Ein Dauerstrichradar ist ein Radarsystem, das sich von einem Impulsradar dadurch unterscheidet, dass der Sender während der Dauer des Messvorganges ununterbrochen arbeitet.David K. Barton, Sergey A. Leonov (Hrsg.): Radar Technology Encyclopedia. Artech House, Boston MA u. a. 1997, ISBN 0-89006-893-3, S. 340. Die Bezeichnung Dauerstrich stammt vom Strichsymbol beim Morsecode.
Die verschiedenen Funktionsprinzipien der Dauerstrichradare unterscheiden sich vor allem darin, ob und ggf. wie die gesendete Frequenz moduliert wird. Ein unmoduliertes Dauerstrichradar wird auch CW-Radar (von ) genannt. Mit einem unmodulierten Dauerstrichradar können Entfernungen nur dürftig bestimmt werden. Es wurde vielmehr zur berührungslosen Geschwindigkeitsmessung mittels Doppler-Effekt entwickeltEdgar Voges: Hochfrequenztechnik. Band 2. 1987, S. 348. und wird als Bewegungsmelder eingesetzt. Modulierte Dauerstrichradargeräte, auch FMCW-Radar (von ) genannt, werden vor allem als Abstands- oder Höhenmesser oder als Navigationsradar mit geringer Reichweite auf Schiffen und Booten eingesetzt.
Geschichtliche Entwicklung Bereits Heinrich Hertz beschrieb bei seinen praktischen Versuchen zu den Berechnungen Maxwells die Reflexion elektromagnetischer Wellen an metallischen (also elektrisch leitenden) Oberflächen. Dieses wurde von dem deutschen Ingenieur Christian Hülsmeyer aufgegriffen, der das erste Radar entwickelte, welches im Jahre 1904 von der Rheinbrücke in Köln öffentlich demonstriert und in der Folge in mehreren Staaten patentiert wurde. Dieses Radar war in der Funktion ein Dauerstrichradar. Es konnte ein sich näherndes Schiff in einer Entfernung von bis zu 3 km Entfernung orten, und das, obwohl zu der Zeit keine empfindlichen Hochfrequenz-Baugruppen zur Verfügung standen. Als nichtmoduliertes CW-Radar konnte es prinzipiell keine Entfernungen messen. Hülsmeyer reichte ein zweites Patent ein, welches die Messung einer Entfernung durch ein CW-Radar von einem erhöhten Standpunkt aus durch die Richtwirkung der Antenne und nachfolgender trigonometrischer Berechnung der Entfernung aus dem Abstrahlwinkel der Antenne ermöglichte. Beide Erfindungen stießen jedoch auf keinerlei Interesse in der deutschen Marineführung.
Die beiden Elektroingenieure Albert H. Taylor und Leo C. Young vom Naval Research Laboratory (USA) wurden durch Marconis Erfolge bei der drahtlosen Telekommunikation inspiriert. Sie orteten im Herbst 1922 mit einem Dauerstrichradar unter Verwendung einer bistatischen Konfiguration (das heißt: getrennte Sender- und Empfängerposition) erstmals ein hölzernes Schiff auf einer Wellenlänge von 5 Metern.Merrill I. Skolnik: Introduction of Radar Systems. McGraw-Hill Inc., New York NY u. a. 1962, S. 9, (). Bei diesem Experiment wurde durch die Lokalisierung von Sender und Empfänger am linken und rechten Ufer eines Flusses nicht eine Rückstreuung empfangen, sondern die Dämpfung und Streuung der elektromagnetischen Welle beim Durchqueren des Schiffes registriert. Dieses Prinzip wird in der Sicherungstechnik als Barriereradar angewendet.
Eine gezielte Entwicklung der Radartechnik erfolgte ab etwa 1935, nachdem der militärische Nutzen dieser Technologie erkannt wurde. Wegen der erforderlichen Reichweiten bei der Ortung von Schiffen und Flugzeugen lag der Schwerpunkt jedoch nicht beim Dauerstrichradar, sondern in der Impulsradartechnik. Das Dauerstrichverfahren geriet teilweise wieder in Vergessenheit, da mit den technischen Möglichkeiten der damaligen Zeit mit einem Dauerstrichradar nur geringe Reichweiten erzielt werden konnten.
