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Die Erfindung betrifft eine Reflektoreinrichtung zur Reflexion von Radarstrahlen mit mindestens einer Reflektorgruppe, die mehrere dreiflächige Retroreflektor-Elemente (Tripel-Winkelreflektorelemente) aufweist. Die Retroreflektor-Elemente dieser Gruppe sind in einem zugeordneten Achsabschnitt einer gedachten Achse um diese Achse herum umfänglich verteilt angeordnet. Die sich aus der Ausrichtung der Flächen der Retroreflektor-Elemente ergebenen Symmetrieachsen der einzelnen Retroreflektor-Elemente dieser Reflektorgruppe liegen im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene, die senkrecht zu der gedachten Achse ausgerichtet ist. Derartige Radar-Reflektoreinrichtungen werden bei Wasserfahrzeugen, Schwimmkörpern und anderen Schwimmvorrichtungen genutzt um diese für eine Ortung mittels Radar gut sichtbar zu machen. Die Erfindung betrifft daher weiterhin eine Schwimmvorrichtung, insbesondere ein Wasserfahrzeug oder ein Schwimmkörper, mit einer derartigen Reflektoreinrichtung.
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Radargeräte werden in der Schifffahrt genutzt, um bei schlechten Sichtverhältnissen die Navigation von Schiffen zu unterstützen oder überhaupt erst zu ermöglichen. Hierzu sendet ein Radargerät einen elektromagnetischen Puls aus, welcher an den umgebenden Objekten (Schiffe, Küstenlinie) reflektiert und zum Radargerät zurückgeworfen wird. Diese Objekte werden als Radarziele bezeichnet. Abhängig von Größe und Beschaffenheit dieser Radarziele variiert die Intensität und Form des empfangenen reflektierten Pulses. Dies kann zur Folge haben, dass bestimmte Radarziele durch das Radargerät nicht angezeigt und vom Navigator infolge dessen nicht erkannt werden. Um dies zu vermeiden, werden insbesondere kleine und nichtmetallische Wasserfahrzeuge oder auch Schwimmkörper wie Bojen mit Radar-Reflektoreinrichtungen ausgestattet. Passive Reflektoreinrichtungen, wie die eingangs erwähnte Reflektoreinrichtung, beruhen auf dem Prinzip der Retroreflexion. Ein eintreffender elektromagnetischer Puls wird aufgrund der Geometrie eines solchen Retroreflektor-Elements so umgelenkt, dass ein ausreichender Anteil der Pulsleistung entgegen der Einfallsrichtung zurückgeworfen wird. Aufgrund der Mobilität des mit dem Radargerät ausgestatteten Schiffs sowie anderer Radarziele sollte eine solche Reflektoreinrichtung für möglichst viele Einfallsrichtungen des Radarpulses detektiert werden können.
