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Middle Atmosphere Alomar Radar System - MAARSY

Im Frühjahr 2011 wurde auf der nordnorwegischen Insel Andøya (69.30°N, 16.04°E) nach zweijähriger Bauzeit das neue Middle Atmosphere Alomar Radar System (MAARSY) fertiggestellt. MAARSY ersetzt das bisherige ALWIN-Radar, welches kontinuierlich mehr als 10 Jahre lang auf Andøya betrieben wurde. Das neue Radar wurde mit der Zielstellung entworfen, horizontale Strukturen Polarer Mesosphärischer Sommerechos (PMSE), verursacht durch mesosphärische Eiswolken, mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung zu erfassen und dreidimensionale Strukturen des Windfeldes und turbulente Parameter zu untersuchen.

MAARSY ist ein monostatisches Radar mit einer aktiven Phased-Array-Antenne. Die Radarfrequenz ist 53.5 MHz und die maximale Spitzenleistung beträgt ca. 800 kW. Die Antenne besteht aus 433 3-Elemente-Yagi-Antennen, die in einer gleichseitigen Dreiecksgitterstruktur angeordnet sind. Die folgende Abbildung zeigt eine Skizze des MAARSY Antennenfeldes. Das kreisrunde Feld, mit einem Durchmesser von 90m, entspricht einer Fläche von ca. 6300 m2. Die Antenne besitzt ein symmetrisches Strahlungsdiagramm mit einer Strahlbreite von 3.6° und einem Richtungsgewinn von 33.5 dBi. Die Dreiecksgitterstruktur des Antennenfeldes ermöglicht es, den Strahl bis zu 30° aus dem Zenit heraus in jede beliebige Himmelsrichtung zu schwenken, ohne das Nebenkeulen die Richtwirkung beeinträchtigen.

Das Antennenfeld ist in 61 Untergruppen unterteilt, 55 der Gruppen sind Sechsecke und bestehen aus jeweils 7 Antennen, 6 Untergruppen enthalten jeweils 8 Antennen und benden sich am Rand des Antennenfeldes, wodurch das Gesamtfeld einer Kreisform angenähert wird. Der Öffnungswinkel des Strahlungsdiagramms einer einzelnen Sechseckstruktur beträgt ca. 30°, der einer Kombination von 7 benachbarten hexagonalen Untergruppen (Annemonen-Struktur) beträgt ca. 11°.

Die 433 am IAP entwickelten und gebauten Yagi-Antennen sind mittels gleichlanger Kabel mit 433 Sende-Empfangs-Modulen verbunden, die sich in 6 Containern am Rande des Feldes befinden. Frequenz, Phase und Ausgangsleistung der Transceiver sind regelbar und werden kontinuierlich überwacht. Die Sende- und Empfangstechnik des Radars wird von der australischen Firma Genesis Software Pty Ltd hergestellt.

Auf dem Empfangsweg werden die Ausganssignale von jeweils 7 Transceivern, die jeweils 7 Antennen einer Wabenstruktur zugeordnet sind, zu insgesamt 61 Empfangssignalen zusammengefasst und über gleichlange Koaxialkabeln dem Radarkontrollhaus zugeführt (Latteck et al.,2012). In der ersten Ausbaustufe kommt dort ein 16-Kanal-Empfangssystem zum Einsatz. Daher werden über 9 steuerbare Multifunktionscombiner weitere Signalzusammenfassungen benachbarter Antennengruppen (Anemonen) vorgenommen oder Signale einzelner Waben ausgewählt und auf 15 Kanäle der Datenerfassung geschaltet. Dieses ermöglicht die Auswahl einer Vielzahl von Kombinationen separierter Empfangsantennengruppen für interferometrische Applikationen, wie z.B. die Anwendung bildgebender Verfahren zur Untersuchung mesosphärischer Strukturen (Sommer et al., 2016) oder die Positionsbestimmung von Meteorkopfechos (Schult et al., 2015). Ein zweites Ausgangssignal jedes Multifunktions-Combiners ist fest mit einem 9-zu-1-Combiner verbunden, dessen Ausgang somit das zusammengesetzte Empfangssignal des gesammten Antennenfeldes liefert. Dieses wird auf den 16. Empfangskanal der Datenerfassung geführt, der für klassische Doppler-Beam-Swinging-Experimente reserviert ist.

Die Pulsfunktionalität des Radars erlaubt die quasi-simultane Aussendung von Signalen verschiedener Längen. Damit ist es möglich, für Schichten mit einem typisch hohen Rückstreukoeffizienten wie der unteren Troposphäre einen kurzen Puls, für die rückstreuärmere obere Troposphäre und untere Stratosphäre wie auch die Mesosphäre dagegen einen langen, kodierten Puls, mit höherer mittlerer Leistung, auszusenden. Im Standardbetrieb werden daher zeitgleich Messungen in der Meso-, Strato- und Troposphäre durchgeführt; ab 1,5 km Höhe mit 150 m Auflösung und ab 6 km Höhe mit 300 m Auflösung.

Im Jahr 2018 wurde das aus der Nachrichtenkommunikation bekannte MIMO-Verfahren in die reguläre MAARSY-Radarsteuerung integriert. Ein Firmwareupgrade ermöglicht nun das Senden in voneinander unabhängigen Abschnitten des gesamten Antennenfeldes. In Kombination mit den vorhandenen 15 Empfangskanälen, die mit einzelnen Antennenuntergruppen (Hexagonen) verbunden sind, entsteht eine größere, virtuelle Antennenapertur. In Kombination mit bildgebenden Verfahren können nun mesosphärische Strukturen mit einer vorher unerreichten Winkelauflösung von etwa 0,6° erfasst werden (Urco et al., 2019).

Ansprechpartner

Der Aufbau von MAARSY

Weiterführende Informationen

  • R. Latteck, W. Singer, M. Rapp, B. Vandepeer, T. Renkwitz, M. Zecha und G. Stober, MAARSY - the new MST radar on Andøya-system description and first results, Radio Sci., doi:10.1029/2011RS004775, 2012.
  • T. Renkwitz, G. Stober, R. Latteck, W. Singer und M. Rapp, New experiments to validate the radiation pattern of the Middle Atmosphere Alomar Radar System (MAARSY), Adv. Radio Sci., 11, 283-289, doi:10.5194/ars-11-283-2013, 2013

Aktuelle Beobachtungen