mini|Der Tripelspiegel besteht aus drei zueinander orthogonalen Metallplatten und ist der Urtyp des Radarreflektors. Der gezeigte wirkt nur für Strahlrichtungen aus dem aufgespannten Oktanten, also auch aus der Fotografierrichtung. mini|Corner-Reflektor des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt zum Kalibrieren von Fernerkundungs-Radaren. Die Kantenlänge beträgt 5 Meter. https://earth.esa.int/eogateway/documents/20142/37627/AfriSAR-Final-Report.pdf mini|Prinzip des Tripelspiegels: Das Signal wird unabhängig von der Einfallsrichtung stets in Richtung der (weit entfernten) Quelle reflektiert.
Radarreflektoren sind Retroreflektoren für Radaranwendungen und zumeist Tripelspiegel ().
Mit diesem Oberbegriff werden Konstruktionen zusammengefasst, welche für Radargeräte ein besonders starkes Echosignal und somit ein sicheres Zielzeichen () auf dem Radarschirm für Objekte erzeugen, die ansonsten nur über eine sehr geringe oder instabile effektive Reflexionsfläche verfügen. Radarreflektoren werden nach quasioptischen Prinzipien konstruiert und verwenden meist die Spiegelreflexion (Reflexion an glatten Flächen), aber auch die Brechung und Beugung zur Erzeugung einer effektiven Reflexionsfläche. Als Bezugsgröße für die Wirksamkeit eines Radarreflektors wird meist diese Fläche in Quadratmeter angegeben.
Bezugsgröße mini|Von der Referenz (kugelförmiger Reflektor) kann nur ein sehr kleiner Anteil der Oberfläche bei der Retroreflexion wirksam sein. Der größte Anteil wird in Richtungen gelenkt, die vom Radargerät nicht genutzt werden können.
Als Referenz wird ein kugelförmiger Reflektor mit einer ideal leitenden Oberfläche angegeben, dessen Parallelprojektion auf eine Ebene senkrecht zur Projektionsrichtung (sprich: dessen Schatten auf dieser Ebene) eine Fläche von einem Quadratmeter aufweist. Von diesem Referenzreflektor ist jedoch nur eine sehr kleine Fläche als Rückstrahler wirksam: Es sind nur wenige Quadratzentimeter genau in der Mitte, welche die ankommende Sendeenergie genau in die Richtung des Radargerätes zurück reflektieren können. Alle anderen Flächen dieser Kugel verteilen die ankommende Energie im Raum. Sie sind an der Retroreflexion nicht beteiligt. Allerdings hat diese Referenz den Vorteil, dass sie richtungsunabhängig ist: Sie reflektiert in alle Richtungen gleich gut.
Durch einen Radarreflektor wird ein sehr viel größerer Anteil seiner Oberfläche für die Retroreflexion wirksam. Selbst geometrisch sehr kleine Flächen eines Winkelreflektors mit wenigen Quadratzentimetern Oberfläche können vergleichbar viel – manchmal sogar mehr – Energie genau zum Radar zurück reflektieren als diese Kugel mit dem Durchmesser von etwa 1,13 m. Sie haben damit trotz der geringen geometrischen Größe eine effektive Reflexionsfläche von einem – oder mehr – Quadratmetern.
In der Praxis können Berechnungen dieser effektiven Reflexionsfläche nur näherungsweise durchgeführt werden. Es wird durch diese Winkelreflektoren nicht nur einfach reflektiert, sondern es treten noch mehr physikalische Effekte auf, zum Beispiel eine Beugung an den Außenkanten. Das führt zu einer sogenannten umlaufenden Welle, deren Energieanteil dann mit dem reflektierten Anteil in entweder konstruktiver oder destruktiver Interferenz tritt. Je nach Größe des Winkelreflektors und somit je nach Länge des Umwegs der umlaufenden Welle kann die zurück reflektierte Energie im günstigen Fall auf mehr als das Doppelte ansteigen oder ungünstigen Falls weniger als die Hälfte sein. Der Effekt ist ebenfalls abhängig von der Wellenlänge des Radargerätes. Dieses Verhalten kann bei in der Seefahrt genutzten Winkelreflektoren gezielt ausgenutzt werden, da die dort genutzten Radargeräte alle in einem sehr schmalen Frequenzbereich arbeiten (etwa 9,3 bis 10,5 GHz, das entspricht einer Wellenlänge von etwa 3 cm). mini|Corner-Reflektor auf einer Boje zur Realisierung der „Sichtbarkeit“ für Schiffsradare mini|Corner-Reflektor auf einem Brückenpfeiler (hier auf der Alten Brücke in Frankfurt am Main) zur Realisierung der „Sichtbarkeit“ für Schiffsradare
Winkelreflektoren mini|hochkant|Winkelreflektor mit zwei Flächen
Winkelreflektoren bestehen im Grundelement aus zwei oder drei im Winkel von exakt 90° zueinander stehenden elektrisch leitenden Flächen. Aus diesem Grundelement werden verschiedene Formen von Winkelreflektoren konstruiert. Winkelreflektoren mit drei Flächen reflektieren Funkwellen und Mikrowellenstrahlung in genau die Richtung, aus der die Quellstrahlung erfolgt, ohne dass sie wie ein Spiegel senkrecht dazu ausgerichtet sein müssen.
