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Universität Hannover Franzius-Institut für Wasserbau und Küsteningenieurwesen
Univ. Prof. Dr.-Ing. Claus Zimmermann
8. Seminar
Seegangsmessung mit Radar
Optimierung von schnellen Radar-Wasserstandspegeln unter
Laborbedingungen
Prof. Dr.-Ing. Claus ZimmermannDipl.-Phys. Dipl.-Ing. Stephan Mai
Dipl.-Ing. Kai Irschik
Bremerhaven, 29.10.2003
Stephan MaiSee
gang
smes
sung
mit
Rad
ar
2
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Univ. Prof. Dr.-Ing. Claus Zimmermann
8. Seminar
Meßprinzip von Radarpegeln
land reclamationfield tidalflatsum merpold ersummerdike mean high water
fd ∆∝
td ∆∝
time-domain reflectometry(TDR)
frequency modulatedcontinuous wave
(FMCW)
Radar Intensität
Radar Frequenz
Time
Time
Stephan MaiSee
gang
smes
sung
mit
Rad
ar
3
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8. Seminar
Radar-Sensoren im Test
land reclamationfield tidalflatsum merpold ersummerdike mean high water
9,5 GHz
FMCW
RadacENRAFF
WAVEGUIDE
8,5 – 9,9 GHz5,8 GHz26 GHz26 GHz
FMCWTDRTDRTDR
Krohne
BM 70PSiemens
Sitrans LR300
Endress + Hauser
Micropilot MFMR 240
VEGAPuls42
Stephan MaiSee
gang
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Rad
ar
4
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8. Seminar
Versuchsaufbau in den Wellenkanälen WKS und GWK
land reclamationfield tidalflatsum merpold ersummerdike mean high water
Großer Wellenkanal GWK
Wellen-maschine
VEGA RadarPuls 42
KROHNE RadarBM 70P
E + H RadarMicroplot M
SIEMENS RadarSitrans Lr 300
Meßgeräte-Plattform
Wellenkanal Schneiderberg WKS
Meßgeräte-Plattform
KROHNE RadarBM 70P
E + H RadarMicroplot M
SIEMENS RadarSitrans Lr 300
VEGA RadarPuls 42
Wellen-maschine
GHM-Drahtwellenpegel
Stephan MaiSee
gang
smes
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mit
Rad
ar
5
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8. Seminar
Zeitreihe der Wasserspiegelauslenkung (Radarsensoren mit Herstellerkonfiguration)
100.0 102.0 104.0 106.0 108.0 110.0 112.0 114.0 116.0 118.0 120.0Zeit t [s]
-0.20
0.00
0.20
Was
sers
pie
gel
aule
nku
ng
η [
m]
Wasserspiegelauslenkung von regelmäßigen Wellen im GWK
H = 0,50 m, T = 4,5 s, d = 4,05 mDrahtwellenpegelVega puls42E + H FMR 240
�
Was
sers
pie
gel
ausl
enku
ng
Stephan MaiSee
gang
smes
sung
mit
Rad
ar
6
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Univ. Prof. Dr.-Ing. Claus Zimmermann
8. Seminar
Zeitreihe der Wasserspiegelauslenkung (Radarsensoren mit Herstellerkonfiguration)
100.0 102.0 104.0 106.0 108.0 110.0 112.0 114.0 116.0 118.0 120.0Zeit t [s]
-0.20
0.00
0.20
Was
sers
pie
gel
aule
nku
ng
η [
m]
Wasserspiegelauslenkung von regelmäßigen Wellen im GWK
H = 0,50 m, T = 4,5 s, d = 4,05 mDrahtwellenpegelSiemens Sitrans LR300Krohne BM 70P7
�
Was
sers
pie
gel
ausl
enku
ng
Stephan MaiSee
gang
smes
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mit
Rad
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7
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8. Seminar
Anwendbarkeit zur Seegangsmessung(Radarsensor mit Herstellerkonfiguration)
land reclamationfield tidalflatsum merpold ersummerdike mean high water
Vega E + H Siemens Krohne0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
1.25
1.50
Ver
häl
tnis
der
sig
nif
ikan
ten
Wel
len
hö
he
H 1
/3, R
AD
AR
Peg
el /
H 1
/3, D
rah
twel
len
peg
el [
-]Wellenhöhe H1/3 aus GWK-Messungen
(regelmäßige Wellen)H = 0,4-0,9 m, T = 4,5-7,0 s, d = 4,05 m
Vega E + H Siemens Krohne0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
1.25
1.50
1.75
2.00
Ver
häl
tnis
der
sig
nif
ikan
ten
Wel
len
per
iod
eT
1/3
, RA
DA
R P
egel /
T 1
/3, D
rah
twel
len
peg
el [
-]
Wellenperiode T1/3 aus GWK-Messungen(regelmäßige Wellen)
H = 0,4-0,9 m, T = 4,5-7,0 s, d = 4,05 m
Stephan MaiSee
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mit
Rad
ar
8
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8. Seminar
Amplitudenspektrum der Wasserspiegelauslenkung (Radarsensor mit Herstellerkonfiguration)
