Ein fortschrittliches Radarverfahren für räumliche Auflösung.

Auf der Suche nach einer passenden Radarlösung stolpern viele über den Begriff „MIMO-Radar“. Der MIMO-Antennenaufbau ist eine jüngste Weiterentwicklung in der Radartechnologie und ist insbesondere bei komplexeren Radaranwendungen beliebt. Dieser basiert auf den Kenntnissen von Phased Array Antennen, die auch als SIMO-Radar bekannt ist. Die MIMO-Technik bietet eine bessere räumliche Auflösung. Welche Besonderheiten das fortschrittliche Radarverfahren aufweist und wie es funktioniert erfahren Sie in diesem Beitrag.

Was ist MIMO?

Der Begriff MIMO steht für Multiple Input multiple Output. Das Radarverfahren beschreibt die Anordnung vieler Antennen. Bei dieser Art von Gruppenantennen sind mehrere Sende- und Empfangsantennen kombiniert. Hierdurch verbessert sich die Winkelauflösung deutlich. Die Besonderheit ist, dass für jedes Sendemodul auch ein entsprechendes Empfangsmodul vorhanden ist.

Und jede Sendeantenne ist mit einem eigenen Wellenform-Generator ausgestattet, um individuelle Signale auszusenden. So ist ein erhaltenes Antwortsignal einer bestimmten Sendeantenne (der Quelle) zuordenbar. Auf diese Weise lassen sich genauere Aussagen über die Position des Ziels treffen, da nicht nur die Information des Weges zwischen Objekt und Empfänger, sondern auch zwischen Sender und Objekt zu Verfügung steht. Die Systeme werten nun alle Kombinationen von Sende- und Empfangsantennen gezielt aus.

Wenn zusätzlich jedes einzelne Sendesignal anders ist (adaptive Wellenform), dann ist auch das einzelne Signal-zu-Rausch-Verhältnis optimierbar. Diese Funktion wirkt sich positiv auf die nachgelagerte Radarsignalverarbeitung aus, da die Datenqualität besser ist.

Auf einen Blick – Vorteile des MIMO-Antennenaufbaus:

• • Hohe räumliche Auflösung durch bessere Winkelauflösung
  • Geringere Anfälligkeit bei Störungen
  • Optimierung des Signal-Rausch-Verhältnisses
  • Bessere Lokalisierung und Entdeckung von Zielen

MIMO-Technik im Vergleich

 Andere Radare nutzen beispielsweise nur einen Sender und einen Empfänger.

Diese verfügen deswegen über keine Winkeltrennfähigkeit, da sie wegen der begrenzten Antennenzahl nur Aussagen über Geschwindigkeit und Entfernung eines Objekts treffen können. So ist auch die Anzahl der gleichzeitig detektierbaren Objekte begrenzt, da die Trennung der Ziele nur über maximal zwei Dimensionen erfolgt.

MIMO-Radare sind in der Lage mehrere Objekte gleichzeitig zu erkennen, auch wenn sie sich mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen und sich in derselben Distanz zur Antenne befinden. Sie trennen die Ziele zusätzlich über die Winkelinformation.

SIMO-Radare hingegen (Single Input multiple Output) oder auch Phased Array Antennen genannt sind ebenfalls Gruppenantennen. Sie geben die Impulse über eine zentrale Sendeantenne aus und erhalten die Reflexion über mehrere Empfänger.

Bei einem Sendemodul und beliebig vielen Empfängen ist wie bei MIMO eine hohe Auflösung erzielbar. Denn sie ist über die Zahl der Empfangsmodule beeinflussbar. Je mehr Empfänger hinzukommen, desto größer ist jedoch auch die Apertur und viele Nebenkeulen entstehen. An diesem Punkt setzt die MIMO-Technik an und wirkt der Problematik mit mehreren Sendeantennen entgegen.

