Frühe Experimente
Ernsthafte Entwicklungsarbeiten zum Radar begannen in den 1930er Jahren, doch die Grundidee des Radars geht auf die klassischen Experimente zur elektromagnetischen Strahlung zurück, die der deutsche Physiker Heinrich Hertz in den späten 1880er Jahren durchführte. Hertz wollte damit die früheren theoretischen Arbeiten des schottischen Physikers James Clerk Maxwell experimentell überprüfen. Maxwell hatte die allgemeinen Gleichungen des elektromagnetischen Feldes formuliert und festgestellt, dass sowohl Licht als auch Radiowellen Beispiele für elektromagnetische Wellen sind, die denselben grundlegenden Gesetzen unterliegen, aber sehr unterschiedliche Frequenzen haben. Maxwells Arbeit führte zu dem Schluss, dass Radiowellen von metallischen Objekten reflektiert und von einem dielektrischen Medium gebrochen werden können, genau wie Lichtwellen. Hertz wies diese Eigenschaften 1888 anhand von Radiowellen mit einer Wellenlänge von 66 cm nach (was einer Frequenz von etwa 455 MHz entspricht).
Der potenzielle Nutzen von Hertz‘ Arbeit als Grundlage für die Erkennung von Zielen von praktischem Interesse blieb zu dieser Zeit nicht unbemerkt. Im Jahr 1904 wurde dem deutschen Ingenieur Christian Hülsmeyer in mehreren Ländern ein Patent für einen „Hindernisdetektor und ein Schiffsnavigationsgerät“ erteilt, das auf den von Hertz demonstrierten Prinzipien beruhte. Hülsmeyer baute seine Erfindung und führte sie der deutschen Marine vor, konnte aber kein Interesse wecken. Bis zu Beginn der 1930er Jahre, als militärische Langstreckenbomber entwickelt wurden, die große Nutzlasten transportieren konnten, bestand einfach kein wirtschaftlicher, gesellschaftlicher oder militärischer Bedarf an Radar. Dies veranlasste die großen Länder der Welt, nach einem Mittel zu suchen, mit dem sie den Anflug feindlicher Flugzeuge erkennen konnten.
Die meisten Länder, die vor dem Zweiten Weltkrieg Radar entwickelten, experimentierten zunächst mit anderen Methoden der Flugzeugerkennung. Dazu gehörten das Lauschen auf die akustischen Geräusche von Flugzeugtriebwerken und das Erkennen der elektrischen Geräusche bei deren Zündung. Die Forscher experimentierten auch mit Infrarotsensoren. Keine dieser Methoden erwies sich jedoch als wirksam.
Erste militärische Radare
In den 1930er Jahren wurden in acht Ländern, die sich mit der aktuellen militärischen Lage befassten und bereits über praktische Erfahrungen mit der Funktechnik verfügten, unabhängig voneinander und fast gleichzeitig Versuche zur Nutzung von Funkechos für die Flugzeugortung unternommen. Die Vereinigten Staaten, Großbritannien, Deutschland, Frankreich, die Sowjetunion, Italien, die Niederlande und Japan begannen im Abstand von etwa zwei Jahren mit dem Radar zu experimentieren und entwickelten es mit unterschiedlicher Motivation und Erfolg für militärische Zwecke weiter. Mehrere dieser Länder verfügten zu Beginn des Zweiten Weltkriegs über einsatzbereite Radargeräte im militärischen Einsatz.
Die erste Beobachtung des Radareffekts wurde 1922 am U.S. Naval Research Laboratory (NRL) in Washington, D.C., gemacht. Die NRL-Forscher positionierten einen Radiosender am einen Ufer des Potomac River und einen Empfänger am anderen Ufer. Ein auf dem Fluss fahrendes Schiff verursachte unerwartet Schwankungen in der Intensität der empfangenen Signale, wenn es zwischen Sender und Empfänger hindurchfuhr. (Heute würde man eine solche Konfiguration als bistatisches Radar bezeichnen.) Trotz der vielversprechenden Ergebnisse dieses Experiments waren die Verantwortlichen der US-Marine nicht bereit, weitere Arbeiten zu finanzieren.
