Winkelreflektor (Radar)

Retroreflektor im Top einer Motoryacht

Retroreflexion am Winkelreflektor

Quasioptische Eigenschaften eines Winkelreflektors

phasengleiche Reflexion durch gleiche Streckenlängen a+b+c=a'+b'+c'

Winkelreflektoren sind meist als Radarreflektor eingesetzte Retroreflektoren für Mikrowellen.

Winkelreflektoren erzeugen für Radargeräte ein besonders starkes Echosignal (Radarecho) und somit ein sicheres Zielzeichen (engl. target) auf dem Radarschirm für Objekte, die ansonsten nur über eine sehr geringe effektive Reflexionsfläche verfügen. Sie bestehen im Grundelement aus zwei oder drei im Winkel von exakt 90° zueinander stehenden elektrisch leitenden Flächen. Aus diesem Grundelement werden verschiedene Formen von Winkelreflektoren konstruiert. Winkelreflektoren reflektieren Funkwellen und Mikrowellenstrahlung in genau die Richtung, aus der die Quellstrahlung erfolgt, ohne dass sie wie ein Spiegel senkrecht dazu ausgerichtet sein müssen (siehe Retroreflexion).

Wirkungsweise

Winkelreflektoren haben geometrische Ausmaße (Umfang^[1]) im Bereich von möglichst ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge der zurückzustrahlenden Frequenz. Wenn sich diese Ausmaße im Bereich der Wellenlänge der Strahlung befinden, dann wird die effektive Rückstrahlfläche wesentlich durch das Resonanzverhalten des Reflektors bestimmt. Der Winkelreflektor empfängt die eintreffende Strahlung und wirkt vergleichbar wie ein passives oder parasitäres Antennenelement zum Beispiel in einer Yagiantenne. Am Winkelreflektor treten dann hochfrequente Spannungen auf, welche wiederum die Ursache für den Winkelreflektor als Strahler sind. Der Winkelreflektor hat, wenn er in Resonanz ist, auch dann bereits eine wesentlich größere effektive Rückstrahlfläche, als seine geometrische Größe es erwarten lässt. Je größer die Ausmaße des Winkelreflektors im Verhältnis zur Wellenlänge werden, umso geringer wird dieser Einfluss der Resonanz (siehe Mie-Streuung). Ab etwa dem Zehnfachen der Wellenlänge wird der Einfluss der Resonanz vernachlässigbar klein. Ab diesem Ausmaßen liegt eine Retroreflexion nach rein optischen Gesetzen vor. Aus einem Winkelreflektor wird somit ein Rückstrahler:
Eintreffende elektromagnetische Wellen werden durch doppelte oder dreifache Reflexion in genau die Richtung zurückgeworfen, aus der sie kommen. Somit erlangen auch kleine Objekte mit geringer Reflexionsfläche eine starke Reflexion zurück in Richtung Strahlungsquelle, sie liefern ein sehr viel stärkeres Radar-Echo als andere reflektierende Körper und erscheinen auf dem Radarschirm wesentlich heller.

Die zweifache Reflexion an den elektrisch leitenden Platten geschieht phasensynchron, da die Strecken der einzelnen Phasen gleich sind (a+b+c = a'+b'+c'). Bei einem beliebigen Einfallswinkel wirkt der Winkelreflektor somit wie eine im rechten Winkel zur Einfallsrichtung stehende Platte. Diese Phasenkongruenz ist nur in der Richtung gegeben, aus der die Quellstrahlung erfolgt. Die wirksame Fläche entspricht optisch etwa der Projektion des Winkelreflektors auf die Ebene dieser Platte. Bei Annäherung der Wellenlänge der Quellstrahlung an die geometrischen Ausmaße des Winkelreflektors wird ähnlich wie bei der Mie-Streuung ein Resonanzverhalten veranlasst. Eine dreifache Reflexion wird mathematisch wie zwei zweifache Reflexionen betrachtet.