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5Frequenz f [Hz]
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70A
mp
litu
de
η [
m]
Amplitudenspektrum(TMA-Spektrum)
H = 0,40 m, T = 6,5 s, d = 4,05 m Drahtwellenpegel VEGA Puls42
Hs=0,40 m, TP=6,5 s, d=4,05 m
Stephan MaiSee
gang
smes
sung
mit
Rad
ar
9
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8. Seminar
Amplitudenspektrum der Wasserspiegelauslenkung (Radarsensor mit Herstellerkonfiguration)
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5Frequenz f [Hz]
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70A
mp
litu
de
η [
m]
Amplitudenspektrum(TMA-Spektrum)
H = 0,40 m, T = 6,5 s, d = 4,05 m Drahtwellenpegel E + H FMR 240
Hs=0,40 m, TP=6,5 s, d=4,05 m
Stephan MaiSee
gang
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sung
mit
Rad
ar
10
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8. Seminar
Amplitudenspektrum der Wasserspiegelauslenkung (Radarsensor mit Herstellerkonfiguration)
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5Frequenz f [Hz]
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70A
mp
litu
de
η [
m]
Amplitudenspektrum(TMA-Spektrum)
H = 0,40 m, T = 6,5 s, d = 4,05 m Drahtwellenpegel Siemens Sitrans LR300
Hs=0,40 m, TP=6,5 s, d=4,05 m
Stephan MaiSee
gang
smes
sung
mit
Rad
ar
11
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Univ. Prof. Dr.-Ing. Claus Zimmermann
8. Seminar
Amplitudenspektrum der Wasserspiegelauslenkung (Radarsensor mit Herstellerkonfiguration)
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5Frequenz f [Hz]
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70A
mp
litu
de
η [
m]
Amplitudenspektrum(TMA-Spektrum)
H = 0,40 m, T = 6,5 s, d = 4,05 m Drahtwellenpegel Krohne BM 70P
Hs=0,40 m, TP=6,5 s, d=4,05 m
Stephan MaiSee
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Rad
ar
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8. Seminar
Typisches Radarrückstreusignal
Stephan MaiSee
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8. Seminar
Modifikation der Radars zur Analyse der Signalbildung
Vega Puls 42 SerienmodellPulsradar
26 GHz TechnologieZweileiter-Radar
Vega Puls 42 PrototypPulsradar26 GHz TechnologieVierleiter: Speisung, 2 Hüllkurven und Triggerausgang
Stephan MaiSee
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8. Seminar
Vergleich: Herstellerkonfiguration vs. Prototyp des Vega Puls 42
RadarVega Puls 42Herstellerkonfiguration
h =
2,5
0 m
GHM Drahtwellenpegel
RadarVega Puls 42Prototyp
Stephan MaiSee
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8. Seminar
Signalbildung an wellenbewegter Wasseroberfläche
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Rad
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8. Seminar
Signalbildung an wellenbewegter Wasseroberfläche
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
Intensität[dB]
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
Lau
fzei
t[m
s]
10 11 12 13 14 15 16 17
Zeit [s]
Stephan MaiSee
gang
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sung
mit
Rad
ar
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8. Seminar
Signalbildung an wellenbewegter Wasseroberfläche
0 90 180 270 360Wellenphase [°]
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
Ech
oin
ten
sitä
t zu
r S
end
ein
tens
ität
I Ech
o/I 0
[-]
0
0.25
0.5
0.75
1
Was
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[m
]
0 90 180 270 3600
2
4
6
8
10
Bre
ite I E
cho
(0,8
. I Ech
o)
[dig
its]
Referenz: H/(gT^2) = 8,1 10^-3Referenz: H/(gT^2) = 7,8 10^-3Referenz: H/(gT^2) = 4,8 10^-3Referenz: H/(gT^2) = 3,1 10^-3Referenz: H/(gT^2) = 2,6 10^-3Referenz: H/(gT^2) = 2,2 10^-3Referenz: H/(gT^2) = 2,0 10^-3Referenz: H/(gT^2) = 1,4 10^-3Referenz: H/(gT^2) = 0,3 10^-3Referenz: H/(gT^2) = 0,3 10^-3
Charakteristika desRadar-Rückstreusignals(1,5‘‘-Antenne, h = 2,5 m)
bei regelmäßigem Seegangunterschiedlicher Wellensteilheiten
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gang
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Rad
