Was macht Radar zur Schlüsseltechnologie der Zukunft?

Radar steht für Radio Detection and Ranging. Ursprünglich diente die Radar-Technologie Anfang des 20. Jahrhunderts für die militärische Navigation und Ortung. Seitdem wurde sie für zivile Zwecke angepasst und wird aktuell im Automotive-Bereich sowie in vielen Bereichen der Industrie genutzt.

Was steckt hinter dem Prinzip der Radar-Technologie?

Ein Radarsensor sendet elektromagnetische Wellen aus, wobei sich die Frequenzbereiche von ca. 30 MHz bis etwa 300 GHz erstrecken, dem Radiofrequenzbereich.

Dabei nutzen Radarsysteme in der Regel Wellen in einem spezifischen Frequenzbereich, der in den höheren Frequenzen des Radiofrequenzspektrums liegt. Radiofrequenz-Wellen haben eine höhere Reichweite als z. B. sichtbares Licht oder Infrarot, da sie besser durch Regen, Nebel und Staub dringen. Die Generierung, Modulation und Verarbeitung von solchen Wellen ist gut etabliert und effizient. Außerdem können Radiofrequenzen je nach Anwendung angepasst werden, um Entfernungen, Geschwindigkeiten oder Objekteigenschaften zu messen.

Die Radio-Wellen breiten sich aus und durchdringen bestimmte Materialien wie Nebel, Staub oder Rauch, ohne dabei nennenswert abgeschwächt zu werden. Wenn die Radarwellen auf ein Objekt treffen, werden sie in verschiedenen Winkeln zurückgeworfen. Die Stärke und Richtung dieser Reflexion hängen von der Größe, Form und Beschaffenheit des Objekts ab.

Wie funktionieren die ToF-Verfahren im Radar konkret?

Ein Radarsensor nutzt die Laufzeitmessung als Messmethode. Hierbei gibt es das direkte Time-of-Flight- (dToF) und das indirekte Time-of-Flight-Verfahren (iToF). Beim dToF-Verfahren sendet das System eine Welle aus und erfasst die Zeit, die sie benötigt, um zu einem Objekt zu gelangen und zu einem Empfänger zurückzukehren (Bild 2). Die Entfernung ergibt sich aus der gemessenen Zeit und der Lichtgeschwindigkeit.

Radar nutzt dieses Verfahren allerding selten, da es bei den extrem hohen Geschwindigkeiten elektromagnetischer Wellen (nahe Lichtgeschwindigkeit) sehr feine Zeitauflösungen erfordert, was technisch aufwendiger ist. Deshalb kommt beim Radar in der Regel das indirekte Time-of-Flight-Verfahren (iToF) zum Einsatz (Bild 3): Ein Sender sendet Radiowellen aus, die an einem Objekt zu einem Empfänger zurück reflektiert werden. Das System misst die Phasenverschiebung zwischen dem ausgesendeten und dem reflektierten Strahl. Diese gibt an, wie lange das Licht unterwegs war und daraus lässt sich die Entfernung berechnen. Diese Technik ist weniger komplex und kostengünstiger als dToF.

Welche Vorteile hat das FMCW-Radar gegenüber CW?

Beim iToF-Verfahren unterscheidet man zwischen Cw- (continuous wave) und Fmcw-Systemen (frequency modulated continuous wave). CW-Systeme verwenden ein unmoduliertes kontinuierliches elektromagnetisches Signal, das eine konstante Frequenz hat. Hierdurch lassen sich relative Abstandsänderungen berechnen.

Bei FMCW-Systeme wird ein frequenzmoduliertes Signal mit einer definierten Bandbreite verwenden. Die Entfernung ergibt sich durch die Frequenzänderung des reflektierten Signals.

Beide Verfahren haben je nach Anwendung Vor- und Nachteile. Mit dem FMCW-Ansatz können Abstände absolut aufgelöst und Ziele getrennt werden, sofern sich diese in einem bestimmten Mindestabstand zueinander befinden, während mit dem CW-Ansatz relative Abstandsänderungen im Submikrometerbereich erfasst werden können.

Durch den Doppler-Effekt lassen sich mit Radar Geschwindgikeiten bestimmen

Zusätzlich zur Entfernungsmessung ist es möglich, die Geschwindigkeit eines Objekts über den Doppler-Effekt zu bestimmen (Bild 4). Der Dopplereffekt besagt, dass die Frequenz einer Welle sich ändert, wenn sich Quelle und Empfänger relativ zueinander bewegen. Bewegt sich das Objekt auf das System zu, wird die reflektierte Welle dazwischen komprimiert, die zurückkommende Welle hat damit eine höhere Frequenz. Bewegt sich das Objekt vom System weg, hat die zurückkommende Welle eine niedrigere Frequenz.