Winkelreflektoren mit zwei Flächen

Prinzip eines in einer Plastkugel schwimmenden (lagestabilisierten) Radarreflektors

Jede Reflexion von elektromagnetischen Wellen ist verlustbehaftet. Eine zweifache Reflexion hat gegenüber einer Dreifachreflexion energetische Vorteile. Unter anderem deshalb werden oft Winkelreflektoren aus zwei Flächen konstruiert und es ist vorteilhaft, kleinere Winkelreflektoren mit einer Lagestabilisierung auszustatten als alternativ dazu einen Winkelreflektor mit drei Flächen einzusetzen, der, um die gleiche effektive Reflexionsfläche zu erhalten, etwas größer sein muss, also auch eine größere Windlast hat.
Ein weiterer Vorteil ist, dass im Gegensatz zu einem Winkelreflektor mit drei Flächen bei einem Winkelreflektor aus zwei Flächen bei einer Anstrahlung direkt von vorn die gesamte Fläche an der Reflexion teilnimmt.
Nachteil ist, dass sie nur dann Energie wieder genau zum Ursprung zurückstrahlen, wenn die Unterkanten der Flächen auf einer horizontalen Ebene liegen. Zur theoretischen Berechnung der effektiven Reflexionsfläche eines Winkelreflektors mit zwei quadratischen Flächen gilt die Formel^{[2] [3] [4]}:^[5]

$\sigma = \frac{8\pi \cdot s^2 }{\lambda^2}$         (1)

σ = effektive Reflexionsfläche

s = Fläche einer Seite des Reflektors.

λ = Wellenlänge des aufklärenden Radargerätes

Bei der Anwendung der Formeln muss beachtet werden, dass, wenn der Winkelreflektor kleiner als die zehnfache Wellenlänge des abfragenden Radargerätes ist, durch lokale Resonanzen der praktische Wert der effektiven Reflexionsfläche um das bis zu vierfache vom theoretisch berechneten Wert sowohl nach oben als auch nach unten abweichen kann. Da die Frequenzen von häufig verwendeten Navigationsradargeräten bekannt sind (etwa 9,3 bis 10,5 GHz), haben sich in der Praxis Standardgrößen als ungefähres Vielfaches der verwendeten Wellenlängen durchgesetzt, die mit ihrer geometrischen Größe gerade so liegen, dass eine positive Abweichung vom theoretisch errechneten Wert zum Tragen kommt. Je größer ein Winkelreflektor ist, desto geringer ist der Einfluss der Resonanz. Ab der zehnfachen Wellenlänge ist dieser Einfluss vernachlässigbar klein.

Bei Anwendungen, in denen die elektromagnetischen Wellen nur innerhalb einer Ebene reflektiert werden müssen (wie zum Beispiel in der Seefahrt: nur parallel zur Wasseroberfläche), werden Winkelreflektoren mit nur zwei Flächen, die im Winkel von 90° zueinander angebracht sind, verwendet. Da diese Winkelreflektoren durch Wind, Strömung und Seegang nicht immer senkrecht zur Wasseroberfläche stehen, werden sie z. B. innerhalb einer Kugel aus isolierendem Material in einem Ölbad schwimmend gelagert. Ein am Fußpunkt angebrachtes Gewicht sorgt innerhalb der Kugel für eine stabile senkrechte Lage unabhängig vom Nicken und Rollen des Bootes. Dieser äußerlich kugelförmige Winkelreflektor kann somit am Mast wie ein Wimpel „gesetzt“ werden. Winkelreflektoren werden an kleineren Booten möglichst weit oben an einem Mast befestigt, um durch die Erdkrümmung verursachte Reichweitenverluste zu verringern.

Winkelreflektoren mit nur zwei Flächen werden auf einigen militärischen Flugplätzen verwendet. Hier stehen sie in zwei Reihen parallel zur Start- und Landebahn und bieten dem Bordradar eine gute Orientierung. Die Ebene, in welcher retroreflektiert wird, steht hier senkrecht auf der Erdoberfläche parallel zur Richtung der Start- und Landebahn. Die Flächen des Reflektors sind also so angebracht, wie es im Prinzipbild oben zu sehen ist. Ist das Flugzeug im korrekten Landeanflug, werden diese Winkelreflektoren für dessen RADAR sichtbar. Für andere Richtungen sind diese Reflektoren nahezu unwirksam, um den Flugplatz für RADAR-Aufklärung schwerer auffindbar zu machen.

