Signaturen



Für unterschiedliche Radaranwendungsgebiete ist die numerische Simulation von Signaturen von großer Bedeutung und integraler Teil der Radaranalyse. Das Streuverhalten realistischer Ziele kann numerisch berechnet werden, auf eine kostenintensive experimentelle Bestimmung kann häufig verzichtet werden. Wegen der im Vergleich zur Wellenlänge meist großen Radarziele ist die Berechnung der Mikrowellenstreuung jedoch schwierig und aufwändig. Auch mit moderner Computerausstattung ist die Streufeldberechnung von Targets wie Flugzeuge, Schiffe oder Fahrzeuge rechenzeitintensiv oder gar unmöglich.
Die Berechnung von Radarabbildungen solcher Objekte erfordert noch mehr Rechenaufwand, da eine große Anzahl an Frequenzen und Aspektwinkel zu berücksichtigen sind. Moderne Anwendungen in höheren Frequenzbändern (K-, V- oder W-Band, Terahertz-Bereich) und die Nutzung von fortschrittlichen Materialien wie z.B. Metamaterialen oder Antireflexionsbeschichtungen erschweren den Einsatz exakter numerischer Methoden wie MoM, FEM und FDTD zusätzlich. Daher ist zur hochwertigen Radarsignatursimulation die Entwicklung von Tools auf der Basis von physikalisch anspruchsvollen Näherungsverfahren erforderlich.

Simulation und Messung von Signaturen

Die Entwicklung von numerischen Modellen zur mono- und bistatischen Streuung an elektrisch großen Objekten unter Berücksichtigung von fortschrittlichen Materialien ist weiterhin eine Hauptaufgabe, da diese die Basis für hochwertige Radarsignatursimulationen und von großer Bedeutung für die Radarfernerkundungsaktivitäten des DLR sind.
Die numerischen Modelle, die in der Fachgruppe mit hoher Kontinuität entwickelt werden, sind von Hochfrequenz-Näherungsmethoden wie der PO (Physikalische Optik), PTD (Physikalische Streutheorie) und SBR (Strahlabschussverfahren) abgeleitet. Diese Verfahren, die wiederum auf der geometrischen Optik basieren, bieten eine analytische Streufeldbeschreibung und erfordern nicht die Auswertung extrem großer Gleichungssysteme. Die Genauigkeit dieser Methoden steigt mit zunehmender Frequenz, so dass sich deren Anwendungsgebiet sehr gut zu dem der exakten Verfahren ergänzt. Auch ermöglichen sie die Berücksichtigung von Streueffekten, die von neuartigen Oberflächenmaterialien verursacht werden.

Zur Validierung der Simulationsergebnisse werden RCS-Messungen (Radarrückstreuquerschnitt) mit einem bistatischen Messaufbau für W-Band-Frequenzen in einer Absorbermesskammer durchgeführt.

 

 Abbildung 1: Bistatische RCS-Messanlage
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Metamaterialien

Elektromagnetische Metamaterialien bestehen in der Regel aus einer regelmäßigen oder zufälligen Anordnung elektrisch kleiner und leitfähiger Einschlüsse, die in oder auf ein Substrat eingebettet sind. Sie umfassen ein breites Spektrum an künstlich strukturierten Verbundwerkstoffen mit abstimmbaren elektromagnetischen Eigenschaften, die mit natürlich vorkommenden Materialien schwer oder gar nicht zu realisieren sind, und haben daher das Potenzial zu einer Schlüsseltechnologie in zukünftigen Mikrowellenanwendungen zu werden. Neben ihrer verbesserten Funktionalität können Metamaterialien aus widerstandsfähigen und flexiblen Werkstoffen auch extremen mechanischen Beanspruchungen standhalten. Zudem sind diese wesentlich dünner, kompakter und somit leichter als ihre konventionellen Pendants, was insbesondere bei Luft- und Raumfahrtanwendungen von großer Bedeutung ist. Die Forschungsaktivitäten konzentrieren sich auf die Simulation und Gestaltung elektrisch dünner Metamaterialen mit abstimmbaren Reflexions-, Transmissions- sowie Streueigenschaften für den Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums, wodurch eine bessere Kontrolle und Minderung der Radarsignatur relevanter Ziele erzielt werden soll. Die Arbeiten umfassen den gesamten Forschungs- und Entwicklungsprozess von der theoretischen und numerischen Analyse über die Realisierung diverser Prototypen bis hin zur experimentellen Validierung derer Streueigenschaften. In der Abbildung ist eine schachbrettartige Metamaterialschicht dargestellt, die durch das Aufbringen quadratischer Kupfereinschlüsse auf ein dielektrisches Substrat mit metallischer Rückwand realisiert wurde. Durch eine optimierte Gestaltung des Metamaterials, d. h. der Einschlüsse, deren Anordnung und Art des Trägermaterials, lässt sich die Reflexion im Gegensatz zu konventionellen Materialschichten mit Spiegelreflexion in eine beliebige Richtung lenken (s. Animation).

 

 Abbildung 2:  Schachbrettartige Metamaterialschicht und Animation zur Veranschaulichung deren Reflexionseigenschaften für eine senkrecht einfallende Welle
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Optimierung von Reflexions- und Transmissionseigenschaften von Materialien

Neben der gezielten Beeinflussung der Reflexion oder Transmission mittels Metamaterialien kann durch die Anwendung von dünnen Schichten, die mit einem geeigneten Stoff angereichert sind, ein Reflexions- oder Transmissionsverhalten mit spezieller und beabsichtigter Frequenzabhängigkeit bewirkt werden. Abhängig von der jeweiligen Anwendung sind geringe oder hohe Reflexions- oder Transmissionsdämpfungen beabsichtigt. Zur Entwicklung all dieser Spezialmaterialien wird vorrangig die numerische Modellierung eingesetzt.

Ein wichtiger Anwendungsfall ist die Beeinflussung und Optimierung des Transmissionsverhaltens von Antennenabdeckungen (Radome), die Antennen u.a. gegenüber Witterungseinflüssen schützen, andererseits aber deren Sende- und Empfangseigenschaften i.a. verschlechtern.

Experimentelle Materialcharakterisierung

Wegen der zunehmenden Bedeutung von nichtmetallischen Oberflächen und Beschichtungen zur Beeinflussung von gestreuten oder transmittierten Feldern ist auch der Bedarf an einer hochwertigen experimentellen Charakterisierung von potentiellen synthetischen Materialien über einen weiten Frequenzbereich stark gestiegen. Mehrere Messaufbauten (Freiraum und Hohlleiter) mit unterschiedlichen Anwendungsschwerpunkten wurden daher in den letzten Jahren beim DLR realisiert. Sie unterliegen ebenso wie die korrespondierenden Auswerteprogramme einer ständigen Weiterentwicklung.

 

 Abbildung 3:  Multi Frequenzband-Aufbau zur Transmissions- und Reflexionsmessung
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Kontakt
Dr. tech. Erich Kemptner
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme
, Aufklärung und Sicherheit
Tel: +49 8153 28-2370

Fax: +49 8153 28-1135

E-Mail: erich.kemptner@dlr.de
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http://www.dlr.de/hr/desktopdefault.aspx/tabid-2434/3770_read-32519/