Verteidigung

Abstandsaktiver Schutz mit Millimeterwellenradar

DUSIM – Vierkanaliges Radar-Frontend mit einer Ausgangsleistung von 100 mW bei 94 GHz.
© Fraunhofer FHR

DUSIM – Vierkanaliges Radar-Frontend mit einer Ausgangsleistung von 100 mW bei 94 GHz.

Geschossbahn eines kleinkalibrigen Projektils (MG3 7,62 x 51 mm).
© Fraunhofer FHR

Geschossbahn eines kleinkalibrigen Projektils (MG3 7,62 x 51 mm).

Ausschnitt der Geschossbahn einer RPG. Raketenbug und –heck (Finne) sind unterscheidbar.
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Ausschnitt der Geschossbahn einer RPG. Raketenbug und –heck (Finne) sind unterscheidbar.

In zahlreichen Einsatzszenarien besteht eine er­höhte Bedrohungslage durch Panzerabwehr-Handwaffen, die auf dem Weltmarkt in großer Zahl verfügbar sind. Ein vielversprechender Ansatz dieser Bedrohung zu begegnen, besteht in der Entwicklung und Realisierung abstandsaktiver Schutzsysteme.

Die hohe Durchschlagkraft panzerbrechender Munition in Kombination mit einer nahezu hemisphärischen Bedrohungs­lage führen dazu, dass ein angemessener Schutz, insbesondere für leichte, luftverlastbare Fahrzeuge, mit herkömmlichen ­ballistischen Schutztechnologien kaum realisierbar ist. Vielmehr werden aktive Schutzsysteme benötigt, die ein anfliegendes Geschoss selbstständig erkennen und vor dem Eintreten der regulären Wirkung bekämpfen. Die Leistungsfähigkeit eines solchen Systems hängt von mehreren Faktoren ab: Zuverlässigkeit der Detektion (niedrige Falschalarmrate), Güte der Klassifikation und der dreidimensionalen Ortung, Verarbeitungszeit der Messdaten sowie Einleitung einer geeigneten Gegenmaßnahme. Eine Schlüsselrolle kommt dabei dem Sensor zu, der die anfliegende Bedrohung detektiert, Rückschlüsse auf deren Beschaffenheit zulässt und Daten liefert, die eine hochgenaue Bestimmung der Flugparameter (Abstand, Flugrichtung, Geschwindigkeit) erlauben. Diese Informationen müssen schließlich der Feuerleitung in Echtzeit zur Verfügung gestellt werden. Aufgrund der Allwettertauglichkeit und der Möglichkeit Staub- und Sandwolken zu durchdringen, bietet die Radartechnologie gegenüber anderen möglichen Sensoren (z. B. elektro-optisch oder infrarot) viele Vorteile.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens DUSIM (Dual Use Sensorik im mittleren Entfernungsbereich) wurde ein vierkanaliges Radarsystem für den abstandsaktiven Schutz im Überwachungsbereich zwischen 8 m und 250 m entwickelt. Es arbeitet bei einer Frequenz von 94 GHz und emittiert eine geringe Leistung von 100 mW, welche den Sensor für nicht kooperative Truppen schwer entdeckbar macht und zudem im Nahbereich ungefährlich für Personen ist. Das frequenzmodulierte Dauerstrich-Signal (FMCW) mit einer Bandbreite von 1 GHz sorgt für eine hohe Abstandsauflösung von 15 cm. Herzstück des DUSIM-Radarfrontends ist die hochstabile Signalaufbereitung (Chirp Generation Board), die eine lineare Frequenzrampe im Bereich um etwa 15,7 GHz erzeugt, welche im Anschluss versechsfacht und verstärkt wird. Mit dem vierkanaligen Empfangssystem ist der Sensor in der Lage, eine sehr präzise Ortsablage des herannahenden Geschosses zu liefern; dafür wird das Monopulsverfahren eingesetzt. Durch Ausnutzung des Dopplereffekts können ferner Geschwindigkeit und Flugrichtung der Bedrohung ermittelt werden. Die unmittelbare Erstellung eines Flug-Tracks nach erfolgreicher Detektion ist die wesentliche Grundlage für eine gezielte und zeitlich exakte Gegenmaßnahme. Eine möglichst eindeutige Klassifikation sorgt dabei für eine geringe Falschalarmrate, indem zwischen relevanten und nicht relevanten Zielen unterschieden wird.  

Trajektorie eines Flugkörpers in der Zentrifugenanlage auf der WTD 91 in Meppen. Es sind zwei Streuzentren auf dem Zielobjekt sowie weitere Streuzentren mit geringerer Geschwindigkeit von der Zentrifuge selbst zu erkennen.
© Fraunhofer FHR

Trajektorie eines Flugkörpers in der Zentrifugenanlage auf der WTD 91 in Meppen. Es sind zwei Streuzentren auf dem Zielobjekt sowie weitere Streuzentren mit geringerer Geschwindigkeit von der Zentrifuge selbst zu erkennen.

Das in der Abbildung 1 dargestellte Frontend hat eine Größe von 200 x 180 x 230 mm³ und eine Masse von ca. 3 kg. Das System wurde in mehreren Messkampagnen unter realitätsnahen Bedingungen erfolgreich getestet. Dabei wurden sowohl Versuche mit kleinkalibrigen Geschossen als auch mit panzerbrechender Munition (z. B. RPG 7) durchgeführt. Die Ergebnisse sind beispielhaft in den Abbildungen 2 und 3 zu sehen. In den Jahren 2016 und 2017 wurden zusätzliche Versuche in der Zentrifugenanlage der WTD 91 in Meppen durchgeführt. Hier wurden verschiedene Bedrohungen reproduzierbar auf einer Kreisbahn bewegt, von der ein Teilabschnitt tangential durch das Radar beleuchtet wurde. Aufgrund der hohen Wiederholrate konnten rund 700 Einzelmessungen verteilt auf die verwendeten Flugkörper (elf verschiedene Bedrohungen) aufgezeichnet werden. Ohne aufwendige Schussversuche können auf diese Weise wiederholt die unterschiedlichen Radarsignaturen der diversen Geschosse sehr kostengünstig und mit geringem Zeitaufwand untersucht werden. Die Vielzahl der Messdaten erlaubt darüber hinaus statistische Aussagen über die betrachteten Objekte. Die Abbildung 4 zeigt einen Ausschnitt aus einer typischen Zentrifugenmessung.

Die erfolgreichen Messungen und guten Ergebnisse zeigen, dass eine Weiterentwicklung des DUSIM-Radarsensors zum Einsatz in einem abstandsaktiven Schutzsystem lohnenswert ist. Insbesondere im Bereich der Signalverarbeitung, z. B. Lokalisation und Klassifikation der Objekte, ist Verbesserungspotenzial vorhanden. Durch eine Steigerung der Ausgangsleistung (auf derzeit realistische 1 W) könnte außerdem der Abdeckungsbereich des Radars noch erhöht werden.