Innovatives Radarverfahren: Distanzbestimmung anhand von zwei reflektierten Signalen
Kurzfassung
Das Radarverfahren wurde entwickelt, um Abstände zwischen Objekten zu ermitteln, ohne das Sendesignal mit einzubeziehen. Außerdem kann es zur Ermittlung von Materialeigenschaften verwendet werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Radarverfahren ist der Empfänger komplett vom Sender entkoppelt. Das System weist eine stark verbesserte Radarempfindlichkeit und eine reduzierte Empfangskomplexität auf.
Vorteile
- Unabhängigkeit des Empfangs- vom Sendesystem
- Robust gegenüber Erschütterungen und Bewegungen des Empfangssystems
- Vor allem für stark reflektierende Oberflächen geeignet
Anwendungsbereiche
Ermitteln von Abständen und Materialeigenschaften von Objekten
- Produktionstechnik z. B. berührungslose Materialanalyse
- Medizintechnik z. B. bildgebende Lokalisierung von Organen, etc.
- Sicherheitstechnik z. B. Personenscanner, Materialscanner und Briefscanner
Hintergrund
Zum Detektieren und Analysieren von Objekten existieren unterschiedliche Radarverfahren. Bei diesen werden üblicherweise die empfangenen Echosignale mit dem ausgesendeten Signal in einer Empfangseinheit verglichen.
Problemstellung
Die üblichen Radarverfahren, die zum Ermitteln von Abständen zwischen Reflexionsobjekten verwendet werden, weisen allesamt eine gemeinsame Zeit- bzw. Frequenzbasis zwischen Sender und Empfänger auf, d. h. Sender und Empfänger müssen kohärent arbeiten. Das führt zu einer hohen Systemkomplexität und zu hohen Rechenleistungen. In vielen Fällen wird jedoch nicht der genaue Abstand zwischen Sender und Objekt, sondern der relative Abstand zwischen einzelnen Reflexionsobjekten gesucht. Hier setzt diese Technologie an.
Lösung
Bei dieser Technologie geschieht die Bestimmung von Abständen oder Materialeigenschaften zwischen zwei oder mehreren Reflexionsobjekten ohne Einbeziehung des Sendesignals. Im vorliegenden Verfahren werden die zwei oder mehrere Empfangssignale miteinander durch Mischung in einem nichtlinearen Empfänger verglichen (Abb. 2).
In einem DFG-Projekt (DFG-Geschäftszeichen: KA 3062/17-1) wurde jeweils ein Demonstrator für das E-Band (60 – 90 GHz) und das D-Band (110 – 170 GHz) entwickelt und charakterisiert. Zusätzlich wurden Algorithmen für die Auswertung entwickelt. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass es mit der Technologie möglich ist, hohe Frequenzbänder und Bandbreiten abzudecken. Spielt der Energieverbrauch des Empfängers eine Rolle, so stehen zwei Ansätze zur effizienten Signalverarbeitung zur Verfügung, die bei Bedarf weiterverfolgt werden können.
Durch Simulation konnte außerdem gezeigt werden, dass auch eine dreidimensionale Radarbildgebung mit dem Radarsystem möglich ist.
Ein Nachteil der Technologie ist die Abhängigkeit der Mischer von der empfangenen Signalleistung (im Quadrat). Die Erfindung eignet sich deshalb primär für stark reflektierende Oberflächen.
Abb 1: Beispiel eines handgehaltenen Radarmessgerätes, wie er in vom Institut für Robuste Leistungshalbleitersysteme entwickelt wurde.
Publikationen und Verweise
Wörmann, Janis; Singhal, Prakhar; Kallfass, Ingmar (2024): An Ultra-Wideband Two-Port Cascode Self-Mixing Mixer in 130 nm SiGe for Use in Incoherent Radar. In: 2024 European Microwave Conference (EuMC), accepted paper. 2024 European Microwave Conference (EuMC). Paris, France.
Das vorige Paper ist angenommen bei der im Sept. 2024 in Paris stattfindenden European Microwave Week EuMW. DOI zurzeit nicht verfügbar. Preliminary Paper abrufbar unter: bwsyncandshare.kit.edu/s/nWLL5fRWe7ikAed
Wörmann, Janis; Ebeling, Sven; Schoch, Benjamin; Kallfass, Ingmar (2022): Design of a Wideband E-band Radar Frontend for a Novel Incoherent Self-Mixing Radar Principle. In: 2022 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium. 19-24 June 2022, Denver, Colorado, USA. 2022 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium - IMS 2022. Denver, CO, USA, 6/19/2022 - 6/24/2022. Institute of Electrical and Electronics Engineers; IEEE Microwave Theory and Techniques Society. Piscataway, NJ: IEEE, S. 538–541. DOI: 10.1109/IMS37962.2022.9865251
Jandt, Marvin; Eberspächer, Mark; Kallfass, Ingmar (2021): Radar Imaging Based on Multiple Incoherent Antennas. In David A. Wikner, Duncan A. Robertson (Eds.): Passive and Active Millimeter-Wave Imaging XXIV. 12-16 April 2021, online only, United States. Passive and Active Millimeter-Wave Imaging XXIV. Online Only, United States, 4/12/2021 - 4/17/2021. SPIE. Bellingham, Washington, USA: SPIE (Proceedings of SPIE, volume 11745), p. 1. DOI: 10.1117/12.2585568