Seit ihrer Entwicklung zu Beginn des 20. Jahrhunderts nutzt die Radartechnologie verschiedene Quellen, darunter Magnetrons, Klystrons oder Wanderfeldröhren (TWTs), um die zu sendende Hochfrequenzenergie (HF-Energie) zu erzeugen. Auf der Empfängerseite verwenden Radargeräte typischerweise Quarzoszillatoren, um stabile Referenzfrequenzen zum Vergleich der empfangenen Signale zu erzeugen.

Die Energie verlässt die Antenne des Radars, breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit durch den Äther aus, trifft auf ein Ziel und wird zur Antenne zurückreflektiert. Durch Messung derEigenschaften dieser Reflexionerkennt das Radar ein Ziel und bestimmt dessen spezifische Eigenschaften wie Geschwindigkeit, Höhe, Azimut, Vektor und gegebenenfalls seine Identität.

Photonische Radargeräte verzichten auf Magnetrons und Quarzkristalle und nutzen stattdessen Licht zur Erzeugung von Hochfrequenzenergie (HF) und zur Bereitstellung stabiler Referenzfrequenzen. David Stupples, Professor für Elektronik und Funktechnik an der City St. George’s University in London, merkt dazu an: „In der Öffentlichkeit herrscht mitunter Verwirrung bezüglich des Begriffs ‚photonisches Radar‘. Mikrowellen-photonische Radargeräte verwenden zwar optische photonische Verfahren innerhalb der Radararchitektur, die zum Ziel gesendeten und empfangenen Radarsignale bleiben jedoch elektromagnetische Hochfrequenz-/Mikrowellenstrahlung.“

Ein Beispielfür ein mikrowellenphotonisches Radar ist ein System, das einen Laser nutzt, der zwei Lichtstrahlen mit leicht unterschiedlichen Frequenzen erzeugt. Laserlicht liegt im optischen Bereich des elektromagnetischen Spektrums, mit Frequenzen zwischen 300 GHz und 30 Petahertz (Phz). Zwei Laserstrahlen mit leicht unterschiedlichen Frequenzen erzeugen eine Schwingung, die über ein Glasfaserkabel zu einem Fotodetektor geleitet wird. Der Fotodetektor reagiert auf die Schwingung der beiden überlagerten Laserstrahlen und wandelt sie in ein elektrisches HF-/Mikrowellensignal mit der gleichen Schwingung um. Dieses elektrische HF-/Mikrowellensignal wird dann an die Antenne weitergeleitet und als elektromagnetische Welle abgestrahlt.

Dieser Prozess lässt sich durch einfache Arithmetik erklären: Angenommen, der erste Laserstrahl hat eine Frequenz von 193,100 THz und der zweite eine Frequenz von 193,110 THz. Der resultierende elektrische Strom hat eine Frequenz von 10 GHz. Diese Frequenz liegt im X-Band-Frequenzbereich von 8,5 GHz bis 10,68 GHz. Das X-Band ist bei Radaringenieuren eine beliebte Wahl für die Entwicklung von Systemen, die Luftziele wie ballistische Raketen mit hoher Genauigkeit erfassen müssen.

Warum Mikrowellen-Photonen-Radar?

Hochfrequenzwellen schwingen vollständig um 360° – von einem Wellenberg zu einem Wellental und wieder zurück. Diese vollständige Bewegung wird als Zyklus bezeichnet. Die Frequenz gibt an, wie viele Zyklen pro Sekunde stattfinden; ein Zyklus entspricht 1 Hz. Die Phase misst die genaue Position der Schwingung innerhalb ihres Zyklus zu einem bestimmten Zeitpunkt. Ein 10-GHz-Signal führt zehn Milliarden Schwingungen pro Sekunde aus, also eine Schwingung alle 0,0000000001 Sekunden oder 0,1 Nanosekunden (ns).