Das Prinzip des Radars wurde 1930 am NRL „wiederentdeckt“, als L.A. Hyland beobachtete, dass ein Flugzeug, das durch den Strahl einer Sendeantenne flog, eine Fluktuation des empfangenen Signals verursachte. Obwohl Hyland und seine Mitarbeiter am NRL von der Aussicht, Ziele per Funk aufzuspüren, begeistert waren und die Entwicklung ernsthaft vorantreiben wollten, zeigten die höheren Stellen in der Marine wenig Interesse. Erst als man lernte, eine einzige Antenne sowohl zum Senden als auch zum Empfangen zu verwenden (heute als monostatisches Radar bezeichnet), erkannte man den Wert des Radars für die Entdeckung und Verfolgung von Flugzeugen und Schiffen voll an. Ein solches System wurde Anfang 1939 auf dem Schlachtschiff USS New York auf See vorgeführt.
Die ersten von der US-Armee entwickelten Radargeräte waren das SCR-268 (mit einer Frequenz von 205 MHz) zur Kontrolle von Flugabwehrgeschützen und das SCR-270 (mit einer Frequenz von 100 MHz) zur Erkennung von Flugzeugen. Beide Radargeräte waren bereits zu Beginn des Zweiten Weltkriegs verfügbar, ebenso wie das CXAM-Schiffsüberwachungsradar der Marine (mit einer Frequenz von 200 MHz). Es war ein SCR-270, eines von sechs damals auf Hawaii verfügbaren Geräten, das am 7. Dezember 1941 den Anflug japanischer Kampfflugzeuge auf Pearl Harbor in der Nähe von Honolulu entdeckte; die Bedeutung der Radarbeobachtungen wurde jedoch erst erkannt, als die Bomben fielen.
Großbritannien begann 1935 mit der Radarforschung zur Erkennung von Flugzeugen. Die britische Regierung ermutigte die Ingenieure zu raschen Fortschritten, da sie über die wachsende Wahrscheinlichkeit eines Krieges sehr besorgt war. Im September 1938 war das erste britische Radarsystem, Chain Home, rund um die Uhr in Betrieb, und es blieb während des gesamten Krieges einsatzbereit. Die Chain Home-Radargeräte ermöglichten es Großbritannien, seine begrenzte Luftverteidigung gegen die schweren deutschen Luftangriffe in der Anfangsphase des Krieges erfolgreich einzusetzen.
Sie arbeiteten auf einer Frequenz von etwa 30 MHz – dem so genannten Kurzwellen- oder HF-Band -, was für ein Radar eigentlich eine recht niedrige Frequenz ist. Es war vielleicht nicht die optimale Lösung, aber der Erfinder des britischen Radars, Sir Robert Watson-Watt, glaubte, dass etwas, das funktionierte und verfügbar war, besser war als eine ideale Lösung, die nur ein Versprechen war oder zu spät kommen konnte.
Auch die Sowjetunion begann in den 1930er Jahren mit der Arbeit am Radar. Zum Zeitpunkt des deutschen Angriffs auf ihr Land im Juni 1941 hatten die Sowjets mehrere verschiedene Radartypen entwickelt und verfügten über ein Radargerät zur Erkennung von Flugzeugen, das mit einer Frequenz von 75 MHz (im Ultrahochfrequenzband [VHF]) arbeitete. Die Entwicklung und Herstellung von Radargeräten wurde durch die deutsche Invasion unterbrochen, und die Arbeit musste verlagert werden.
Zu Beginn des Zweiten Weltkriegs war Deutschland in der Entwicklung von Radargeräten weiter fortgeschritten als jedes andere Land. Die Deutschen setzten Radar am Boden und in der Luft zur Verteidigung gegen alliierte Bomber ein. Bereits 1936 wurde auf einem deutschen Taschenkampfschiff ein Radargerät installiert. Ende 1940 stellten die Deutschen die Radarentwicklung ein, weil sie glaubten, der Krieg sei fast vorbei. Die Vereinigten Staaten und Großbritannien beschleunigten jedoch ihre Bemühungen. Als die Deutschen ihren Fehler erkannten, war es zu spät, um den Rückstand aufzuholen.