Winkelreflektoren mit drei Flächen

triangularer Winkelreflektor als Ausschnitt eines Würfels

Aufbau eines Winkelreflektors, der unabhängig von seiner Orientierung retroreflektiert

Winkelreflektoren mit drei reflektierenden Flächen im Winkel von 90° zueinander werden dort eingesetzt, wo eine Retroreflexion in den dreidimensionalen Raum notwendig ist. Diese triangularen Reflektoren funktionieren wie das optische Analogon, der Tripelspiegel. Die maximale effektive Rückstrahlfläche des im nebenstehenden Bild gezeigten symmetrischen triangularen Winkelreflektors tritt in Richtung der Symmetrieachse auf, sie wird berechnet nach:

$\sigma = \frac{4\pi \cdot a^4}{3 \cdot \lambda^2}$         (2)

σ = effektive Rückstrahlfläche

a = Länge der sich berührenden Kanten der drei gleichschenkligen Dreiecke eines triangularen Winkelreflektors

λ = Wellenlänge des aufklärenden Radargerätes

Betrag und Phase der reflektierten Energie bleiben in den von Radargeräten verwendeten Frequenzen unabhängig vom Einstrahlwinkel relativ konstant bis in den Bereich, in welchem die reflektierte Wellenlänge in die Größenordnung der Abmessungen der Reflektorflächen kommt. Die Einzelflächen des Winkelreflektors sollten also groß gegenüber der Wellenlänge sein. Je größer ein Winkelreflektor ist, desto mehr Energie wird reflektiert.

Max. theor. Werte nach (2) für 10,5 GHz

Länge der Seitenkante	Länge der Hypotenuse	effektive Rückstrahlfläche
15 cm	21 cm	2,6 m²
18 cm	25 cm	5,4 m²
20 cm	28 cm	8,2 m²
21 cm	30 cm	10 m²

wirksame Fläche des Winkelreflektors mit drei Flächen

Wenn von diesem berechneten Winkelreflektor acht Stück so zusammengefügt werden, dass in jede Richtung zurückgestrahlt wird, dann sind dem beobachtenden Radargerät immer vier gleiche Winkelreflektoren mehr oder weniger effektiv zugewandt. Das Ergebnis der Formel ist dann also mit einem Faktor zu multiplizieren. Diese Bauart von Winkelreflektoren hat ein sehr kompliziertes Diagramm der Rückstrahlung, in welchem die jeweilige Größe der effektiven Reflexionsfläche in Abhängigkeit von der Richtung der eintreffenden Radarstrahlung eingetragen werden kann.

Vorteil des Winkelreflektors mit drei Flächen ist seine lageunabhängigere Funktion (er darf auch vertikal etwas geneigt sein) und die größere mechanische Stabilität. Diese Bauform wird daher eingesetzt, wenn sich die Winkel in zwei Richtungen ändern können. Nachteil ist, dass er bei gleicher effektiver Rückstrahlfläche größer als ein zweiflächiger Winkelreflektor gebaut werden muss, da die spitzen Enden des Winkelreflektors an der Reflexion in die Ursprungsrichtung nicht teilnehmen. An diesen Enden wird lageabhängig möglicherweise nur zweimal reflektiert, so dass diese Energie in eine andere Richtung gelenkt wird. Von der Gesamtfläche ist in Richtung Symmetrieachse ein gleichseitiges Sechseck wirksam. Manche Hersteller verzichten daher auf diese Ecken, so dass der Winkelreflektor eine polygone Form wie in diesem Bild erhält. Oft werden auch Bauformen aus Kreisflächen verwendet. Sie bieten einen guten Kompromiss zwischen Radarquerschnitt und Windlast. Sie sind oft in einer Plastekugel untergebracht, um sie vor Eisansatz zu schützen und die Windlast weiter zu senken.

Die höchste Rückreflexion bezogen auf die Seitenlänge besitzen Formen aus drei Quadraten (Würfel mit drei fehlenden Seiten), sie beträgt in Richtung der fehlenden Würfelecke:^[5] [3]

$\sigma = \frac{12\pi \cdot a^4}{\lambda^2}$

mit

σ = effektive Rückstrahlfläche

a = Seitenlänge der Quadratflächen

λ = Wellenlänge

Für die in der Binnenschifffahrt meist im I/J-Band arbeitenden Navigationsradargeräte mit einer Wellenlänge von etwa 3 bis 4 cm ist ein Winkelreflektor aus quadratischen Aluminiumplatten mit einer Kantenlänge von je 20 cm als RADAR-Ziel ausreichend.

