RADAR und composite-material

[Stefan Bergert]

Ho Ho Ho allerseits :D

 

Habe in der Theorie folgendes gelernt:

 

-Die Elektromagnetische Welle, ausgesandt vom Primärradar, trifft aufs Flugzeug,

 

-Flugzeug nimmt Energie wie eine Antenne auf und gibt sie in alle!! Richtungen wieder ab (so kommt u.a. ein "Echo" zurück an das Bodenradar)

 

-außerdem bekommt der Learjet, der hinter dem Flugzeug fliegt (quasi im Schatten) auch noch Energie ab, die er wieder aufnimmt und abstrahlt und so noch ein sehr schwaches Echo produziert, welches das Primärradar am Boden auch empfängt

 

-so sieht der controller 2 targets aufm Schirm

 

BTW: Bitte Sekundärradar bittte komplett außer acht lassen (Transponder sind toll, ich weiß ;-) )

 

Diese obige Erklärung habe ich aber nirgends im Internet so gefunden... überall spricht man nur von einem Reflektionsvorgang, also EM-Welle trifft auf Flugzeug und wird an der Außenhaut reflektiert (das hieße auch, dass der Learjet im Flugzeugschatten nicht geortet weren würde).

 

Außerdem wären so Flugzeuge komplett aus composite-Material gute Targets, da die Welle ja einfach nur reflektiert werden müsste (nach dem Motto: Berge produzieren ja auch Echos und sind nicht wie Antennen elektr/mag. Leiter).

 

Aber warum möchte man dann ins composite-Material noch irgendwelche Aluminiumstreifen o.ä. packen, damit die Reflektivität höher ist?...Spräche ja eher für meine erste Theorie bzgl. Absorbtion der EM-Welle und erneute Abstrahlung, oder?

 

Danke für replies und merry Weihnachten,

Stefan Bergert

 

PS: Warum sehen Schiffsradare (auch an manchen Leuchttürmen zu finden, also nicht nur an Board) eigentl. soviel anders aus als die Radaranlagen für die Luftfahrt (z.B. von den großen Schüsseln der ACCs)? Sind ja nur diese kleinen, vertikalen Dipole die sich ~2 mal pro Sekunde drehen...

[DNovet]

Ääh, Stefan,

 

Kleine Frage zu meinem Verständniss...

Und vielleicht geht auch dir ein Lämpchen auf...

 

Warum soll Composite ein guter Reflektor sein?

 

Berge - resp die gesamte Landschaft - reflektieren, weil da eine gigantische Masse da ist, welche auch noch - mehr oder weniger - Metall und Wasser eingelagert hat.

 

Warum soll denn jetzt plötzlich eine fliegende Tupperware-Schachtel Radar reflektieren? Weil die Berge nicht aus Vollmetall-Grauguss sind? ;)

 

Klassisches Composite ist verleimtes Holz, einfach edler ausgedrückt, damit die Leute nicht grade Panik bekommen...

Im zweiten Weltkrieg wurde im Pazifik mehrmals die Taktik angewandt, dass Holz-Segelflieger nicht vom Radar aufgefasst werden...

Composite reflektiert Radar nicht, resp nur sehr beschränkt. Was hingegen reflektiert, wären die metallischen Innereien. Sprich du siehst radarmässig nicht einen fliegenden Rumpf, sondern eine grosse Menge Sessel, "moving together in close proximity through the air"... :D

 

Noch zur Reflektion...

Soweit ich weiss, wird diese nicht automatisch in alle Richtungen zerstreut. Zur Vereinfachung stelle ich mir den Flieger hochpoliert vor und leuchte nun mit der Taschenpfunzel da drauf. Aufgrund der Rundung des Rumpfes werden nun auch Lichtstrahlen reflektiert. Wäre der Rumpf hingegen absolut perfekt flach, so kommt nix zurück zu mir, es sei denn, ich habe das Schwein im perfekten rechten Winkel zur Oberfläche zu stehen, oder die Struktur ist nicht perfekt spiegelnd und absorbiert ein Teil der Energie, welche dann von mir dort gesehen werden kann, wo der Lichtstrahl auf den Rumpf trifft.

