Laser macht Radar genauer

  • 20. March 2014

Photonische Erzeugung und Auswertung der Radarsignale führt zu höherer Präzision.

An der Entwicklung kompakterer und zugleich präziserer Radarsysteme für zivile und militärische Anwendungen wird weltweit intensiv gearbeitet. Jetzt haben italienische Forscher einen Radar vorgestellt, der mithilfe eines Lasers sowohl Radarsignale erzeugt als auch Radarechos auswertet. Dadurch hat dieser Ansatz gute Chancen, herkömmliche Radarsysteme in den Schatten zu stellen.

Photonische Erzeugung und Auswertung der Radarsignale

Im photonischen Radar PHODIR erzeugt ein modengekoppelter Laser (MLL) das Radarsignal, das mit der Antenne abgestrahlt wird. Zugleich ist der Laser mit einem photonischen Analog-Digital-Konverter (ADC) verbunden, der das einkommende Radarecho verarbeitet. (Bild: NPG / J. D. McKinney et al.)

Antonella Bogoni vom Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Telecomunicazioni (CNIT) in Pisa und ihre Kollegen haben ihr neuartiges Radarsystem im Rahmen des Projekts Phodir (photonic-based fully digital radar) entwickelt, das vom European Research Council gefördert wird. Indem dieser Radar die Phasenstabilität eines modengekoppelten Lasers nutzt, kann er die Laufzeit und Frequenzänderung der von einem Objekt reflektierten Radarsignale (und damit dessen Entfernung und Geschwindigkeit) genauer bestimmen als gängige Radarsysteme.

Im elektronischen Transmitter eines herkömmlichen Radarsystems wird eine Wellenform bei niedrigen Frequenzen erzeugt und dann mithilfe einer Radiofrequenzwelle oder Trägerwelle zu höhere Frequenzen verschoben. Eine Antenne schickt das dabei entstehende Radarsignal zu einem Objekt, wo es reflektiert wird. Bewegt sich das Objekt, so hat das reflektierte Signal aufgrund des Doppler-Effekts eine veränderte Frequenz. Kommt das Radarecho schließlich zur Antenne zurück, wird es im Empfänger mithilfe der Radiofrequenzwelle zu niedrigen Frequenzen zurück verschoben und mit der ursprünglichen Wellenform verglichen.

Durch den Vergleich der beiden Wellenformen ergeben sich die Laufzeit und die Frequenzänderung des Radarsignals, aus denen sich die Entfernung bzw. die Radialgeschwindigkeit des Objekts ermitteln lässt. Dabei ist die räumliche Auflösung des Radars umso besser, je kürzer die Wellenfront ist, was eine möglichst hohe Trägerfrequenz für das Radarsignal erforderlich macht.

Um die zurückkommende und die ursprüngliche Wellenform vergleichen zu können, schickt man sie durch einen Analog-Digital-Wandler, der ihre Intensitäten zu bestimmten Zeiten abfragt und digitalisiert. Das setzt jedoch voraus, dass die zur Frequenzverschiebung benutzte Radiowelle eine hinreichend große Phasenstabilität hat, da sonst das Phasenrauschen die Messzeitpunkte zu stark schwanken lässt.

Das photonische Radarsystem auf dem Dach des Labors in Pisa

Das photonische Radarsystem auf dem Dach des Labors in Pisa bei der Erfassung des Luftverkehrs des nahegelegenen Flughafens (Bild: A. Bogoni)

Die entscheidende Idee des Phodir-Projekts ist es, mit einem sehr phasenstabilen modengekoppelten Laser sowohl Radiowellen zu erzeugen als auch das zurückkommende Radarsignal zu bestimmten Zeitpunkten abzufragen, sodass es digitalisiert werden kann. Der benutzte Laser strahlte bei 1560 nm Wellenlänge und gab pro Sekunde 400 Mio. Lichtpulse ab, die jeweils kürzer als eine Pikosekunde waren.

Die Laserstrahlung, die zahlreiche Moden mit unterschiedlichen Wellenlängen enthielt, fiel auf eine Photodiode, die daraus ein elektrisches Schwebungssignal im Radiofrequenzbereich erzeugte. Aus diesem Signal filterten die Forscher eine Radiowelle mit der gewünschten Frequenz von etwa 40 GHz, die sie als Trägerwelle für das ausgehende Radarsignal benutzen. Es zeigte sich, dass der neue Radiofrequenzgenerator wesentlich weniger stark rauschte als herkömmliche Generatoren.

Das zurückkommende Radarsignal wurde zusammen mit der gepulsten Laserstrahlung in einen Mach-Zehnder-Modulator gegeben. Die Amplituden der einzelnen Laserpulse wurden dabei durch das Radarecho moduliert und anschließend mit einer Photodiode gemessen. Auf diese Weise konnte der Verlauf des Radarechos an den durch die Pulse vorgegebenen äquidistanten Zeitpunkten bestimmt werden, die nur sehr geringe Schwankungen aufwiesen. Dieser Analog-Digital-Konverter auf Laserbasis war etwa 100-mal zuverlässiger als elektronische Konverter. Verglichen mit anderen photonischen Analog-Digital-Konvertern zeigte er dieselbe Fidelity – jedoch über einen zehnmal größeren Frequenzbereich.

Die Leistungsfähigkeit ihres photonischen Radars demonstrierten Antonella Bogoni und ihre Kollegen, indem sie die Flugbahn von Flugzeugen während des Starts verfolgten und anschließend die erhaltenen Daten mit den auf andere Weise gemessenen Bahndaten verglichen. Demnach konnte die Entfernung eines Flugzeuges, die etwa 5 km betrug, auf 23 m genau bestimmt werden. Seine Geschwindigkeit, die bei etwa 400 km/h lag, ließ sich auf 2 km/h genau ermitteln.

Das erste photonische Radarsystem Phodir hat somit seine Leistungsfähigkeit unter Beweis gestellt. Seine schon jetzt platzsparende Bauweise ließe sich mit speziellen photonischen Bauelementen noch wesentlich kompakter machen. Darüber hinaus könnten die Radarsignale und Radarechos mit Glasfasern über große Entfernungen übertragen werden, sodass ein ferngesteuerter Betrieb des Radarsystems möglich wäre.

Rainer Scharf

MD

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