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8. Seminar
Einfluß der Wasserspiegelrauhigkeit auf die Seegangsmessung
land reclamationfield tidalflatsum merpold ersummerdike mean high water
GlatteWasseroberfläche
RauheWasseroberfläche
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Rad
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8. Seminar
Einfluß der Wasserspiegelrauhigkeit auf die Seegangsmessung
land reclamationfield tidalflatsum merpold ersummerdike mean high water
Gla
tte
Was
sero
ber
fläc
he
Rau
he
Was
sero
ber
fläc
he
H = 0,15 m T = 5 s d = 0,80 m H = 0,30 m T = 4 s d = 0,80 m
4‘‘-A
nten
ne(h
= 2
,5 m
)
Stephan MaiSee
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8. Seminar
Radarmessung bei Wellenbrechen
land reclamationfield tidalflatsum merpold ersummerdike mean high water
Vega Puls42 - Prototyp
GWK-Drahtwellenpegel
0 5 10 15 20 25
Zeit [s]
VegaPulsGWK-WP
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
4,0
2,0
0,0
-2,0
-4,0
rel.
Ech
oin
ten
sitä
tI E
cho/I 0
[-]
Was
sers
pie
gel
lag
eη
[m]
Stephan MaiSee
gang
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Rad
ar
21
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8. Seminar
Einfluß der Polarisation auf die Seegangsmessung
Ausrichtung des Sensors
Quelle: Devine, 2001
Hohe Echo-intensität:
Reflektierendes Medium in Richtung des elektrischen Vektors
Geringe Echo-intensität:
Reflektierendes Medium lotrecht zum des elektrischen Vektors
Stephan MaiSee
gang
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Rad
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8. Seminar
Einfluß der Polarisation auf die Seegangsmessung
Antenne: regelmäßiger SeegangDurchmesser: 4‘‘ Wellenhöhe: H = 0,3 mHöhe: 2,5 m Wellenperiode: T = 4,0 s
Wassertiefe: d = 0,8 mSteilheit (·2π): H / (gT²) = 2·10-4
a) Rad a rse nso r q uer zur We llen fo rtsc hr itts richtun g
4
21020
Tg
H −⋅=
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Zeit [s]
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
La
ufz
eit
[ms
]
b) Radarsensor in We llenfo rtschr it ts richtung
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Zeit [s]
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
La
ufz
eit
[ms
]
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
Inten sität[dB]
Stephan MaiSee
gang
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Rad
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8. Seminar
Einfluß der Installationshöhe des Radars
Untersuchungen in WKS und GWK
WKS: Variation der Einbauhöhe desMeßgeräteträgers
GWK: Variation des Kanalwasserstands
Stephan MaiSee
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Rad
ar
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8. Seminar
Einfluß der Installationshöhe des Radars
0 0.005 0.01 0.015
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0 0.005 0.01 0.01
0.2
0.4
0.6
0.8
1
d = 1,50 md = 2,00 md = 2,50 md = 3,00 md = 3,50 m
Steilheit H/(g T²) [-] Steilheit H/(g T²) [-]
Kre
uzko
rrel
atio
nsko
effiz
ient
r²
[-]
rms-
Feh
ler
∆η[m
]VegaPuls 42
Prototyp
Stephan MaiSee
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Rad
ar
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8. Seminar
Optimierung der Antennengeometrie
Antennentypen im Einsatz
1,5`` Antenne 4`` Antenne 6`` Antenne
Stephan MaiSee
gang
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mit
Rad
ar
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8. Seminar
Optimierung der Antennengeometrie
Rückstreusignal bei verschiedenen Antennendurchmessern(glatte Wasseroberfläche, kein Seegang)
1,5`` Antenne 4`` Antenne 6`` Antenne
Stephan MaiSee
gang
smes
sung
mit
Rad
ar
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Univ. Prof. Dr.-Ing. Claus Zimmermann
8. Seminar
10 11 13 1 4 15 16 1 70 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2
Zeit [s]
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
Lau
fzei
t[m
s]
Optimierung der Antennengeometrie
1,5‘‘-Antenne 4‘‘-Antenne
