Orten mittels Radar und Schallwellen

Radar und Sonar sind Ortungsverfahren, mit denen sich der Abstand, die Richtung und die Geschwindigkeit von Objekten ermitteln lassen. Radar ist die Abkürzung der englischen Bezeichnung Radio Detection and Ranging und arbeitet mit hochfrequenten elektromagnetischen Wellen (Radiowellen). Sonar, auch Schallortung genannt, verwendet Schallwellen und ist die Abkürzung für Sound Navigation and Ranging. Beide Ortungsverfahren beruhen darauf, mit einem Sender Funk- bzw. Schallimpulse auszusenden und – nach der Reflexion durch die zu ortenden Objekte – wieder zu empfangen. Die Laufzeit – also die Zeitspanne, die zwischen dem Aussenden der Impulse und der Rückkunft des Echos vergeht – multipliziert mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen, ergibt gerade die doppelte Entfernung zum reflektierenden Objekt. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen bei den beiden Verfahren ist jedoch sehr unterschiedlich: Radiowellen breiten sich – unabhängig vom Medium – mit Lichtgeschwindigkeit (300 000 km/s) aus, bei Schallwellen hängt sie vom Medium ab und beträgt in Wasser – dort wird das Sonar hauptsächlich eingesetzt -1440 m/s. Aus diesen Zahlenangaben kann man leicht errechnen, welche Laufzeiten sich für ein jeweils 1,5 km entferntes Objekt ergeben: Das Echo eines Sonarimpulses trifft erst nach etwa zwei Sekunden ein, das eines Radarimpulses aber schon nach einer hunderttausendstel Sekunde! Man benötigt daher beim Radar sehr empfindliche elektronische Geräte, um derart kleine Zeitintervalle überhaupt messen zu können. Entwicklung von Sonar und Radar
Das Sonar wurde in erster Linie für den Seekrieg entwickelt, um von Schiffen aus getauchte U-Boote aufspüren bzw. von getauchten U-Booten aus Schiffe und andere U-Boote orten zu können. Minenfelder, Eisberge, Wracks oder die Wassertiefe lassen sich auf diese Art ebenfalls feststellen. Heute wird Sonar auch für zivile Zwecke eingesetzt, etwa in der Hochseefischerei zum Aufspüren von Fischschwärmen oder in der Ozeanografie zur Erkundung des Meeresbodens. Auch die Entwicklung der Radartechnik war auf die rasch erkannte strategische Bedeutung im militärischen Einsatz zurückzuführen. Bei Ausbruch des Zweiten Weltkriegs 1939 besaß England an seiner Ostküste bereits ein Radarwarnsystem gegen Flugzeuge, Amerikaner und Deutsche zogen jedoch mit ähnlichen Entwicklungen bald nach. Aufbau einer Radaranlage
Zu einer modernen Radaranlage gehören im Wesentlichen vier Einheiten: eine Antenne, ein Sender, der die Radiowellenimpulse über die Antenne abstrahlt, ein Empfänger, der die von der Antenne aufgenommenen Radarechos verstärkt und auswertet, sowie eine Anzeigeeinheit, die sämtliche Ergebnisse in geeigneter Form sichtbar macht. Radarantennen sind je nach ihrem Verwendungszweck ganz verschieden aufgebaut: Es sind z. B. ebene oder gewölbte Drahtgitter, die den Strahl nur schwach bündeln und, feststehend oder rotierend, als Suchradar dienen, oder parabolspiegelähnliche Reflektoren mit starker Bündelung, die – computergesteuert und von Motoren angetrieben – automatisch ihr Ziel, beispielsweise ein Flugzeug oder eine Rakete, verfolgen. Bei einfachen Radaranlagen bestimmt man die Entfernung mit einem Oszillografen – einem Gerät zur Sichtbarmachung periodischer Vorgänge -, indem man auf seinem Bildschirm den Abstand zwischen den Sendeimpulsen und den empfangenen und verstärkten Radarechos ausmisst und in die Laufzeit umrechnet. Die Richtung (Azimut) des Objekts gegenüber der Nordrichtung und der Erhebungswinkel (Elevation) gegenüber der Horizontebene (z. B. bei einem Flugzeug) ergibt sich aus der Orientierung der Radarantenne und wird auf Skalen angezeigt. Die Rundumsicht-Radaranlage gibt einen schnellen Überblick über die Umgebung des Standorts. Sie wird z. B. auf Schiffen verwendet, um in der Nähe der Küste deren Verlauf und damit den eigenen Standort zu bestimmen, beim Wetterradar zeigt sie die Anordnung von Sturmwolken: Zwischen dem Mittelpunkt und dem Rand eines Bildschirms läuft ein Elektronenstrahl ständig hin und her und erzeugt einen Leuchtbalken. Dieser dreht sich synchron mit der rotierenden Antenne im Kreis herum und überstreicht so den ganzen Bildschirm. Echosignale treten dabei als helle Flecken hervor, die einige Zeit nachleuchten. Auf diese Art erhält man eine »Karte«, deren Mittelpunkt der eigene Standort ist. Je nach Reichweiteneinstellung kann man aus dem Abstand der Leuchtflecken vom Mittelpunkt den tatsächlichen Abstand der Objekte ablesen. Auch die Himmelsrichtung ist direkt erkennbar. Die meisten Radargeräte verarbeiten nur die schwachen reflektierten Wellen fester Objekte. Es gibt jedoch auch sogenannte Sekundär-Radarsysteme, bei denen der Radarimpuls am Objekt einen zweiten Impuls auslöst, der dann an der Sendestelle wieder empfangen werden kann. Diese Sekundär-Radarsysteme werden heute besonders in der Luftfahrt für die Navigation benutzt. Wenn eine elektromagnetische Welle von einem Objekt reflektiert wird, das sich dem Sender nähert oder sich von ihm entfernt, ändert sich die Wellenlänge und damit auch die Frequenz der reflektierten Welle. Dieser sogenannte Doppler-Effekt lässt sich zur Feststellung von Geschwindigkeiten ausnutzen, beispielsweise beim Verkehrsradar oder in der Astronomie.