Radar

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Radargerät „Würzburg“ im Rahmen des Luftschutzes und der Reichsluftverteidigung 1942

Als Radar (radio detection and ranging, d. h. „Aufspüren und Orten durch Radiowellen“) oder zu Deutsch Funkmeß- bzw. Funkortungsverfahren bezeichnet man eine Anlage, die mit Hilfe von Radiowellen Gegenstände aufspüren und orten sowie ihren Bewegungszustand ermitteln kann. Ihr Vorteil gegenüber optischen und akustischen Ortungsverfahren liegt in der Fähigkeit von Radiowellen, durch Nebel, Wolken und Rauch zu dringen, sowie in ihrer größeren Reichweite (bis 500 km). Neben militärischen Zwecken dient die Radartechnik heute vor allem der Verkehrssicherung in der Luft, auf See und zu Lande sowie wetterkundlichen Untersuchungen.

Wirkungsweise

Deutsches Feuerleitradar „Würzburg-Riese“ FuMG 65, 1940–43

Radargeräte bestehen im wesentlichen aus einem Sende-, einem Empfangs- und einem Anzeigeteil. Die von der Sendeantenne ausgehenden elektromagnetischen Wellen (Radio-, auch Mikrowellen) werden mittels Parabolreflektoren zu einem keulenförmigen Strahlungsfeld gebündelt und auf das abzutastende Raumgebiet gerichtet. Gegenstände, die sich in diesem Strahlungsfeld befinden, werfen die auf sie fallenden Wellen zurück, so daß ein Teil der gesendeten Energie die Empfangsantenne erreicht. Im Empfänger wird diese Strahlung zu einem auswertbaren elektrischen Signal verstärkt und zur Meldung des Gegenstandes dem Anzeigeteil, in der Regel einem Leuchtschirm, zugeführt. Die ersten Radargeräte sendeten eine kontinuierliche Radiostrahlung (Dauerstrichradar) aus und konnten Objekte lediglich „melden“. Eine zusätzliche Entfernungsbestimmung wurde Mitte der 1930er Jahre mit dem Pulsradar möglich. Dieser nach dem Echoprinzip arbeitende Radartyp sendet sehr kurze, etwa eine Mikrosekunde dauernde, durch längere Pausen getrennte Wellenzüge (Pulse). Die bei der Reflexion an einem Objekt entstehenden Echopulse werden im Empfänger verstärkt und erzeugen auf dem Schirm einen senkrechten Leuchtzacken, der um so mehr nach rechts verschoben erscheint, je größer die Laufzeit der Pulse vom Sender zum Objekt und zurück ist. Zusammen mit der bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen ergibt die Lage des Zackens also die Entfernung des Objekts. Für das Senden und Empfangen kann beim Pulsradar ein und dieselbe Antenne benutzt werden, wenn der Empfänger während der Sendeimpulse kurzgeschlossen wird. Die Stellung dieser Antenne, die zusammen mit dem Reflektor in alle Raumrichtungen geschwenkt werden kann, dient zur Richtungsangabe des angepeilten Objekts. Die Ortung ist dabei um so genauer, je schärfer der Radarstrahl gebündelt ist. Zur scharfen Bündelung bedarf es jedoch kurzer Wellen: Mikrowellen, also Wellen im Zentimeter- und Millimeterbereich, erlauben eine genaue Ortung bis auf 80 km Entfernung.

