Verkehr

Antennenentwicklung für ein neuartiges Seenotrettungssystem

Vision eines zukünftigen Seenotrettungsszenarios: Der in der Rettungsweste integrierte Transponder ermöglicht die Detektion mit einem harmonischen Radar.
© Fraunhofer FHR

Vision eines zukünftigen Seenotrettungsszenarios: Der in der Rettungsweste integrierte Transponder ermöglicht die Detektion mit einem harmonischen Radar.

Blockdiagramm der Komponenten des Seenotrettungssystems. Die Verantwortlichkeiten des Fraunhofer FHR sind gekennzeichnet.
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Blockdiagramm der Komponenten des Seenotrettungssystems. Die Verantwortlichkeiten des Fraunhofer FHR sind gekennzeichnet.

Experimentelle Untersuchung der Sende- und Empfangseigenschaften der Transponderantennen.
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Experimentelle Untersuchung der Sende- und Empfangseigenschaften der Transponderantennen.

Mit herkömmlichen Navigationsradarsystemen ist es in der Regel nicht möglich, kleine Objekte auf einer aufgewühlten Wasseroberfläche zu entdecken. Eine modulare Erweiterung existierender Radarsysteme und die Verwendung kostengünstiger Transponder sollen Abhilfe schaffen.

Kleine, auf der Meeresoberfläche treibende Streuobjekte wie z. B. Wassersportler, Rettungsinseln oder Schiffbrüchige können mit zunehmendem Wellengang immer schlechter bis gar nicht von herkömmlichen Schiffsnavigationsradaren detektiert werden. Die Radarreflexionen dieser Objekte sind geringer oder nur geringfügig stärker als die Reflexionen von der unebenen Wasseroberfläche (See-Clutter). In dem öffentlich geförderten Verbundprojekt SEERAD (Seenotrettungssystem basierend auf einem störungsarmen Radar) wird ein neuartiges Seenotrettungssystem erforscht, das die Radarortung von Menschen und Rettungsmitteln im Wasser erlaubt (s. Abb. 1).

Hierzu werden kompakte und kostengünstige Transponder entwickelt, die ein frequenzverdoppeltes Radarsignal zurücksenden, das von einem ebenfalls zu entwickelnden harmonischen Radarsystem empfangen und ausgewertet wird. Dieses Signal wird nicht von den ansonsten typischen Störungen durch Reflexionen an Wellen überlagert, weshalb sämtliche mit Transpondern ausgestattete Objekte sichtbar sind.

In dem Förderprojekt ist die Möglichkeit der Integration des harmonischen Radarsystems mit vorhandenen S-Band Navigationssystemen des Industriepartners ein wichtiger Aspekt. So sollen sich das konventionelle Navigationsradar und das harmonische Radar eine gemeinsame Antenne teilen, weshalb der Sendefrequenzbereich beider Systeme innerhalb des S-Bands übereinstimmen muss. Das harmonische Radar soll dann die frequenzverdoppelten Streusignale der Transponder bei der doppelten Frequenz im C-Band empfangen, während das herkömmliche Radar weiterhin die linearen Reflexionssignale im S-Band empfängt. Wegen der Nutzung einer gemeinsamen Radarantenne müssen beide Systeme die gleiche Sendepolarisation nutzen. Typischerweise arbeiten Navigationsradarsysteme mit horizontaler Polarisation. Diese ist allerdings für die Detektion von Objekten, die nur geringfügig aus dem Wasser herausragen, nicht sehr gut geeignet. Daher wurde als Empfangspolarisation des Seenotrettungsradars die vertikale Polarisation festgelegt.

Wie in dem Blockdiagramm in Abbildung 2 dargestellt, bestehen die Aufgaben des Fraunhofer FHR in der Untersuchung neuartiger Antennenstrukturen für die Transponder und das erweiterte Navigationsradar. Die Arbeiten zu den Transponderantennen sind weitestgehend abgeschlossen und haben zu einem Transponder mit Abmessungen ähnlich einer Kreditkarte geführt. Die Integrierbarkeit in herkömmliche Rettungswesten in trockener und feuchter Umgebung wurde simulatorisch und experimentell erfolgreich untersucht. Dabei wurde auch, wie in Abbildung 3 zu sehen ist, die Detektierbarkeit aus allen Raumrichtungen inklusive möglicher Abschattungen betrachtet.

Schiffsnavigationsradare nutzen in der Regel mechanisch rotierende Balkenantennen, welche auf geschlitzten Rechteckhohlleitern basieren. Im S-Band haben diese Antennen eine Länge von ungefähr vier Metern und müssen den Umweltbedingungen auf hoher See standhalten. Die besondere Herausforderung besteht für das Fraunhofer FHR darin, eine kompakte Antenne zu entwickeln, welche die gleichen hochfrequenztechnischen und mechanischen Anforderungen erfüllt wie eine herkömmliche Schiffsradarantenne, jedoch zusätzlich auch bei der doppelten Sendefrequenz mit einer anderen Polarisation empfängt. Eine erste verkürzte Demonstratorantenne wurde bereits erfolgreich aufgebaut. Messtechnische Untersuchungen in einer der Antennenmesskammern des Fraunhofer FHR und der Betrieb an einem ersten Demonstrator der harmonischen Radarhardware haben die Tauglichkeit des gewählten Ansatzes bestätigt.

Der nächste Schritt besteht nun im Aufbau einer kombinierten Navigations- und Seenotrettungsantenne mit voller Länge, so dass die von den internationalen Schifffahrtsvorschriften geforderte geringe Hauptkeulenbreite in der horizontalen Ebene erreicht wird. Diese Antenne soll nach ihrer Fertigstellung und Charakterisierung dem Industriepartner für ausführliche Messkampagnen an der Ostsee zur Verfügung gestellt werden.

Das Projekt wird im Zuge der Bekanntmachung »Innovative Rettungs- und Sicherheitssysteme« des BMBF im Rahmen des Programms »Forschung für die zivile Sicherheit« der Bundesregierung gefördert. Es wird durch die Fachhochschule Aachen geleitet und die Firma Raytheon Anschütz GmbH fungiert als Industriepartner. Der Fachverband Seenot-Rettungsmittel e.V. ist assoziierter Partner.