 

Liebe Gruess vom Dani

[dschaedl]

PS: Warum sehen Schiffsradare (auch an manchen Leuchttürmen zu finden, also nicht nur an Board) eigentl. soviel anders aus als die Radaranlagen für die Luftfahrt (z.B. von den großen Schüsseln der ACCs)? Sind ja nur diese kleinen, vertikalen Dipole die sich ~2 mal pro Sekunde drehen...

 

Hallo Stefan

...mit den Schiffen kenne ich mich etwas besser aus, also beginne ich mal da.:rolleyes:

Soo unterschiedlich sehen die Radare ja auch nicht aus. Der Sender ist meist so ein Balken, der sich (je nach Einsatz und Frequenz) in einer bestimmten Geschwindigkeit dreht.

Der grosse Unterschied ist im Empfänger. Für die Schiffe (und z.B. Flugplatzradar (wie heisst das Ding korrekt?)) ist er im selben Balken untergebracht. Für die Radare der Luftüberwachung besteht er aus vielen Sensoren auf einer grossen "Tafel".

Der Grosse Unterschied liegt wohl darin, dass sich Schiffe auf dem Meer und Flugzeuge am Moden eher in 2D bewegen und der Wirkradius des Radar deutlich geringer ist. Auf dem Boden/Meer ist die Distanz zusätzlich durch die Erdkrümmung bestimmt.

 

Bei Kunststoffschiffen wird meistens ein Radarreflektor, der meist aus zwei senkrechten 90° zueinander gestellten Metallplatten besteht, möglichst weit über dem Wasser befestigt. Je höher, je länger/früher wird das Schiff gesehen. Zudem ist die Navigation mit Radar in flachen Gewässern äusserst schwierig, da auch Untiefen ein Echo anzeigen und so die Schiffe nicht mehr gesehen werden.

Auf grossen Schiffen sind meistens diverse unterschiedliche Radare zu sehen. Die Grossen, langsam drehenden für weite Distanzen und die kleinen, schnell drehenden für die Navigation in der Nähe (einige SM)

 

... auch wenn das jetzt zur ursprünglichen Frage Absorbtion/Reflexion nicht allzuviel beigetragen hat...

 

schönes Grüsse

Daniel

 

und so sieht ein einfacher Radarreflektor für Schiffe aus:

[Stefan Bergert]

Hallo Ihr beiden...danke schonmal für die replies!

 

@Dani

"Berge [...] reflektieren, weil da eine gigantische Masse da ist"

Das spräche gegen meine Theorie, dass Radarstrahlen absorbiert werden und dann in alle Richtungen wieder abgestrahlt werden und Metall nötig ist für ein Radarecho

 

"Warum soll denn jetzt plötzlich eine fliegende Tupperware-Schachtel Radar reflektieren?"

Das spräche für meine Theorie

 

"Composite reflektiert Radar nicht, resp nur sehr beschränkt"

Das spräche auch für meine Theorie

 

Die Erklärung zur Reflektion spräche gegen mein Theorie...

 

Bin da jetzt irgendwie im Konflikt:

 

1.Brauche ich Metall für ein Primärradar-return?

2.Trifft die EM-Welle auf die Flugzeugaußenhaut wie eine Schallwelle und wird reflektiert, oder oder wird die EM-Welle wie in eine Antenne reingehen und dann quasi sofort wieder (in alle Richtungen?!) abgestrahlt? (ALso man schluckt die Schallwelle und ruft sie dann leiser zurück ;) )

Daniels Erklärung zum Radarreflektor für Kunstoffschiffe spräche dafür...

 

 

@Daniel:

Danke für Deine Erklärung zum Schiffsradar - so ein Ding habe ich schonmal gesehen, wusste damals aber noch nicht, wofür es da ist.