Durch Vergleich der Sendefrequenz mit der durch Doppler-Effekt veränderten Echofrequenz läßt sich der Bewegungszustand (Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung) eines angepeilten Objekts bestimmen. Dies ermöglicht es dem Radar, bewegte Ziele von Festzielen (z. B. anfliegende Flugzeuge von einer Gewitterwolke) zu unterscheiden. Radargeräte mit Panoramaanzeige liefern ein zusammenhängendes Bild eines größeren Gebietes, wozu dieses fortlaufend mittels einer automatisch geführten Antenne konzentrisch abgetastet wird. Jeder Echopuls erzeugt dabei einen Leuchtpunkt, der für die Dauer einer Antennenumdrehung nachleuchtet. Die Lage der entstehenden Leuchtpunkte entspricht dem Ort der angepeilten Objekte; die Helligkeit der Punkte gibt deren Reflexionseigenschaften wieder. Von einem Flugzeug aus kann auf diese Weise eine sog. Elektronenkarte des überflogenen Geländes erstellt werden. Das Seitensichtradar dient zur hoch auflösenden Aufnahme eines Geländes. Das Gerät ist meist unter dem Rumpf eines Flugzeugs montiert, das Echobild des überflogenen Geländes wird auf Film festgehalten. Der Radarstrahl „schielt“ seitlich nach unten und ist, im Gegensatz zu konventionellen Radars, so stark aufgeweitet, daß jeder Punkt des Geländes über lange Zeit beobachtet wird. Lidar (Kurzwort aus englisch light detection and ranging) ist ein mit Lichtstrahl arbeitendes Radar. Sein Strahl ist extrem scharf gebündelt und erzeugt eine entsprechend hohe Auflösung. Mit Lidars konnte z. B. der Abstand zum Mond auf 15 cm genau gemessen werden.

Geschichte

Der deutsche Ingenieur Christian Hülsmeyer entwickelte schon im Jahre 1904 in Düsseldorf die erste praktische Anwendung der Reflexion von elektromagnetischen Wellen an Objekten: das sogenannte Telemobiloskop. Er war seiner Zeit weit voraus, denn es dauerte bis zum Beginn des Zweiten Weltkrieges, daß Radar als ernstzunehmende Technik anerkannt und benutzt wurde. Im Jahre 1945 waren die grundlegenden Radartechniken erfunden. Von den rein militärischen Anwendungen entstanden in den folgenden Jahre immer mehr zivile Einsatzgebiete. Die rasante Entwicklung der Elektronik (z. B. Halbleiter oder Digitalisierung) war Grundlage für die ebenso schnelle Entwicklung der Radartechnik. Der stetige Anstieg des Leistungspotentials, insbesondere bedingt durch die Umstellung vom analogen zum digital programmierbaren Radar, führten zu einer immer größer werdenden Anzahl verschiedenster Betriebs- und Anwendungsarten. Moderne Radartechnologie wird durch Schlagwörter wie multifunktionale und aktive phasengesteuerte Gruppenantennen, Synthetischer Apertur-Radar und interferometrische Techniken beschrieben.

Am 17. Mai 1904, Hülsmeyer war gerade 22 Jahre alt, führte er im Hof des Kölner Domhotels sein Telemobiloskop erstmals Vertretern von Schiffahrtsgesellschaften und der lokalen Presse vor. Am Tag darauf fand eine noch eindrucksvollere öffent­liche Präsentation an der Hohenzollernbrücke am Rhein statt. Das Telemobiloskop war mit seinen Antennen auf den Fahrweg der Schiffe gerichtet und meldete durch die Aktivierung einer Klingel zuverlässig jedes vorbeifahrende Schiff.

Wenige Wochen später demonstrierte Hülsmeyer sein Gerät mit großem Erfolg an Bord des Tenders „Columbus“ vor internationalem Publikum anläßlich des „Technical Nautical Meeting“ im Hafen von Rotterdam.

Hülsmeyer hatte seine Erfindung vor den öffentlichen Vorstellungen zum Patent angemeldet. Die am 30. April 1904 beim Deutschen Patentamt in München einge­reichte Schrift trägt den Titel „Verfahren, um entfernte metallische Gegenstände mittels elektrischer Wellen einem Beobachter zu melden“. Am 10. Juni 1904 folgte die Anmeldung in Großbritannien mit dem für heutige Verhältnisse etwas seltsam anmutenden Text „Hertzian-wave Projecting and Receiving Apparatus Adapted to Indicate or Give Warning of the Presence of a Metallic Body, such as a Ship or a Train, in the Line of Projection of such Waves“.

Hülsmeyers Telemobiloskop bestand aus jeweils einer Antenne für Sendung und Empfang, einem Funkeninduktor zur Erzeugung hochfrequenter Wellen und einem Kohärer als Empfangselement. Die Betriebsfrequenz kann man nachträglich nur mut­maßen; durch das Prinzip der Schwingungserzeugung bedingt wurde aber wohl ein Spektrum von einigen hundert Megahertz abgestrahlt. Die gesamte Anordnung konn­te in der azimutalen Ebene um 360° synchron zu einer abgesetzten Anzeigeeinrich­tung, die Hülsmeyer Kompaß nannte, gedreht werden. Dieser Kompaß diente zur Anzeige der Richtung, aus der von einem Ziel reflektierte Wellen beim Tele­mobiloskop eintrafen.