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 1 12 1 3 14 15 16 17
Zeit [s]
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
Lau
fzei
t[m
s]
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
Intensität[dB]
Stephan MaiSee
gang
smes
sung
mit
Rad
ar
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8. Seminar
Optimierung der Antennengeometrie
0 90 180 270 360Wellenphase [°]
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
Ech
oin
tens
ität
zur
Sen
dein
tens
ität
I Ech
o/I 0
[-]
0
0.25
0.5
0.75
1
Was
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nku
ng η
[m
]
0 90 180 270 3600
2
4
6
8
10B
reite
I Ech
o (0
,8. I E
cho)
[dig
its]
0 90 180 270 360Wellenphase [°]
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
Ech
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ten
sitä
t zu
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end
ein
ten
sitä
tI E
cho
/I 0 [
-]
0
0.25
0.5
0.75
1
Was
sers
pie
gela
usle
nku
ng η
[m
]
0 90 180 270 3600
2
4
6
8
10
Bre
ite I E
cho
(0,8
. I Ech
o)
[dig
its]
Referenz: H/(gT^2) = 8,1 10^-3Referenz: H/(gT^2) = 7,8 10^-3Referenz: H/(gT^2) = 4,8 10^-3Referenz: H/(gT^2) = 3,1 10^-3Referenz: H/(gT^2) = 2,6 10^-3Referenz: H/(gT^2) = 2,2 10^-3
Referenz: H/(gT^2) = 2,2 10^-3Referenz: H/(gT^2) = 2,0 10^-3Referenz: H/(gT^2) = 1,4 10^-3Referenz: H/(gT^2) = 0,3 10^-3Referenz: H/(gT^2) = 0,3 10^-3
1,5‘‘-Antenne 4‘‘-Antenne
Wel
len
-st
eilh
eit
H/(
g T
²)
Stephan MaiSee
gang
smes
sung
mit
Rad
ar
29
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8. Seminar
Optimierung des Auswertungsalgorithmus
max dI/dt
∆ I = const
∆ I = a.Imax
= var
Sch
wer
pu
nkt
des
Rü
ckst
reu
pu
lses
Max
imal
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teig
un
g d
esR
ück
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up
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es
Sch
wel
lwer
t f
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Rü
ckst
reu
sig
nal
3 d
B u
nte
rR
ück
stre
u-
max
imu
m
80 %
des
Rü
ckst
reu
-m
axim
um
Algorithmen zur Ermittlung der
maßgebenden Laufzeit
Stephan MaiSee
gang
smes
sung
mit
Rad
ar
30
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8. Seminar
Optimierung des Auswertungsalgorithmus
0 0.005 0.01 0.015
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
max dI/dt
0 0.005 0.01 0.015
0.65
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1
Var. 1: Schwerpunktanalyse
Var. 10: Imax - dI; dI = 0,30
Var. 2: max dI/dt
Var. 3: I=a Imax; a = 0,60
Var. 4: I=a Imax; a = 0,80
Var. 5: I=a Imax; a = 0,90
Var. 6: I=a Imax; a = 0,95
Kreuzkoeffizient
Steilheit H/(g T²) [-]Steilheit H/(g T²) [-]
Kre
uzko
rrel
atio
nsko
effiz
ient
r²
[-]
rms-
Feh
ler
∆η[m
]
MaximaleSteigung
Schwerpunkt
∆ I = const
Schwellwert unter Rückstreumaximum
∆ I = a.Imax
= var
Anteil des Rück-streumaximums
Stephan MaiSee
gang
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sung
mit
Rad
ar
31
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8. Seminar
Versuchsaufbau am Pegel Borkum-Südstrand
land reclamationfield tidalflatsum merpold ersummerdike mean high water
MTS-Pegel
Stephan MaiSee
gang
smes
sung
mit
Rad
ar
32
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Univ. Prof. Dr.-Ing. Claus Zimmermann
8. Seminar
Langzeit-Seegangsmessungen
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1300 1320 1340 1360 1380 1400 1420 1440 1460 1480 1500Zeit seit 01.09.2002 t [h]
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Universität Hannover Franzius-Institut für Wasserbau und Küsteningenieurwesen
Univ. Prof. Dr.-Ing. Claus Zimmermann
8. Seminar
Zusammenfassung
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Weitere Informationen im Internet unter:
www.bafg.de/html/aufgaben/fachbe/m4/projekte/Radar/smrstart.html
Veröffentlichungen zum Thema:
www.uni-bremen.de/~smai/radar
Vielen Dank an das WSA Emden
für die Unterstützung der Seegangsmessungen bei Borkumund an das FZK Hannover
für die Unterstützung bei der Durchführung der Versuche im GWK