Radargeräte enthalten hochentwickelte Uhren, die die genaue Position einer Welle in ihrem Zyklus zu jedem Zeitpunkt messen. Beispielsweise befindet sich die Schwingung bei 0 ns bei 0°, bei 2,5 ns bei 90°, bei 5 ns bei 180°, bei 7,5 ns bei 270° und bei 10 ns bei 360°. Das Radar protokolliert die Schwingungszeiten während der Signalübertragung. Wenn das Signal ausgesendet wird, auf ein Ziel trifft und zum Radar zurückreflektiert wird, und die Phasen der Schwingungen gleich bleiben, erkennt das Radar, dass sich das Ziel nicht bewegt. Sind die reflektierten Schwingungen phasenverschoben, bewegt sich das Ziel. Um auf das obige Beispiel zurückzukommen: Das reflektierte Signal kann bei 0,1 ns bei 0°, bei 2,6 ns bei 90°, bei 5,1 ns bei 180°, bei 7,6 ns bei 270° stehen und den Zyklus bei 10,1 ns mit 360° abschließen. Diese Phasenverschiebung zwischen dem ausgesendeten Signal und dem Echo deutet darauf hin, dass sich das Ziel bewegt.

Das Problem herkömmlicher Radargeräte besteht darin, dass die erzeugten Hochfrequenzsignale geringfügige Fehler in der Reinheit der Schwingungen aufweisen können; beispielsweise können einige Schwingungen etwas schneller sein als andere. Dies kann Auswirkungen auf die Genauigkeit des Radars haben, was wiederum dessen Fähigkeit beeinträchtigen kann, kleine, schnelle Ziele wie Hyperschallraketen präzise zu erfassen. In der Luftverteidigung ist Genauigkeit jedoch von entscheidender Bedeutung. Mikrowellenphotonische Radargeräte bieten eine höhere Signalreinheit und somit eine genauere Zielerfassung.

Die Flexibilität im Frequenzbereich ist ein weiterer entscheidender Vorteil des mikrowellenphotonischen Radars. Radargeräte arbeiten üblicherweise mit spezifischen Frequenzen, abhängig von ihrer jeweiligen Aufgabe. Weitere Einschränkungen sind die Größe der Antennen, die das Radar aufnehmen kann, sowie die maximale Leistung, die es aufnehmen, verarbeiten und senden kann. Letztendlich ist die Frequenzwahl immer ein Kompromiss. Ein photonisches Radar hingegen kann relativ einfach zwischen verschiedenen Frequenzen wechseln.

Die Lichtquelle lässt sich durch die Variation von Frequenz und Amplitude der Laserstrahlen schnell und unkompliziert programmieren: Ändert man beispielsweise den Frequenzabstand der beiden geteilten Strahlen von 193,100 THz für den ersten und 193,1058 THz für den zweiten, ergibt sich ein 5,8-GHz-Signal. Dadurch wechselt das Radar von einem X-Band-System zu einem C-Band-Radar (5,25 GHz bis 5,925 GHz). Letzteres Frequenzband eignet sich gut für die Zielerfassung auf größere Entfernungen, bietet aber weniger die für das X-Band typische hohe Zielauflösung.

Obwohl mikrowellenphotonische Radararchitekturen das Frequenzspektrum eines Radars und damit die Bandbreite der erfassbaren Ziele potenziell erweitern, bestehen weiterhin Einschränkungen: Die Antenne eines Radars ist in der Regel auf die vom System verarbeiteten Frequenzen abgestimmt. Antennen haben typischerweise eine Länge, die entweder der Hälfte oder einem Viertel der Wellenlänge der gesendeten oder empfangenen Frequenz entspricht. Zwar ist es möglich, eine Vielzahl von Frequenzen zu erzeugen, es ist jedoch fraglich, ob ein einzelnes Antennendesign alle diese Frequenzen abdecken kann.