Ohne Zweifel bereitete Hülsmeyer mit seinen Arbeiten die Basis für das, was erst viele Jahre später „Radar“ (Radio Detection and Ranging) genannt wurde, auch wenn er zunächst nur den Vorgang der „Detection“ und noch nicht des „Ranging“ nachwies. Das Fehlen einer Entfernungsmessung als wichtige Ergänzung zur Entdeckung eines Ziels war ihm sehr wohl bewußt und veranlaßte ihn zu weiteren Arbeiten und schließlich zur Anmeldung eines Zusatzpatents. Er schlug darin zwei Möglichkeiten vor, den Elevationswinkel der Sendeantenne des Telemobiloskops zu messen und aus der Position maximaler Empfangsfeldstärke die Zielentfernung zu berechnen.

Die Tragik aller Arbeiten Christian Hülsmeyers aber lag letztendlich darin, daß er trotz aller Erfolge – in Rotterdam hatte das Telemobiloskop Schiffe in 3 km Entfer­nung detektiert – keine nachhaltige Unterstützung bei den potentiellen Anwendern seiner Erfindung fand.

In den frühen dreißiger Jahren des vergangenen Jahrhunderts schließlich erkannte man in mehreren Ländern Europas und in Übersee die Bedeutung des Radarprinzips in vollem Umfang, wohl nicht zuletzt als Folge des ihm innewohnenden militärischen Potentials. Von dieser Zeit an wird es sehr schwierig, den weiteren Weg der Radar­entwicklung geschlossen und auf einem Pfad nachzuzeichnen. Erfolgten die Arbeiten in verschiedenen Ländern zunächst noch unabhängig voneinander, so entbrannte während des Zweiten Weltkrieges ein wahres Rennen von Aktionen und Reaktionen einer stetig fortschreitenden Leistungssteigerung der eigenen und der gegnerischen Radartechnik.

Dr. Rudolf Kühnhold von der Nachrichten-Versuchsabteilung (NVA) der damaligen Reichsmarine in Kiel meldete 1931 ein Patent an zur Unterwasserschallortung von Zielen, heute Sonar genannt. Zur selben Zeit dachte Kühnhold aber bereits daran, elektromagnetische Wellen für Ortungszwecke außerhalb von Wasser zu nutzen. Zur Umsetzung seiner Ideen veranlaßte er 1934 die Gründung einer neuen Firma, der GEMA (Gesellschaft für Elektroakustische und Mechanische Apparate), die sich mit der neuen Technik, in Deutschland mittlerweile Funkmeßtechnik genannt, befassen sollte.

Im September 1935 präsentierte die GEMA zum ersten Mal ein voll funktionsfähiges Funkmeßgerät vor hochrangigen Marineoffizieren. Es bestand aus einem gepulsten Sender mit einer Frequenz von etwa 600 MHz und hatte eine Ausgangsleistung von 800 W. Die Laufzeit eines Impulses vom Sender zum Ziel und zurück zum Empfän­ger wurde gemessen und daraus die Zielentfernung errechnet. Für Sendung und Empfang wurde eine sog. Tannenbaum-Antenne, bestehend aus einem Dipolfeld und einem Reflektornetz, verwendet. Ein kleineres Schulschiff konnte auf eine Distanz von 8 km detektiert werden.

Im selben Jahr arbeitete Dr. Wilhelm Runge bei der Firma TELEFUNKEN an Richtfunkanlagen im UHF-Bereich. Aus reiner Neugier legte er versuchsweise die Antenne eines solchen 600-MHz-Senders senkrecht nach oben schauend auf den Boden und daneben eine zweite Antenne, die mit einem Detektor verbunden war. Er wollte damit mögliche Rückstrahlungen von überfliegenden Flugzeugen untersuchen. Eine Ju 52, die in 5.000 m Höhe flog, konnte auf diese Weise einwandfrei detektiert werden.