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Die
WO 92/02972 A1 zeigt eine Radar-Reflektoreinrichtung mit einer Reflektorgruppe, die im gezeigten Beispiel fünf dreiflächige Retroreflektor-Elemente aufweist. Die fünf Retroreflektor-Elemente sind in einem zugeordneten Achsabschnitt einer gedachten Achse um diese Achse herum umfänglich verteilt angeordnet. Die sich aus der Ausrichtung der Flächen der Retroreflektor-Elemente ergebenen Symmetrieachsen der einzelnen Retroreflektor-Elemente dieser Reflektorgruppe liegen in einer gemeinsamen Ebene, die senkrecht zu der gedachten Achse ausgerichtet ist. Dabei sind die Hauptrückstrahlrichtungen der Elemente (die Richtungen maximaler Dreifachreflexion) entlang der jeweiligen Symmetrieachsen ausgerichtet. Die
WO 92/02972 A1 erwähnt weiterhin, dass derartige Radar-Reflektoreinrichtungen auf Schiffen installiert werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Radar-Reflektoreinrichtung und eine Schwimmvorrichtung mit einer solchen Reflektoreinrichtung anzugeben, die aus jeder oder so gut wie jeder azimutalen Richtung mittels Radar gut erkennbar sind.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei der erfindungsgemäßen Reflektoreinrichtung zur Reflexion von Radarstrahlen ist vorgesehen, dass zwei Reflektorgruppen in unterschiedlichen Achsabschnitten vorgesehen sind, wobei jede der beiden Gruppen vier dreiflächige Retroreflektor-Elemente (Tripel-Winkelreflektorelemente) aufweist. Dabei ist die Symmetrieachse eines jeden der Retroreflektor-Elemente jeder der Reflektorgruppen in der entsprechenden Ebene dieser Gruppe um 90° ± 5° gegen die Reflexions-Symmetrieachse eines benachbarten Retroreflektor-Elementes dieser Gruppe verdreht ausgerichtet. Weiterhin sind die beiden Reflektorgruppen bezüglich der Achse um 45° ± 3° gegeneinander verdreht ausgerichtet. Im Idealfall sind die Retroreflektor-Elemente innerhalb ihrer Gruppe umfänglich gleichmäßig verteilt angeordnet. Dabei ist die Symmetrieachse eines jeden der Retroreflektor-Elemente jeder der Reflektorgruppen in der entsprechenden Ebene dieser Gruppe insbesondere um 90° gegen die Reflexions-Symmetrieachse eines benachbarten Retroreflektor-Elementes dieser Gruppe verdreht ausgerichtet und es sind die beiden Reflektorgruppen bezüglich der Achse um 45° gegeneinander verdreht ausgerichtet. Die Reflektoreinrichtung zur Reflexion von Radarstrahlen wird auch kurz als Radar-Reflektoreinrichtung bezeichnet und die dreiflächigen Retroreflektor-Elemente als Tripel-Winkelreflektorelemente.
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Eine derartige Reflektoreinrichtung hat den Vorteil, dass sie aus jeder azimutalen Richtung (beziehungsweise jedem entsprechenden Horizontalwinkel) mittels Radar ausreichend gut erkennbar ist, da sie über einen großen Winkelbereich einen ausreichenden Radarquerschnitt garantiert. Insbesondere nehmen Einbrüche des Radarquerschnitts innerhalb dieses Winkelbereiches (sogenannte „Nullstellen”) nur einen kleinen Winkelbereich ein.
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Die Reflektoreinrichtung setzt sich aus acht Retroreflektor-Elementen zusammen. Um einen möglichs kompakten Aufbau zu gewährleisten sind dabei jeweils vier Reflektorelemente in einer Ebene als Gruppe angeordnet. Die Hauptrückstrahlrichtungen der insgesamt acht Retroreflektoreinrichtungen liegen jeweils 45° auseinander, jedoch im Wesentlichen parallel zu einer gemeinsamen Ebene.
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Pulsintegration ist bei Radargeräten ein gebräuchliches Verfahren, um die Entdeckungswahrscheinlichkeit eines Radarziels zu verbessern. Hierzu werden aufeinanderfolgende, vom Radarziel reflektierte Pulse addiert, bis das Radarziel mit ausreichender Wahrscheinlichkeit erfasst wurde. Werden innerhalb eines solchen Integrationsvorgangs nicht alle Pulse erfasst, da nur ein Teil der Pulse an dem Radarziel reflektiert wurde, so kann das Radargerät dieses Radarziel möglicherweise nicht detektieren. Solche fluktuierenden Echos müssen bei Radar-Reflektoreinrichtungen möglichst vermieden werden. Da insbesondere bei mobilen Radarzielen der Einfallswinkel des Radarpulses variieren kann (wie z. B. bei Schiffen bei Seegang der Fall), sollte eine Radar-Reflektoreinrichtung nicht nur möglichst wenige Nullstellen aufweisen, sondern die Nullstellen der Reflektoreinrichtung sollten auch möglichst weit auseinander liegen.
