Die folgenden Messungen können mit Hilfe von Radar durchgeführt werden:
Entfernung:
Die Genauigkeit der Entfernungsmessung hängt von der Bandbreite des verwendeten Signals ab. Genauigkeiten von wenigen Zentimetern bei Entfernungen von mehreren zehn Meilen sind möglich, wobei die erzielbare Genauigkeit davon abhängt, wie genau die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen bekannt ist.
Veränderung der Entfernung:
Die Doppler Frequenzverschiebung ermöglicht eine direkte Messung der relativen Geschwindigkeit. Je länger das Signal andauert und je höher seine Frequenz ist, desto genauer ist die Messung. In der Radartechnik wird die Dopplerverschiebung oft verwendet um die in der Darstellung erwünschten sich bewegenden Ziele von den unerwünschten Festzielen ( Clutter )zu trennen ( Anmerkung des Übersetzers: Diese Technik zur Signalaufbereitung trägt die Bezeichnung Festzielunterdrückung). Die Dopplerverschiebung ist auch für einige Techniken zur Gewinnung von Radarbildern von Bedeutung.
Richtung des Ziels:
Die Richtung in der sich das Ziel befindet wird durch die Verwendung einer gerichteten Antenne (mit kleiner Strahlbreite ) bestimmt. Je größer die Antennenöffnung ( angegeben in Wellenlängen ) ist, desto genauer ist diese Messung.
Größe des Ziels:
Die Größe des Ziels wird im Allgemeinen durch die Verwendung eines kurzen Pulses oder seines Äquivalents ( bei der Pulskompression ) gemessen. Eine Messung der Zielgröße kann auch durch einen Vergleich der Veränderung der Radarquerschnittsfläche bei verschiedenen Frequenzen vorgenommen werden ( Anmerkung des Übersetzers: Bei Wellenlängen die in der Größenordnung der Größe der Ziels liegen, kommt es zu Resonanzeffekten zwischen den elektromagnetischen Wellen und dem Ziel. Dadurch kann der Radarquerschnitt des Ziels im Vergleich zu Wellenlängen außerhalb des Resonanzbereiches bedeutend erhöht werden. Es handelt sich hierbei um den selben Effekt, wie er bei auf die verwendete Wellenlänge abgestimmten Antennen auftritt, die einen bedeutend besseren Empfang als nicht abgestimmte Antennen ermöglichen. So beträgt die Länge von Antennen im UKW Rundfunkbereich in der Regel ca. 75 cm. )
Form des Ziels:
Die Messung des Radarquerschnitts aus verschiedenen Blickwinkeln ergibt die Form des Ziels. Auch eine Darstellung von Entfernungen und der Richtung der Entfernungspunkte des Ziels ergibt die Form des Ziels.
Änderung der Form des Ziels:
Die Formänderung des Ziels ergibt sich durch die Verfolgung der zeitlichen Änderung des Radarquerschnitts. Ein typisches Beispiel dafür ist die Modulation des Radarechos durch die Propeller oder Turbinenschaufeln von Flugzeugmotoren.
Symmetrie des Ziels:
Die Symmetrie eines streuenden Ziels kann aus der Beobachtung der vom Ziel hervorgerufenen Polarisation ( der Richtung des elektrischen Feldes ) des Radarsignals festgestellt werden. Symmetrische Ziele sind unempfindlich für Änderungen der Polarisation, unsymmetrisch nicht. So kann man zum Beispiel eine Kugel leicht von einem Stab unterscheiden, in dem man die Änderung der Amplitude des zurückgeworfenen Echos bei der Änderung der Ausrichtung des Stabes im Verhältnis zur Polarisation der elektromagnetischen Welle beobachtet.
Oberflächenrauhigkeit:
Das Maß der "Oberflächenrauhigkeit" steht im Zusammenhang mit der verwendeten Wellenlänge. Wenn die Unebenheiten der Oberfläche im Vergleich zur Wellenlänge klein sind, geht man davon aus, dass die Oberfläche glatt ist. Wenn die Unebenheiten der Oberfläche im Verhältnis zur Wellenlänge groß sind, ist die Oberfläche rau. Messungen des gestreuten Signals unter Berücksichtigung der verwendeten Wellenlänge können das Maß der Oberflächenrauhigkeit angeben.
Dielektrische Konstante:
Der Reflektionskoeffizient einer streuenden Oberfläche hängt von der dielektrischen Konstante ab. Die Messung der dielektrischen Konstante einer Radarstreuung ist schwierig, da man die Oberflächenrauhigkeit, die Form und die Verlusttangente des Ziels kennen muß. Dadurch wird die Brauchbarkeit dieser Messung stark eingeschränkt, so dass Messungen der dielektrischen Konstante mit Hilfe von Radar selten durchgeführt wird. Allerdings wurde die dielektrische Konstante der Mondoberfläche vor vielen Jahren auf diese Art durch eine Reihe von Radarmessungen von der Erdoberfläche aus eingeschätzt. Das Ergebnis dieser Messungen stimmte mit den Messungen an dem von der Apollo Mission zurückgebrachten Mondgestein überein. Messung der dielektrischen Konstante ist für die NASA auch interessant um den Feuchtigkeitsgehalt der Erdoberfläche mit Hilfe von Satelliten zu messen. (...)
