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12-2012

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HF-Praxis 12-2012

Messtechnik

Messtechnik geometrischen Querschnitts, und es ergeben sich somit schwächere Reflexionen. Der geometrische Querschnitt (A) legt fest, wieviel der übertragenen Radarenergiedichte (W/m²), die auf dem Ziel einfällt (S Incident ), vom Ziel aufgefangen wird (P Intercepted ), und zwar nach folgender Gleichung: 2. Reflexionsvermögen Das Reflexionsvermögen (Reflectivity) bezieht sich auf den Anteil der aufgefangenen Energie, der durch das Ziel reflektiert wird, ungeachtet der Richtung. Radarenergie wird nicht zwangsläufig gleichmäßig von allen Teilen eines Flugzeugs reflektiert. Einige Flugzeugbaugruppen erzeugen stärkere Radarreflexionen, andere dagegen schwächere. Außerdem wird ein Teil der Radarenergie üblicherweise vom Ziel absorbiert. Diese Absorbierung trifft besonders auf Flugzeuge zu, die mit speziellen Substanzen beschichtet sind, die als Radar Absorbent Materials (RAM) bezeichnet werden, bzw. auf solche, die innen liegende Reflektoren – sogenannte Radar Absorbent Structures (RAS) – verwenden, welche eintretende Radarwellen abfangen. Dennoch ist die Energie, die rückgestrahlt oder gestreut wird, nachdem sie vom Ziel reflektiert wurde, gleich der aufgefangenen Energie, abzüglich des wie auch immer gearteten Anteils der Energie, die vom Ziel absorbiert wurde. Reflexionsvermögen wird als das Verhältnis der vom Ziel gestreuten Energie (P Scatter ) zur vom Ziel aufgefangenen Energie (P Intercepted ).definiert. 3. Bündelung, Richtfaktor Der Richtfaktor (Directivity) bezieht sich auf das Reflexionsvermögen, betrifft aber die Energie, die in Richtung des übertragenden Radars rückgestreut wird. Die in Richtung des Radars reflektierte Energie bezeichnet man als rückgestreute Energie (P Backscatter ). Wir haben bereits angemerkt, dass Radarenergie nicht gleichmäßig reflektiert wird. Vielmehr wird der Richtfaktor als das Verhältnis der in Richtung des Radars rückgestreuten Energie zu derjenigen Energie definiert, die in diese Richtung rückgestreut worden wäre, wenn die Rückstreuung tatsächlich gleichmäßig in alle Richtungen erfolgen würde. Wenn die Rückstreuung der Radarenergie gleichmäßig erfolgen würde, würde sie auf der Oberfläche einer Kugel verteilt werden und sich gleichmäßig vom Ziel aus in alle Richtungen ausbreiten. Ein solches Verhalten nennt man isotrope Ausdehnung. Isotrope Energie (P Isotropic ) wird als die Energie definiert, die in einer exakten Kugel über einen Einheitsraumwinkel dieser Kugel rückgestrahlt wird, wie in folgender Gleichung dargestellt: Es wurde bereits erwähnt, dass die von einem Ziel reflektierte Energie in einigen Richtungen viel höher sein kann, als in anderen. Im Ergebnis wird diese reflektierte Energie viel höher bzw. viel geringer als die isotropische Energie sein, abhängig davon, wie das Ziel in Bezug auf das übertragende Radar ausgerichtet ist. Der Richtfaktor wird daher weit größer als 1 betragen, wenn das Ziel eine starke Rückstreuung in Richtung des Radars vornimmt. Er wird weit kleiner als 1 sein, wenn die Rückstreuung gering ist. Diese drei Faktoren können kombiniert werden, um den gesamten Radarstreuquerschnitt (σ) für ein Ziel zu bestimmen. Bild 3 Bild 3 und 4 zeigen, dass der RCS nicht gleich der geometrischen Fläche ist. Im Falle einer Kugel beträgt der RCS σ = π r s ², wobei r s der Radius der Kugel ist. Der RCS einer Kugel ist tatsächlich frequenzunabhängig, wenn mit ausreichend hohen Frequenzen gearbeitet wird, wobei λ 15 λ), und ? 15 λ). Experimentell wird das von einem Ziel reflektierte Radarecho mit dem Radarecho verglichen, das von einer Kugel reflektiert wird, die eine Querschnitts- oder Projektionsfläche von 1 m² (d.h. einen Durchmesser von ca. 44 Zoll hat). Hierbei verwendet man die im Bereich der Feld- oder Labormessungen vorhandenen Kugelform-Hilfsmittel, da die Ausrichtung bzw. Positionierung der Kugel die Messung der Radarreflexionsintensität nicht beeinträchtigt, wie das bei einem Glattblech der Fall wäre. In geeichtem Zustand können andere Quellen (Zylinder, Glattblech oder Eckreflektor usw.) für Vergleichsmessungen verwendet werden. Ziele, wie z.B. Schiffe und Flugzeuge, haben oft mehrere virtuelle Eckpunkte. Eckpunkte werden oftmals als Eichobjekte oder als Köder genutzt, d. h. als Winkelreflektoren. Ein Flugzeug ist als Ziel sehr komplex. Es verfügt über eine Vielzahl an reflektierenden Elementen und Formen. Der RCS eines 28 hf-praxis 12/2012