Ein Winkelreflektor, der rundherum in alle Richtungen zurückstrahlt, besteht zeichnerisch aus 12 gleichschenkligen Dreiecken. Beim praktischen Bau (siehe Bauanleitung) wird von drei gleich großen quadratischen Blechen ausgegangen, von denen eines diagonal halbiert wird. Anschließend werden Einschnitte mit einer Schnittdicke gleich der Blechdicke in die Bleche eingefügt und die vier Teile ineinandergeschoben. Bei einer Kantenlänge der quadratischen Bleche von 0,3 m hat ein solcher Winkelreflektor im für die Sport- und Berufsschifffahrt üblichen X-Band (ca. 9,4 GHz)^[6] eine effektive Rückstrahlfläche von etwa 8 m² und damit etwa so viel wie ein einfaches Segelboot. Ein solcher Reflektor liefert ein auf Radargeräten auch bei großer Entfernung nicht zu übersehendes Zielzeichen auf dem Schirm. Zur Vermeidung von Verletzungsgefahr können die Ecken rundgeschliffen werden, ohne dass dieses den Radarquerschnitt wesentlich verschlechtert.

Winkelreflektoren mit vier Flächen

triangularer Winkelreflektor mit vier Flächen

Diese Bauart wird meist bei Bojen in der Schifffahrt verwendet. Es sind je nach Lage jedoch nur zwei oder drei Flächen wirksam. Bei waagerechter Lage ist ein Winkelreflektor mit nur zwei reflektierenden, senkrechten Flächen gegeben. Die waagerechten Flächen geben nicht nur mechanische Stabilität, sondern werden bei einer Neigung der Boje wirksam. Solange die Boje im ruhigen Wasser senkrecht steht, sind auch nur die beiden senkrechten Flächen wirksam. Erst wenn die Boje durch Wind, Strömung oder Seegang geneigt wird, dann wird dem beobachtenden Radar ein dreiflächiger Winkelreflektor präsentiert. Ist die Neigung nach vorn, dann wird die Bodenplatte als dritte Fläche wirksam, ist die Neigung nach hinten, dann die obere Platte.

Bei ruhiger See und exakter vertikaler Lage hat dieser Winkelreflektor die Reflexionsfläche eines Winkelreflektors mit zwei Flächen, bei einer Schräglage verringert sich die Reflexionsfläche auf den Wert eines Winkelreflektors mit drei Flächen.

Röhrenreflektor

Sonderformen

Aktive Radarreflektoren

In der Sportschiffahrt und bei Rettungskräften werden auch sogenannte "aktive Radarreflektoren" eingesetzt. Wird von deren Elektronik ein Radarimpuls aufgenommen, dann wird daraufhin ein starker Radarimpuls zurück gesendet. Dieser erscheint auf dem Radargerät als größeres "Echo" als das Schiff selbst. Zusätzlich zeigen die aktiven Radarreflektoren mit einem Licht oder einem Warnton an dass ein Radarimpuls empfangen wurde und weisen so auf andere Schiffe in der Nähe hin.

Röhrenreflektoren

Unter dem Namen „Radarreflektoren für Segelschiffe“ werden röhrenförmige Artikel vertrieben, in welchen mehrere kleinere Winkelreflektoren enthalten sind, die in ihren Ausmaßen so bemessen sind, dass sie genau die Wellenlänge des Navigationsradars treffen. Die Frequenz 10,5 GHz entspricht einer Wellenlänge von etwa 3 cm). Durch die nun auftretende Resonanz hat dieser Reflektor für diese eine Frequenz eine etwa vier Mal größere effektive Reflexionsfläche, als nach quasioptischen Gesetzmäßigkeiten zu erwarten wäre. Durch minimale Abweichungen der Längen der in der Röhre enthaltenen Reflektoren werden Resonanzen für verschiedene Frequenzen im J-Band erreicht, so dass in der Summe ein Bandpassverhalten für dieses Frequenzband erreicht wird. Diese Reflektoren sind ein Kompromiss zwischen möglichst großem Radarquerschnitt und möglichst geringem Windwiderstand. Sie werden an Segelbooten verwendet. Ihr Nachteil ist, dass sie nur in senkrechter Position effektiv sind. Deshalb ist es günstig, sie nur am oberen Ende zu befestigen beziehungsweise die untere Leine zu lockern, so dass sie auch bei einer Schräglage des Bootes senkrecht herabhängen können. Eventuell ist der Einsatz von zwei dieser Radarreflektoren (eines Steuerbord und eines Backbord) zu erwägen, wenn zum Beispiel das Segel ein senkrechtes Herabhängen verhindert. Laut Herstellerangaben haben sie bei einem Durchmesser von 3 cm und zehn Einzelreflektoren eine effektive Reflexionsfläche von mindestens 2 m².