 

Stefan

[Tiefflieger]

Hallo

 

@ DNovet

Ich denke heutzutage meint man unter Composite eher die Materialien wie Glasfaser-, Keflarfaser- oder Kohlefaser-Verstärkter Kunstoff...

 

 

Zum Thema:

Wie erwähnt, wird -meiner meinung- die elektomagnetische Welle auf der (metalligen) Flugzegoberfläche reflektiert (schallartig). So nach dem Moto: Einfallswinkel = Ausfallswinkel. So wird unter anderem bei den Stealth-Flugzeugen (B2, F117) Konstruktionsmässig die auftretenden Strahlen in eine andere Richtung wegreflektiert. (Compositebaustoffe und eine spezielle Lackierung steuern noch mehr zur unsichtbarkeit zu)

 

Gruss,

Ueli

[Silvio]

Das spräche gegen meine Theorie, dass Radarstrahlen absorbiert werden und dann in alle Richtungen wieder abgestrahlt werden und Metall nötig ist für ein Radarecho

 

Diese Theorie tönt für mich auch sehr unwahrscheinlich: "Radarstrahlen absorbiert" .. heisst doch "Energie verschlucken" und um "in alle Richtungen wieder abzustrahlen" braucht es doch wieder eigene Energie.

 

Nein, es ist schon so, dass der von der Radarantenne ausgestrahlte Impuls durch eine metallene Oberfläche besser reflektiert wird als durch Plastik oder Stoff.

 

Soo unterschiedlich sehen die Radare ja auch nicht aus. Der Sender ist meist so ein Balken, der sich (je nach Einsatz und Frequenz) in einer bestimmten Geschwindigkeit dreht.[/Quote]

Das Schiffs- oder auch das Flugplatzradar hat eine balkenförmige Antenne. Es muss auch nur die Meeres- bzw. Flugplatzoberfläche absuchen. Das ATC-Primärradar jedoch besteht aus einem Parabolspiegel ähnlichem Gebilde, das eine Ausstrahlungscharakteristik hat, die auch in die Höhe reicht. Im "Brennpunkt" der Parabolantenne befindet sich der Sender-/Empfängerkopf, der im schnellen Wechsel Impulse ausstrahlt und dann die reflektierten Signale wieder empfängt.

 

Die Umdrehungsgeschwindigkeit des Radars ist gegeben durch die gewünschte Reichweite: je weiter weg das gesuchte Ziel ist, umso länger muss man dem zu reflektierenden Impuls Zeit lassen, wieder zur Antenne zurückzufinden. Ein Long Range Radar (Luftstrassenradar) dreht deshalb viel langsamer als ein Anflugradar oder gar ein Flugplatzradar.

 

Herzliche Grüsse

Silvio

[Stefan Bergert]

Vielen Dank für die hilfreichen Antworten

 

mit "absorbiert" meine ich nicht, dass die Welle verschluckt wird....vergleiche damit eher den Flugzeugrumpf mit einer Antenne. In den Rumpf wird kurz eine kleine Spannung induziert. Deshalb könnte ich "Composite reflektiert Radar nicht, resp nur sehr beschränkt", nachempfinden.

 

Warum sollte der Impuls dann durch eine metallene Oberfläche besser reflektiert werden?

 

Allerdings, warum reflektiert dann Wasser oder Erde, wenn composite nicht reflektiert...

 

Die Erklärung zum Schiffs-/Flugplatzradar fand ich übrigends klasse!

[Gast StuKa]

Hallo Stefan,

 

hier ein wenig Grundlagenmaterial zur effektiven Reflexionsfläche, genannt Rückstrahlfläche, welche flugzeugspezifisch von vielen Faktoren abhängig ist.

Praktisch angewendet hängt die Rückstrahlfläche von Faktoren wie

 

-die Größe des Lfz

-der momentanen Fluglage (Ein- und Ausfallswinkel d. refl. Strahlung)

-der Sendefrequenz des Emitters

-der verwendeten Materialien

-der Oberflächenbeschaffenheit

-und den elektrischen Eigenschaften des verwendeten Oberflächenmaterials

 

ab.

