Kohärentes Radar


Kohärentes Radar

Als kohärentes Radar wird ein Impulsradarsystem bezeichnet, welches mit stabilem Phasenbezug zwischen den einzelnen Sendeimpulsen arbeitet. Dieser stabile Phasenbezug ist nötig, um vergleichende Analysen zwischen den einzelnen Impulsfolgen herstellen zu können. Diese Vergleiche sind wiederum notwendig, um mit Hilfe der Dopplerfrequenz störende Echos von Festzielen wie Geländeerhebungen, Vegetation und Bebauung von den Echos von bewegten Zielen (Schiffe oder Flugzeuge) unterscheiden zu können.

Es gibt drei verschiedene Radargerätekonzepte:

  • nicht kohärentes Radar
  • voll kohärentes Radar
  • pseudokohärentes Radar.

Inhaltsverzeichnis

Nicht kohärentes Radar

Nicht kohärente Sendeimpulse: Jeder Sendeimpuls beginnt mit einer zufälligen Phasenlage.

Selbstschwingende Senderoszillatoren haben eine von Impuls zu Impuls zufällige Phasenlage und sind deshalb nicht kohärent. Jeder Sendeimpuls eines nicht kohärenten Radargerätes beginnt mit einer anderen Phasenlage. Nicht kohärente Radargeräte werden heute noch als Schiffsradar eingesetzt. Die bewegte Wasseroberfläche (sea clutter) erschwert eine Bewegtzielerkennung. Bewegtziele werden bei Schiffsradargeräten im Zielextraktor durch digitale Filter erkannt. Hierzu werden statistische Verfahren und Verfahren der nichtlinearen Dynamik eingesetzt.

Für Radargeräte die bewegte Landfahrzeuge oder Luftfahrzeuge erkennen sollen, erfolgt die Bewegtzielerkennung durch Vergleich der Phasenlage von mindestens zwei Echosignalen (Puls-pair processing). Das Echo eines unbewegten Objektes hat immer die gleiche Phasenlage zum aktuellen Sendeimpuls. Bewegte Ziele, welche sich mit einer Radialgeschwindigkeit zur Radaranlage bewegen, liefern unterschiedliche Phasenlagen bei aufeinanderfolgenden Messungen. Ein nicht kohärentes Radar kann diese Phasenlage nicht sinnvoll miteinander vergleichen und somit bewegte Ziele nicht von Festzielen unterscheiden.


Voll kohärentes Radar

Kohärenz: Jeder Sendeimpuls hat einen festen Phasenbezug zu einer Dauerstrichfrequenz

Waveform-Generatoren kleiner Leistung mit anschließender Hochleistungsverstärkung bewirken eine konstante Phasenlage zwischen den Sendeimpulsen, also eine Kohärenz! Die Sendefrequenz wird aus einem stabil und andauernd schwingenden Muttergenerator erzeugt. Die Modulation der Leistungsendstufe des Senders beeinträchtigt nicht die Phasenlage des Sendeimpulses. Wenn angenommen wird, dass auch die Impulsfolgefrequenz (PRF) aus der Frequenz des Muttergenerators abgeleitet wird (und das ist in den meisten Geräten der Fall), dann startet wirklich jeder Sendeimpuls mit der gleichen Phasenlage. Radargeräte, bei denen die Phasenlage so stabil ist, werden voll kohärent genannt. Für manche Anwendungen ist diese starre Phasenlage eigentlich nicht notwendig, Bedingung ist nur, dass ein Kohärenzoszillator eine phasenstabile Dauerschwingung liefert und jeder Sendeimpuls eine Phasenlage synchron zu der Schwingung des Kohärenzoszillators hat.


Pseudokohärentes Radar

Pseudokohärente Radargeräte werden manchmal auch „kohärent auf dem Empfangsweg (coherent-on-receive radar)“ genannt. Bei einem pseudo-kohärenten Radar schwingt zwar der Sender ebenso wie ein nichtkohärentes Radar mit zufälliger Phasenlage. Mit dem Sendeimpuls wird ein freischwingender, aber sehr stabiler Kohärentoszillator synchronisiert, der dann während der Empfangszeit mit der aktuellen Phasenlage des Senders weiterschwingt, bis der nächste Sendeimpuls ihn auf eine neue Phasenlage zwingt.

