Verteidigung

Einfluss von Windenergieanlagen auf militärische Radare

Mit dem FHR-eigenen Flugzeug »Delphin« wurden die Radarsignale in großen Höhen gemessen.
© Foto Fraunhofer FHR

Mit dem FHR-eigenen Flugzeug »Delphin« wurden die Radarsignale in großen Höhen gemessen.

Mit einem mobilen Messlabor untersuchte das Forschungsteam in einer ersten Kampagne die Leistungsbeeinflussung von Radaranlagen durch WEAs.
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Mit einem mobilen Messlabor untersuchte das Forschungsteam in einer ersten Kampagne die Leistungsbeeinflussung von Radaranlagen durch WEAs.

In den Messdiagrammen ist die Beeinträchtigung des Radars durch WEAs ersichtlich.
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In den Messdiagrammen ist die Beeinträchtigung des Radars durch WEAs ersichtlich.

Radardetektionsverluste und Zielfehlweisungen wurden über und hinter Windenergieparks festgestellt und stellen eine Einschränkung der Leistungsfähigkeit dieser Radarsysteme dar. In einer durch Messungen verifizierten Studie, die den dynamischen Einfluss von Windenergieanlagen auf Radare simuliert, wird ein Bewertungswerkzeug entwickelt, das es erlaubt, die erwartete Leistungsreduzierung von Radaren durch Windenergieanlagen zu quantifizieren. 

Seit längerer Zeit beobachtet der Luftwaffenführungsdienst Anomalitäten bezüglich der Zielerfassung und –verfolgung im Bereich von Windenergieparks. Detektionsverluste und Zielfehlweisungen wurden über und hinter Windenergieparks festgestellt und stellen eine Einschränkung der Leistungsfähigkeit dieser Radarsysteme dar.

Zur Bewertung von Neuerrichtungen von Windernergieanlagen (WEA) wurde in einem ersten Schritt ein Bewertungstool erstellt, das unter Berücksichtigung der Topographie, der Standorte und Charakteristika militärischer Radare und der Standorte und Abmessungen der beantragten WEA eine Entscheidungshilfe gibt, ob Teile einer Windkraftanlage in den Erfassungsbereich militärischer Radare hineinreichen. In einem weiteren Schritt soll nun ein Verfahren erarbeitet werden, das den Einfluss von Windenergieanlagen im Sichtbereich der Radare dynamisch beschreibt und eine quantitative Aussage über zu erwartende Leistungsbeschränkungen ermöglicht. Erste Messungen im und in der Umgebung eines Windparks im Einzugsbereich der Radarstellung in Brockzetel wurden durchgeführt und analysiert. Die aufgezeichneten Daten zeigten innerhalb sowie hinter Windparks deutliche Veränderungen der Signalmodulation sowohl der Einzelpulse als auch der Amplitudenmodulationen der Maxima der Einzelpulse während der Beobachtungszeit.

Zunächst wurden Messungen mit drei relativ einfach aufgebauten Empfängern durchgeführt, deren Antennen auf Masten in Höhen bis zu 5 Metern installiert waren. Um Aussagen über Einflüsse von Windkraftanlagen und Windparks auf die Radarsignale in größeren Höhen machen zu können, wurde in einer zweiten Messkampagne erstmals das FHR Flugzeug Delphin eingesetzt mit einem unter dem Flugzeug installierten Messbehälter ("Pod"), welcher speziell für die WEA Messungen entwickelt und integriert wurde.

Erste Auswertungen der durchgeführten Messungen zeigen, dass durch den Einfluss der WEA des Windparks nicht nur erhöhte Ausbreitungsverluste zu erwarten sind, sondern auch die Modulation der Radarimpulse selbst eine Veränderung erfährt, die zu Signalleistungsverlusten führen kann. Beide Effekte müssen bei der Simulation des Einflusses von WEA auf Radare des militärischen Führungsdienstes Berücksichtigung finden.

Zur Untersuchung von elektromagnetischen Streufeldern werden im FHR sehr leistungsfähige Simulationsprogramme entwickelt. Dazu gehören einerseits sogenannte numerisch exakte Verfahren, welche aufgrund des Rechen- und Speicheraufwands höchstens für Untersuchungen oder Validierungsrechnungen an einzelnen WEAs geeignet sind. Andererseits werden auch asymptotische Verfahren entwickelt, die mit bestimmten Annahmen und Vereinfachungen auch sehr große Szenarien mit guter Genauigkeit modellieren können. Grundlage des hier verwendeten Simulationsprogramms sind diskrete Strahlen, die von einer Quelle ausgesendet werden und dazu dienen, alle relevanten Ausbreitungspfade zu finden. Dieses Verfahren wird mit der Physikalischen Optik (PO) und der Physikalischen Beugungstheorie (PTD) kombiniert, wobei beliebig große Szenarien mit vergleichsweise geringem Speicheraufwand modelliert werden können.

Die bisherigen Studien an einfachen generischen sowie komplexen realitätsnahen Szenarien zeigen, dass die in den Messungen beobachteten Effekte qualitativ auch in der Simulation nachgebildet werden können. Dabei werden sowohl Signalleistungsverluste und deren Ortsabhängigkeit im Schattenbereich von WEAs als auch dynamische Effekte untersucht. Die Bewegung der Rotorblätter wird durch eine zeitliche Sequenz von statischen Simulationsszenarien nachgebildet. Der zeitliche Verlauf dieser Feldstärke zeigt ähnlich wie in den durchgeführten Messungen eine Modulation der Gesamtfeldstärke.

Zweidimensionale Analysen der Gesamtfeldstärke zeigen ein sehr komplexes Streu- bzw. Interferenzmuster im Schattenbereich von WEAs. Durch die Bewegung der Rotorblätter lassen sich die modulierten Empfangsfeldstärken erklären.

Insgesamt zeigen sowohl die Messungen als auch die Feldstärkesimulationen, dass die durch WEAs hervorgerufenen Beeinflussungen hochkomplex sein können. Ziel der weiteren Studien ist die Bereitstellung eines leistungsfähigen, durch Messungen verifizierten Werkzeugs zur Bewertung des Einflusses von WEA auf Radare.