 

Vereinfacht gesagt ist die Rückstrahlfläche das Verhältnis der Strukturabmessung des Lfz zur gesendeten Wellenlänge.

 

Nun will ich auf deine eigentliche Frage zurückkommen, welche Eigenschaft Materialien zu guten Reflektoren macht.

Im Prinzip ganz einfach, das Stichwort ist die elektrische Leitfähigkeit eines Materiales, welches die Stärke der maximal möglichen Reflektion bestimmt.

Je besser die el. Leitfähigkeit eines Materials desto besser kann es die hochfrequente Wellenenergie reflektieren.

 

Dementsprechend ist Silber der beste Radarreflektor und ein Stoff mit sehr kleiner el. Leitfähigkeit (Isolator) ein sehr schlechter Reflektor.

Kunststoffe im allgemeinen haben bekanntlich eine sehr schlechte Leitfähigkeit und sind daher für ein Radar nicht sichtbar. Zu diesen Isolatoren gehören auch Composites.

Nun stellt sich die Frage, warum reflektieren dann Wasser und Wellen (die auf Radaranlagen zum häufig unerwünschten Sea Clutter führen) ?

Auch hierfür gibt es eine denkbar einfache Lösung:

Reines destilliertes Wasser leitet elektrischen Strom nicht, aber minimale Mengen von gelöstem Salz machen es leitend und sorgt für eine relativ hohe Leitfähigkeit.

 

Also ist die Radarsignatur eines Metallflugzeuges wesentlich höher als die eines Plastikbombers... ääh Verzeihung ich meinte natürlich Compositeaircraft. Denn hier ergibt sich die Rückstrahlfläche nur aus wenigen Metallteilen (z.B. Sitzhalterung, eventuelle Strukturverstärkungen oder Instrumente).

 

Zum besseren Verständnis hier oberflächlich das Basiswissen vom Radio Detecting and Ranging:

 

Die drei physikalischen Gesetzmäßigkeiten

 

-geradlinige Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen

-konstante Ausbreitungsgeschwindigkeit (Vlicht)

-Reflexion elektromagnetischer Wellen

 

zusammengefasst auch als quasioptische Eigenschaften sind die physikalische Grundlage in der Radartechnik.

 

Zum Prinzip der Ortung mittels Pulsradar:

 

Bei dem am häufigsten verwendeten Prinzip, dem Impulsradar, werden kurzzeitig elektromagnetische Wellen ausgesandt, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Wenn es gelingt, die meistens sehr kurze Zeiträume zwischen Aussenden und Wiedereintreffen des Wellenpaketes zu messen, kann die Entfernung des reflektierenden Objektes bestimmt werden.

Wird zusätzlich die Welle nur in eine bestimmte Richtung des Raumes abgestrahlt, so lässt sich die exakte Räumliche Position bestimmen. Statt der Aussendung von Strahlen in nur eine bestimmte Richtung, wendet man hier häufig ein Panoramaverfahren an. D.h. man tastet durch ein rotierendes Strahlenbündel den Umkreis um den Standpunkt eines Radargerätes ab.

Radaranlagen strahlen über ihre Antenne also elektromagnetische Wellen in die Umgebung ab. Treten auf dem Ausbreitungsweg Änderungen in der Dielektrizitätszahl oder Permeabilität auf, werden Anteile des Sendesignals reflektiert und von der Empfangsantenne aufgenommen. Die Laufzeit des Signales zum Ort der Reflektion und zurückgestattet die Berechnung der Entfernung, die Richtung ist durch die Abstrahlrichtung der scharf bündelnden Antennen gegeben.

Die im Steueroszillator erzeugten Impulse werden in einem Pulsmodulator in Leistungsimpulse umgesetzt. Sie steuern den Sender, der den Sendeimpuls über die Sende-/ Empfangsweiche zur Antenne schickt. Bei Pulsradaranlagen wird häufig nur eine einzige Antenne zum Senden und Empfangen benutzt, da die Entkopplung von Sende- und Empfangssignal durch den Zeitmultiplexerbetrieb (erst Senden, dann empfangen) gewährleistet ist.

