Radartechnik: Grundlagen, Bauelemente, Verfahren, Anwendungen

201 Pages·1989·7.32 MB·German

by  Dr.-Ing.

~acluichtentechrrik
Herausgegeben von H. Marko
Band 18
Jiirgen Detlefsen
Radartechnik
Grundlagen, Bauelemente,
Verfahren, Anwendungen
Mit 121 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York
London Paris Tokyo Hong Kong 1989
Dr.-lng., Dr.-lng. habil. JURGEN DETLEFSEN
Universitatsprofessor, Lehrstuhl fUr Hochfrequenztechnik,
Technische Universitat Miinchen
Dr.-lng., Dr.-lng. E. h. HANS MARKO
Universitatsprofessor, Lehrstuhl fUr Nachrichtentechnik
Technische Universitat Miinchen
ISBN-13: 978-3-540-50260-9 e-ISBN-13: 978-3-642-83600-8
DOl: 10.1007/978-3-642-83600-8
CIP-Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Detlefsen, Jiirgen:
Radartechnik: Grundlagen, Bauelemente, Verfahren, Anwendungen 1 Jiirgen Detlefsen.
Berlin; Heidelberg; New York ; London; Paris; Tokyo; Hong Kong: Springer, 1989.
(Nachrichtentechnik ; Bd. 18)
NE:GT
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1989
Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 1989
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Zur Buchreihe "Nachrichtentechnik"
Die Nachrichten-oder Informationstechnik befindet sich seit vielen Jahrzehnten in
einer stetigen, oft sogar stiirmisch verlaufenden Entwicklung, deren Ende derzeit noch
nicht abzusehen ist. Durch die Fortschritte derTechnologie wurden ebenso wie durch
die Verbesserung der theoretischen Methoden nicht nur die vohandenen Anwendungs
gebiete ausgeweitet und den sich stets andernden Erfordernissen angepa13t, sondern
auch neue Anwendungsgebiete erschlossen.
Zu den klassischen Aufgaben der Nachrichteniibertragung und der Nachrichten
vermittlung sind die Nachrichtenverarbeitung und die Datenverarbeitung hinzu
gekommen, die viele Gebiete des beruflichen und des privaten Lebens in zunehmen
dem Ma13e verandern. Die Bediirfnisse und M6glichkeiten der Raumfahrt haben
gleicherma13en neue Perspektiven er6ffnet wie die verschiedenen Alternativen zur
Realisierung breitbandiger Kommunikationsnetze. Neben die analoge ist die digitale
Ubertragungstechnik, neben die klassische Text-, Sprach-und Bildiibertragung ist die
Dateniibertragung getreten. Die Nachrichtenvermittlung im Raumvielfach wurde
durch die elektronische zeitmultiplexe Vermittlungstechnik erganzt. Satelliten- und
Glasfasertechnik haben zu neuen Ubertragungsmedien gefUhrt. Die Realisierung
nachrichtentechnischer Schaitungen und Systeme ist durch den Einsatz von Elektro
nenrechnern sowie durch die digitale Schaltungstechnik erheblich verbessert und er
weitert worden. Die rasche Entwicklung der Halbleitertechnologie zu immer h6heren
Integrationsgraden erschlie13t neue Anwendungsgebiete besonders auf dem Gebiet der
digitalen Technik.
Die Buchreihe "Nachrichtentechnik" tragt dieser Entwicklung Rechnung und bietet
eine zeitgema13e Darstellung der wichtigsten Themen der Nachrichtentechnik an. Die
einzelnen Bande werden von Fachleuten geschrieben, die auf den jeweiligen Gebieten
kompetent sind. Jedes Buch soli in ein bestimmtes Teilgebiet einfUhren, die wesent
lichen heute bekannten Ergebnisse darstellen und eine Briicke zur weiterfUhrenden
Spezialliteratur bilden. Dadurch soli es sowohl dem Studierenden bei der Einarbeitung
in die jeweilige Thematik als auch dem im Beruf stehenden Ingenieur oder Physiker als
Grundlagen- oder Nachschlagewerk dienen. Die einzelnen Bande sind in sich abge
schlossen, erganzen einander jedoch innerhalb der Reihe. Damit ist eine gewisse Uber
schneidung unvermeidlich,ja sogar erforderlich.
Die derzeitige Planung der Reihe umfa13t die mathematischen Grundlagen, die Bau
gruppen und Systeme sowie die Technik der Signalverarbeitung und der Signaliiber
tragung; eine Erganzung bildet die Me13technik (siehe Schema nachste Seite).
Herausgeber und Verlag danken fUr aile Anregungen zur weiteren Ausgestaitung
dieser Reihe. Die freundliche Aufnahme in der Fachwelt hat die Richtigkeit der Idee, das
sich schnell entwickelnde Gebiet der Nachrichtentechnik oder Informationstechnik in
einer Buchreihe darzustellen, bestatigt.
