Als funkbasiertes Ortungsverfahren ermöglicht Radartechnologie unter anderem die Bestimmung von Entfernungen. Dabei misst sie den Abstand zwischen Radarantenne und Zielobjekt. Die Radarabstandsmessung ist für viele verschiedene Anwendungen im Einsatz. Aber auch andere Sensortechnologien können zuverlässig Entfernungen messen. Radartechnik bietet dem Nutzer im Vergleich zu anderen Messverfahren Vorteile aufgrund der Unempfindlichkeit gegenüber Wetter- oder Lichtbedingungen. Sie arbeitet zuverlässig auch in extremer Umgebung, wo Hitze, Kälte, Lärm oder Verschmutzung andere Technologien an ihre Grenzen bringen. Zudem liefert Radar weitere Informationen, die dazu beitragen Objekte genau zu lokalisieren. So kommt die Technik meist bei komplexeren Messaufgaben wie dem Kollisionsschutz zum Zuge.

Wie Radarsysteme Entfernungen messen

Um herauszufinden, wie weit ein Objekt von der Radarantenne entfernt ist, muss das System über bestimmte technische Eigenschaften verfügen und Berechnungen durchführen.

Hierfür senden Radargeräte kurze Impulse bestehend aus elektromagnetischen Wellen aus, um den Erfassungsbereich auf Objekte zu scannen. Sie verlaufen entsprechend der Richtwirkung der Antenne gebündelt in eine bestimmte Richtung. Trifft der Sendeimpuls im Verlauf seiner Ausbreitung auf ein Objekt, reflektiert es ein Teil der Energie des Signals zurück zum Radar. Durch die Veränderung des Impulses lassen sich nun verschiedene Informationen über das Objekt ableiten und berechnen.

Die Entfernung eines Objekts ergibt sich aus der benötigten Zeit vom Start des Sendeimpulses bis zum Erhalt des Antwortsignals (Laufzeit) und der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Radarwellen. Wie schnell sich der Impuls im freien Raum bewegt, ist eine bekannte und gleichbleibende Größe – die Lichtgeschwindigkeit.

Eine einfache Berechnung der Distanz von Antenne zu einem Objekt ist: Die Entfernung R ergibt sich aus dem Produkt der Lichtgeschwindigkeit C₀ multipliziert mit der gemessenen Laufzeit t geteilt durch die Zahl 2 (Hin- und Rückweg). Diese Formel ist besonders für Pulsradargeräte einfach nachvollziehbar. Diese senden einzelne Impulse gezielt aus und warten auf das Echo. Eine Entfernungsmessung ist jedoch auch mittels Frequenzmodulation möglich, wie es für industrielle und Automotive Anwendungen üblich ist.

In der Praxis müssen Radarsysteme bei der Entfernungsermittlung viele Einflussfaktoren aus der Umwelt sowie bestimmte physikalische Effekte berücksichtigen. Sind sie bekannt wie beispielsweise der Dopplereffekt, fließen sie in die Berechnung mit ein, um ein bereinigtes und möglichst genaues Ergebnis zu erzielen.

Abstandsermittlung bedingt durch die Frequenzmodulation

Um Informationen über ein zu detektierendes Objekt zu ermitteln, muss eine Verbindung zwischen Sende- und Empfangssignal herstellbar sein. Dies bedeutet, das Radarsystem kann den gesendeten Impuls auch der dazugehörigen Reflektion, also der erhaltene Antwortimpuls, zuordnen. Bei Dauerstrichradaren, die kontinuierlich Signale senden, gelingt dies nur mit Modulation.

Hierfür ist eine gezielte Variation des Sendesignals notwendig. Dabei ist es möglich, entweder die Amplitude – der größte Ausschlag der Schwingung – (AM), die Phase (PM) oder die Frequenz (FM) zu modulieren.

Die Frequenzmodulation hat sich aufgrund der besseren Eignung für Anwendungen und der geringeren Störanfälligkeit als bevorzugte Variante am Markt durchgesetzt. Um die Frequenz zu modulieren, greifen die Radarentwickler auf einen elektronisch abstimmbaren Oszillator (VCO) zurück.

Auf diese Weise verschiebt sich durch die Laufzeit die Frequenz des Empfangssignals und hebt sich von dem Sendesignal ab. Im Fall der linearen Frequenzmodulation verhält sich dieser Versatz proportional zum Abstand und der Laufzeit der Welle und ist somit berechenbar. (Berechnung siehe FMCW Radar).

Welche Radare sind für die Entfernungsmessung geeignet?

Dauerstrichradare lassen sich anhand des verwendeten Modulationsverfahren unterscheiden: Das unmodulierte CW-Radar (Continuous Wave), das FSK-Radar (Frequency Shift Keying) und das modulierte FMCW-Radar (Frequency-Modulated continuous wave Radar).

