12-2012

Messtechnik
Fällen auch Polarisierung und Phaseneigenschaften, entwickelt.
Dieses rasante Wachstum im Bereich der RCS-Technologie hat auf
Grund der zunehmenden Nutzung von Radartechnik im gewerblichen
Bereich und in militärischen Einrichtungen stattgefunden.
Allgemein lautet die Zielstellung für den Einsatz im gewerblichen
Bereich, die Radarreflexion zu verbessern, wogegen es beim Einsatz
im militärischen Bereich darauf ankommt, die Radarreflexion
zu verringern. Ebenso sind Klassifizierung und Erkennung wichtig
für militärische Zwecke, da, bei schlechten Witterungsverhältnissen,
ein Radar das einzige Mittel sein kann, das in der Lage ist,
feindliche Ziele von befreundeten zu unterscheiden.
Der Radarstreuquerschnitt – Was ist das?
Das Messen des Radarstreuquerschnitts von sowohl einfachen als
auch komplexen Zielen ist ein schwieriges und anspruchsvolles
elektromagnetisches Problem, das bereits seit der Erfindung des
Radars besteht. Obwohl die Gesetzmäßigkeiten der elektromagnetischen
Theorie gut entwickelt sind, resultiert die Anwendung
dieser Gesetzmäßigkeiten für eine Prognostizierung des RCS
oftmals in komplexen und umfangreichen Berechnungen. Daher
besteht immer Bedarf darin, Theorien zu überprüfen bzw. zu validieren
oder Vorhersagen zu verifizieren. Solche Prozesse werden
am besten durch Prüfbereichsmessungen ausgeführt.
In einfachen Worten ausgedrückt, ist der Radarstreuquerschnitt
eines Ziels der projizierte Bereich einer elektrisch großen und ideal
leitenden Metallkugel, die die gleiche Energie in dieselbe Richtung
streuen würde, wie die des Ziels. Mit dem Begriff „elektrisch
groß” ist eine Kugel gemeint, die mindestens einen Durchmesser
von mehreren Wellenlängen hat, und einen projizierten Bereich
von πa 2 erzeugt, wobei a der Kugelradius ist. Die Reflexionen der
meisten Ziele variieren erheblich mit dem sich ändernden Aspektwinkel
und der Frequenz, die Reflexion einer elektrisch großen
Kugel ändert sich kaum.
Wenn ein Ziel durch eine elektromagnetische Welle illuminiert
wird, wird ein Teil der Energie wieder in alle Richtungen abgestrahlt.
Die räumliche Verteilung dieser Energie hängt von Größe,
Form und Zusammensetzung des Ziels ab, zudem von der Frequenz
und der Beschaffenheit (der Polarisation) der einfallenden Welle.
Diese Energieverteilung in Richtung und Menge wird Streuung
genannt, und beim Ziel als solchem wird oft vom „Streustrahler“
gesprochen.
Radarstreuquerschnitt (RCS)
Als bistatische Streuung bezeichnet man eine Situation, wenn die
Streuung nicht in Richtung „zurück zur Strahlungsquelle” erfolgt.
Eine Vorwärtsstreuung liegt also dann vor, wenn der bistatische
Winkel 180° beträgt. Man spricht von monostatischer Streuung,
wenn Empfänger und Strahlungsquelle an derselben Stelle liegen,
wie das bei einem Einzelradar der Fall ist. Dieser Fall wird
zu einem späteren Zeitpunkt unter Verwendung eines tragbaren
Vektornetzwerkanalysators MS2038C von Anritsu untersucht.
Offensichtlich als Nebenerscheinung der Antennenforschung und
-konstruktion wird diese räumliche Verteilung der gestreuten Energie
bzw. gestreuten Leistung durch einen Querschnitt gekennzeichnet,
ein fiktives flächiges Objekt des Ziels. Eine Antenne wird oft so
betrachtet, als hätte sie eine „Nutzflächen-Apertur“, die Energie
aus der einfallenden Funkwelle extrahiert. Die an den Endgeräten
der Empfangsantenne zur Verfügung stehende Leistung kann als
das Produkt aus der einfallenden Energiedichte und einer Nutzfläche,
die dieser Energie ausgesetzt ist, dargestellt werden. Die
durch ein Radarziel reflektierte bzw. gestreute Energie kann als
Produkt aus einer Nutzfläche und einer einfallenden Energiedichte
Bild 2: Konzept des Radarstreuquerschnitts
ausgedrückt werden. Allgemein wird diese Fläche als Streuquerschnitt
bezeichnet. Für Richtungen außer der Rückstreuungsrichtung
zum Radar hin wird sie als bistatischer Querschnitt bezeichnet.
Wenn die Richtung gleich der Rückstreuungsrichtung zum Radar
hin ist, wird die Fläche monostatischer Rückstreuungsquerschnitt
oder auch Radarstreuquerschnitt genannt. In der Pionierzeit der
Radarforschung war die Bezeichnung Rückstrahlfläche verbreitet,
und bisweilen haben Forscher „Nutzflächen“ definiert, die
mit der Geometrie eines Glattblechs verglichen werden konnten.
Allgemein kann man sagen, dass ein Ziel aus vielen einzelnen
„Streustrahlern“ besteht. Diese Streustrahler können vektoriell
zusammengefügt werden, um ein Gesamtstreuungsfeld zu erhalten.
Da die Streuungsfelder stark vom Einfallswinkel abhängen,
schwankt der Streuquerschnitt schnell, wenn sich die Geometrie
der einfallenden Welle ändert. Daher kann festgestellt werden, dass
der Streuquerschnitt nicht konstant ist, sondern vielmehr stark von
den Winkeleigenschaften des Ziels und von der Richtung, aus der
das Ziel gesehen wird, abhängt.
Der Radarstreuquerschnitt (RCS, wie in Bild 2) ist ein Maß
für das Vermögen eines Ziels, Radarsignale in Richtung des
Radarempfängers zu reflektieren. Das heißt, es handelt sich um ein
Maß, mit dem das Verhältnis zwischen Rückstreuungsenergie in
Richtung des Radars (vom Ziel aus) und Energiedichte, die durch
das Ziel aufgefangen wird, ausgedrückt wird. Da in der Definition
von RCS die rückgestreute Energie als die auf der Oberfläche
einer Kugel verteilte Energie angenommen wird, kann ein kleiner
Teil dieser über die Fläche (4·π·r 2 ) verteilten Energie vom Radar
empfangen werden. Der Radarstreuquerschnitt wird gewöhnlich
durch den griechischen Buchstaben σ (sprich „Sigma“) dargestellt
und hat Flächenmaßeinheiten (m²). Diese Größe hängt von drei
Faktoren ab:
1. Geometrischer Querschnitt:
Der geometrische Querschnitt (Geometric Cross Section) bezieht
sich auf eine Fläche, die das Ziel für die durch das Radar übertragenen
Wellen darstellt, bzw. dessen Projektionsfläche. Diese Fläche
variiert in Abhängigkeit vom Aspektwinkel, den das Ziel gegenüber
dem Radar hat. Mit anderen Worten: Der Aspektwinkel bestimmt
die Projektion des geometrischen Querschnitts des größten Ziels,
das von der einfallenden Welle auf dem Ziel „erkannt“ wird. Ein
direkter „frontaler” Einfall auf dem geometrischen Querschnitt
erzeugt daher die größte Reflexion! Alle anderen Betrachtungswinkel
(d.h. Aspektwinkel) erkennen effektiv nur einen Teil des
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