Miinchen, im Friihjahr 1989 H. Marko
VI
Bisher erschienene Bande der Buchreihe » Nachrichtentechnik«
Mathematische Band 1: Methoden der Systemtheorie (H. Marko)
Grundlagen
Band 4: Numerische Berechnung linearer Netzwerke
und Systeme (H. Kremer)
Band 7: Grundlagen digitaler Filter (R. Lilcker)
Band lO: Grundlagen der Theorie statistischer Signale
(E. Hansler)
Band 15: Ubungsbeispiele zur Systemtheorie
(1. Hofer-Alfeis)
Band 20: Mehrdimensionale lineare Systeme
(R.Bamler)
Baugruppen Band 3: Bau hybrider Mikroschaltungen
und Systeme (E. Lilder, vergriffen)
Band 8: Nichtlineare Schaltungen (R. Elsner)
Signal- Band 5: Proze13rechentechnik (G. Farber)
verarbeitung
Band 12: Sprachverarbeitung und Sprachilbertragung
(K. Fellbaum)
Band 13: Digitale Bildsignalverarbeitung (F. Wahl)
Band 19: Wissensbasierte Bildverarbeitung
(c.-E. Liedtke, M. Ender)
Signal- Band 2: Fernwirktechnik der Raumfahrt (P. Hartl)
ilbertragung
Band 6: Nachrichtenilbertragung ilber Satelliten
(E. Herter, H. Rupp)
Band 11: Bildkommunikation (H. Schonfelder)
Band 14: Digitale Ubertragungssysteme
(G. Soder, K. Trondle)
Band 16: Lichtwellenleiter fUr die optische
Nachrichtenilbertragung (S. Geckeler)
Band 17: Optische Ubertragungssysteme mit Uber-
lagerungsempfang (1. Franz)
Band 18: Radartechnik (1. Detlefsen)
Erganzung Band 9: Nachrichten-Me13technik (E. Schuon, H.Wolf)
Vorwort
Seit der Anmeldung des Patents "Verfahren, um entfernte metaIIische Gegenstande
mittels elektrischer Wellen einem Beobachter zu melden" durch den Deutschen
Christian Hiilsmeyer im Jahre 1904 sind iiber 80 Jahre vergangen, in der die
Radartechnik zunachst eine z6gernde, ab 1930 aber eine rapide Entwicklung nahm,
stets unter Einbeziehung aber auch bedingt durch neueste theoretische Erkenntnisse
und verrugbare Technologien. Diese Entwicklung ist auch heute noch nicht
abgeschlossen. Man kann aber sagen, daB der erreichte Stand der Technik soweit
fortgeschritten ist, daB sich die Grundlagen nur noch wenig andern. Eine Darstellung
dieser Grundlagen ist auch insofern eine reizvolle Aufgabe, weil ein Querschnitt iiber
sehr viele Bereiche der Elektrotechnik und Informationstechnik hinweg behandelt
werden muB, der dem Leser eine iibergreifende Gesamtschau vermitteln kann.
In diesem hier vorliegenden Band der Reihe "Nachrichtentechnik" werden diese
Grundlagen der Radartechnik beschrieben, und damit die wesentIichen Verfahren der
heutigen Radartechnik dargestellt. Es wird versucht, dies mit einem m6glichst
geringen Aufwand an mathematischen Hilfsmitteln zu tun, die nur dort herangezogen
werden, wo sie rur eine klarere Beschreibung erforderlich sind. Uber diese
Aufgabenstellung hinaus werden auch Grundlagen behandeJt, die der Verfasstr rur
die Entwicklung der Radartechnik in der Zukunft als wesentlich betrachtet. Das gilt
vor allem rur die Anwendung von Radarverfahren im Bereich der Fernerkundung, wo
bereits heute abbildende Verfahren eine groBe Rolle spielen, die sich zu einem
wichtigen Anwendungsgebiet entwickeln werden. In diesem Zusammenhang werden
in Kapitel 9 das Seitensichtradar mit synthetischer Apertur (SAR) behandeJt, mit dem
groBe Bereiche der Erdoberflache landkartenahnlich dargestellt werden k6nnen.
Kapitel 10 liefert dann die wichtigen theoretischen Grundlagen der
Mikrowellenabbildung, mit denen die bekannten abbildenden Verfahren eingeordnet
werden k6nnen, aber auch die Leistungsfahigkeit neuer Verfahren abgeschatzt
werden kann.
VIII Vorwort
Der InhaIt des Buches entspricht in wesentlichen Teilen einer an der TU Munchen
gehaItenen Vorlesung uber Funkortung und Funknavigation. Es ist als vorJe
sungsbegleitendes Buch konzipiert, aber auch als Einfuhrung fur denjenigen, der mit
der Radartechnik erstmals in Beriihrung kommt und sich in dieses umfangreiche
Fachgebiet einarbeiten muB.