Die Firma Lorenz, als dritter industrieller Vertreter der damaligen deutschen Funkmeßtechnik, machte 1936 erfolgreich Versuche mit einem Radar bei 430 MHz und einer Sendelei­stung von 400 W vom Dach ihrer Labors in Berlin aus. Neben der Industrie waren auch mehrere Forschungsinstitute auf dem Gebiet der Funkmeßtechnik tätig. Die beiden namhaftesten Vertreter sind die „Drahtlos-Luftelektrische Versuchsgesellschaft Gräfelfing“ (DVG) sowie das „Flugfunk-Forschungsinstitut Oberpfaffenhofen“ (FFO). Radar war nun definitiv geboren! Industrie und Forschungsinstitute hatten den Boden bereitet für die Entwicklung einer Vielzahl von Radarsystemen, von denen sich viele anschickten, Berühmtheit zu erlangen.

„Freya“ entstand als Ergebnis der Arbeiten der GEMA auf dem Gebiet des Pulsradars und wurde erstmals 1938 von der Marine zur Küstenüberwachung eingesetzt. Das Gerät arbeitete auf einer Frequenz von 125 MHz und verfügte über eine Ausgangs­leistung von 8 kW. Nach der anfangs angewandten, relativ ungenauen Maximum­peilung wurde ab 1940 das sog. Minimumpeilverfahren eingeführt, das mit zwei schielenden Antennendiagrammen arbeitete, deren Schnittpunkt eine scharfe Null­stelle aufwies. Die Winkelpeilgenauigkeit erreichte damit einen Wert von ± 0.8°. Seine Feuerprobe bestand das Freya-Gerät am 18. Dezember 1939 auf der Nord­seeinsel Wangerooge, als mit seiner Hilfe ein britischer Bomberverband auf eine Entfernung von 130 km im Anflug auf die Deutsche Bucht entdeckt wurde. Der darauf folgende Einsatz deutscher Abfangjäger kann wohl als die erste durch Radar unter­stützte Aktion der Luftwaffe gelten.

Kaum jemand denkt heute daran, daß die Wurzeln moderner phasengesteuerter Radare in eine Zeit vor mehr als 60 Jahren zurückreichen. Die Fernsuchanlage Mammut 1 war ein Frühwarngerät mit einer Antenne von beeindruckendem Ausmaß. Sie bestand aus acht Freya-Antennen und spannte eine Fläche von 10 x 25 m auf. Die Strahlrichtung konnte mittels sog. Wellenschieber im Azimut elektronisch um ± 50° geschwenkt werden. Mammut 1 war in der Lage, von der deutschen Nordsee­küste aus den Luftraum von der Kanalküste bis zu den britischen Midlands zu über­wachen. Im März 1939 stellte TELEFUNKEN das Flakzielgerät Würzburg mit seiner charakteristischen Parabol-Reflektorantenne vor. Seine Meßgenauigkeit erreichte mit maximalen Fehlerwerten von ± 25 m bis ± 40 m für die Entfernung und von ± 0.5° für den Azimut- und Elevationswinkel eine beacht­liche Präzision. Bis zum Kriegsende wurden 4.000 Würzburg-Geräte gebaut. Zur Unterstützung der Jägerführung durch „Freya“ wurde das Gerät „Würzburg-Riese“ als Zielverfolgungsradar eingeführt. Es besaß einen Parabolspeigel von 7,4 m Durchmesser und eine dadurch vergrößerte Reichweite von bis zu 70 km. Ein weiterer Meilenstein deutscher Radartechnik war die Leitstrahlanlage „Knickebein“, eines der ersten Überhorizont-Versuchsgeräte. Im Jahr 1941 wurde es von TELEFUNKEN in Betrieb genommen. Die Betriebsfrequenz lag bei 30 MHz, also am oberen Ende des Kurzwellenbereichs. Durch Nutzung der Reflexion der abgestrahl­ten und empfangenen Signale an leitenden Ionosphärenschichten und an der Erd­oberfläche wurden Reich­weiten von mehreren tausend Kilometern erreicht. Einer der wichtigsten Vertreter im Bereich der Bordradare war das ebenfalls von TELEFUNKEN entwickelte Gerät „Lichtenstein BC“ für Nachtjäger. Es war im Herbst 1941 einsatzbereit, arbeitete bei einer Frequenz von 490 MHz und verfügte über eine Ausgangsleistung von 1,5 kW. Auf eine Reichweite von 4 km konnte eine Entfernungsmeßgenauigkeit von ± 100 m mit einem maximalen Winkel­fehler von ± 2.5° erzielt werden. Spätere Ausführungen mit der Bezeichnung „Lichtenstein SN2“ wurden bei vergleichs­weise tiefen Frequenzen unter 100 MHz eingesetzt, um deren Reichweite zu erhöhen. Mehr als 2.000 Geräte wurden gebaut. Parallel zu den Aktivitäten bei TELEFUNKEN entwickelten SIEMENS und das FFO die „Neptun“-Gerätefamilie, vorgesehen für kleinere Flugzeuge. Als eine von mehreren Varianten wurde das Gerät „FuG 218 V2“ in einer Stückzahl von über 150 Exemplaren gebaut. Sein Frequenzbereich lag zwischen 162 und 187 MHz, die Sendeleistung bei 2 kW. Wie bei Lichtenstein kam als Antenne eine Dipol/Reflektor-Gruppe zum Einsatz. Das erste deutsche Bordradar mit den wesentlichen Merkmalen späterer Nachkriegs­geräte wurde im Jahr 1943 bei TELEFUNKEN fertiggestellt und trug die Bezeichnung „Berlin N1A“. Es arbeitete bei einer Frequenz von 3,3 GHz und verfügte über eine Parabol-Reflektorantenne von 70 cm Durchmesser und rotierendem Speisedipol. Das komplette Radar wurde von einem hölzernen Radom abgedeckt. Die von einem Magnetron-Sender erzeugte Ausgangsleistung von 15 kW ermöglichte eine Reichweite von 9 km gegen Luftziele. Insgesamt wurden 25 Berlin-Geräte gebaut.

