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Passiver Radarreflektor für Anwendungen im Bereich der Luft-
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und Schiffahrt Die Erfindung betrifft einen Clusterreflektor für schwach
reflektierende, in 3 Freiheitsgraden bewegliche Ziele, bestehend aus einer Mehrzahl
von Cornerreflektoren.
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Die Entdeckung und Verfolgung schwach reflektierender Ziele durch
Radar wird in erheblichem Maße durch Störsignale wie Seegang-, Regen- und Bodenechos
sowie Rauschen erschwert. Ein wirksames Verfahren zur Verbesserung der Entdeckungswahrscheinlich
keit besteht darin, schwach reflektierende Ziele mit Radarreflektoren auszurüsten.
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In der Luftfahrt besitzen in erster Linie Segelflugzeuge einen zu
geringen Rückstrahlquerschnitt. in der Schiffahrt sind es Segelboote, kleinere Küstenmotorfahrzeuge
und vor allem Fahrwassertonnen. Fahrwassertonnen werden heute ausnahmslos mit Radarreflektoren
ausgerüstet, damit bei schlechten Sicatverhältnissen eine sicnere Navigation mit
Radar auf engen Küsten-und Binnenwasserstraßen möglich ist.
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Für die Auswahl eines Radarreflektors sind die Reflexionseigenschaften
nicht allein maßgebend. Weitere wichtige Auswahlkriterien sind die mechanische Festigkeit,
das Gewicht, die Widerstandsfänigkeit gegenüber den nerrschenden Umweltseinflüssen
(z.B. Salzwasser im Seegebiet) und die Herstellungskosten.
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Keiner der bisher bekannten Radarreflektoren kann - nach diesen Kriterien
beurteilt - als zufriedenstellend bezeicnnet werden.
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Im Schiffahrtsbereich werden fast ausschließlich Clusterreflektoren
eingesetzt. Sie besitzen zwar im allg. eine hohe mecnanische Festigkeit und Widerstandsfähigkeit
gegenüber äußeren Einflüssen, die Reflexionseigenschaften (Rückstrahldiagramm) der
bekanntgewordenen Clusterreflektoren sind jedoch nicht zufriedenstellend. Eaton-Lippman-Linsen
(omnidirektionale Luneberglinsen
) stellen demgegenüber bezüglich
der Reflexionseigenschaften nahezu ideale Reflektoren dar, da sie die radarwellen
unabhängig von der Einfallsrichtung gleich gut reflektieren (omnidirektionale Charakteristik).
Der Rückstrahlqueschnitt ist allerdings durch Verluste im Linsenkörper um etwa den
Faktor 10 niedriger als der theoretisch erreichbare Wert. Wesentliche Nachteile
sind der hohe Preis, der aus dem aufwendigen Herstellungsverfahren resultiert, die
geringe mechanische Festigkeit und das relativ hohe Gewicht bei größeren Linsen.
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Reflektoren nach anderen bekannten Prinzipien naben sich auch nicnt
durchsetzen können, da die Winkelbedeckung der Rückstrahldiagramme für Ziele, die
sich in 3 Freiheitsgraden bewegen, zu gering ist.
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Eine cbjektive Bewertung der Reflexionseigenschaften eines Reflektcrs
ist nur auf der Basis des Rückstranldiagramms möglich.
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Dabei reicht es nicht aus, das Rückstranldiagramm allein in einer
Ebene zu betrachten, z.3. in der Horizontalebene bei lotrechter Rotationsachse des
Reflektors und horizontal einfallender Radarwelle, vielmehr muß das Rückstrahldiagramm
im gesamten (#, #) -Raumwinkel (#=Azimut, #=Neigungswinkel) zur Bewertung nerangezogen
werden, in dem sich das Ziel mit dem Reflektor bewegen kann.
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Fig. 1 zeigt (a) schematisch die Wahrscheinlichkeitsverteilung des
Neigungswinkels eines Zieles und (b) die daraus abgeleitete Zielvorstelung für die
Winkelbedeckung des Rückstrahldiagramms eines auf dem Ziel fest montierten Reflektors.
Für Fahrwassertonen reicht eine vertikale Winkelbedeckung von #= # 25 bis 30° völlig
aus, da selbst kleinere Tonnen bei starkem Seegang kaum eine solche Schräglage erreicnen.
Bei anderen Anwendungen im Bereich der Schiffanrt und Luftfahrt (z.B. bei Segelbooten
und Segelflugzeugen) kann jedoch eine noch größere vertikale Winkelbedeckung erforderlich
sein.