Abgesehen von einigen deutschen Radarsystemen, die bei 375 und 560 MHz arbeiteten, waren alle erfolgreichen Radarsysteme, die vor Beginn des Zweiten Weltkriegs entwickelt wurden, im VHF-Band unterhalb von etwa 200 MHz angesiedelt. Die Verwendung des VHF-Bandes warf mehrere Probleme auf. Erstens sind die Strahlenbreiten im VHF-Band sehr breit. (Schmale Strahlenbreiten führen zu größerer Genauigkeit, besserer Auflösung und zum Ausschluss unerwünschter Echos vom Boden oder anderen Störquellen.) Zweitens erlaubt der VHF-Teil des elektromagnetischen Spektrums nicht die großen Bandbreiten, die für die kurzen Impulse erforderlich sind, die eine genauere Entfernungsbestimmung ermöglichen. Drittens unterliegt VHF dem atmosphärischen Rauschen, was die Empfängerempfindlichkeit einschränkt. Trotz dieser Nachteile stellte UKW in den 1930er Jahren die Grenze der Funktechnologie dar, und die Radarentwicklung in diesem Frequenzbereich stellte eine echte Pionierleistung dar. Die frühen Radarentwickler waren sich darüber im Klaren, dass der Betrieb bei noch höheren Frequenzen wünschenswert war, vor allem, weil damit schmale Strahlenbreiten ohne übermäßig große Antennen erreicht werden konnten.
Fortschritte während des Zweiten Weltkriegs
Die Öffnung höherer Frequenzen (des Mikrowellenbereichs) für das Radar mit den damit verbundenen Vorteilen erfolgte Ende 1939, als der Hohlraum-Magnetron-Oszillator von britischen Physikern an der Universität Birmingham erfunden wurde. Im Jahr 1940 stellten die Briten den Vereinigten Staaten großzügig das Konzept des Magnetrons zur Verfügung, das dann zur Grundlage für die Arbeiten des neu gegründeten Massachusetts Institute of Technology (MIT) Radiation Laboratory in Cambridge wurde. Es war das Magnetron, das das Mikrowellenradar im Zweiten Weltkrieg Wirklichkeit werden ließ.
Die erfolgreiche Entwicklung innovativer und wichtiger Mikrowellenradargeräte am MIT Radiation Laboratory ist auf die Dringlichkeit zurückzuführen, neue militärische Fähigkeiten zu entwickeln, sowie auf die aufgeklärte und effektive Leitung des Labors und die Einstellung talentierter, engagierter Wissenschaftler. In den fünf Jahren seines Bestehens (1940-45) wurden im Rahmen des Laborprogramms mehr als 100 verschiedene Radarsysteme entwickelt.
Eines der bemerkenswertesten vom MIT Radiation Laboratory entwickelten Mikrowellenradargeräte war das SCR-584, ein weit verbreitetes System zur Kontrolle von Geschützen. Es nutzte die konische Abtastung, bei der ein einzelner versetzter (schielender) Radarstrahl kontinuierlich um die Mittelachse der Radarantenne gedreht wird, und verfügte mit seiner Strahlbreite von vier Grad über eine ausreichende Winkelgenauigkeit, um Flugabwehrkanonen auf das Ziel zu richten, ohne dass Suchscheinwerfer oder Optiken erforderlich waren, wie dies bei älteren Radargeräten mit größerer Strahlbreite (z. B. dem SCR-268) der Fall war. Das SCR-584 arbeitete im Frequenzbereich von 2,7 bis 2,9 GHz (dem so genannten S-Band) und hatte eine Parabolantenne mit einem Durchmesser von fast 2 m (6,6 Fuß). Der erste Einsatz erfolgte Anfang 1944 am Landekopf von Anzio in Italien. Seine Einführung kam zur rechten Zeit, da die Deutschen zu diesem Zeitpunkt gelernt hatten, wie man das Vorgängermodell SCR-268 stören konnte. Die Einführung des Mikrowellenradars SCR-584 traf die Deutschen völlig unvorbereitet.
Fortschritte in der Nachkriegszeit
Nach dem Krieg verlangsamte sich der Fortschritt in der Radartechnologie erheblich. In der letzten Hälfte der 1940er Jahre wurden vor allem die während des Krieges begonnenen Entwicklungen weitergeführt. Zwei davon waren das Monopuls-Verfolgungsradar und das MTI-Radar (Moving-Target-Indication) (siehe Abschnitt Dopplerfrequenz und Zielgeschwindigkeit). Es dauerte noch viele Jahre, bis diese beiden Radartechniken voll einsatzfähig waren.