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Diese Anforderungen lassen sich auch in der für die Seeschifffahrt verbindlichen ISO-Norm 8729-1: 2010(E) wiederfinden. Diese Norm definiert dafür das festgelegte Leistungsniveau (SPL: Stated Performance Level), welches den Verlauf des Radarquerschnittes (RCS: Radar Cross Section) entlang des Azimutwinkels φ vorschreibt. Für zwei verschiedene Frequenzbereiche sowie für den Elevationswinkelbereich von ε = ±20° darf das festgelegte Leistungsniveau (SPL) nicht unterschritten werden. Das SPL muss für 9,3 GHz bis 9,5 GHz (X-Band) mindestens bei 7,5 m2 und bei 2,9 GHz bis 3,1 GHz (S-Band) bei mindestens 0,5 m2 liegen.
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Der Verlauf des Radarquerschnittes entlang des Azimuts ist durch das festgelegte Leistungsniveau (SPL) folgendermaßen festgelegt:
- 1. Die Summe der Winkelbereiche, in denen der Radarquerschnitt oberhalb des festgelegten Leistungsniveaus liegt, muss mindestens 280° betragen.
- 2. Die unterhalb des SPL liegenden Nullstellen dürfen nicht breiter als 10° sein.
- 3. Der Abstand der Nullstellen muss mindestens 20° betragen.
- 4. Nullstellen mit einer Breite kleiner 5° können vernachlässigt werden.
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Wie Simulationen und Messungen an der Radar-Reflektoreinrichtung gezeigt haben, kann dieses Leistungsniveau mit der erfindungsgemäßen Geometrie der Radar-Reflektoreinrichtung sicher erreicht werden.
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Dass die Symmetrieachsen der einzelnen Retroreflektor-Elemente jeder der Reflektorgruppen im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene liegen bedeutet, dass die Symmetrieachsen der einzelnen Retroreflektor-Elemente in einem Winkelbereich von –2° bis +2° gegenüber den Ebenen verkippt sind, insbesondere jedoch in der entsprechenden Ebene ihrer Reflektorgruppe liegen.
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Grundsätzlich können die Flächen der dreiflächigen Retroreflektoren von diversen geometrischen Formen, wie etwa gleichseitigen Dreiecken, Kreissektoren, Quadraten, etc. gebildet werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass die drei Flächen eines jeden der dreiflächigen Retroreflektoren jeweils als Quadrate ausgebildet sind. Die Verwendung quadratischer Flächen hat verglichen mit anderen Retroreflektor-Elementgeometrien (Dreiecke, Kreissektoren) den größten Radarquerschnitt.
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Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Kantenlänge a der Quadrate in einem Bereich von 0.25 m ≤ a ≤ 0,5 m, insbesondere bei 0.3 m, liegt. Radar-Reflektoreinrichtungen mit derart dimensionierten quadratischen Flächen der dreiflächigen Retroreflektor-Elemente eignen sich für kleine Wasserfahrzeuge wie Boote, Rettungsboote, Rettungsinseln, etc. ganz besonders. Bei kleineren Flächen der Retroreflektor-Elemente (mit a < 0.25 m) ist aufgrund des zu geringen SPLs eine sichere Erkennbarkeit nicht gegeben, größere Flächen (mit a > 0.5 m) lassen die Radar-Reflektoreinrichtung zu unhandlich für derart kleine Wasserfahrzeuge werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass je eine von zwei der drei Flächen gebildete Kante eines jeden der Retroreflektor-Elemente einer Gruppe in der entsprechenden Ebene der Reflektorgruppe dieses Retroreflektor-Elements liegt.