Bei dem CW-Verfahren findet keine Modulation statt. So ist eine Entfernungsmessung unmöglich. CW-Radare detektieren jedoch die Präsenz, die Geschwindigkeit und die Bewegungsrichtung von bewegten Objekten und sind deswegen häufig für die Tempo-Ermittlung im Verkehr im Einsatz.

Das FSK-Verfahren ändert seine Frequenz nicht kontinuierlich sondern springt zwischen zwei Werten hin und her. Das FSK-Radar vergleicht die Phasen zwischen den beiden Zuständen, um auf die Entfernung eines Objekts schließen zu können. Das Modulationsverfahren eignet sich nur zur Messung von Entfernungen für bewegte Objekte. Dies kann je nach Anwendungsfall ein Vorteil sein.

Das FMCW-Verfahren nutzt in der Regel eine dreiecksförmige oder sägezahnförmige Modulation der Frequenz. Es ermöglicht die Messung von Entfernungen von stationären und bewegten Objekten. Gleichzeitig kann eine Geschwindigkeitsdetektion erfolgen. Bei entsprechendem Antennenkonzept liefern FMCW-Radare außerdem die Winkelablage der Objekte. Die Berechnung der Distanz erfolgt unter Berücksichtigung der Frequenzbandbreite (Hub) und der gemessenen Frequenzdifferenz.

Die Berechnung der Entfernung ist bei linear frequenzmodulierten Radargeräten mit folgender Formel umsetzbar:

Die Entfernungsauflösung

Soll ein Radarsystem mehrere Objekte detektieren und als einzelne Ziele identifizieren, kommt das Auflösungsvermögen ins Spiel. Dieses definiert, wie gut und über welche Parameter ein Radargerät einzelne Objekte, die sich nebeneinander oder hintereinander befinden, voneinander trennen kann.

Die Entfernungsauslösung eines Radars ist abhängig von der genutzten Frequenzbandbreite (Modulationshub). Sie berechnet sich aus der Ausbreitungsgeschwindigkeit und der verfügbaren Bandbreite: ΔR=c₀/(2 Δf)

Mit der Wahl eines bestimmten Frequenzbands sind die verfügbare Bandbreite und die Wellenfrequenz (Ausbreitung) bereits festgelegt. Die Nutzung der Frequenz für Radaranwendungen ist streng reguliert. Mehr darüber erfahren Sie in unserem Blog.

Um zwei Objekte zuverlässig zu trennen, die sich unmittelbar nebeneinander befinden, verwenden die Radargeräte noch weitere Messinformationen wie z. B. die Geschwindigkeit oder die Winkelposition. Mehr dazu in unserem Blogartikel über die Radarauflösung.

Präzise Entfernungsmessung

Wie exakt die Entfernung sich berechnen lässt, ist durch die Messgenauigkeit bestimmt. Sie sagt aus, wie groß das kleinste messbare Abstandsinkrement bei der Entfernungsdetektion ist. In der Praxis bedeutet dies zum Beispiel, auf wie viele Millimeter genau die Entfernung eines Objekts messbar ist.

Die Genauigkeit ist neben der Bandbreite auch von der Signalqualität (Signal/Rausch-Verhältnis) und der Messzeit abhängig. Mehr dazu erfahren Sie hier.

Die Messgenauigkeit ist auch abhängig von der Entfernung. Je größer der Abstand, umso ungenauer ist das Ergebnis. Um dennoch valide Messdaten zu erhalten, optimieren Radarentwickler beispielsweise die Messzeit sowie die Signalqualität und integrieren verschiedene Filter bei der Signalverarbeitung.

Zudem kann sich die Angabe von Referenzpunkten zur Kalibrierung (nachträglich über Software) bei hochgenauen Messungen positiv auf die Messgenauigkeit auswirken.

Weitere Einflussfaktoren der Entfernungsdetektion

Der Detektionsbereich ist entscheidend durch das Antennendesign und die Richtwirkung des Radarstrahls bestimmt. Liegt der Fokus des Radargeräts alleinig auf die hochpräzise Entfernungsmessung, empfiehlt sich eine starke Bündelung der Wellenausbreitung für einen schmalen Beam mit hoher Genauigkeit und Auflösung.

Die Empfindlichkeit des Radars wirkt sich auch auf die Entfernungsmessung aus. Je sensibler das System, desto besser lassen sich Objekte mit geringem Radar-Rückstreuquerschnitt (RCS = Radar Cross Section) erfassen. Sie sind aufgrund des sehr schwachen Antwortsignals mit zunehmender Distanz zum Radar schwerer zu detektieren.

Eine weitere Herausforderung bei der Entfernungsmessung entsteht bei digitalen FMCW-Radaren. Hier kann es aufgrund des Abtasttheorems zu Mehrdeutigkeiten und Überreichweiten kommen. Die erhaltene Information ist nicht mehr eindeutig einem bestimmten Ziel zuzuordnen. Zu umgehen ist dies nur mit Mehraufwand bei der Modulation. Das verursacht einen höheren Rechenaufwand für die Korrektur der Entfernungsmessung.

