Radarüberwachung: Das Durchdringen von Mauern

Bereits frühzeitig war auch bekannt, dass ein Radar Ziele auch durch Mauern und sogar in der Erde erkennen kann.
So fand im Jahre 1937 in Wien ein Kongreß über Kurzwellen statt. Eine Zusammenfassung der gehaltenen Vorträge wurde unter dem Titel: Internationaler Kongreß für Kurzwellen in Physik, Biologie und Medizin, Wien 1937 veröffentlicht. Darin findet sich auf den Seiten 159 bis 163 eine Zusammenfassung des Vortrags von Volker Fritsch aus Brünn in dem er über Versuche zur Anwendung von Funkortungsverfahren im Bergbau berichtet ( Neuere Ergebnisse der Funkgeologie und ihre Bedeutung für die Funkmutung ). Er hatte mit einer Wellenlänge von 40 Metern, was ungefähr einer Frequenz von 7 MHz entspricht, an verschiedenen Orten brauchbare Ergebnisse erzielt. Auch an die Verwendung mehrerer unterschiedlicher Frequenzen oder eines breitbandigen Spektrums zur Erhöhung der Auflösungsfähigkeit des Verfahrens wurde bereits gedacht.

Und 1952 heißt es in: "Die Fernmeldetechnik" von Werner Feilhauer, Giessen 1952 auf Seite 414:
"Ausbreitung von Wellen im Boden
Diese Art von Ausbreitung ist für das Problem der Nachrichtentechnik von recht untergeordneter Bedeutung. Sie wird bei der sogenannten Funkmutung, also geologischen Untersuchungen mit elektrischen Wellen benutzt. Die Eindringtiefe ist abhängig von der Leitfähigkeit des Bodens, und zwar in der Weise, daß sie mit wachsender Leitfähigkeit abnimmt. Bild 774 stellt dar, in welcher Tiefe die Amplitude der Welle auf etwa 2 % abgesunken ist. Wir sehen, daß die Eindringtiefe mit der Wurzel aus der Wellenlänge zunimmt.
"

Ein solches Bodenradar wurde zum Beispiel Mitte der 70er Jahre in den USA entwickelt. Dazu findet sich in: URSI 1976 Annual Meeting, Amherst, USA auf Seite 36 folgender Bericht von L. Peters mit dem Titel: Electromagnetic transient underground Radar ( ETUR ) for geophysical Exploration:

"Bodenradar für geophysikalische Untersuchungen unter Verwendung elektromagnetischer Pulse Einfach ausgedrückt handelt es sich bei ETUR um ein konventionelles Radar ohne Träger. Ein kurzer Puls wird in den Boden gesendet und ein von jedem im Verhältnis zur Radarantenne unsymmetrischen Objekt zurückgeworfener Puls wird mit einer zweiten Antenne aufgefangen. Die Pulslänge ist kurz genug, so dass die Stärke des gesendeten Pulses bei der Rückkehr des reflektierten Pulses vernachlässigbar gering ist. (...) Bei präziser Konstruktion erlauben diese zwei Punkte, nämlich kurze Pulslänge und getrennte Antennen für Sender und Empfänger, ein akzeptables Reichweitenfenster. Die reflektierten Pulse können in Echtzeit auf einem Oszilloskop dargestellt werden. Während der URSI Tagung werden experimentelle Ergebnisse dieses Verfahrens vorgestellt. Diese Ergebnisse umfassen die von Metall und Plastikrohrleitungen, von kurzen Rohrstücken, von Verwerfungen in Felsen, von Tunneln und Kohlebergwerken reflektierten Pulse. Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung dieser Schrift wird voraussichtlich eine kommerzielle Ausführung des ETUR unter dem Namen Terrascan zum Auffinden von unterirdischen Rohren auf dem Markt sein.

Berechnungen zeigen, dass das Konzept bis in beträchtliche Tiefen ( in der Größenordnung von Kilometern ) praktikabel ist indem a) längere Antennen und b) längere Pulse niedrigerer Frequenz und höherer, aber noch praktikabler Leistung verwendet werden. (...)
Außer zum Auffinden der erwähnten Ziele sollte ETUR sinnvoll bei verschiedenen Aufgaben einsetzbar sein, wie zum Beispiel dem Auffinden von Grundwasser und von Schäden an Wasserrohren, von aufgegebenen Bergwerken, der Erforschung von Bodenschätzen, von unterirdischen Einbrüchen, zu archäologischen Untersuchungen und so weiter. (...)
Das größte Problem bei der Fernerkundung liegt in der Identifikation der Ursache für das aufgefangene Signal. (...)
Obwohl das Spektrum des aufgefangenen Signals nicht alle hochfrequenten Anteile des ausgestrahlten Pulses enthält ( weshalb der aufgefangene reflektierte Puls viel länger als der abgestrahlte ist ) enthält er doch ein sehr breites Spektrum. Es ist zu erwarten, dass einige der in der Radartechnik üblicherweise benutzten Identifikationsmethoden angewendet werden können, wenn die reflektierten Signale verschiedener vergrabener Objekte erforscht sind.
"