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Mit Vorteil ist dabei vorgesehen, dass jedes der Retroreflektor-Elemente mit seiner in der Ebene liegende Kante auf die Fläche eines der anderen Retroreflektor-Elemente dieser Gruppe stößt. Diese Anordnung lässt eine einfach aufgebaute, kompakte Radar-Reflektoreinrichtung entstehen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich die eine Reflektorgruppe axial unmittelbar an die andere Reflektorgruppe anschließt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Reflektoreinrichtung als eine aus Einzelteilen zusammenbaubare und wieder in diese Einzelteile zerlegbare Reflektoreinrichtung ausgebildet ist.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Retroreflektoren innerhalb ihrer Reflektorgruppe so angeordnet sind, dass die Reflektorgruppe einen axialen Durchbruch im Bereich der gedachten Achse aufweist. Dieser Durchbruch kann zur Befestigung der Reflektorgruppe beziehungsweise der gesamten Reflektoreinrichtung genutzt werden, in dem die Reflektorgruppe oder -einrichtung auf ein entsprechendes stabförmiges Tragteil aufgesetzt werden kann. Mit Vorteil ist vorgesehen, dass der Durchbruch vorzugsweise direkt durch die vier Retroreflektor-Elemente gebildet wird und einen quadratischen Querschnitt aufweist. Mit Vorteil entspricht die Kantenlänge des quadratischen Querschnitts dem ein- oder mehrfachen einer für die Ortung mittels Radar typischen Wellenlänge. Dadurch kommt es zu konstruktiver Interferenz von Ein- und Zweifachreflexionen an den Flächen der Retroreflektor-Elemente einer Gruppe, sodass Nullstellen vermieden werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Schwimmvorrichtung, insbesondere dem Wasserfahrzeug oder dem Schwimmkörper, mit der mindestens einen Reflektoreinrichtung ist vorgesehen, dass diese Reflektoreinrichtung oder mindestens eine dieser Reflektoreinrichtungen als vorstehend genannte Reflektoreinrichtung ausgebildet ist. Die Reflektoreinrichtung ist auf der Schwimmvorrichtung an einer erhöhten Stelle befestigbar beziehungsweise befestigt.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt die
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1 ein dreiflächiges Retroreflektor-Element einer Radar-Retroreflektoreinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
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2 eine graphische Darstellung des Radarquerschnitts des dreiflächigen Retroreflektor-Elements der 1,
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3 eine von zwei aus dreiflächigen Retroreflektor-Elementen zusammengesetzte Reflektorgruppe einer Radar-Retroreflektoreinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
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4 die Reflektorgruppe der 3 in einer Draufsicht,
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5 die aus zwei Reflektorgruppen bestehende komplette Radar-Retroreflektoreinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
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6 die Retroreflektoreinrichtung der 5 in einer Draufsicht und
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7 die Retroreflektoreinrichtung der 5 in einer Seitenansicht.
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In 1 ist ein dreiflächiges Retroreflektor-Element 10 (Tripel-Winkelreflektorelement) einer in 5 vollständig dargestellten Reflektoreinrichtung 12 zur Reflexion von Radarstrahlen (einer Radar-Retroreflektoreinrichtung) dargestellt. Das Retroreflektor-Element 10 ist eine Winkelanordnung aus drei ebenen Platten 14 von quadratischer Fläche 16, bei der jede der Platten 14 senkrecht zu den anderen beiden Platten 14 des Retroreflektor-Elements 10 angeordnet ist. Dazu stößt jede der Platten 14 mit einer ihrer Seiten rechtwinklig auf die Seite einer anderen der Platten 14 diese Einrichtung 10. Dabei entstehen drei Kanten 18 und ein Punkt 20, an dem die Platten 14 mit je einer ihrer Ecken zusammentreffen. An einem solchen dreiflächigen Retroreflektor-Element 10 kann es zu Einfach-, Zweifach-, und Dreifachrückreflexion von Radarstrahlung kommen. Einfachreflexion an einer einzelnen der Flächen 16; Zweifachreflexion an zwei der drei Flächen 16 und Dreifachreflexion an allen drei Flächen 16.
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Die 2 zeigt in einem Diagramm den Radarquerschnitt des in 1 gezeigten dreiflächigen Retroreflektor-Elements 10. In der Darstellung ist Radarquerschnitt in Abhängigkeit von Azimutwinkel φ und Elevationswinkel θ beschrieben.