Das Echo gelangt von der Antenne in den Duplexer, eventuell über einen Vorverstärker zum Mischer, wo es zu einem Zwischenfrequenzsignal heruntergemischt wird. ZF-Signale liegen im Bereich zwischen 30 und 150 Mhz.

In einer Demodulationsstufe wird das Signal in den Videobereich umgesetzt und verstärkt einem Anzeigegerät oder Signalprozessor zur Auswertung zugeführt.

Da das Echosignal meistens sehr klein ist, besteht eine Hauptaufgabe der Radaranlage darin, das Signal-Rauschverhältnis möglichst groß zu machen, um die Wahrscheinlichkeit der Zielentdeckung so weit wie möglich zu erhöhen.

Ein Anhaltspunkt für die Reichweite einer Radaranlage ergibt sich aus der Sendeleistung, Antennenfläche und Wellenlänge des Sendesignals sowie aus dem kleinsten Signal, das noch verarbeitet werden kann.

Da der Radarquerschnitt eines Zieles aber keineswegs konstant ist, sondern sehr stark vom Anstrahlwinkel abhängt, schwankt auch die Größe des Echosignales schon am Empfängereingang. Im Empfänger selbst wird das Signal noch mit dem Rauschen des Empfängerkreises überlagert. Dadurch werden die Schwankungen eines Echosignales noch weiter vergrößert.

 

 

Den Anstrahlwinkel beeinflussen

 

-Brechung (Refraktion)

-Streuung (Dispersion)

-Spiegelreflexion

-diffuse Reflexion

-Totalreflexion

-Beugung

-Absorption (Energie wird in Wärme umgesetzt - Funktionsweise einer heimischen Mikrowelle, optimale Frequenz hierfür ist meine ich mich zu erinnern 2,43Ghz )

 

 

Zum Auflösungsvermögen einer Radaranlage bestimmend ist die Dauer eines Impulses. Kurze Impulse ermöglichen in radialer Richtung eine Zieltrennung bei kleinem Abstand. Je kürzer der Impuls, um so besser die Tiefenauflösung.

Neben der Tiefenauflösung gibt es noch die Winkelauflösung.

Sie legt fest, wie nahe zwei Ziele in gleicher Entfernung aber unterschiedlicher Peilung liegen dürfen.

 

Nun zum Thema verschiedene Aufgabengebiete:

 

Mitnichten müssen sich Lfz/Schiffs/ATM/Wetterradaranlagen unterscheiden. So gibt es Kombinationsradaranlagen, die viele Zwecke erfüllen können. Ein Beispiel ist das AN/APS-134 von Raytheon/Texas Instruments welches sich u.a. an Bord deutscher MPA's befindet.

Durch verschieden Sendefrequenzen, Sendeleistungen, Antennenumdrehungen, Impulsfolgefrequenzen, Pulskompression und Integration von Sekundärradarinformationen in der Primärradardarstellung sowie einer äußerst komplexen Signalaufbearbeitungs und Recheneinheit lassen sich nahezu alle Aufgabengebiete von Radar in eine einzige Anlage integrieren.

 

Weiterführende Infos und Formeln gibt es hier:

 

http://www.itnu.de/radargrundlagen/top.html

 

 

 

 

Gruß Dennis

[Stefan Bergert]

Hallo Dennis!

 

Danke für die ausführliche Antwort!

 

Also reflektiert jeder Stoff die EM-Wellen, nur Metall halt am Besten (warum auch immer...viell. irgendwas mit der Gitterstruktur der Atome).

 

Wenn die Welle wieder reflektiert wird und nicht irgendwie ins Objekt "reinkommt" (a la Antenne), spielt die stromleitende Eigenschaft von Metall ja nur eine untergeordnete Rolle, viel wichtiger bei Reflektionen ist ja z.B. die Dichte der Atome und deren Bereitschaft zu schwingen.

 

Wieder was gelernt :-) ,

Stefan