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In ausführlichen theoretischen und technischen Untersuchungen sind
erstmals die Rückstrahldiagramme der bekannten Clusterreflektortypen
eingenend
analysiert worden. Die wesentlichen Ergebnisse dieser Untersuchungen werden - soweit
sie zur Erläuterung notwendig sind - nier wiedergegeben.
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Grundelement eines jeden Clusterreflektors ist Cler Winkel- oder Corner-
(Ecken-) Reflektor. Anzahl und räumliche Orientierung dieser Elementarreflektoren
bestimmen den Clustertyp. Das räumliche Rückstrahldiagramm des Clusterreflektors
entstent aus der Überlagerung der Rückstrahldiagramme der zu dem Clusterreflektor
zusammengefügten Winkel- oder Cornrreflektoren. Das Rückstrahldiagramm des Cornerreflektors
ist in Fig. 2 dargestellt, (a) in dreldimensionaler Darstellung, (b) als Grundriß.
Es setzt sich aus 3 Komponenten zusammen: I: 1-Flächrenreflexion (Reflexion eines
Planspiegels) mit nadelförmiger Charakteristik in den 3 Eckpunkten des Diagramms,
II: 2-Flächenreflexion (Reflexion eines Winkelreflektoresa) mit scneibenförmiger
Charakteristik auf den 3 Seitenlinien des Diagramns, III: 3-Flächenreflexion (eigentLiche
Cornerreflexion) mit breiter Keule in der Diagrammitte.
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Das Rückstranlmaximum #max liegt in der Symmetrieachse S des Cornerreflektors.
Sie bildet mit den 3 senkrecht aufeinander stehenden Flächen je einen Winkel von
35,3°. Das Maximum ist außer von aer Größe des Cornerreflektors auch vn der Flächenform
(Dreieck, Kreissektor, Quadrat etc.) abnängig. Die Flächenformbeeinflußt darüber
ninaus aucn die Keulenbreite. ber Grundriß des Rückstrahldiagramms im (#,#)-Koordinatennetz
wird maßgeblicn von der räumlichen Ausrichtung des Cornerreflektors bezüglich der
Rotationsacnse bestimmt (Fig. 2c, Winkel#). Wie später gezeigt wird, weicnt der
Grundriß des Rückstranldiagramms völlig von der Dreieckform ab, wenn der Winkelα
einen größeren Wert annimmt.
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Von Bedeutung für das Rückstrahldiagramm eines Clusterreflek.
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tors, der aus Cornerreflektoren besteht, ist im allg. nur die
3-Flächenrefexion,
da allein sie eine größere Winkelbedeckung lierert. Die 1- ind 2-Flächenreflexionentragen
häufig nur zur weiteren kufzipfelung des Diagrams bei.
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Die genaue Analyse der bisner bekannten Clusterreflektoren fünrt zu
dem Ergebnis, daß keiner dieser Reflektoren zufriedenstellende Reflexionseigenschaften
besitzt, wenn er auf kleinen, sich u die 3 Raumachsen bewegenden Zielen angeordnet
ist.
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Der Erfindung liegt daner die aufgabe zugrunde, einen ClusterrefleKtor
der eingangs genannten Art so auszubilden, caß er in einem Raumwinkel, der azimutal
360° umfaßt und vertikal dem maximalen Neigungswinkel der Ziele angepaßt ist, eine
möglichst vollständige Winkelbedeckung bei möglichst hohem Rückstrahlquerschnitt,
bezogen auf den Reflektordurchmesser, besitzt.
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Die Aufgabe wird in einem ersten Weg erfindungsgemäß cadurch gelöst,
daß 6 Cornerreflektoren mit jeweils 3 aufeinander senkrecht stenden Flächen gemeinsam
einen 1. Clusterreflektor bilden, bei dem die Symetrieachse eines jeden Cornerreflektors
mit den Symetrieachsen benacnbarter Cornerreflektoren einen Azimutwinkel von ca.
600 einschließt und mit der Rotationsachse des Clusterreflektors einen Vertikalwinkel
von ca. 900 bildet, wobei die Corneraperturen in azimutaler Richtung fortschreitend
so ausgerichtet sind, daß bei lotrecht stenender Rotationsachse abwechselnd eine
Apertur mit einer Spitze nach oben, die näcnste Apertur mit einer Spitze nach unten
weist.
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In einem zweiten eg wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß anstelle der 6 insgesamt 8 Cornerreflektoren einen 1. Clusterreflektor bilden,
bei dem die Symmetrieachse eines jeden Cornerreflektors mit den Symetrieachsen benachbarter
Cornerreflektoren einen Azimutwinkel von ca. 450 einschließt, bei sonst gleicher
Anordnung der Cornerreflektoren.
