Radar ist ein aktives Sende- und Empfangsverfahren im Mikrowellen-GHz-Bereich und dient zur kontaktlosen Erkennung, Beobachtung und Lokalisierung eines oder mehrerer Objekte mithilfe elektromagnetischer Wellen. Ein Radarsensor sendet dabei ein Signal aus, welches Objekte auf der Richtlinie des Radars zurück reflektieren. Die auf diese Weise erhaltene Information arbeitet dann eine Signalverarbeitungseinheit auf.

Je nach Modulation und Antennendesign misst Radar verschiedene Parameter von Objekten. Radarexperten sprechen hierbei auch von Dimensionen. Mit den ermittelten Objektinformationen wie Entfernung oder Geschwindigkeit lassen sich Objekte in verschiedenen Dimensionen darstellen. Diese mehrdimensionale Detektion lässt sich aufgrund der aktuell erfassbaren Objektmerkmale in vier Stufen der Radarauflösung einteilen.

Was ist die Radarauflösung?

Der Begriff „Radarauflösung“ (auch Trennungsvermögen genannt) beschreibt die Fähigkeit eines Radars, nah beieinander befindliche Ziele klar voneinander zu trennen. Wenn zwei Objekte sich nur geringfügig bei den ermittelnden Messwerten (wie z. B. beide Gegenstände haben nur einen geringen Abstand) unterscheiden, besteht die Gefahr, dass sie zu einem Objekt verschmelzen. Für einige Anwendungen wie die Sicherheitsüberwachung, autonome Navigation oder Robotik ist es jedoch sehr wichtig, jedes Ziel einzeln zu erkennen. Hier ist die Anforderung an das Auflösungsvermögen hoch, um Objekte in direkter Nähe zueinander zuverlässig zu trennen.

Anmerkung: Die Auflösung eines Radars gibt keine Auskunft über die Messgenauigkeit. Die Genauigkeit der Messergebnisse hängt von anderen Parametern wie die Methode der Signalverarbeitung, Frame-Rate (Beobachtungszeit), Bandbreite und Frequenz ab.

Radarexperten verwenden im Zusammenhang mit der Radarauflösung und Objekttrennbarkeit häufig den verwandten Begriff „Multi-Target-Fähigkeit“. Dies beschreibt die Fähigkeit eines Radars, mehrere Ziele gleichzeitig klar zu erkennen und zu unterscheiden.

Grundlegend ist die Radarauflösung in zwei Arten zu unterteilen:

Die Entfernungs- und Winkelauflösung.

Die radiale Auflösung…

… beschreibt das Auflösungsvermögen über die Distanz. Die Ausprägung der Entfernungsauflösung ist bestimmt durch die Bandbreite des Übertragungssignals. Ausschlaggebend ist nicht die gewählte Frequenzbandbreite des Radarsenders (z. B. 24 GHz-Band), sondern die darin verfügbare Bandbreite (z. B. 250 MHz). Denn dieser definiert den kleinsten messbaren Abstand.

Faktoren wie die Sendeimpulsdauer, die Geschwindigkeit und die zurückgelegte Strecke des Signals beeinflussen die Entfernungsauflösung. Je größer die tatsächlich verwendete absolute Bandbreite des Radarsensors ist, desto kürzer ist der Übertragungsimpuls und desto besser ist die Qualität der Auflösung.

Bei der radialen Auflösung trennt das Radar die Objekte anhand des Entfernungsunterschieds. Objekte, die im gleichen Seiten- und Höhenwinkel zum Radar positioniert sind, hält das Radar über die Abstandserkennung zuverlässig auseinander. Eine Lokalisierung ist jedoch nicht allein mit der Entfernungsauflösung möglich.

Die Winkelauflösung…

… beschreibt das Auflösungsvermögen mittels der Winkelbestimmung. Das Radar trennt die Ziele basierend auf der Information, in welchem ​​Winkel sich die Objekte zum Radar befinden.

Eine wichtige Information, insbesondere wenn die Ziele die gleiche Entfernung zum Radargerät haben. Das Winkelabstandsverhältnis zwischen zwei Objekte ist notwendig, um diese dennoch klar voneinander zu unterscheiden. Neben der Messung des Seitenwinkels (Azimuth-Auflösung) kann Radar auch die Auflösung im Höhenwinkel (Elevation-Auflösung) ermitteln. Andere geläufige Begriffe für die Angabe dieser Werte sind „horizontal“ für Azimut- und „vertikal“ für Elevationswinkel.

Bei der Winkelauflösung ist die Gestaltung des Öffnungswinkels (Field of View) der Antenne wichtig. Wie gut die Winkelbestimmung ist, beeinflusst die Anzahl und das Design der Antennen. Um eine hohe Auflösung zu erreichen, verwendet die Radartechnologie die MIMO-Technologie.

Der Begriff „MIMO“ setzt sich aus Multiple Input (Mehrfacheingang) – Multiple Output (Mehrfachausgang) zusammen und beschreibt eine Methode der Kombination mehrerer Sende- und Empfangsantennen. Die bestimmte Anordnung mehrerer Antennen ermöglicht es den Erfassungsbereich in einzelne, virtuelle Segmente zu unterteilen.

Dadurch entsteht ein imaginäres Feld, das in Entfernung und Winkel (Horizont, vertikal) unterteilt ist und sich über den Erfassungsbereich erstreckt.