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Das Diagramm weist bei φ = 0, θ = 0 ein Maximum auf, welches zu allen Seiten nur langsam abfällt. Hierbei handelt es sich um die oben erwähnte Dreifachreflexion, im Folgenden auch als Hauptkeule 22 bezeichnet. Das Maximum der Hauptkeule 22 ist umgeben von sechs weiteren Maxima 24, 26. Drei dieser Maxima treten innerhalb eines sehr begrenzten Winkelbereiches punktförmig in Erscheinung (punktförmige Maxima 24), während die restlichen drei Maxima entlang einer Richtung nur langsam abfallen (linienartigen Maxima 26). Die drei punktförmigen Maxima 24 sind hierbei Einfachreflexionen, die drei linienartigen Maxima 26 Zweifachreflexionen.
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Der Vorteil der hier beschriebenen Dreifachreflexion des dreiflächigen Retroreflektor-Elements 10 ist der hohe Radarquerschnitt bei gleichzeitiger schwacher Winkelabhängigkeit. Aufgrund dieser Eigenschaften werden Radar-Reflektoreinrichtungen 12 häufig aus diesen Retroreflektor-Elementen 10 aufgebaut. Abseits der Dreifachreflexion tritt für solche Radar-Reflektoreinrichtungen 12 allerdings unvermeidlich die beschriebene Zweifach- oder Einfachreflexion auf.
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Eine Reflektoreinrichtung 12, die die Anforderungen der eingangs erwähnten ISO-Norm 8729-1: 2010(E) erfüllen kann, sollte im Idealfall aus möglichst wenigen Retroreflektor-Elementen 10 bestehen, so dass möglichst wenige benachbarte Nullstellen durch Interferenz oder Zweifachreflexionen erzeugt werden. Gleichzeitig muss die Anzahl der Retroreflektor-Elemente 10 ausreichen, um die geforderten Winkelbereiche mit Hauptkeulen 22 abdecken zu können.
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Die hier vorgestellte Reflektoreinrichtung 12 zur Reflexion von Radarstrahlen (Radar-Reflektoreinrichtung) weist zwei Reflektorgruppen 28 auf, die in den 3 und 4 vorgestellt werden. Jede der Reflektorgruppen 28 weist vier dreiflächige Retroreflektor-Elemente 10 auf, wobei die Retroreflektor-Elemente 10 dieser Gruppe 28 in einem zugeordneten Achsabschnitt einer gedachten Achse 30 um diese Achse 30 herum umfänglich verteilt angeordnet sind. Die sich aus der Ausrichtung der Flächen 16 der Retroreflektor-Elemente 10 ergebenen Symmetrieachsen (Richtung der Maxima der Hauptkeulen 22) der einzelnen Retroreflektor-Elemente 10 dieser Reflektorgruppe 28 liegen im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene 32 (die Ebenen sind in 7 gezeigt), die senkrecht zu der gedachten Achse 30 ausgerichtet ist. Mit anderen Worten sind die Retroreflektor-Elemente 10 je Gruppe 28 sind so orientiert, dass die Hauptkeulenmaxima 22 in Richtung θ = 0° zeigen. Um Interferenzen zwischen benachbarten Retroreflektor-Elemente 10 einer Gruppe 28 zu unterdrücken, liegen die Hauptkeulen 22 in Azimutrichtung um 90° auseinander.
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Innerhalb einer Gruppe werden die Retroreflektor-Elemente 10 so aneinandergesetzt, dass ein Punkt 34 des einen Reflektorelements 10 auf Punkt 36 des anderen Reflektorelements 10 und Punkt 20 des einen Reflektorelements 10 auf Punkt 38 des anderen Reflektors liegt (s. 1). Durch diese Anordnung entsteht ein axialer Durchbruch 40 durch die Reflektorgruppe 28. Dieser Durchbruch 40 hat einen quadratischen Querschnitt und kann genutzt werden, um eine Aufhängung für die Reflektorgruppe 28 bzw. die gesamte Reflektoreinrichtung 12 sowie eine Durchführung für einen Mast unterzubringen.