Eine starre Befestigung wie in diesem Bild ist unbedingt zu vermeiden. Schon wenn das Boot Fahrt aufnimmt, hebt sich der Bug aus dem Wasser und das Boot nimmt eine Schräglage ein. Der Winkelreflektor verliert so schnell an Effektivität. Bei einer Abweichung von 5° von der senkrechten Lage kann er schon wirkungslos werden.

Lüneburg-Linsen

Lüneburg-Linsen können als Rundum-Radarreflektor gefertigt werden, sie tragen dann statt der rückseitigen Verspiegelung nur einen schmalen waagerechten Gürtel aus einer leitfähigen Schicht. Sie müssen beim Einsatz als Radarreflektor an Booten immer genau senkrecht hängen, sodass die waagerecht beidseitig des Gürtels in die Kugel eintretenden Funkwellen exakt auf den reflektierenden Metallstreifen auf der Rückseite gebündelt werden. Lüneburg-Linsen haben als Radarreflektor den Vorteil, dass ihr Rückstrahldiagramm rundum konstant ist und keine Minima oder Lücken aufweist, wie dies bei Winkelreflektoren der Fall ist. Nach diesem Prinzip werden zum Beispiel die Tri-Lens Radarreflektoren hergestellt.

Aufstellung von Radarreflektoren

Damit ein Radarreflektor seine theoretisch mögliche Wirksamkeit auch erreichen kann, müssen bestimmte Bedingungen für die Aufstellung des Radarreflektors berücksichtigt werden:

• Anbringung so hoch wie möglich, auf einem Segelschiff beispielsweise an der Mastspitze oder der obersten Saling. Hierdurch wird erreicht, dass das Segelschiff auch dann noch ein ausreichendes Radarecho reflektiert, wenn wesentliche Teile wie der Rumpf oder das Rigg bereits hinter dem Radarhorizont liegen.
• Feste Anbringung, indem der Radarreflektor beispielsweise so festgeschraubt wird, dass er nicht verrutschen oder sich drehen kann. Hierdurch wird vermieden, dass der Radarreflektor zu nichtstationären, sog. pumpenden, Echos führt, wie dies beispielsweise bei einer „fliegenden“ Befestigung an Fallen, dem Achterstag oder dem Toppnant der Fall wäre. Bei pumpenden Echos wird auf dem Radarschirm des Empfängers das reflektierte Signal abwechselnd dargestellt und nicht dargestellt. Raster-Scan-Anlagen für Radar der Sport- und Berufsschifffahrt unterdrücken unter Umständen jedoch derartige pumpende Echos, so dass das Segelschiff nicht wahrgenommen wird.^[7]
• Richtige Ausrichtung des Radarreflektors.

Für die richtige Ausrichtung des Radarreflektors muss beachtet werden, ob es sich um ein Objekt mit einer in alle Richtungen nahezu gleichen Rückstrahlfläche handelt, wie z. B. bei einem Motorschiff, oder ob bestimmte Richtungen bereits eine ausreichend gute Rückstrahlfläche aufweisen, wie z .B. bei einem Segelschiff. Bei einem Segelschiff führt bei seitlichem Auftreffen von Radarstrahlen das Rigg bzw. das stehende Gut bereits zu ausreichenden Reflexionen wohingegen dies voraus und achteraus nur unzureichend der Fall ist. In diesem Fall sollte also ein Radarreflektor bevorzugt nach voraus und achteraus reflektieren, das heißt eine besonders große effektive Rückstrahlfläche haben.