In den 1950er Jahren kamen neue und bessere Radarsysteme auf den Markt. Eines davon war ein hochpräzises Monopuls-Verfolgungsradar mit der Bezeichnung AN/FPS-16, das eine Winkelgenauigkeit von etwa 0,1 Milliradian (etwa 0,006 Grad) erreichte. Es gab auch große, leistungsstarke Radargeräte, die für den Betrieb bei 220 MHz (VHF) und 450 MHz (UHF) ausgelegt waren. Diese Systeme, die mit großen, mechanisch drehbaren Antennen ausgestattet waren (mit einer horizontalen Ausdehnung von mehr als 37 Metern), konnten Flugzeuge auf sehr große Entfernungen zuverlässig erfassen. Eine weitere bemerkenswerte Entwicklung war der Klystron-Verstärker, der eine Quelle stabiler hoher Leistung für Radargeräte mit sehr großer Reichweite bot. Das Radar mit synthetischer Apertur erschien erstmals in den frühen 1950er Jahren, aber es dauerte noch fast 30 Jahre, bis es mit der Einführung der digitalen Verarbeitung und anderen Fortschritten einen hohen Entwicklungsstand erreichte. Das luftgestützte Puls-Doppler-Radar wurde in den späten 1950er Jahren mit der Bomarc-Luft-Luft-Rakete eingeführt.
In den 1950er Jahren wurden auch wichtige theoretische Konzepte veröffentlicht, die dazu beitrugen, die Radarentwicklung auf eine quantitativere Grundlage zu stellen. Dazu gehörten die statistische Theorie der Erkennung von Signalen im Rauschen, die so genannte Matched-Filter-Theorie, die zeigte, wie ein Radarempfänger konfiguriert werden muss, um die Erkennung schwacher Signale zu maximieren, das Woodward-Diagramm zur Mehrdeutigkeit, das die Kompromisse bei der Wellenformgestaltung für eine gute Messung von Reichweite und Radialgeschwindigkeit sowie die Auflösung verdeutlichte, und die grundlegenden Methoden für die Doppler-Filterung in MTI-Radaren, die später wichtig wurden, als die Digitaltechnik es ermöglichte, die theoretischen Konzepte in die Praxis umzusetzen.
Die Doppler-Frequenzverschiebung und ihre Nützlichkeit für das Radar waren bereits vor dem Zweiten Weltkrieg bekannt, aber es bedurfte jahrelanger Entwicklungsarbeit, um die für eine breite Anwendung notwendige Technologie zu entwickeln. Die ernsthafte Anwendung des Doppler-Prinzips für Radar begann in den 1950er Jahren, und heute ist das Prinzip für den Betrieb vieler Radarsysteme unerlässlich. Wie bereits erläutert, resultiert die Dopplerfrequenzverschiebung des reflektierten Signals aus der relativen Bewegung zwischen dem Ziel und dem Radargerät. Die Nutzung der Dopplerfrequenz ist bei Dauerstrich-, MTI- und Impuls-Doppler-Radaren, die bewegte Ziele in Gegenwart großer Störechos erkennen müssen, unerlässlich. Die Dopplerfrequenzverschiebung ist die Grundlage für die Radarpistolen der Polizei. SAR- und ISAR-Abbildungsradare nutzen die Dopplerfrequenz, um hochauflösende Bilder von Gelände und Zielen zu erzeugen. Die Dopplerfrequenzverschiebung wird auch im Doppler-Navigationsradar verwendet, um die Geschwindigkeit des Flugzeugs zu messen, das das Radarsystem trägt. Die Extraktion der Dopplerverschiebung in Wetterradargeräten ermöglicht darüber hinaus die Erkennung schwerer Stürme und gefährlicher Scherwinde, was mit anderen Techniken nicht möglich ist.
Die ersten großen elektronisch gesteuerten Phased-Array-Radare wurden in den 1960er Jahren in Betrieb genommen. Das luftgestützte MTI-Radar zur Erkennung von Flugzeugen wurde zu dieser Zeit für die Grumman E-2-Flugzeuge der U.S. Navy zur Frühwarnung entwickelt. Viele der Eigenschaften des HF-Überhorizont-Radars wurden in den 1960er Jahren demonstriert, ebenso wie die ersten Radare zur Erkennung ballistischer Flugkörper und Satelliten.
Radar im digitalen Zeitalter
In den 1970er Jahren erlebte die Digitaltechnik einen enormen Aufschwung, der die für ein modernes Radar erforderliche Signal- und Datenverarbeitung möglich machte. Auch beim luftgestützten Puls-Doppler-Radar wurden bedeutende Fortschritte erzielt, die seine Fähigkeit, Flugzeuge inmitten starker Bodenstörungen zu erkennen, erheblich verbesserten. Das luftgestützte Warn- und Kontrollsystem (AWACS) der US-Luftwaffe und das militärische luftgestützte Abfangradar beruhen auf dem Impuls-Doppler-Prinzip. In den 1970er Jahren begann man auch, Radar in Raumfahrzeugen zur Fernerkundung der Umwelt einzusetzen.