Aktuelle Radarsysteme verwenden oft digitale Signalverarbeitung, um die Rohdaten in präzise Messwerte umzuwandeln und Störungen oder Hintergrundrauschen zu filtern.

Welche Faktoren beeinflussen die Leistungsfähigkeit von Radar?

Der Radarquerschnitt (Radar Cross Section, RCS) ist ein Maß dafür, wie gut ein Objekt für ein Radar-System erkennbar ist. Er gibt an, wie viel der Energie der ausgehenden Welle von einem Objekt reflektiert wird. Ein höherer RCS-Wert bedeutet, dass das Objekt mehr Energie zurückwirft und dadurch besser sichtbar ist. Er hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie zum Beispiel Material, Größe, Medium und dem Einfallswinkel der Strahlung. Die Entfernung hat hingegen keinen Einfluss auf den RCS-Wert, solange die Reflexion durch die Entfernung nicht gestört wird. Eigenschaften wie eine hohe Dielektrizitätskonstante sowie größere Abmessungen des Objekts erhöhen dessen Erkennbarkeit.

Die Radarfrequenz und die Größe der Antenne des Sensors beeinflussen den Öffnungswinkel der Radarstrahlung und damit die Reichweite und Genauigkeit des Sensors. Ein kleiner Öffnungswinkel sorgt für eine stärkere Fokussierung des Signals, was sowohl die Präzision als auch die Reichweite verbessert. Außerdem können unerwünschte Objekte, etwa Einbauten in Tanks, ausgeblendet werden. Es gilt:

• Eine kleinere Antenne erzeugt bei gleicher Frequenz einen größeren Öffnungswinkel.
• Eine höhere Frequenz führt bei gleicher Antennengröße zu einem kleineren Öffnungswinkel (Bild 5).
• Durch die kurze Wellenlänge ermöglichen hohe Frequenzen kompakte Bauweisen.

Die Radarauflösung beschreibt die Fähigkeit, dicht beieinander liegende Objekte als getrennte Ziele zu erkennen. Wenn sich Objekte nur geringfügig in ihren Messwerten unterscheiden, besteht das Risiko, dass sie nicht individuell wahrgenommen werden. Die Radarauflösung lässt sich in zwei Hauptkategorien einteilen: Distanzauflösung und Winkelauflösung (Bild 6). Die Distanzauflösung hängt von der Bandbreite des Radarsignals ab und ermöglicht es, Objekte anhand ihrer unterschiedlichen Entfernungen zu unterscheiden. Auch wenn sich Objekte in Seiten- und Höhenwinkeln ähneln, können sie aufgrund ihrer Distanz zueinander unterschieden werden. Für eine präzise Lokalisierung reicht die Distanzauflösung allein jedoch nicht aus. Die Winkelauflösung beschreibt die Fähigkeit, Objekte anhand ihrer Winkelposition zum Radar zu unterscheiden. Sie wird in Seitenwinkelauflösung (Azimut) und Höhenwinkelauflösung (Elevation) unterteilt. Der Öffnungswinkel der Radarantenne spielt hierbei eine entscheidende Rolle. Die Qualität der Winkelauflösung wird maßgeblich durch die Anzahl und das Design der Antennen bestimmt.

Das sind die Vorteile der Radartechnologie

Da Radar auf elektromagnetischen Wellen basiert, ist es nicht von Licht oder Sichtverhältnissen abhängig und funktioniert auch bei schlechten Wetterbedingungen wie Regen, Nebel oder Dunkelheit. Die von einem Radarsensor ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen können verschiedene Materialien durchdringen. Insbesondere Kunststoff ermöglicht eine Abdeckung bzw. Verkleidung des Sensors, ohne die Messergebnisse zu beeinflussen. Mit Radar können Objekte und Medien selbst in großer Entfernung ohne direkten Kontakt erfasst werden. Auch Eigenschaften wie Dichte, Viskosität, Temperatur und pH-Wert des Mediums haben keinen Einfluss auf die Messung. Da sich Radarwellen frei in der Luft ausbreiten, können Objekte oder Medien in großer Reichweite erfasst werden, je nach Frequenz und Leistung des Systems.

Radar vrs. Lidar

Genau wie Radar detektiert Lidar reflektierte Signale, um die Entfernung und Position von Objekten zu bestimmen. Der Hauptunterschied zwischen Lidar und Radar liegt in der Art des ausgesendeten Signals. Lidar verwendet Laserlichtimpulse, um die Entfernung und Position von Objekten zu bestimmen.