Im Praxiseinsatz kommen zudem viele Aspekte aus der Umwelt hinzu, die die Entfernungsdetektion erschweren können. Mehrfachreflexionen und nichtlineare Effekte (z.B. entstehen bei starken Reflexionen Geisterziele) erfasst das Radargerät ebenfalls. Sie müssen aufwändig durch Tracking-Algorithmen identifiziert und eliminiert werden.

Weitere Störfaktoren sind beispielsweise wetter- und situationsbedingt: Regen, Windbewegungen aber auch Tiere können bei der Entfernungsmessung eines bestimmten Ziels Ablenkungen darstellen. Mit cleveren Filterfunktionen und Signalverarbeitung ist es möglich, die Messergebnisse zu bereinigen und die Radarsysteme entsprechend der Anwendung zu konfigurieren. Aufgrund dieser Weiterentwicklung gelten moderne und fortschrittliche Radargeräte für die Entfernungsmessung als extrem robust, zuverlässig und präzise.

Vorteile der Abstandsmessung mit Radar

Um Entfernungen zu messen, haben sich viele Sensortechnologien bewährt. Radar spielt seine Vorzüge in schwieriger Messumgebung aus. Die Technik kommt zunehmend in der Füllstandsmessung zum Einsatz. Hier herrschen häufig extreme Temperaturen und Verschmutzung, Lärm, Schaumbildung, Dunst oder Staub erschweren die Signalauswertung bei Messsystemen.

Ein weiterer Vorteil der Radar-Technologie ist, dass sie mehrere Objektinformationen erfassen kann (Präsenz, Abstand, Geschwindigkeit, Ablagewinkel, Signalamplitude). Je mehr Objektdaten zu Verfügung stehen, desto gezielter kann eine Messung erfolgen. Denn so ist es möglich, nur bestimmte Objekte bei der Messung zu fokussieren. Beispielsweise soll das Radar nur Ziele mit einer gewissen Geschwindigkeit oder einem bestimmten RCS erfassen.

Zudem ist der Erfassungsbereich optimal auf die spätere Anwendung anpassbar: Für den Kollisionsschutz ist eine breite Umfelderkennung notwendig. Bei der Füllstandsmessung sind meist schmale Bereiche in einem Silo zu scannen.

Die Entfernungsinformation kann aber auch für andere Industriezweige wie die Sicherheitstechnologie sehr wichtig sein. Hier ist darüber unter anderem die Reichweite eines Sensors vom Anwender anpassbar, um bei der Bewegungsdetektion irrelevante Ziele außerhalb des eigenen Grundstücks auszublenden. Mehr dazu hier.

Einen Schritt voraus

In den letzten Jahren erzielten Radarentwicklung einen innovativen Fortschritt in der Entfernungsmessung mit Radartechnik. Nicht nur die aktuelle Entfernung und Position eines Objekts, sondern auch die voraussichtlich nächste Koordinate ist berechenbar. Dadurch lässt sich der bevorstehende Entfernungswert und Position eines Ziels vorhersagen. Hierfür beobachtet das Radarsystem ein Objekt über eine längere Zeit hinweg (Radar Tracking) und macht sich die Trägheit zunutze. Nach dieser Regel bleibt ein Objekt zunächst stehen, bevor es die Richtung wechselt, und springt nicht plötzlich beliebig irgendwo hin. Aus der Bewegungshistorie leitet die Software-Signalverarbeitung mittels spezieller mathematischer Algorithmen dann den wahrscheinlichsten nächsten Entfernungspunkt.

InnoSenT entwickelt seit vielen Jahren bereits Radarsysteme zur Abstandsmessung. Produkte wie das Radarsystem iSYS-6030 dienen dabei für Anwendungen wie Füllstandsdetektion oder dem Kollisionsschutz. Aber auch im Automotive Bereich ist die Entfernungsinformation eine wichtige Funktion für Fahrerassistenzsysteme. Zudem ist sie für hochfunktionale Systeme im Bereich Sicherheitssysteme unabdinglich, um Ziele zu lokalisieren. Weitere Informationen finden Sie hier.

Titelbild Quelle: © anttoniart by adobestock.com

Informationen zur fortschrittlichen Sensortechnologie

Die Nachfrage nach Sensoren steigt aufgrund Trends wie Digitalisierung, Automatisierung in der Industrie & Logistik, Smart Home & City und das autonome Fahren. Doch die Entwicklung und Integration von Radargeräten ist ein komplexes Thema. Die Fachbegriffe und Funktionen werfen für Anwender viele Fragen auf. Unsere Radarexperten haben für Sie umfangreiche Informationen bereitgestellt, um Ihnen den Einstieg in die Welt des Radars zu erleichtern.