Emerging Technologies - Zukunftstechnologien

Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in der Atmosphäre

Der Grund warum der Wellenausbreitung gegenwärtig eine so hohe Bedeutung zukommt, liegt darin, dass viele Anwendungen des täglichen Lebens darauf basieren und heutzutage unverzichtbar sind.
© Foto Fraunhofer FHR

Der Grund warum der Wellenausbreitung gegenwärtig eine so hohe Bedeutung zukommt, liegt darin, dass viele Anwendungen des täglichen Lebens darauf basieren und heutzutage unverzichtbar sind.

Obwohl Radarfrequenzen Wolken durchdringen können, sind Starkregenereignisse, wie hier im Bild dargestellt, in der Lage Signale abzuschwächen. Hierbei spielt das Verhältnis zwischen der Wellenlänge und der Größe der Niederschlagspartikel eine wesentliche Rolle. Je größer dieses ausfällt, desto geringer ist die Beeinflussung.
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Obwohl Radarfrequenzen Wolken durchdringen können, sind Starkregenereignisse, wie hier im Bild dargestellt, in der Lage Signale abzuschwächen. Hierbei spielt das Verhältnis zwischen der Wellenlänge und der Größe der Niederschlagspartikel eine wesentliche Rolle. Je größer dieses ausfällt, desto geringer ist die Beeinflussung.

Das Radar macht sich die Eigenschaften elektromagnetischer Wellen zu Nutze, um Informationen von der Umgebung zu gewinnen. Dabei tritt die Atmosphäre als Ausbreitungsmedium mit auf den Plan.

Bereits im 19. Jahrhundert wurden die Theorien zu elektromagnetischen Wellen von James Clerk Maxwell aufgestellt, die später von Heinrich Hertz experimentell nachgewiesen wurden. Mit seinem Patent von 1904 hat Christian Hülsmeyer eine Anwendung für diese Erkenntnisse gezeigt. Heute ist die Radartechnik aus vielen Bereichen nicht mehr wegzudenken.

Im Themengebiet Ausbreitung elektromagnetischer Wellen wird der Frage nachgegangen, welche Rolle das Ausbreitungsmedium spielt, das zwischen Sender, Detektionsziel und Empfänger liegt. Das Ausbreitungsmedium beeinflusst dabei wesentlich die Leistungsfähigkeit einer Vielzahl von Radartypen. Jedoch treten in der Atmosphäre viele komplexe Effekte auf. Dazu gehören Dämpfung durch Niederschlagspartikel (Regen) oder Atmosphärengase sowie Reflexion an der Erdoberfläche oder an Objekten inklusive Mehrwegeausbreitung. Außerdem tritt auch bei Radarwellen, ähnlich wie bei Licht, eine Refraktion (Brechung) auf, im Wesentlichen durch die Abnahme der Atmosphärendichte über der Höhe. Abschließend sollten die Effekte der Beugung an Objekten und die Phasenverzögerungen durch die Atmosphäre nicht ungenannt bleiben. Stellvertretend für eine Vielzahl von Anwendungen, bei der die Ausbreitungsthematik eine wichtige Rolle spielt, seien im Folgenden zwei wichtige Bereiche herausgegriffen: Die Ausbreitungspfade auf Satelliten-Erde Pfaden für abbildende Radare sowie die Ausbreitung über See und flachen Einfallswinkeln zur Detektion kleiner Ziele mit Störecho-Hintergrund.

Auf die Zusammensetzung kommt es an

Um die Ausbreitungsbedingungen ausreichend genau zu beschreiben, sind eine Vielzahl von Messgrößen zur Charakterisierung des Mediums erforderlich, beispielsweise Luftdruck, Lufttemperatur, Luftfeuchte, Niederschlagsintensität, Gesamtelektronenzahlen und weitere. Allen voran spielt das Profil des Brechungsindex über der Höhe eine entscheidende Rolle. Dieses beeinflusst, ob Standard-Ausbreitungsbedingungen vorherrschen oder Über- bzw. Unterreichweiten für die Detektion erzielt werden. Für zeitkritische Anwendungen ist eine Erfassung der realzeitlichen Informationen zu den Umgebungsbedingungen schwierig, aber auch daran arbeiten Forscher des Fraunhofer FHR mit Hochdruck und entwickeln Verfahren, die den operationellen Anforderungen gerecht werden.

Fundiertes Know-how

Viele Fragestellungen wurden in NATO-Gruppen, in technischen Abkommen und in Form zahlreicher Experimente über Jahrzehnte hinweg eingehend untersucht. Darüber hinaus verfügt das Institut über geeignete Software-Werkzeuge, um unterschiedliche Ausbreitungsszenarien zu modellieren. Letztendlich führt die Fähigkeit, die Modelle durch geeignete Messungen zu verifizieren zum Ziel, eine belastbare Aussage über die Detektionseigenschaften zu treffen.

Die umfassenden Kenntnisse des Instituts auf dem Gebiet der Ausbreitungsphysik und dem Verständnis aller Effekte in Bezug auf die Systemparameter erlaubt es Radarsysteme so auszulegen, dass diese in Hinblick auf die Anwendung die bestmögliche Leistungsfähigkeit erzielen. Darüber hinaus verfügen die Forscher des Fraunhofer FHR über umfassende und fundierte Kenntnisse, um störende Einflüsse der Atmosphäre durch geeignete signalverarbeitungstechnische Maßnahmen und Korrekturalgorithmen zu eliminieren beziehungsweise entscheidend zu reduzieren. In Hinblick auf zukünftige Herausforderungen, bei denen die Systemparameter aufgrund geänderter Anforderungen bislang nicht eingesetzte Wertebereiche einnehmen, ist das Know-how des Instituts besonders relevant.

Kein Nachteil ohne Vorteil

Spinnt man den Gedanken hinsichtlich der Ausbreitungsphysik weiter, so ist ein Radar auch in der Lage wertvolle Informationen über die Ausbreitungsstrecke selbst zu gewinnen, d. h. anstatt die Beeinflussung als Störung zu interpretieren, können wertvolle Aussagen über die Zusammensetzung des Mediums getroffen werden. Dies kann auf der einen Seite z. B. Information über die Gesamtelektronenzahl in der Ionosphäre sein, andererseits auch Information zu der Zusammensetzung der Troposphäre. Hierbei sei eine prominente Anwendung zu erwähnen, die in unserem alltäglichen Leben immer häufiger als Informationsquelle herangezogen wird, nämlich das Niederschlagsradar.

Für Sicherheitsanwendungen bei schlechter Sicht weist die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen im Radarfrequenzbereich wesentliche Vorteile auf: So können Radarstrahlen auch Nebel und Wolken durchdringen und einen wesentlichen Beitrag zur Sicherheit in der Luftfahrt aber auch in der Schifffahrt und bei vielen weiteren Anwendungen leisten.