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Mit diesem 1. Clusterreflektor wird bei hohem Rückstrahlquerschnitt
eine ausreicnende Winkelbedeckung innerhalb des Raumwinkels von azimutal 360° und
vertikal von ca. + 300 erreicht.
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Eine vertikale Winkelbedeckung in dieser Größe ist für viele Zielarten,
u.a. auch für Fahrwassertonnen, völlig ausreichend.
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Für andere Zielarten ist eine noch breitere vertikale Winkelbedeckung
wünschenswert. Sie kann auf einfache Weise durch Anbau eines 2. Clusterreflektors
oberhalb und/oder unternalb des 1. Clusterreflektores erreicht werden.
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Diese weitere Ausbildung der Erfindung ist dadurcn gekennzeichnet,
daß 4 bis 6 auf den Umfang annähernd gleichmäßig verteilte Cornerreflektoren einen
2. Clusterreflektor bilden, bei dem die Symmetrischsen der Cornerreflektoren mit
der Rotatinsacase des Clusterreflektors jeweils Winkel zwischen 40 und 600 einschließen,
und die Aperturen dieser Cornerreflektoren mit je einer Spitze auf die Rotationsachse
weisen.
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Liegt der Winkel zwischen Symmetrie- und Rotationsachse bei etwa 400,
so ist eine 6-Cornerreflektor-Konfiguration zweckmäßig, erreicht der Winkel einen
Wert von ungefähr 600, so ist eine 4-Cornerreflektor-Konfiguration vorzuziehen,
da sie eine zu starke Diagrammüberlappung der einzelnen Cornerreflektoren vermeidet.
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Um die Reflexionseigenschaften darüber ninaus nocn zu verbessern,
wird vorteilhafterweise ein besonderer Zuschnitt der Cornerreflektorflächen gewählt.
Die weitere Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die 3 senkrecht
aufeinander stehenden Flächen eines jeden Cornerreflektors bis zu ihren Schnittlinien
mit den Flächen benachbarter Cornerreflektoren, bzw. bis zum gedachten Mantel des
den 1. Clusterreflektor umschreibenden Zylinders, bzw. des den 2. Clusterreflektor
umscnreibenden Kegels ausgedehnt sind.
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Die Fig. 3 bis 6 zeigen den 1. Clusterreflektor mit 6 bzw. 8 Cornerreflektoren,
den 2. Clusterreflektor mit 6 Cornerreflektoren und schließlich eine Kombination
aus einem 1. Clusterreflektor und zwei 2. Clusterreflektoren mit jeweils 6 Cornerreflektoren.
Der 1. Clusterreflektor füllt das verfügbare Zylindervolumen mit einem Durchmesser/Höhen-Verhältnis
D/H # 1
maximal aus. Der 2. Clusterreflektor belegt ein Kegelvolumen,
dessen D/H-Verhältnis von dem Vertikalwinkel zwischen Symmetrieachsen und Rotationsachse,
d.h. von der geforderten vertikalen Winkelbelegung abhängt.
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Steht für den Einbau eines Reflektors nur ein langgestrecktes Zylindervolumen
mit geringem Durchmesser zur Verfügung, wie z.B.
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bei Spierentonnen, die als typisches Kennzeichen einen schlanken zylindrischen
Aufbau mit einem D/H-Verhältnis von 1:10 besitzen, so ist nur ein Reflektor mit
sehr kleinem Rückstrahlquerschnitt# unterzubringen (# # D4!). In solchen Fällen
wird vorteilhafterweise eine andere Ausführungsform des 1. Clusterreflektors gewählt.
Eine weitere Ausbildung der Erfindung ist daner dadurcn gekennzeichnet, daß die
6 bzw. 8 Cornerreflektoren des 1. Clusterreflektors in 3 bzw. 4 Clusterreflektorsegmenten
zu je 2 azimutal um 1800 versetzten Cornerreflektoren übereinander angeordnet sind,
wobei jeder einzelne Cornerreflektor durch Vergrößerung seiner Flächen ein verfügbares
Zylindervolumen maximal ausnutzt. Fig. 7 zeigt diese Ausführungsform in der 6- Cornerreflektor-Konfiguration.
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Werden bei einer Metallausführung der Clusterreflektoren die Flächen
an den Schnittlinien miteinander verscnweißt, so entstent eine reflektorkonstruktion
außerordentlich hoher mechanischer Festigkeit. Der 1. Clusterreflektor kann beispielsweise
als tragendes Element in den Laternenstuhl einer Leuchttonne eingebaut werden (Fig.