Dieses Bodenradar mit der Bezeichnung Terrascan wird auch heute noch angeboten. Nach dem Buch Radartechnik: Grundlagen und Anwendungen von Jürgen Göbel, Berlin 2001, Seite 179, lassen sich mit einem solchen Ground Penetrating Radar je nach verwendeter Frequenz die oberen Bodenschichten bis in eine Tiefe von 1 bis 100 Metern untersuchen und auf diese Art bei entsprechender Signalverarbeitung dreidimensionale Karten fertigen. Und Häuserwände sind selten dicker als 30 cm. Selbst Gletscher kann man bis in 80 Meter Tiefe untersuchen. Hierbei wurde mit dem Radargerät aus einem Hubschrauber heraus gemessen.

Das oben beschriebene Terrascan Verfahren verwendet einzelne Pulse, deren Verlauf nicht einer bestimmten Frequenz entspricht, sondern aus einer Reihe von unterschiedlichen Frequenzanteilen besteht. Ein solches Verhalten zeigen auch die mit einer Antenne an einem Oszilloskop messbaren Signale, deren jeweiliger Verlauf deutlich von dem bei einem Radiosender üblichen sinusförmigen Verlauf abweicht. Auch sie bestehen aus einer großen Zahl von verschiedenen Frequenzanteilen, so dass sich aus ihnen bei entsprechender Aufarbeitung sehr viele Informationen gewinnen lassen.

Eine messbare Grundfrequenz liegt im Bereich von ca. 5 MHz beziehungsweise 15 MHz. Radargeräte werden auch in diesem Frequenzbereich betrieben. So wurde zum Beispiel von der kanadischen Firma Northern Radar Systems Limited ein See- und Luftraumüberwachungsradar in diesem Frequenzbereich entwickelt. Mit einer Reichweite von bis zu 400 km können Zielobjekte wie Schiffe, Flugzeuge ( auch niedrig fliegende ) und Eisberge überwacht werden. Die Auflösung dieses Radars ist so gut, dass außerdem die Strömungen an der Meeresoberfläche sowie der Wellengang gemessen werden können.

Da es mit solchen Radargeräten im Frequenzbereich zwischen 3 MHz und 30 MHz sogar möglich ist, Ziele bis in Entfernungen von 1000 km, also bis hinter den optischen Horizont zu verfolgen, tragen sie die Bezeichnung over the horizon radar ( OTHR ).

Dazu lesen wir in dem Buch "Radartechnik: Grundlagen und Anwendungen" von Jürgen Göbel, Berlin 2001 auf Seite 31f:
"Ein Beispiel hierfür ist das AN/TPS-71, ein Überwachungsradar für große Gebiete, das z.B. bei der Bekämpfung des ( Drogen- ) Schmuggels in Zentralamerika eingesetzt wird. Die Wellenlänge ist von 10 m bis 60 m variierbar ( entsprechend Frequenzen von 5 MHz bis 30 MHz ), wodurch sich für eine hohe Bündelung große Antennenabmessungen ergeben. So ist für die Erzielung einer Auflösung im Azimut von 0,5° ( bei 15 MHz ) eine Antennenlänge von 2,5 km erforderlich. Über diese Länge sind insgesamt 372 Unipole verteilt, die jeweils über einen eigenen Empfänger verfügen. Die Empfangssignale werden u.a. auf den Doppler-Effekt (...) hin ausgewertet, so daß eine Bewegtzieltrennung bzw. -erkennung möglich ist. Nachteilig ist das zeitlich stark veränderliche und nur im Rahmen statistischer Betrachtungen vorhersehbare Verhalten. Darüberhinaus ist davon auszugehen, daß ein Ziel i.a. durch mehrere Strahlen beleuchtet wird und auch mehrere Echosignale von einem Ziel zu den Empfängern gelangen. Um trotzdem ein funktionsfähiges System zu erhalten, sind adaptive Kompensationsverfahren erforderlich"

Natürlich ist für die Überwachung der Bevölkerung kein weit reichendes Radar notwendig, Vielmehr macht man sich in diesem Fall die gute Durchdringungsfähigkeit der Kurzwellen zu nutze. Durch die hohen Frequenzanteile wird die Auflösung bedeutend verbessert. Aber diese hohen Frequenzanteile werden vergleichsweise leicht beim Durchgang durch Hindernisse verringert, so dass die Auflösung verringert wird.

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