Mein Dank gilt den Studenten, die durch kritisches Hinterfragen und zahlreiche
Disk.L1ssionen dazu beigetragen haben, daB eine didaktisch abgerundete Darstellung
erreicht worden ist. Mein Dank gilt auch Herrn Prof. Dr.-Ing. H. Groll und den
Mitarbeitern des Lehrstuhls fur Mikrowellentechnik, die durch zahlreiche Hinweise,
Diskussionen, und durch VersHindnis fur die in Zusammenhang mit der Erstellung
dieses Buchs aufgetretenen Belastungen zur Vollendung dieses Buchs beigetragen
haben. Weiterhin sei bemerkt, daB dieses Buch nicht ohne die Unterstutzung und
Geduld von Seiten meiner Frau und der ganzen Familie zustandegekommen ware.
Berg bei Munchen, im Februar 1989 1. Detlefsen
Inhaltsverzeichnis
1 Einfiihrung ................................................................................. 1
1.1 Aufgaben ................................................................................. 1
1.2 Prinzip .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2
1.3 Geschichte ................................................................................ 4
1.4 Anwendungen ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4
1.5 Frequenzbereiche ......................................................................... 6
Literatur zu Kapitel 1 ......................................................................... 9
2 Grundlagen der Radartechnik 10
2.1 Radargleichung .......................................................................... 10
2.2 Kohiirentes und nichtkohiirentes Pulsradar ................................................ 13
2.3 Entfernungsbestimmung .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 18
2.4 Winkelmessung .......................................................................... 22
2.5 Ausbreitungseigenschaften tiber der Erdoberfliiche ........................................ 23
2.5.1 Ausbreitungsgeschwindigkeit .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 23
2.5.2 Radarhorizont ...................................................................... 23
2.5.3 Reflexionen an der Erdoberfliiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 24
2.6 Antennen ................................................................................ 26
2.6.1 Grundlagen ......................................................................... 26
2.6.2 Berechnung des Fernfeldes einer eben en Apertur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28
2.6.3 Strahlungsfeld eines rechteckformigen Hornstrahlers .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 32
2.6.4 Richtcharakteristik von Reflektorantennen ........................................... 34
2.6.5 Richtcharakteristik einer Schlitzantenne .............................................. 35
2.6.6 Elektronisch gesteuerte Gruppenantennen ..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 36
2.7 Radarriickstreufliiche .................................................................... 40
2.7.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .. 40
2.7.2 Riickstreufliichen einfacher Karper .................................................. 41
2.7.3 Riickstreufliichen allgemeiner Karper ................................................ 44
2.7.4 Radarstreumatrix ......... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 45
2.8 Detektionsvorgiinge ...................................................................... 46
2.8.1 Wahrscheinlichkeitsdichten .......................................................... 47
2.8.2 Detektion von Radarsignalen ........................................................ 48
x
I nhaltsvcrzcichnis
Literatur zu Kapilcl 2 ........................................................................ 55
3 Radarkomponenten und Baugruppen ................................................ S6
3.1 Wellenleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 56
3.1.1 Hohlleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 56
3.1.2 Obrige Wellcnlciter ................................................................. 57
3.2 Lcistungssender und Leistungsverstarker .................................................. 58
3.2.1 Mikrowellcnrohren .................................................................. 58
3.2.2 Mikrowcllenhalbleiter ............................................................... 61
3.3 Mischer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 66
3.4 Verstarker ............................................................................... 70
3.4.1 Rauscheigenschaften ................................................................ 70
3.4.2 Transistorvcrstiirker ................................................................. 73
Literatur zu Kapitel 3 ........................................................................ 75
4 Dauerstrichradar 77
4.1 Dopplerradar ............................................................................ 77
4.2 Dauerstrichradar mit Frcquenzmodulation ................................................ 82
4.3 Anwendungen des Dauerstrichradars ..................................................... 85
4.3.1 Hohenmesser fUr F1ugzeuge ......................................................... 85
4.3.2 Dopplernavigator fiir Flugzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 86
Literatur zu Kapitel 4 ........................................................................ 90
5 MTI-und PuIs-Doppler-Radar ........................................................ 91
5.1 Aufgaben und Untcrschcidung . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 91
5.2 MTI-Radar .............................................................................. 93
5.3 MTI-Radar mit Entfernungstoren und FiItern ............................................. 97
5.4 Puis-Doppler-Radar .................................................................. '" 98
5.5 Anforderungen und Qualitiitskriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 103
Literatur zu Kapitel 5 ....................................................................... 106
6 Verfolgungsradar ....................................................................... 107
6.1 Grundsiitzliches ......................................................................... 107
6.2 Sequentielle Mehrkeulenbildung ......................................................... 108
6.3 Kegelabsuchen .......................................................................... 108
6.4 Monopulsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 109
6.5 Nachfiihrung in der Entfernung .......................................................... 112
Literatur zu Kapitel 6 ....................................................................... 115
7 Digitale Radarsignalverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.1 Strukturdiagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 116
7.2 Digitale Signalverarbeitung beim Puls-Doppler-Radar .................................... 117