Aufgrund der kurzen Wellenlänge und der Fokussierung der Lichtimpulse hat Lidar eine höhere räumliche Auflösung, während Radar eine größere Reichweite und eine bessere Leistung bei schlechten Wetterbedingungen hat. Aus diesem Grund werden Lidar-Systeme häufig für Anwendungen eingesetzt, die eine hohe Genauigkeit erfordern, wie z. B. autonome Fahrzeuge oder Vermessungszwecke, während Radar-Systeme bei Anwendungen zum Einsatz kommen, bei denen eine große Reichweite und Wetterunabhängigkeit wichtiger sind, wie z. B. die Flugsicherung oder die Wettervorhersage.

Diese Branchen setzen aktuell auf Radar-Technologie

Radar wird aktuell in vielen Bereichen eingesetzt, die über seine traditionellen Anwendungen in der Luftfahrt und Schifffahrt hinausgehen. Beispiele dafür sind die Automobilsicherheit, das Gesundheitswesen, industrielle Prozesse und die Smart-Home-Technologie.

Radartechnologie spielt eine zentrale Rolle bei der Entwicklung autonomer Fahrzeuge und verbessert gleichzeitig die Überwachungssysteme im Innenraum. Durch die Kombination mit entsprechender Software und Mapping-Algorithmen kann Radar die Position und Bewegungen von Fahrzeuginsassen erkennen. Dies ermöglicht es unter anderem, Airbags bei Unfällen gezielt zu aktivieren. Zudem können Radarsysteme die Aufmerksamkeit des Fahrers überwachen, indem sie Kopfbewegungen analysieren und bei Anzeichen von Schläfrigkeit oder Ablenkung Warnungen ausgeben. Eine weitere Anwendung ist es, die Anwesenheit von Kindern im Fahrzeug zu erkennen, damit Eltern sie nicht im Auto vergessen. Komfortfunktionen wie die automatische Anpassung der Klimaanlage an die Sitzposition der Fahrgäste profitieren ebenfalls von Radar.

Im Gesundheitsbereich ermöglicht Radar die kontaktlose Überwachung von Vitalfunktionen. Mithilfe elektromagnetischer Wellen können die geringen Bewegungen des Brustkorbs, die durch Herzschlag und Atembewegungen entstehen, gemessen und in digitale Signale umgewandelt werden. Diese Technologie minimiert Infektionsrisiken und erleichtert die Überwachung von Intensivpatienten, da physische Untersuchungen reduziert werden. Im häuslichen Umfeld erlaubt sie eine kontinuierliche Beobachtung von älteren oder chronisch kranken Menschen, ohne deren Komfort oder Privatsphäre zu beeinträchtigen. Radargestützte Geräte, etwa für die Schlafüberwachung, sind hier bereits im Einsatz.

In der Industrie verbessert Radar die Sicherheit und Effizienz in vielen Prozessen. Es kann in herausfordernden Umgebungen, wie bei Staub, Rauch oder extremen Temperaturen, präzise Echtzeitdaten liefern, die andere Sensortypen nicht erfassen können. Ein Anwendungsbeispiel sind Sicherheitszonen um Maschinen: Wenn diese durchbrochen werden, weil sie ein Mensch betritt, kann das System die Maschine automatisch abschalten, um Verletzungen zu vermeiden. Solche Sicherheitslösungen sind besonders auf Baustellen und in Fertigungsbetrieben hilfreich. Darüber hinaus hilft Radar, Logistikprozesse in Lagerhäusern oder Häfen zu optimieren, indem es die Bewegung von Waren und Fahrzeugen überwacht und so die Effizienz steigert und Unfallrisiken reduziert.
In Smart Homes sorgt Radar für personalisierte und reaktionsfähige Lösungen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Bewegungssensoren kann Radar zwischen unterschiedlichen Bewegungen unterscheiden, beispielsweise zwischen dem Betreten eines Raumes und kleinen Bewegungen wie flatternden Vorhängen. Dies ermöglicht eine intelligentere Steuerung von Beleuchtung, Heizung, Kühlung und Sicherheitssystemen. Radarbasierte Thermostate können die Temperatur basierend auf der Anwesenheit und Aktivität von Personen im Raum automatisch regulieren und so Komfort und Energieeffizienz verbessern. Sicherheitssysteme nutzen Radar, um Bereiche zu überwachen, ohne Kameras einzusetzen. Bereits heute sind Produkte wie Googles Nest Hub der zweiten Generation verfügbar, die Radar für die Schlafüberwachung nutzen. Mit der fortschreitenden Entwicklung der Technologie wird erwartet, dass Radar eine immer größere Rolle in IoT-Geräten und Smart-Home-Lösungen spielt und noch benutzerfreundlichere Funktionen ermöglicht. (bs)