Außerdem ist mehr Entwicklungsaufwand notwendig, da SIMO-Radare einen komplexen Aufbau wegen des notwendigen Phasenschiebers, Berechnungen und eine Ausdünnung des Antennenfelds benötigen. Dies ist weniger kosteneffizient.

Räumliche Auflösung bei MIMO-Radaren

 Die Auflösung entspricht der Trennfähigkeit eines Radars. Sie gibt an, wie gut Objekte voneinander zu trennen sind. Häufig wird die Auflösung mit der Messgenauigkeit verwechselt. Während diese jedoch sich auf die Qualität der Messung (Abweichungsrate, Messfehler) konzentriert, gibt die Trennfähigkeit an, wie gut ein Objekt im Raum zu lokalisieren ist.

Um nahe gelegene Ziele eindeutig auseinanderzuhalten und deren Position zu ermitteln, muss das Radar ein hohes Auflösungsvermögen besitzen. Dabei erfolgt die Objekttrennung über verschiedene Messdimensionen. Die Geschwindigkeit des Objekts, die Entfernung und die Winkelablage in Azimuth und Elevation des Ziels zur Antenne. Radare mit nur einem Sender und einer Antenne verfügen nur über eine Abstands- und Geschwindigkeitsauflösung. Während die Trennung über Geschwindigkeit abhängig von der Messzeit und der Modulation ist, ist die Trennfähigkeit von Objekten über die Distanz durch die verfügbare Bandbreite festgelegt.

MIMO Radare haben generell eine drei- oder vierdimensionale Auflösung. Denn sie trennen Objekte grundsätzlich über den Abstand und die Geschwindigkeit, aber auch zusätzlich über den Winkel. Denn die Winkelauflösung generiert sich durch die Kombination von mehreren Antennen.

Wie funktioniert die Winkelmessung mit MIMO-Radaren?

 Um die einfachste Art der Winkelmessung bei einem Objekt darzustellen sind 2 Empfänger nötig, die sich in einem optimalen Abstand von einer halben Wellenlänge befinden. Durch die Phasenverschiebung ergibt sich die Winkelinformation, da sich bei einem schrägen Auftreffen der Weg bis zur Antenne plötzlich verändert. Dieser Unterschied dient dem Radar, um die Winkelposition eines Objekts zu ermitteln.

Bei drei kombinierten Antennen sind bereits zwei Objekte gleichzeitig voneinander trennbar, da alle Kombinationen der Antennen Daten zur Auswertung ausgeben.

Je mehr Antennen zu Verfügung stehen, desto mehr Objekte kann das Radar trennen (Mehrzielfähigkeit).

Anwendungsbeispiele

Eine Herausforderung von MIMO-Radaren ist die Baugröße. Durch das Arrangement möglichst vieler Antennen fallen die Systeme generell größer aus. Doch mit der Möglichkeit der Nutzung von höheren Frequenzen können Antennendesigner hier gegensteuern, da die Antennen-Patches kleiner sind. Die Wellenlänge ist kleiner und der Abstand ist geringer. So steht bei höheren Frequenzen nicht nur eine größere Bandbreite zu Verfügung (und damit auch eine bessere Entfernungsauflösung), sondern die Radarsysteme bei 60 oder 77 GHz sind deutlich kleiner.

Doch nicht allein wegen der Frequenz sind viele MIMO-Radare für komplexere Anwendungen im Einsatz. Die hohe Auflösung bietet Vorteile für Einsatzbereiche mit herausfordernden Umgebungen, wie beispielsweise Industriehallen oder dem Straßenverkehr. Wenn viele Objekte voneinander zu trennen sind, wie beispielsweise Personenzählung, Tracking oder Lokalisierung in hochfrequentierten Räumen ist ohne die Nutzung der Technik kaum ein zufriedenstellendes Ergebnis erzielbar. So sind sie auch im Security-Bereich bei 24 GHz zu finden. Auch Infrastrukturen mit vielen statischen Objekten profitieren von der höheren Auflösung und der verbesserten Performance von MIMO-Radaren.

Titelbild Quelle: © kras99 by adobestock.com

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