Der Begriff Auflösung bezeichnet die Möglichkeit eines Radars zwei eng nebeneinander liegenden Punkte als getrennt zu erkennen. Die Auflösung kann in der Entfernung, in der Dopplergeschwindigkeit und/oder im Winkel erfolgen. Die Entfernungsauflösung hängt von der Bandbreite des Signals, die Dopplergeschwindigkeitsauflösung von der Länge des Signals und die Richtungsauflösung von der Größe der Antennenöffnung ab. (...)
Die Möglichkeit zwei Ziele aufzulösen hängt zum Teil von der Signalaufbereitung ab. Es hat sich gezeigt, dass zwei Ziele in der Richtung aufgelöst werden könne, wenn ihr seitlicher Abstand voneinander mindestens 0,8 der Strahlbreite des Radars entspricht. ( Ein Abstand von 0,8 der Strahlbreite bedeutet, dass die Ziele überlappen können und sie trotzdem aufgelöst werden können. ) In einigen Fällen von hochauflösender Bilddarstellung wurde über Auflösungen bis zu 0,2 der Strahlbreite berichtet, aber solche Fälle sind selten. In ähnlicher Weise können auch Ziele in der Entfernung aufgelöst werden, wenn sie in der Entfernung einen Abstand von mindestens 0,8 der Pulslänge voneinander haben.
Große Abstände zwischen Signal und Rauschen sind notwendig, wenn eine gute Auflösung erreicht werden soll. Die meisten hochauflösenden Verfahren ergeben kein zufriedenstellendes Ergebnis, wenn das Verhältnis zwischen dem Rauschen und dem Signal nicht ausreichend ist. Das "Minimum" für ein verwertbares Verhältnis zwischen Signal und Rauschen lässt sich schlecht festlegen, aber man sollte im allgemeinen kein gutes Ergebnis erwarten, wenn das Verhältnis zwischen Signal und Rauschen deutlich unter 20 dB liegt.
Ein Verfahren mit dem man eine genaue Ortung durchführen kann, ergibt nicht immer eine gute Auflösung. Für eine gute Richtungsauflösung benötigt man zum Beispiel große Antennenöffnungen. Eine genaue Richtungsmessung eines einzelnen Ziels aber kann man mit weit voneinander entfernten Einzelantennen, wie bei einem Interferometer, durchführen.
Eine gute Auflösung zwischen verschiedenen Zielen setzt eine genaue Ortsbestimmung in dem entsprechenden Messbereich voraus. Aber eine genaue Ortsbestimmung benötigt keine hohe Auflösung zwischen verschiedenen Zielen. Um verschiedene Ziele voneinander trennen zu können ist nur eine hohe Auflösung in einem Messbereich notwendig. Wenn die Ziele einmal aufgelöst sind, können in den anderen Messbereichen genaue Messungen der einzelnen Ziele auch dann durchgeführt werden, wenn diese keine Auflösung zwischen den verschiedenen Zielen erlauben. So ist es zum Beispiel bei einem Radar mit einer schlechten Richtungsauflösung möglich einzelne Ziele entweder durch hohe Entfernungsauflösung oder durch schmalbandige Filterung des Dopplersignals aufzulösen und dann genaue Winkelmessungen ohne Störungen durch mehrere Ziele in einer einzigen Auflösungszelle durchzuführen. In den meisten Radaranwendungen ist die Richtungsauflösung verglichen mit der Entfernungsauflösung in der Regel schlecht. Wenn aber das Ziel und das Radar sich relativ zueinander bewegen, ist es möglich eine der Richtungsauflösung entsprechende Messung in der Dopplerauflösung durchzuführen. Das bedeutet, dass verschiedene Teile des Ziels aufgelöst werden können, weil sie unterschiedliche Dopplerverschiebungen besitzen, die groß genug sind, um sie aufzulösen. Diese Dopplerauflösung ist die Grundlage für das Radar mit synthetischer Antennenöffnung ( synthetic aperture radar, SAR ), das später beschrieben wird.
Im Laufe der Jahre sind eine Reihe von Techniken für höchstauflösendes Radar ( "super resolution" ) vorgeschlagen worden. Diese Verfahren wurden vor allem in der Richtungsauflösung angewendet, obwohl die entsprechenden Verfahren auch zur Erhöhung der Auflösung in der Entfernung und der Dopplerverschiebung angewendet werden können. Zu diesen Techniken gehören erhöhter Gewinn bei der Aufbereitung des Empfangssignals ( "super gain" ), multiplikative Mehrfachantennen ( "multiplicative arrays" ), Ergänzung fehlender Daten ( "data restoration" ) und Verfahren zur Bildverbesserung ( "image enhancement" ). Die meisten dieser Verfahren verwenden Formen der nichtlinearen Datenverarbeitung und werden vor allem bei nicht kohärenten Signalquellen verwendet. Die zur Zeit bevorzugte Methode für höchstauflösendes Radar trägt die Bezeichnung "Maximum Entropy Method" ( MEM ) oder Maximum Entropy Spectral Analysis ( MESA ). (...)
