minuten
Störechounterdrückung Ja (aber Wetter stört) Ja (Echos von Flugzeugen stören)
Ausmaße der Antenne größer (größere Wellenlänge) kleiner (kürzere Wellenlänge)

Tabelle 1: Gegenüberstellung Wetterradar und Aufklärungsradar

Frequenzbereiche

Flugsicherungs- und Luftverteidigungsradargeräte arbeiten im L-, S- Band (hauptsächlich im L- Band). Wetterradar sendet normalerweise im S-, C-, X- Band (seltener im L- Band). Das L- Band ist für weitreichendes Aufklärungsradar besonders geeignet, da es durch Wettereinflüsse am geringsten beeinträchtigt wird. Genau das wiederum macht die S-, C-, X- Bänder wegen der kürzeren Wellenlänge für Wetterradar geeigneter.

Dopplerfrequenzverarbeitung

Die Dopplerfrequenzverarbeitung für Wetterradargeräte ist seit etwa den 90er Jahren zum Standard geworden. Praktisch sind alle kommerziell verfügbaren Wetterradarsysteme mit der Dopplerfrequenzverarbeitung ausgerüstet.

Antennendiagramm

Ein 2D Aufklärungsradar arbeitet normalerweise mit einer „Cosecans²- Antenne” und kann somit keinen genauen Höhenwinkel messen. (Zu diesem Zweck gibt es spezielle Höhensuchradare.)

Wetterradargeräte arbeiten mit einer in Azimut and Elevation schwenkbaren „Pencil Beam Antenne” (meist wird je eine Umdrehung mit einem festen Höhenwinkel abgesucht).

Die hauptsächliche Einschränkung bei der Arbeit mit einem zusätzlichen Wetterkanal in einem Primärradargerät ist, dass die Antennen vertikal nicht stark gebündelt ist (15° … 30°), um bei jeder Umdrehung der Antenne Flugziele in jeder Höhe orten zu können. Deswegen sind Wetterradarbilder aus einer solchen Konfiguration ungenau und von ungenügender Qualität.

Wetterradare fassen mit ihrer auch in der Elevation stark bündelnden Antenne nur einen schmalen Höhenwinkel pro Umdrehung auf und setzen dann aus den einzelnen Scans das 3-Dimensionale Wetterbild zusammen. Das dauert mehrfach mehr Zeit als mit einem normalen Aufklärungsradar und so kann ein Wetterbild frühestens nach 5 Minuten aktualisiert werden. Mehr ist auch nicht nötig, da die Wetterlage beständiger ist als eine aktuelle Flugzeugposition.

Signalverarbeitung

Die Zielverarbeitung bei einem Aufklärungsradar durchläuft von der Antenne bis zur Anzeige viele Funktionen und Filter. Diese Form der Verarbeitung kann man schon ruhig als „komplex” nennen. Diese Funktionen und Filter nutzt auch das Wetterradar. Hinzu kommt aber noch eine spezielle Datenverarbeitung, die die empfangenen Echos mit in Tabellen gespeicherten Werten vergleicht und die auch noch aus einzelnen Höhenwinkelscans ein 3-dimensionales Bild zusammensetzt. Deshalb wird die Signalverarbeitung im Wetterradar als „sehr komplex” bezeichnet.

Polarisation

Das Aufklärungsradar arbeitet mit entweder linearer oder zirkularer Polarisation. Ziel der Auswahl ist, ein Radarbild ohne Störungen von Wettererscheinungen zu erhalten. Bei starken Zielzeichen die von Wolken herrühren, wird dann auf zirkulare Polarisation umgeschaltet, um die Wirkung dieser störenden Signale zu verringern.

Das Wetterradar wird genau deswegen aber auf zirkulare Polarisation verzichten. Es vergleicht aber das Echo von der linear vertikalen Polarisation mit dem Echo von der linear horizontalen Polarisation und erhält somit zusätzliche Informationen über verschiedene Wettererscheinungen.

Impulsleistung

Dieser Wert ist sehr stark abhängig vom jeweiligen Typ des Radargerätes und von dem verwendeten Frequenzbereich. Die installierte Sendeleistung variiert zwischen etwa 20 kW und bis zu 1 500 MW. Moderne Luftraumaufklärungsradargeräte verwenden Halbleitersender mit Intrapulsmodulation. Dadurch ist deren Impulsleistung sehr viel geringer. Dieses Verfahren ist prinzipiell auch bei Wetterradar möglich. Allerdings bilden die zeitlichen Nebenkeulen eine Ursache für Ungenauigkeit. Deshalb wird im Sender von Wetterradargeräten lieber eine Hochleistungsverstärkerröhre verwendet.

Datenverarbeitung

Prinzipiell arbeiten beide Systeme digital mit I & Q Daten.

Das Dynamikverhalten der Empfänger hat im Wetterradar eine etwas größere Bedeutung, als im Aufklärungsradar. Es werden meist mehrere Empfänger mit verschiedener Empfindlichkeit parallel betrieben. Die Datenverarbeitung wählt den Empfänger aus, der das beste Signal-Rauschverhältnis bietet ohne übersteuert zu sein.

Aktualisierung des Radar-„Bildes”

PSR Systeme der Flugsicherung benötigen bei jeder Umdrehung alle Daten der Fluglage (das bedeutet etwa alle 6 bis 12 Sekunden). Das ist aufgrund der Dynamik der Flugbewegungen auch nötig. Bei einem Aufklärungsradar mit einem Fächerdiagramm oder einem Cosecans²-Diagramm genügt eine Umdrehung der Antenne für einen kompletten Scan, da alle Höhenbereiche durch das Antennendiagramm abgedeckt werden.

Das Wetterradar setzt sein komplexes Wetterbild erst nach mehreren Umdrehungen zusammen. Bei dem schmalen Diagramm eines Wetterradars wird nur ein kleiner Höhenwinkelbereich überstrichen. Mehrere Scans in unterschiedlichen Höhenwinkeln folgen aufeinander, bis ein kompletter Volume-Scan entsteht. Somit wird das Wetterbild erst im Takt von einigen Minuten aktualisiert.

Clutter processing

Beide Systeme nutzen extensiv Methoden der Störechounterdrückung. Welches Verfahren verwendet wird, ist wiederum stark abhängig vom jeweiligen Typ des Radars. Aber prinzipiell wird immer auf die Nutzung der Dopplerfrequenz zurückgegriffen. Hauptunterschied ist, dass aus dem Gemisch der verschiedenen Echosignale unterschiedliche Nutzechos herausgesucht werden.

Antennengröße

Wie groß die Antenne sein muss, hängt von der Arbeitsfrequenz und von der Forderung nach der Genauigkeit der Strahlbündelung ab. Im langwelligen L-Band, dem Arbeitsfrequenzbereich der Flugsicherungs- und Luftverteidigungsradargeräte, werden Antennen von respektabler Größe benötigt. Die Antenne des Wetterradars im X- band passt bei gleichem Auflösevermögen in die Bugnase eines Flugzeuges.