Aus Sicht des elektronischen Schutzes bietet die von mikrowellenphotonischen Radarsystemen versprochene Frequenzagilität klare Vorteile. Ein ausreichend leistungsstarkes elektronisches Angriffssystem, das Störsender im gesamten X-Band einsetzt, kann die Leistung jedes X-Band-Radars in Reichweite so stark beeinträchtigen, dass dieses Ziele nicht mehr wie gewünscht erfassen kann. Die Möglichkeit, die Radarsignale während der Störung vollständig aus dem X-Band herauszuleiten, verhindert den Angriff. Der Angreifer ist gezwungen, die neuen Signale des Zielradars zu erfassen, seine Störsender neu zu konfigurieren und den Angriff erneut zu starten.

Zu den weiteren Vorteilen mikrowellenphotonischer Radarverfahren gehört die Verwendung von Glasfaserkabeln im Radarinneren zur Übertragung der Lichtquellen. Dadurch entstehen geringere Signalverluste als bei herkömmlichen Kabeln für elektrische Signale. Geringere Signalverluste bedeuten, dass an der Antenne weniger Verstärkung erforderlich ist, um sicherzustellen, dass das Signal auf seinem Weg in die Atmosphäre die nötige Leistung für seine Funktion erhält. Die Reduzierung der Verstärkung trägt außerdem zur Senkung des Gesamtenergieverbrauchs des Radars bei.

Die bisherige Geschichte

Es ist wichtig zu beachten, dass mikrowellenphotonische Radarverfahren bestehende Radarsysteme nicht ersetzen, sondern ergänzen. Wie Prof. Stupples anmerkte, bleiben die digitalen Prozessoren, die Radarsysteme zur Zielverarbeitung nutzen, ebenso unerlässlich wie die Leistungsverstärker, die die Stärke der ausgesendeten und empfangenen Signale erhöhen. Er prognostiziert Hybridsysteme, in denen mikrowellenphotonische Technologie in konventionelle Radararchitekturen integriert wird, um die oben genannten Verbesserungen zu erzielen.

Darüber hinaus weist die mikrowellenphotonische Technologie auch Nachteile auf. Diese Architekturen sind nicht rauschfrei, da die Laser und ihre zugehörigen Komponenten interne elektromagnetische Störungen verursachen können. Laserkomponenten erfordern eine kontinuierliche Kalibrierung und aktive Steuerung, erklärte Prof. Stupples, was zusätzliche Software für das Radar notwendig macht. Außerdem kann es bei der Umwandlung elektrischer in optische Signale und umgekehrt zu Signalverlusten kommen. Diese Signalverluste können die Effizienz des Radars beeinträchtigen. Obwohl die mikrowellenphotonische Technologie eine Reduzierung der Signalverstärkung verspricht, kann diese dennoch erforderlich sein: Laserkomponenten können durch ihre maximale Leistungsfähigkeit begrenzt sein, was gegebenenfalls eine zusätzliche Verstärkung des Ausgangssignals erforderlich macht.

Professor Stupples merkt zudem an, dass mikrowellenphotonische Architekturen bestimmte Eigenschaften hinsichtlich Größe, Gewicht und Leistungsaufnahme (SWaP) aufweisen und ausreichend robust sein müssen, um in militärischen Radarsystemen auf beengten Plattformen wie Kampfflugzeugen oder Kriegsschiffen eingesetzt werden zu können. Diese potenziellen Nachteile lassen sich beheben, jedoch nur zu einem Preis, der die Technologie für die Verteidigungsbeschaffung attraktiv macht.

Kontinuierliche Forschung und Entwicklung im Bereich mikrowellenphotonischer Radarsysteme dürfte die Reduzierung von SWaP vorantreiben, wodurch die Technologie an Attraktivität gewinnen könnte. Sobald diese Technologie zum Standard wird, könnte dies dazu beitragen, die Kosten für die Implementierung mikrowellenphotonischer Prozesse in militärischen Radarsystemen zu senken. Folglich könnte die Verbreitung dieser Technologie die Sensorleistung im gesamten Bereich der militärischen Radartechnik verbessern.