MEM soll "eindrucksvolle Verbesserungen" der Auflösung (...) erreichen. (...)
Die gute Entfernungsauflösung von Radargeräten kann verwendet werden, um einzelne Zielgruppen voneinander zu unterscheiden wenn verschiedene Teile des Ziels aufgelöst werden können. Schiffe und Flugzeuge können mit Radargeräten beobachtet werden, deren Zellen der Entfernungsauflösung klein genug sind um die größeren Rückstreuflächen aufzulösen. Als Nebenprodukt erhält man bei dieser Auflösung die Silhouette des Ziels. Es ist auch möglich, die Abweichung jeder auflösbaren Rückstreufläche von der Hauptstrahlrichtung des Radargerätes durch eine Monopulsmessung der jeweiligen Rückstreufläche festzustellen. (...)
Jeder Teil eines ausgedehnten reflektierenden Ziels hat eine andere Dopplerverschiebung wenn es eine relative Bewegung zwischen Radar und Ziel gibt. Wenn das Ziel stationär und das Radar in Bewegung ist, wird diese Technik Radar mit synthetischer Antennenöffnung ( synthetic aperture radar, SAR ) genannt. Die mit der SAR Technik theoretisch erhältliche Richtungsauflösung beträgt D/2 wobei D die Dimension der vom Radar verwendeten Antenne ist. Daraus ergibt sich, daß die Richtungsauflösung mit dem SAR in der Größenordnung von einigen Metern liegen kann, was vergleichbar mit der Entfernungsauflösung ist. Die Auflösung der Richtung und der Entfernung ist beim SAR unabhängig von der Entfernung des Ziels während sie sich bei der optischen oder der Infrarotphotografie mit zunehmender Entfernung verschlechtert. (...)
Auch wenn das Radar stationär ist und sich das Ziel bewegt, kann eine Auflösung der einzelnen Rückstreuflächen des Ziels auf der Grundlage der Doppler Frequenzverschiebung verwendet werden um ein Bild des Ziel zu bekommen ( Anmerkung des Übersetzers: dieses Verfahren trägt die Bezeichnung Inverses SAR ). (...)
Das für eine gute Auflösung des Ziels notwendige Maß seiner Drehung ist gering. Die Auflösung durch die Verwendung der Dopplerfrequenz ist nur eindimensional. Die zusätzliche Entfernungsauflösung ergibt dann ein zweidimensionales Bild. Die größte mögliche Auflösung ist nicht immer notwendig ( oder erwünscht ) um das Ziel erkennen zu können. Um die Ziele gut erkennen zu können, nach denen gesucht wird, benötigt man eine Mindestzahl von Auflösungszellen auf dem zu messenden Ziel. Deutliche Verbesserungen ( im Größenordnungsbereich ) der Auflösung ergeben nicht immer entsprechende Verbesserungen bei der Erkennung und der Lieferung von Informationen über das Ziel. (...)
Wenn ein koherentes Radar ( oder ein Laser ) ein ausgedehntes Ziel beleuchtet, enthält das daraus resultierende Bild wahrscheinlich punktförmige Störungen ( "speckle" ). Diese Störungen sind die Folge von Überlagerungen der von verschiedenen Rückstreuflächen in der gleichen Auflösungszelle reflektierten Wellen, die zur örtlichen Verstärkung oder Auslöschung der Wellen führen. (...) Wenn sich die dem Radar zugewandte Seite des Ziels, die Radarfrequenz oder der relative Standort der Rückstreuflächen zueinander verändert, verändert sich auch das Muster dieser Störungen durch Überlagerung. (...)
Das Muster dieser Überlagerungen kann nützliche Informationen über das Zielobjekt liefern. Diese Informationen wurden bereits bei optischen Wellenlängen aber noch nicht im Mikrowellenbereich ausgewertet.(...)
Die Verwendung von elektromagnetischen Wellen im Millimeterbereich und darunter könnte interessant sein. Die entsprechenden Wellenlängen liegen zwischen einigen Millimetern und dem Bruchteil eines Millimeters und erlauben deshalb eine gute Auflösung mit einer nicht zu großen Antennenöffnungen. (...)
Im Bereich der Millimeterwellen erlauben die möglichen großen Bandbreiten eine gute Entfernungsauflösung entweder durch die Verwendung von sehr kurzen Pulsen oder durch Pulskompression. Die in diesem Frequenzbereich vorkommenden Resonanzen mit Sauerstoff, Wasser und anderen Molekülen könnten für die Identifizierung der einzelnen Bestandteile eines biologischen Ziels von Bedeutung sein. In den letzten Jahren wurden in der Entwicklung von Komponenten und Technologien für den Bereich der Millimeterwellen des elektromagnetischen Spektrums bedeutende Fortschritte gemacht. Diese Komponenten sind, verglichen mit den kommerziellen Mikrowellenkomponenten, noch Versuchsgeräte und damit entsprechend teuer