Ein Oktaeder-Radarreflektor mit acht triangularen Winkelreflektoren, den sogenannten cornern, kann grundsätzlich in drei verschiedenen Stellungen angebracht werden:

• der Viererstellung, bei der eine Spitze genau nach oben, eine Spitze genau nach unten ausgerichtet ist. Diese Stellung hat jedoch in horizontaler Richtung eine schlechte Rückstrahlcharakteristik, da effektiv nur vier Winkelreflektoren zur Rückstrahlung beitragen.
• die Sechserstellung, bei der ein Winkelreflektor genau nach oben und ein Winkelreflektor genau nach unten ausgerichtet ist, so dass diese Stellung auch als „Regenfangstellung“ bezeichnet wird. Diese Stellung hat horizontal eine in alle Richtungen nahezu gleich gute und ausgeglichene Rückstrahlcharakteristik. Sie eignet sich somit vor allem für Motorschiffe.
• die Yachtstellung, einer Sonderform der Sechserstellung, bei der ein Winkelreflektor genau nach vorne und ein Winkelreflektor genau nach hinten ausgerichtet ist. Diese Stellung hat eine sehr gute Rückstrahlung voraus und achteraus und weniger zu den Seiten, so dass sie sich vor allem für Segelschiffe eignet.

	Viererstellung	Sechserstellung	Yachtstellung
Anordnung
Rückstrahldiagramm (qualitativ)

Notbehelf

Wenn kein Radarreflektor an Bord ist und man bei seinem Törn durch dichten Nebel überrascht wird, kann als Notbehelf jedes großflächige Metallteil an den Mast gebunden werden. Zum Beispiel: wenn der größte Topf aus der Kombüse am Mast hochgezogen wird, dann erhöht das den sichtbaren Radarquerschnitt eines kleinen Bootes, führt aufgrund der „fliegenden“ Befestigung jedoch zu pumpenden Echos. Alternativ kann auch eine Metallfolie, oder eine metallisch beschichtete Folie (Rettungsfolie, etc.) verwendet werden.

Anwendung

Winkelreflektoren als Ziele für Radargeräte finden Anwendung:

• als Kalibrierstandard für eine Freiraumkalibrierung von Antennen (zum Beispiel in der Flugsicherung zur Richtungsüberprüfung eines Präzisionsanflugradar)
• als Navigationshilfen zur Markierung von Schifffahrtswegen in schwierigem Wasser (auf schwimmenden Seezeichen, an Brücken)
• zur Markierung der Start- und Landebahn auf Flugplätzen
• Radarreflektoren auf Wasserfahrzeugen zu deren besserer Erkennbarkeit durch Rundsichtradar anderer Schiffe und an Land
• zur Simulation eines großen Flugkörpers mittels sogenannter Scheinziele
• an einem Wetterballon zur Radarverfolgung und Messung von Windgeschwindigkeiten in großen Höhen.

Einzelnachweise

1. ↑ radartutorial.eu
2. ↑ Herleitung der Formeln auf radartutorial.eu
3. ↑ ^{a b} ussailing.org
4. ↑ aerospaceweb.org
5. ↑ ^{a b} microwaves101.com
6. ↑ Müller, Krauß: Handbuch für die Schiffsführung. Band 1C, 8. Auflage, Springer-Verlag, 1986, ISBN 3-540-13484-0, Seite 124
7. ↑ Egon Ohlrogge: Angewandte Radarkunde – Praxis für die Berufs- und Sportschiffahrt. Delius Klasing 2001, ISBN 3-88412-353-X

Bilder

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  Ein schwimmendes Seezeichen mit Winkelreflektoren und einem Seelöwen im Hafen von San Diego
   

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  schwimmendes Seezeichen mit vielen Winkelreflektoren im Hafen von Aurich

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  Winkelreflektoren neben der Start- und Landebahn als Landeanflughilfe für das Bordradar

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  Zylinderförmiger Winkelreflektor im Masttop des Bootes

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  Triangularer Winkel- reflektor im Masttop des Bootes

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  Winkelreflektor vor einem Brückenträger (Begrenzung der Schifffahrtsrinne), Rhein zwischen Augst und Rheinfelden

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  Ansteuerungstonne mit liegendem Winkelreflektor (rechts)

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  Triangularer Winkelreflektor mit etwa 3 Meter Kantenlänge