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Die 3 zeigt eine der beiden aus den dreiflächigen Retroreflektor-Elementen 10 zusammengesetzte Reflektorgruppe 28 einer Radar-Retroreflektoreinrichtung 12 und die 4 zeigt diese Reflektorgruppe der 3 in einer Draufsicht. Die Symmetrieachse eines jeden der Retroreflektor-Elemente 10 jeder der Gruppen 28 ist in der entsprechenden Ebene um 90° gegen die Reflexions-Symmetrieachse eines benachbarten Retroreflektor-Elements 10 dieser Gruppe 28 verdreht ausgerichtet.
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5 zeigt die aus zwei Reflektorgruppen 28 bestehende komplette Radar-Retroreflektoreinrichtung 12 in einer dreidimensionalen Darstellung, 6 zeigt die Retroreflektoreinrichtung 12 in einer Draufsicht, und 7 zeigt die Retroreflektoreinrichtung 12 in einer Seitenansicht.
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Die beiden Gruppen 28 sind zueinander entlang der Achse 30 verschoben und in Azimutrichtung um 45° verdreht. Azimutwinkel 8, bei denen eine Gruppe 28 so orientiert ist, dass dort nur eine Einfach- oder Zweifachreflektion auftritt, werden von der zweiten Reflektorgruppe 28 daher durch eine Hauptkeule abgedeckt. Die durch Ein- und Zweifachreflektion verursachten Nullstellen werden dadurch näherungsweise auf den Radarquerschnitt des Hauptkeulenmaximums angehoben. Durch die Konzentration von acht Hauptkeulen 22 bei θ = 0° wird zudem der gesamte Azimutwinkelbereich durch diese abgedeckt. Der Elevationswinkelbereich wird aufgrund dessen nicht vollständig erfasst, erstreckt sich allerdings aufgrund der Breite der Hauptkeulen auf θ ≈ ±20°.
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Während bei dieser Anordnung eine destruktive Interferenz bei θ = 0° unabhängig vom Azimutwinkel φ vermieden werden konnte, so treten solche Interferenzen bei θ ≠ 0° weiterhin auf. So kann es durch gleichzeitige Reflektion an der oberen und unteren Reflektorgruppe 28 abhängig vom Elevationswinkel zu Auslöschungserscheinungen kommen. Der Radarquerschnitt der Reflektoreinrichtung 12 sinkt nur an wenigen Stellen auf Null ab. Des Weiteren verteilen sich diese Nullstellen gleichmäßig über den Azimutwinkelbereich. Fluktuierende Radarechos aufgrund nah beieinander liegender Nullstellen können daher vermieden werden. Bei der Auslegung der Reflektoreinrichtung 12 (z. B. zur Erfüllung der ISO-Norm 8729-1: 2010(E)) müssen allerdings gerade die Reflektoreigenschaften bei Elevationswinkeln betrachtet werden, bei denen derartige destruktive Interferenzen auftreten.
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Die Radar-Reflektoreinrichtung 12 ist eine Reflektoreinrichtung für eine Schwimmvorrichtung, insbesondere für ein Wasserfahrzeug oder für einen Schwimmkörper.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Retroreflektor-Element
- 12
- Reflektoreinrichtung
- 14
- Platte
- 16
- Fläche
- 18
- Kante
- 20
- Punkt
- 22
- Hauptkeule
- 24
- punktförmiges Maximum
- 26
- linienartiges Maximum
- 28
- Reflektorgruppe
- 30
- gedachte Achse
- 32
- Ebene
- 34
- Punkt
- 36
- Punkt
- 38
- Punkt
- 40
- Durchbruch
- φ
- Azimutwinkel
- θ
- Elevationswinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 92/02972 A1 [0003, 0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ISO-Norm 8729-1: 2010(E) [0010]
- ISO-Norm 8729-1: 2010(E) [0034]
- ISO-Norm 8729-1: 2010(E) [0040]