Erste Überlegungen, eine Vermessung der Höhe der Ionosphäre durch ein frequenzmoduliertes Dauerstrichradar-Verfahren (FMCW-Radar) zu ermöglichen, wurden bereits 1920 formuliert.Edward V. Appleton, Miles A. F. Barnett: On Some Direct Evidence for Downward Atmospheric Reflection of Electric Rays. In: Proceedings of the Royal Society of London. Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. Bd. 109, Nr. 752, 1925, S. 621–641, doi:10.1098/rspa.1925.0149. Die Funktion eines Radar-Altimeters wurde im Jahre 1930 veröffentlicht.Lloyd Espenschied, Russell C. Newhouse: A Terrain Clearance Indicator. In: The Bell System Technical Journal. Bd. 18, Nr. 1, 1939, S. 222–234, doi:10.1002/j.1538-7305.1939.tb00813.x. Doch erst im Jahre 1938 wurde durch die Western Electric Company ein praktisch funktionierendes FMCW-Radar-Altimeter vorgestellt.Peter C. Sandretto: The Long Quest. In: Transactions of the IRE Professional Group on Aeronautical and Navigational Electronics. Bd. ANE-1, Nr. 2, Juni 1954, S. 2, doi:10.1109/TPGAE.1954.5062382.
Eine zivile Nutzung der Radartechnik wurde durch die militärische Geheimhaltung der Radartechnologien stark behindert. Es wurden als Folge der Ereignisse des Zweiten Weltkrieges direkte Verbote zur Forschung an Radartechnologien ausgesprochen, die 1960 aufgehoben wurden.F. J. Dallemand, J. Lichtenegger, R. K. Raney, R. Schumann et al.: Radar Imagery. Theory and Interpretation. Lecture Notes (= RSC Series. Nr. 67, ). Food and Agriculture organization of the United Nations – Publications Division, Rom 1993, S. 8. Erst sehr viel später wurden die Vorzüge eines CW- oder FMCW-Radars (einfacher Aufbau für relativ große Reichweiten bei geringster Sendeleistung)Technische Daten und Performance (PDF; 3,0 MB) des Broadband Radars der Firma Navico, hier der Vergleich mit einem Vorgängermodell mit einem Magnetron mit 4 kW Impulsleistung.Datenblatt eines Transceiver-IC von der Firma „Silicon Radar“, radartutorial.eu (PDF; 686 kB). gegenüber dem Impulsradarverfahren wiederentdeckt.Igor V. Komarov, Sergey M. Smolskiy, Fundamentals of Short-Range FM Radar. Artech House, Boston u. a. MA 2003, ISBN 1-58053-110-5 (). Das erste FMCW-Radar für atmosphärische Untersuchungen wurde 1969 gebaut.Juergen H. Richter: High Resolution Tropospheric Radar Sounding. In: Radio Science. Band 4, Nr. 12, 1969, S. 1261–1268, doi:10.1029/RS004i012p01261. Seit den 1970er JahrenDonald E. Barrick: FM/CW radar signals and digital processing (= NOAA Technical Report ERL 283-WPL 26, ). Environmental Research Laboratories, Boulder CO 1973, codar.com (PDF; 6,17 MB). werden FMCW-Radare als Wetterradar sowie für gleichzeitige Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessungen genutzt. Im Jahre 1976 wurde FMCW-Radar erstmals für Messungen der Dopplerfrequenz von Windgeschwindigkeiten eingesetzt.R. B. Chadwick, K. P. Moran, R. G. Strauch, G. E. Morrison, W. C. Campbell: A New Radar for Measuring Winds. In: Bulletin of the American Meteorological Society. Band 57, Nr. 9, 1976, S. 1120–1125, .Richard George Strauch: Theory and Applications of the FM-CW Doppler Radar. 1976, (University of Colorado Ph. D. thesis, 1976).
In den 1990er Jahren wurden Radarsysteme auf FMCW-Basis für Kraftfahrzeuge als Kollisionswarner und automatische Abstandsregelung (Abstandsregeltempomat, , ACC) entwickelt. In die Busse der Firma Greyhound Lines wurden 1600 FMCW-Radargeräte im Frequenzband 24 GHz eingebaut, welche die Unfallrate mit diesen Fahrzeugen im Jahre 1993 um 21 % senkten. Seit 1996 wird auf 77 GHz ein weitreichendes FMCW-Radar für automotive Sicherheit in Fahrzeugen von Daimler-Benz verwendet. Zu Beginn des Jahrtausends zogen andere Kfz-Hersteller nach.Martin Schneider: Automotive Radar – Status and Trends. In: Wolfgang Menzel (Hrsg.): German Microwave Conference – GeMiC 2005 – Conference proceedings. University of Ulm, April 5–7, 2005. Universität Ulm, Ulm 2005, ISBN 3-00-015423-X, S. 144–147, uni-duisburg-essen.de (PDF; 355 kB).
Mit zunehmender Verfügbarkeit immer höherer Frequenzbereiche und gleichzeitiger Miniaturisierung ermöglicht moderne Hybrid-Technik, kleinere CW- und FMCW-Radarmodule in großer Anzahl preisgünstig anzubieten.