Je mehr Antennen vorhanden sind, desto höher ist die Anzahl der Winkelelemente. Gleichermaßen gilt: Bei einer hohen Anzahl von Elementen, ist die Segmenteinteilung im Erfassungsbereich umso feiner. Dies verbessert die Multi-Target-Fähigkeit. Die einzelnen Objekte lassen sich zuverlässig über die engmaschigen Winkelelemente separieren und einer Position zuordnen. Mit dieser Radarmethode ist es möglich, Objekte in einem Raum zu lokalisieren.

Objekttrennung über verschiedene Messgrößen

Neben der Entfernungs- und Winkelinformation nutzen die Radarexperten auch andere Messgrößen, um nahe Objekte voneinander zu trennen.

Bei der Trennfähigkeit bezeichnet man die messbaren Parameter als Dimensionen und unterscheidet damit die Auflösungsfähigkeit eines Radars. Sie sind jedoch durch die Wahl der Radarmodulation (CW, FSK, FMCW, MIMO) vorherbestimmt. Nach aktuellem Stand der Technik stehen dem Markt bisher Radargeräte mit einer Trennfähigkeit über vier verschiedenen Messparametern, also eine vierdimensionale Auflösung, zu Verfügung. Die Sensoren nutzen hierfür die Messgrößen Geschwindigkeit, Entfernung und Winkelauflösung in Azimut und Elevation.

Übersicht der Radarauflösungen

Die Trennbarkeit der Radarsensoren lässt sich vereinfacht darstellen, indem man sie den unterschiedlichen Messdimensionen und dem Radartyp (Modulation zuordnet.

 

1D-Radar (CW)

Beim Dauerstrichradar (Continous-Wave) erfolgt die Trennung nur über einen Parameter, die Geschwindigkeit eines sich bewegenden Objekts.

Es ist daher nicht möglich, Objekte mit der gleichen Geschwindigkeit zuverlässig zu trennen. Da bei dieser Modulation keine Entfernungsinformationen bereitstehen, sind Angaben über die Objektposition (Lokalisierung) nicht möglich. Ein CW-Radar nutz den Doppler-Effekt, um Geschwindigkeitsmessungen ohne Kontakt durchzuführen. Diese Art von Radar ist für klassische Bewegungsmelder in Verwendung.

2D-Radar (FMCW)

Ein FMCW-Radar moduliert die Frequenz des Dauerstrichradars über die Zeit (frequenzmoduliertes Dauerstrichradar), um Entfernungsmessungen durchzuführen. Die Objekttrennung erfolgt durch die beiden Messdimensionen Geschwindigkeit und Distanz. Dies ermöglicht die Lokalisierung in einer eindimensionalen Umgebung. Das Radargerät unterscheidet jedoch nicht zwischen Objekten, die sich auf einer Linie befinden (gleicher Abstand zum Radargerät und gleiche Geschwindigkeit). Eine Einsatzmöglichkeit für diesen Radartyp ist die Geschwindigkeitsmessung von Fahrzeugen für digitale Verkehrszeichen.

3D-Radar (MIMO-FMCW)

In Kombination mit dem MIMO-Verfahren verfügt das FMCW-Radar über eine dreidimensionale Radarauflösung: Die erste Dimension trennt Objekte nach Geschwindigkeit, die zweite nach Entfernung und die dritte nach der Aufteilung in Winkelsegmente (MIMO-Winkelauflösung). Dies ermöglicht die Lokalisierung in einer zweidimensionalen Umgebung. Diese Systeme sind ideal für die Sicherheitsüberwachung.

4D-Radar (MIMO-FMCW)

Der technologische Fortschritt bietet jetzt eine weitere Dimension der Auflösung. Die Separierung von Objekten erfolgt anhand vier Parametern: Geschwindigkeit, Entfernung und die horizontale und vertikale Winkelauflösung. Objekte erfasst das Radar in einer zweidimensionalen Umgebung. Diese Radarsysteme übernehmen komplexe Aufgaben wie die Verkehrserkennung an Kreuzungen.

Weiterentwicklung der Radarauflösung

Heute sind zunehmend Sensorlösungen gefragt, die uns im Alltag unterstützen.  Gerade das autonome Fahren benötigt fortschrittliche Sensorik und ist ein großes Anwendungsfeld. Auch im Bereich Sicherheitstechnik wächst der Markt. Die Industrie sucht nach höchst zuverlässigen und präzisen Geräten. Denn Messfehler haben in diesen Anwendungen meist verheerende Folgen.

Daher arbeiten Radarexperten hart daran, die Auflösung weiterzuentwickeln. Hochauflösende Radare ermöglichen eine möglichst genaue und präzise Objekterfassung. Dies ist ein entscheidender Aspekt, um die Zuverlässigkeit der Radartechnologie zu verbessern. Ziel ist zudem durch die Weiterentwicklung möglichst kostengünstige und leicht zu integrierende Produkte zu generieren. Denn die Akzeptanz und die Einsatzmöglichkeiten der komplexen Technologie steigen mit zunehmender Genauigkeit und Anwenderfreundlichkeit.

Eine der größten Herausforderungen aktueller Radarlösungen ist die Signalverarbeitung. Denn je höher die Winkelauflösung, desto mehr Daten erfassen die Sensoren und müssen anschließend ausgewertet werden. Die Verfügung stehende Rechenkapazität schränkt die Signalauswertung ein. Mit Hilfe neuer Methoden des Deep Learning wurden bereits erste Fortschritte erzielt, um im Low-Cost-Bereich eine hohe Auflösung zu erreichen.

Titelbild Quelle: © alotofpeople 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.