Der Anwendung von Radar auf Schiffen kam zumindest zu Beginn des Krieges wesentlich geringere Bedeutung zu als der für Boden- oder Bordradare in Flug­zeugen. Erst die positiven Erfahrungen, die die Marine im Kampfeinsatz mit Versuchsgeräten an Bord von Schiffen sammelte, öffnete deren Akzeptanz für die neue Technik. Viele taktische Regeln schienen nun ihre Bedeutung zu verlieren: Es existierte kein Unterschied mehr zwischen Tag und Nacht, schlechte Sicht infolge von Regen oder Nebel war kein Hindernis mehr.

Die ersten Seetakt-Geräte (von: seetaktisch) waren unmittelbare Ergebnisse der Entwicklungen der GEMA im Jahr 1935. Als erstes Schiff wurde das Panzerschiff „Admiral Graf Spee“ 1938 mit einem „FuMG 38 G“ ausgerüstet. Das Gerät verfügte über eine Ausgangsleistung von 1 kW bei einer Frequenz um 500 MHz. Infolge der expo­nierten Montage an der Mastspitze konnten Schiffsziele auf 25 km Entfernung geortet werden. Der maximale Winkelpeilfehler lag im Bereich von ± 5°. In den Jahren nach 1939 wurden Seetakt-Geräte auf einer großen Zahl deutscher Schiffe installiert. Auch als Bodenradare wurden sie ab 1942 entlang der deutschen Küsten und in den besetzten Gebieten eingesetzt. Darüber hinaus wurden „Würzburg“ und „Lichtenstein“-Geräte von der Marine für die Verwendung an Bord von Schiffen wie auch an Land modifiziert. Selbst U-Boote wurden mit Radar ausgerüstet, allerdings unter großen Schwierigkeiten, verursacht durch erhebliche Platzbeschränkungen und widrige Umweltbedingungen beim Betrieb.[1]

Siehe auch

Literatur

  • Fritz Trenkle: Die deutschen Funkmeßverfahren bis 1945, Hüthig (1987), ISBN 3778514008
  • Brian Johnson: Streng geheim. Sonderausgabe. Wissenschaft und Technik im Zweiten Weltkrieg. Weltbild, Augsburg (März 1999), ISBN 389350818X
  • Albrecht Ludloff: Handbuch Radar und Radarsignalverarbeitung. Vieweg Verlag; Auflage: 3., überarb. und erw. A. (Oktober 2009), ISBN 352826568X

Verweise

Fußnoten

  1. ↑ Geschichte des Radars, 100jahreradar.de
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