Technische Realisierung mini|Verschiedene Dauerstrichradar-Transceiver für das K-Band, verwendbar als einfache Bewegungssensoren (Modul ganz rechts mit nur zwei Patchantennen ist ausschließlich als CW-Radar verwendbar) sowie als FMCW-Doppler-Radarsensoren, alle drei nur als Direktmischempfänger aufgebaut. Ein Dauerstrichradar sendet eine hochfrequente elektromagnetische Welle in eine Richtung, welche durch die Richtwirkung der Sendeantenne vorgegeben ist. Trifft die elektromagnetische Welle auf ein Hindernis, so wird ein geringer Teil der Sendeleistung als Echosignal zurück zum Sender reflektiert und dort vom Empfänger registriert. Dieses Echosignal dient als Nachweis dafür, dass sich in Ausbreitungsrichtung der Welle ein Hindernis befindet. Aus den Eigenschaften des Echosignals (zum Beispiel: Stärke, Phasenlage, Frequenzspektrum) kann auf Eigenschaften des Hindernisses geschlossen werden.
Sender Oft sind die Radarmodule in der Lage, sowohl als CW-Radar als auch als FMCW-Radar konfiguriert zu werden. Der Transceiver eines FMCW-Radars enthält einen Hochfrequenzgenerator, der als ein spannungsgesteuerter Oszillator (, VCO) aufgebaut und dessen Ausgangsfrequenz abhängig von einer Steuerspannung ist. Ist diese eine Gleichspannung oder fehlt diese Regelmöglichkeit, so arbeitet das Modul als CW-Radar. Eine zu modulierende Signalform für ein FMCW-Radar wird oft mittels Direct Digital Synthesis oder direkte digitale Synthese (DDS) generiert und dem Hochfrequenzgenerator im Transceiver als Steuerspannung zugeführt. Die momentane Frequenz des VCO kann zum Beispiel sägezahnförmig mit der Periodendauer Τ verändert werden: es wird das Signal Ss(t) ausgesendet.
Für sehr hohe Frequenzen arbeitet der VCO oft auf einer niedrigeren Frequenz. Die Umsetzung in das gewünschte Radarfrequenzband geschieht durch einen nachgeschalteten Frequenzvervielfacher. Das kann im einfachsten Fall eine Frequenzverdopplung sein und kann bis zu einer Vervielfachung um den Faktor 25 reichen. Ein solcher Frequenzvervielfacher ist ein resonantes Bauteil (zum Beispiel ein Hohlraumresonator), welches durch eine IMPATT-Diode entdämpft sein kann.Produktkatalog 2010 der Firma ELVA-1 Millimeter Wave Division (DOK Ltd.), St. Petersburg, 193318 Russia, S. 8, (PDF; 3,9 MB). Zum Beispiel kann der VCO eine Frequenz zwischen 7 und 8 GHz erzeugen, die nach einer eventuellen Modulation durch Verdreizehnfachung in das Band um 94 GHz umgesetzt wird. Hierbei ist zu beachten, dass durch die Frequenzvervielfachung die Modulation ebenfalls betroffen wird: eine Senderbandbreite von typisch 60 MHz würde nach der Vervielfachung zu einer Bandbreite von 780 MHz. Damit ist oft schon die mögliche Frequenztoleranz der Resonatorbaugruppe überschritten.Frequenztoleranz ist eine Größe, die oft mit der −10-dB-Bandbreite gleichgesetzt wird. Die −10-dB-Bandbreite eines resonanten Bauteils ist die Bandbreite, innerhalb der der Reflexionsfaktor durch Fehlanpassung auf der Speiseleitung maximal −10 dB beträgt. Deshalb muss bei einer vorgesehenen Frequenzvervielfachung die modulierte Bandbreite des VCO verringert werden.
Die maximal mögliche Sendeleistung ist durch unvermeidliche Überkopplung zwischen Sender und Empfänger begrenzt. Da der Sender ständig arbeitet, gelangt ein Teil der Sendeleistung gleichzeitig mit dem verzögerten Echosignal an den Empfängereingang und überlagert dieses. Ist dieser übergekoppelte Anteil der Sendeleistung so groß, dass der Empfänger in die Begrenzung getrieben wird, können die sehr schwachen Echosignale nicht mehr aus diesem Signalgemisch getrennt und empfangen werden. Aus diesem Grunde werden meist getrennte Sende- und Empfangsantennen verwendet. Diese können durch eine zusätzliche Abschirmung und durch einen möglichst großen Abstand zueinander entkoppelt werden.
Durch die extrem geringen Sendeleistungen von CW- und FMCW-Radarmodulen, die meist im Bereich von ≤ 100 mW liegen, sind keine gesonderten Strahlenschutzmaßnahmen notwendig. Selbst bei einer starken Richtwirkung der Antenne ist eine sehr viel geringere Strahlungsdichte zu erwarten als diejenige, die im Normalbetrieb bei einem Mobiltelefon auftritt.