Im Laufe des nächsten Jahrzehnts entwickelten sich die Radarmethoden so weit, dass die Radare in der Lage waren, eine Art von Ziel von einer anderen zu unterscheiden. Die Serienproduktion von Phased-Array-Radaren für die Luftverteidigung (Patriot- und Aegis-Systeme), das Radar für Bordbomber (B-1B-Flugzeuge) und die Erkennung ballistischer Raketen (Pave Paws) wurde in den 1980er Jahren ebenfalls möglich. Fortschritte in der Fernerkundung machten es möglich, Winde über dem Meer, das Geoid (oder den mittleren Meeresspiegel), die Rauheit des Ozeans, die Eisverhältnisse und andere Umwelteinflüsse zu messen. Festkörpertechnologie und integrierte Mikrowellenschaltkreise ermöglichten neue Radarmöglichkeiten, die ein oder zwei Jahrzehnte zuvor nur akademische Kuriositäten gewesen waren.
Die kontinuierlichen Fortschritte in der Computertechnologie in den 1990er Jahren ermöglichten es, aus den Radarechos mehr Informationen über die Art der Ziele und die Umgebung zu gewinnen. Die Einführung von Doppler-Wetterradarsystemen (wie z. B. Nexrad), die die radiale Komponente der Windgeschwindigkeit sowie die Niederschlagsmenge messen, ermöglichte neue Gefahrenwarnungen. Terminal-Doppler-Wetterradare (TDWR) wurden auf oder in der Nähe von Großflughäfen installiert, um vor gefährlichen Scherwinden bei Starts und Landungen zu warnen. Für Anwendungen wie die Flugverkehrskontrolle wurde von den Herstellern ein unbeaufsichtigter Radarbetrieb mit geringen Ausfallzeiten für Reparaturen gefordert. HF-Überhorizont-Radarsysteme wurden von mehreren Ländern betrieben, vor allem zur Erkennung von Flugzeugen in sehr großer Entfernung (bis zu 2.000 nautische Meilen [3.700 km]). Weltraumgestützte Radare sammelten weiterhin Informationen über die Land- und Meeresoberflächen der Erde auf globaler Basis. Verbesserte abbildende Radarsysteme wurden von Raumsonden mitgeführt, um dreidimensionale Bilder der Venusoberfläche mit höherer Auflösung zu erhalten, die zum ersten Mal die allgegenwärtige undurchsichtige Wolkendecke durchdringen konnten.
Die ersten Radarsysteme zur Abwehr ballistischer Flugkörper wurden Mitte der 1950er und 1960er Jahre konzipiert und entwickelt. Die Entwicklung in den Vereinigten Staaten wurde jedoch mit der Unterzeichnung des ABM-Vertrags (Anti-Ballistic Missile Treaty) zwischen der Sowjetunion und den Vereinigten Staaten im Jahr 1972 eingestellt. Der Einsatz taktischer ballistischer Raketen während des Golfkriegs (1990-91) machte den Bedarf an Radaren zur Abwehr solcher Raketen wieder deutlich. Russland (und davor die Sowjetunion) hat seine leistungsfähigen radargestützten Luftverteidigungssysteme zur Bekämpfung taktischer ballistischer Raketen ständig verbessert. Die Israelis setzten das Arrow-Phased-Array-Radar als Teil eines ABM-Systems zur Verteidigung ihres Heimatlandes ein. Die Vereinigten Staaten entwickelten ein mobiles Phased-Array-Radar mit aktiver Apertur (Festkörperradar) mit der Bezeichnung Theater High Altitude Area Defense Ground Based Radar (THAAD GBR) für den Einsatz in einem theaterweiten ABM-System.
Die Fortschritte in der Digitaltechnik im ersten Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts führten zu einer weiteren Verbesserung der Signal- und Datenverarbeitung mit dem Ziel, (fast) vollständig digitale Phased-Array-Radare zu entwickeln. Für Radaranwendungen im Millimeterwellenbereich (typischerweise 94 GHz) wurden Hochleistungssender verfügbar, deren durchschnittliche Leistung 100- bis 1.000-mal höher ist als zuvor.
