Grundlagen der Marine-Radartechnik, Anwendungen und Industriestandards erklärt

Stellen Sie sich vor, Sie navigieren durch dichten Nebel auf offener See mit eingeschränkter Sicht. Wie können Sie Kollisionen mit anderen Schiffen vermeiden und sicher an Ihr Ziel gelangen? Marineradar, eine Technologie, die im Zweiten Weltkrieg entstand, dient als „Augen und Ohren“ der Seeschifffahrt. Dieser umfassende Leitfaden befasst sich mit der Marineradartechnologie, von den Grundprinzipien bis hin zu praktischen Anwendungen und regulatorischen Standards.

Das Verständnis des Marineradars beginnt mit seinem Systemblockdiagramm. Während tatsächliche Radarsysteme möglicherweise komplexer sind, vermittelt dieses vereinfachte Diagramm wesentliche Kenntnisse über Radarkomponenten und bildet eine Grundlage für tiefergehendes Lernen.

Radarsysteme senden elektromagnetische Wellen in Impulsen und nicht in kontinuierlichen Strömen. Diese Impulse haben eine bestimmte Dauer und Wiederholungsfrequenz, wobei unterschiedliche Wellenformparameter die Erkennungsleistung beeinflussen. Zu den gängigen Radarwellenformen gehören Rechteckimpulse und lineare frequenzmodulierte Impulse.

Marineradar besteht aus vier Kernkomponenten, die zusammenarbeiten, um Ziele zu erkennen und anzuzeigen:

• Sender:Erzeugt hochfrequente elektromagnetische Impulse – das „Herz“ des Radars.
• Antenne (Scanner):Sendet Impulse und empfängt Echos – die „Augen und Ohren“ des Radars.
• Empfänger:Verstärkt und verarbeitet schwache Echosignale, um Zielinformationen zu extrahieren – das „Nervensystem“.
• Anzeige:Präsentiert verarbeitete Informationen visuell zur Interpretation durch den Bediener – das „Gehirn“.

Der Sender besteht aus einer Stromversorgung, einer Verzögerungsleitung, einem Modulator, einem Trigger und einem Magnetron. Der Auslöser erzeugt Impulse, die den Modulator so steuern, dass er Hochspannungsimpulse erzeugt, die das Magnetron antreiben, um hochfrequente Schwingungen zu erzeugen, die über einen Hohlleiter oder ein Koaxialkabel übertragen werden.

Die Antenne sendet gerichtete Impulse und empfängt Echos, während sie sich mit einer vorgegebenen Impulswiederholungsfrequenz (PRF) dreht, um umliegende Gebiete abzutasten. Wird normalerweise am höchsten Punkt des Schiffes (z. B. dem Kompassdeck) montiert, um Hindernissen auszuweichen.

Der Empfänger besteht aus einer TR-Zelle, einem lokalen Oszillator, einem Mischer, einem ZF-Verstärker und einem Videoverstärker. Er verstärkt schwache Echosignale und wandelt sie durch Verstärkung und Demodulation in anzeigekompatible Signale um.

Radaranzeigen, die herkömmlicherweise Kathodenstrahlröhren (CRT) verwenden, stellen Zielinformationen im PPI-Format (Plan Position Indicator) aus der Vogelperspektive dar. Der Elektronenstrahl erzeugt radiale Scanlinien, die mit der PRF synchronisiert sind, wobei die Echos als helle Punkte erscheinen, die auf Ziele hinweisen.

Radar berechnet die Zielentfernung, indem es die Zeit zwischen Impulsübertragung und Echoempfang misst. Der Scanpunkt bewegt sich radial mit der halben Geschwindigkeit der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen. Beim Erreichen des Bildschirmrandes hat die Welle die doppelte Entfernung des Bildschirmradius zurückgelegt. Ziele erscheinen als helle Punkte in entsprechenden Entfernungen, verstärkt durch Entfernungsringe und variable Entfernungsmarkierungen (VRM) für Präzision.

Die Richtantenne dreht sich im Uhrzeigersinn (von oben gesehen) mit 12-30 U/min. Die synchronisierte Anzeige zeigt die Zielpeilung als Winkel von der Bildschirmmitte (0° oben) zum Zielpunkt an. Eine feste Kursmarkierung zeigt den Kurs des Schiffes an.

Marineradar arbeitet hauptsächlich in zwei Frequenzbändern mit unterschiedlichen Eigenschaften:

Betrieb bei 8–12 GHz (typischerweise 9 GHz) mit 3 cm Wellenlänge:

• Vorteile:Höhere Auflösung für die Erkennung kleiner Ziele/Störechos; Kompakte Antenne, geeignet für kleine Schiffe.
• Nachteile:Kürzere Reichweite; größere Wettereinflüsse (Regen/Nebel).

Betrieb bei 2–4 GHz (typischerweise 3 GHz) mit 10 cm Wellenlänge:

• Vorteile:Größere Erfassungsreichweite; bessere Leistung bei widrigem Wetter.
• Nachteile:Niedrigere Auflösung; größere Antennengröße.

Kapitel V des Internationalen Übereinkommens zum Schutz des menschlichen Lebens auf See (SOLAS) schreibt vor:

• Schiffe >300 BRZ:Ein 9-GHz-Radar plus ECDIS oder elektronisches Plotgerät.
• Schiffe >3000 BRZ:Zusätzliches 3-GHz-Radar und automatische Radarplothilfe (ARPA).

Zu den wichtigsten Standards, die 2004 durch die IMO-Resolution MSC.192(79) überarbeitet wurden, gehören:

1. Genauigkeit:Entfernungsfehler ≤30 m oder 1 % (je nachdem, welcher Wert größer ist); Lagerfehler ≤1°.
2. Auflösung:Separate Anzeige für Ziele mit einem Entfernungsabstand von 40 m oder einem Peilungsabstand von 2,5°.
3. Die Leistung bleibt bei ±10° Schiffsrollen/-nicken erhalten.
4. Wird angezeigt, wenn keine Ziele erkannt werden.
5. Vollständiger Betrieb innerhalb von 4 Minuten nach dem Kaltstart; 5 Sekunden aus dem Standby-Modus.
6. Erforderliche Bereichsskalen: 0,25–24 Seemeilen (zusätzliche Skalen zulässig).
7. Mindestens zwei VRMs mit digitalen Anzeigen, die der Skalenauflösung entsprechen.
8. Peilungsskala außerhalb des Anzeigebereichs mit 30°-Nummerierung und 5°-Teilung.
9. Alarme für ausgefallene Signale/Sensoren (Kreisel, Log, Peilung, Video, Synchronisierung, Kurs).
10. Mindestens vier unabhängige parallele Indexlinien mit individuellen Bedienelementen.