8). Ferner verhindert die völlig geschlossene Oberfläche das Eindringen von Luftfeuchtigkeit
und Wasser in das Innere des Reflektors, so daß eine allmähliche Zerstörung von
der Innenseite her durch Korrosion und Rostbildung verhindert wird.
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Ist ein niedriges Gewicht besonders wichtig, so bietet sicn eine Reflektorkonstruktizn
aus Runststoff (Kunststoffplatten oder Formteile) mit metallisierter Oberfläche
an. Ein solcher Aufbau muß im allg. durch einen Radom geschützt werden. Ein Random
bietet darüber hinaus den Vorteil, daß der Windwiderstand des Reflektors erheblich
reduziert wird.
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In den Fig. 9 bis 12 sind die Diagrammstrukturen der erfindungsgemäßen
Clusterreflektoren als Abwicklung des (#,#) -Raumwinkels dargestellt.
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Fig. 9: 1. Clusterreflektor mit 6 Cornerreflektoren Fig. 10: 1. Clusterreflektor
mit 8 Cornerreflektoren Fig. 11: 2. Clusterreflektor mit 6 Cornerreflektoren Fig.
12: Kombinierter 1. und 2. Clusterreflektor mit je 6 Cornerreflektoren Aus den Diagrammstrukturen
ist ZU ersehen, daß eine nahezu vollständige Winkelbedeckung im Bereich von 1 #
300 bei dem 1. Clusterreflektor und 9 + 750 bei einer Kombination aus einem 1. Clusterreflektor
und zwei 2. Clusterreflektoren erreicht wird. Die Fig. 13 und 14 zeigen die gemessenen
Rückstranldiagramme des 1. Clusterreflektors mit 6 bzw 8 Corner-
reflektoren# (Die Reflektormeßanlage ist zur Zeit noch nicht in der Lage, Neigungswinkel
> 300 zu erfassen, daner fenlen Diagramme des 2. Clusterreflektors und der Kombination
beider Clusterreflektoren).
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Die optimalen Reflexionseigenschaften des erfindungsgemäßen 1. Clusterreflektors
werden durch folgende aufeinander abgestimmteMaßnahmen erreicht: - max. Kückstrlquersclunitt
durch größtmögliche Cornerapertur (max. Kantenlänge, günstiger Flächenzuschnitt).
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-Maximalwert des Rückstrahlquerschnitts beilotrechter Rotationsachse
in der Horizontalebene, d.h. in der statistisch wanrscheinlichsten Winkellage der
meisten Ziele (z.B. Fahrwassertonnen).
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-Optimale Winkelbedeckung durch 6 oder 8 Keulen im Rückstrahldiagramm
und abwechselnd um 180° versetzte Corneraperturen.
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-Interferenzerschneinungen (Diagrammaufzipfelung durch Interferenzminima
und -maxima) bleiben auf sctimale Winkelzonen beschränkt, da sich die Diagrammkeulen
benachbarter Cornerreflektoren nur im Bereicn steiler Flanken überschneiden.
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Da die 6-Corner-Konfiguration weniger Interferenzzonen mit geringerer
Breite
aufweist (vgl. Fig. 9 und 10) und einen höheren Rückstrahlquerschnitt besitzt, ist
sie gegenüber der 8-Corner-Konfiguration im allg. vorzuziehen.
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Für den erfindungsgemäßen 2. Clusterreflektor gelten grundsätzlich
ähnliche Überlegungen.
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Wie die hier abgebildeten Diagramme erkennen lassen, sind die erfindungsgemäßen
Clusterreflektoren hinsichtlich der Winkelbedeckung und des Rückstrahlquerschnittes
allen anderen bisner bekannten Clustzertypen weit überlegen. Nach den vorausgegangenen
Erläuterungen ist auch zu übersehen, daß Clusterreflektoren mit noch günstigeren
Reflexionseigenschaften nicht denkbar sind.
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Die in Fig. 13 und 14 abgebildeten Reflexionsdiagrame sind mit linearer
Polarisation gemessen worden. Da die Zirkularpolarisation zunehmend an Bedeutung
gewinnt, ist es zweckmäßig, Radarreflektoren auch für die Reflexion zirkularpolarisierter
ellen zu entwickeln. Die erfindungsgemäßen Clusterreflektoren lassen sich auf einfacne
Weise durch Belgen von Cornerflächen mit dielektrischen Materialien oder durch Einsatz
von Paralleldrahtgittern vor den Corneraperturen auch für die Reflexion zirkularpolarisierter
Wellen ausbilden.