Wirkungsweise mini|hochkant|Phasengleiche Reflexion durch gleiche Streckenlängen:a+b+c=a'+b'+c'.Somit wird wieder eine parallele Wellenfront in Richtung des Senders gebildet.
Ist die Wellenlänge klein gegenüber den geometrischen Abmessungen des Winkelreflektors, liegt Retroreflexion nach rein optischen Gesetzen vor. Eintreffende elektromagnetische Wellen werden durch doppelte oder dreifache Reflexion in genau die Richtung zurückgeworfen, aus der sie kommen. Auch kleine Objekte mit geringer Reflexionsfläche erlangen dadurch eine starke Reflexion zurück in Richtung Strahlungsquelle, sie liefern ein sehr viel stärkeres Radarecho als andere reflektierende Körper und erscheinen auf einem analogen Radarschirm wesentlich heller. Die zweifache Reflexion an senkrecht zueinander stehenden elektrisch leitenden Platten geschieht phasensynchron, da die Strecken der einzelnen Phasen gleich sind (a+b+c = a'+b'+c'). Bei einem beliebigen Einfallswinkel wirkt der Winkelreflektor somit wie eine im rechten Winkel zur Einfallsrichtung stehende Platte. Diese Phasenkongruenz ist nur in der Richtung gegeben, aus der die Quellstrahlung erfolgt. Die wirksame Fläche entspricht in der Hauptrichtung etwa der Projektion des Winkelreflektors auf die Ebene dieser Platte.
Winkelreflektoren mit zwei Flächen Diese Winkelreflektoren bestehen nur aus zwei Flächen, die exakt rechtwinklig zueinander stehen. Die Teilflächen müssen für eine gute Funktion exakt senkrecht zur Ebene der einfallenden Wellen montiert werden. Entgegen dem erklärten Ziel der Konstruktion, in jede Richtung annähernd gleich gut zu reflektieren, sind diese Winkelreflektoren immer noch stark richtungsabhängig. Die maximal zurück reflektierte Energie kann nur in einer Hauptrichtung – in Richtung Symmetrieachse – wirksam werden. Diese Hauptrichtung ist gegeben, wenn die Parallelprojektion beider einzelnen Reflexionsflächen etwa gleich groß ist. Die Flächen stehen damit etwa in einem 45°-Winkel zu der Symmetrieachse. Die in Richtung Radargerät zurück reflektierte Energie sinkt ab einer Abweichung von 15° von der Symmetrieachse auf die Hälfte des Maximums.
Zur theoretischen Berechnung der effektiven Reflexionsfläche eines Winkelreflektors mit zwei quadratischen Flächen gilt diese Formel:Herleitung der Formeln auf radartutorial.eu
(1) = effektive Reflexionsfläche = Fläche einer Seite des Reflektors. = Wellenlänge des aufklärenden Radargerätes
Bei der Anwendung der Formeln muss beachtet werden, dass, wenn der Winkelreflektor kleiner als etwa die zehnfache Wellenlänge des abfragenden Radargerätes ist, durch lokale Resonanzen der praktische Wert der effektiven Reflexionsfläche um das bis zu Vierfache vom theoretisch berechneten Wert abweichen kann. Da die Frequenzen von häufig verwendeten Navigationsradargeräten bekannt sind (etwa 9,3 bis 10,5 GHz), haben sich in der Praxis Standardgrößen als ungefähres Vielfaches der verwendeten Wellenlängen durchgesetzt, die mit ihrer geometrischen Größe gerade so liegen, dass eine positive Abweichung vom theoretisch errechneten Wert zum Tragen kommt. Je größer ein Winkelreflektor ist, desto geringer ist der Einfluss der Resonanz. Ab der zehnfachen Wellenlänge ist dieser Einfluss vernachlässigbar klein. Das gilt dann im oben genannten Frequenzband ab einer Kantenlänge von 30 cm – trifft also für die meisten der im Handel angebotenen Winkelreflektoren nicht zu.