Messtechnik Bild 4 real existierenden Flugzeuges muss durch Messen ermittelt werden. Er schwankt erheblich, und zwar in Abhängigkeit von der Richtung, aus der das Radar anstrahlt. Bild 5 zeigt ein typisches RCS-Diagramm eines Düsenflugzeugs. Das Diagramm ist ein Azimutschnitt, der bei einer Elevation von 0° (auf dem künstlichen Horizont des Flugzeugs) erstellt wurde. Innerhalb des normalen Radarfrequenzbereichs von 3-18 GHz schwankt das Radarecho eines Flugzeugs in einer vorgegebenen Richtung um ein paar dB, da Frequenz und Polarisation variieren (Der RCS kann sich um einen Faktor von 2-5 ändern). Er variiert nicht so stark wie das Glattblech. Wie in Bild 5 dargestellt, ist der RCS am Triebwerkstrahl des Flugzeugs am größten. Dies ist auf den großen physischen Bereich, der durch den Radar abgetastet wird und auf den lotrechten Aspektwinkel zurückzuführen (zunehmendes Reflexionsvermögen). Der nächste Maximalwert des RCS wird im Bereich der Flugzeugnase/ des Flugzeughecks erreicht, vor allem auf Grund von Reflexionen, die von den Motoren oder den Triebwerkstrahlen verursacht werden. Die meisten Selbstschutzstörsender decken ein Gesichtsfeld von ±60° über Flugzeugnase und Flugzeugheck ab, daher wird der hohe RCS am Triebwerkstrahl nicht vom Störsender abgedeckt. Der Triebwerkstrahl wird Bild 5: Konzept des Radarquerschnittes Tabelle 1: Klassische Werte für den Radarstreuquerschnitt (6) häufig nicht abgedeckt, da nicht in ausreichendem, Maße Energie zur Verfügung steht, um alle Quadranten des Flugzeugs erfassen zu können. Die Seite eines Flugzeugs ist theoretisch einer Bedrohung von 30% der Zeit, über den Durchschnitt aus allen Szenarien hinweg gesehen, ausgesetzt. Der RCS kann auch in Dezibel, bezogen auf einen Quadratmeter, ausgedrückt werden (dBsm). Die vom Ziel reflektierte Energie ist proportional zu seinem Radarstreuquerschnitt. Tarnkappenflugzeuge und Insekten haben einen negativen Radarstreuquerschnitt, gemessen in dBsm, große Glattbleche oder nicht getarnte Flugzeuge haben positive Werte. RCS-Werte können sehr irreführend sein, da die Ergebnisse auch durch andere Faktoren beeinflusst werden können. Zum Beispiel beeinträchtigen Oberflächenunebenheiten, Phasenunterschiede, Polarisationen, und Materialart die Ergebnisse in großem Maße. In der o.g. Gleichung kann im Beispiel eines klassischen Bombenflugzeugs der gemessene Wert für den RCS unter bestimmten Umständen (90°, 270°) weit über 1000 m² betragen. Radarreichweitengleichung Die Radarreichweitengleichung liefert eine sehr nützliche mathematische Beziehung, wenn man sowohl den Bedarf als auch die Effektivität der Bemühungen zur Änderung des Streuquerschnitts eines Radarziels bewerten möchte. In ihren verschiedenen Formen trägt die Radarreichweitengleichung zur Berechnung bei von: • Parametern für Radarsysteme • Parametern von Zielen • Hintergrundeffekten (Stördaten, Rauschen, Interferenz und elektronische Störmaßnahmen) • Ausbreitungseffekten (Reflexion, Brechung und Beugung) • Ausbreitungsmedium (Absorption und Streuung) Die Radarreichweitengleichung zeigt, dass die empfangene Energie eine direkte Funktion der übertragenen Energie, der Antennengewinne der übertragenden und empfangenden Transmitter, der Frequenz (Wellenlänge) und des RCS ist und dass sie indirekt proportional zur vierten Potenz der Entfernung zwischen Ziel und Empfangsantenne ist. Bild 6 illustriert das physikalische Konzept und das Ersatzschaltbild für ein Ziel, das von einem monostatischen Radar angestrahlt wird (Sender und Empfänger nebeneinander liegend). Ähnlich wie bei einer Empfangsantenne fängt ein Radarziel auch einen Teil der Energie auf, reflektiert sie aber (d. h. sendet sie aus) in Richtung des Radars. Kurz gesagt, der Betrag der Energie, die in Richtung hf-praxis 12/2012 29

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