Da bei einer Modulation und der Demodulation die Phasenlage erhaltenbleibt, braucht der Kohärentoszillator nicht auf der Sendefrequenz zu arbeiten, sondern er kann auf einer geringeren Zwischenfrequenz, die ja bei einem Überlagerungsempfänger ohnehin verwendet wird, schwingen. Dieser Kohärentoszillator wird durch die Phasenlage des Sendesignals zwangssynchronisiert und liefert so die Referenzphase für den Phasendiskriminator. Somit wird für die Dauer der Empfangszeit die Phasenlage des letzten Sendeimpulses erhalten.

Eine zweite Möglichkeit der Speicherung der Phasenlage des Senders ist, den Sendeimpuls auf eine Verzögerungsleitung (Verzögerungszeit ist gleich der Impulsdauer des Sendeimpulses) zu schicken und durch Rückkopplung somit eine Dauerschwingung auf der Sendefrequenz zu erzeugen. Auch dieses Signal hat, weil es ja vom Sendeimpuls direkt abstammt, die gleiche Phasenlage wie der Sendeimpuls. Dieses Verfahren wird noch in vielen älteren Radargeräten, die mit einem selbstschwingenden Hochleistungsoszillator arbeiten, angewendet.


Blockschaltbild pseudo.png
Blockschaltbild eines pseudokohärenten Radars

Arbeitsweise

Der Synchronisator liefert die Zeitreferenz für die Entfernungsmessung. Alle zeitkritisch arbeitenden Baugruppen erhalten Synchronisationsimpulse. Der Modulator stellt für die Sendezeit die Hochspannung für die Senderöhre, meist ein Magnetron, bereit. Der Duplexer schaltet für die Sendezeit die Antenne an den Sender und in der Empfangszeit an den Empfänger.

Zwischen dem Sender und dem Duplexer wird ein kleiner Teil der Sendeenergie ausgekoppelt, um die Automatische Frequenzkontrolle (AFC) zu steuern und um die Phaseninformation für den Kohärentoszillator zu erhalten. Dieser HF-Anteil wird wie im Empfänger auf die Zwischenfrequenz heruntergemischt. Bei der Mischung bleibt die Phaseninformation erhalten.

Der Kohärentoszillator schwingt hochstabil auf der Zwischenfrequenz, wird aber zur Zeit des Sendeimpulses durch diesen zwangssynchronisiert. Während der Empfangszeit schwingt der Kohärentoszillator mit der Phasenlage des letzten Sendeimpulses weiter und stellt für die Phasendetektor eine Referenzfrequenz und die Referenzphase zur Verfügung.

Nachteile

Die Nachteile des pseudokohärenten Radarverfahrens können folgendermaßen zusammengefasst werden:

  • Der Synchronisationsvorgang des Kohärentoszillators kann nicht so genau wie bei einem vollkohärenten Radargerät sein. Das reduziert die Erkennbarkeit langsam fliegender Flugzeuge.
  • Mit dieser Technologie können kaum Frequenzwechsel durchgeführt werden. Ein Frequenzwechsel mit einem Magnetron erfordert mechanische Änderungen der Resonatoren.
  • Dieses System ist unflexibel und kann kaum größere Änderungen der PRF, der Sendeimpulsdauer oder anderer Parameter realisieren. Solche Änderungsmöglichkeiten bleiben dem voll kohärenten Radargerät vorbehalten, welches diese Änderungen schon in Baugruppen mit geringem Leistungsaufkommen vornimmt. Eine Frequenzmodulation des Sendesignals (wie bei dem Pulskompressionsverfahren) ist ebenfalls unmöglich.
  • Überreichweiten von Festzielen haben noch den Phasenbezug des vorletzten Sendesignals. Da der Kohärentoszillator aber schon mit der nächsten (zufälligen) Phasenlage arbeitet, können sie nicht mehr als Festziele erkannt werden. Sie sind deshalb bei dem pseudokohärenten Radarverfahren immer als Störung auf dem Sichtgerät sichtbar.

Literatur

  • Renato Croci, „Coherent-on-Receive Systems“, a brief overview, 28. Dezember 2003

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