Eingesetzt werden solche Winkelreflektoren in einem sogenannten „Röhrenreflektor“. Das ist eine Plasteröhre, welche mehrere solcher kleinen übereinander angeordneten Winkelreflektoren enthält, die von der Winkelstellung ungeordnet zueinander sind.
Winkelreflektoren mit drei Flächen mini|hochkant|Triangularer Winkelreflektor als Ausschnitt eines Würfels
Winkelreflektoren mit drei reflektierenden Flächen im Winkel von 90° zueinander werden dort eingesetzt, wo eine Retroreflexion in den dreidimensionalen Raum notwendig ist. Diese triangularen Reflektoren funktionieren wie das optische Analogon des Retroreflektors, gelegentlich auch als Katzenauge bezeichnet. Die maximale effektive Rückstrahlfläche tritt in Richtung der Symmetrieachse auf. Die effektive Rückstrahlfläche des in der Abbildung dargestellten triangularen Winkelreflektors aus dreieckigen Flächen wird berechnet nach: (2) = Effektive Rückstrahlfläche = Länge der sich berührenden Kanten der drei gleichschenkligen Dreiecke eines triangularen Winkelreflektors = Wellenlänge des aufklärenden Radargerätes
Betrag und Phase der reflektierten Energie bleiben in den von Radargeräten verwendeten Frequenzen unabhängig vom Einstrahlwinkel relativ konstant bis in den Bereich, in welchem die reflektierte Wellenlänge in die Größenordnung der Abmessungen der Reflektorflächen kommt. Die Einzelflächen des Winkelreflektors sollten also groß gegenüber der Wellenlänge sein. Je größer ein Winkelreflektor ist, desto mehr Energie wird reflektiert. Die Halbwertsbreite der Hauptrichtung ist je nach der Geometrie der drei Flächen etwa 20° bis 40°.
Wenn von diesem berechneten Winkelreflektor mindestens acht oder mehr Stück so zusammengefügt werden, dass in jede Richtung zurückgestrahlt wird, dann ist dem beobachtenden Radargerät immer einer der Winkelreflektoren mehr oder weniger effektiv zugewandt. Diese Bauart von Winkelreflektoren hat ein sehr kompliziertes Diagramm der Rückstrahlung, in welchem die jeweilige Größe der effektiven Reflexionsfläche in Abhängigkeit von der Richtung der eintreffenden Radarstrahlung eingetragen werden kann. Die Hauptrichtung ist wieder die Position, in der alle drei sichtbaren Teilflächen eine gleich große Parallelprojektion haben.
Vorteil des Winkelreflektors mit drei Flächen ist seine lageunabhängigere Funktion (er darf auch vertikal etwas geneigt sein) und die größere mechanische Stabilität. Diese Bauform wird daher eingesetzt, wenn sich die Winkel in zwei Richtungen ändern können. Nachteil ist, dass er bei gleicher effektiver Rückstrahlfläche größer als ein zweiflächiger Winkelreflektor gebaut werden muss, da die spitzen Enden des Winkelreflektors an der Reflexion in die Ursprungsrichtung nicht teilnehmen. An diesen Enden wird lageabhängig möglicherweise nur zweimal reflektiert, so dass diese Energie in eine andere Richtung gelenkt wird. Von der Gesamtfläche der Parallelprojektion ist in Richtung Symmetrieachse (Hauptrichtung) ein nur etwa gleichseitiges Sechseck wirksam. Manche Hersteller verzichten daher auf diese Ecken, so dass der Winkelreflektor eine polygone Form wie in diesem Bild erhält. Oft werden auch Bauformen aus Kreisflächen verwendet. Sie bieten einen guten Kompromiss zwischen Radarquerschnitt und Windlast. Sie sind oft in einer Kunststoffkugel untergebracht, um sie vor Eisansatz zu schützen und die Windlast weiter zu senken. Solche Kunststoffkugeln mit Winkelreflektoren sind häufig an Hochspannungsleitungen in der Nähe von Autobahnen zu sehen, da die dünnen Leitungen bei schlechter Sicht eine Gefahr für Hubschrauberpiloten der Luftrettung oder für Polizei darstellen.
Die höchste Rückreflexion bezogen auf die Seitenlänge besitzen Formen aus drei Quadraten (Würfel mit drei fehlenden Seiten), sie beträgt in Richtung der fehlenden Würfelecke:
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