Überwachungstechnologie: Laser schärft Radarbilder

Neue Radartechnik soll Himmel und Meer besser überwachen: Ein Laser hilft beim Senden und Empfangen der Radiowellen. Mit den kurzen Impulsen des Lasers können Signale digitalisiert werden - Ortungen werden präziser und schneller.

Test in Livorno: Italienische Forscher bei der Arbeit

Foto: Antonella Bogoni

Im Inneren moderner Radartechnik stecken Bauteile, die mit analogen Schaltkreisen und Jahrzehnte alten Konzepten den Funkverkehr auf der Welt regeln. Ein simpler Laser soll das in den nächsten Jahren ändern und vor allem das Radar für Luft- und Seefahrt revolutionieren, hoffen italienische Ingenieure.

In der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins "Nature"  beschreiben Wissenschaftler um den Ingenieur Paolo Ghelfi des Integrated Research Center for Photonic Networks and Technologies der Universität Pisa, wie ein Laser zur Erzeugung von Funkwellen und zum Aufbau eines ganzen Radarsystems eingesetzt werden kann. Die Digitalisierung könnte in der Radartechnik damit einen großen Sprung machen, sollten sich die Forschungsergebnisse der Wissenschaftler auch im Alltag durchsetzen.

Mit der Entwicklung der Wissenschaftler ließe sich das Konzept eines softwarebasierten Funkens (SDR) im Radar-Bereich umsetzen. Dabei übernehmen eine Software und ein Computerprozessor die Aufgabe, die früher spezielle analoge Schaltkreise und Aufbauten erledigten. Sie rechnen ein Signal zu einem brauchbaren Endergebnis um, statt es dafür durch Bauteile zum Filtern oder Verstärken zu leiten. Der Laser erzeugt nur die Funkwellen und kann ankommenden Signale auslesen. Den Rest der Arbeit erledigen dann spezielle optische Schaltkreise und Prozessoren.

"In unserem System sind übliche elektronische Komponenten durch optische wie Photodioden oder Filter ersetzt", erklärt der Erstautor Paolo Ghelfi vom beteiligten Interuniversitären Nationalen Konsortium für Telekommunikation (CNIT). "Es kann dadurch auf beliebigen Frequenzen arbeiten."

Mit dem Projekt "PHODIR" (Photonics-based fully digital radar) ließen sich größere Bandbreiten des Funks nutzen, und der Einsatz kleinerer Antennen wäre möglich. Auch soll die die Genauigkeit des Radars durch den Umstieg auf das System steigen. Denn während die heute übliche Technik aus dem Mikrowellen-Bereich ab einer gewissen Frequenz unter starkem Rauschen leidet, ist die Lasertechnik dagegen immun. Zudem lassen sich die Signale des Photonen-Radars durch das sogenannte optische Abtasten des Funks direkt digitalisieren.

Stabile Lichtpulse

Die Forscher schreiben, dass sie erstmals einen vollständigen Aufbau realisiert hätten, der nicht nur mit der Hilfe von Photonen Funksignale generiert, sondern diese auch messen und auswerten kann. "Bisherige Untersuchungen beschränkten sich immer nur auf separate Betrachtungen", heißt es in der Arbeit. "Sie wurden nicht in einem Radarsystem getestet."

Im Inneren des neuen Radar-Apparates verrichten Laser ihre Arbeit, die besonders stabile Lichtpulse liefern. Statt mit üblichen Mikrowellen-Oszillatoren ein Funksignal zu erzeugen, können sie in Verbindung mit optischen Komponenten eine Funkwelle generieren. Als besonders vielversprechend stellte sich auch ein anderer Ansatz der Wissenschaftler heraus: das Mischen der Laserstrahlen zur Erzeugung höherer Frequenzen, das sogenannte Heterodyning. Es sorgte dafür, dass die Funksignale über einen großen Bereich einstellbar waren - und sich somit weite Teile des Spektrums mit dem Aufbau abdecken ließen.

"Sie können mit dem flexiblen System beispielsweise einen Quick-Scan der Umgebung machen", sagt der Elektroingenieur Ghelfi. "Wenn Sie etwas finden, können sie die Frequenz anpassen und mit demselben System das Objekt dann genauer scannen."

Die Leistung des Prototypen der Forscher übersteigt aktuelle Technik, die im Frequenzbereich über zwei Gigahertz arbeitet. Die Wissenschaftler haben das unter anderem bei Feldversuchen mit zivilen Flugzeugen zeigen können. Sie waren in der Lage, die Distanz und Geschwindigkeit der Maschinen auf wenige hundert Meter und einige Kilometer pro Stunde genau zu bestimmen. Mit entsprechenden Methoden zur Signalauswertung gelang es ihnen sogar, die Genauigkeit des neuartigen Radarsystems von 150 Metern auf etwa 23 Meter zu verbessern.

Die Forscher arbeiten nun an der Umsetzung ihres Konzepts in Form eines optischen Computerchips. Der soll zu leistungsfähigeren, genaueren und vor allem kleineren Radargeräten führen. Diese sollen sogar dazu in der Lage sein, gleichzeitig Signale zu empfangen und zu senden. Die Laser könnten zudem mit Glasfaserleitungen kombiniert werden. So ließen sich die Informationen und Signale ohne größere Verluste und Störgeräusche hin zu Antennen und zurück transportieren - auch über lange Strecken.