Radarmodul für neue Anwendungen

15.05.2015
Foto: Mehrantennensystem neben einer Münze

Mehrantennensystem zur Erfassung räumlicher Informationen; © Fraunhofer IPA

Kompakt, anpassbar, genau: ein Radarsystem mit diesen Eigenschaften eignet sich für viele Anwendungen. Wo andere Sensortechnologie wegen hoher Temperaturen oder schlechter Sicht wenig ausrichtet, soll das neuartige Radarmodul von Fraunhofer zum Einsatz kommen – in der Medizintechnik, der Logistik oder Industriesensorik.

Mit Radar lassen sich aus der Distanz bei keiner oder schlechter Sicht Objekte erkennen. Dabei durchdringt Radar nicht nur Nebel, Staub und Rauch, sondern auch nichtmetallische Stoffe wie Kleidung, Folien und Holz. Ähnlich der Fledermaus sendet das Radargerät Signale, wenn auch keine Schall-, sondern elektromagnetische Wellen. Diese Ultrakurzwellen treffen auf Objekte, die wie ein Echo reflektieren und von Antennen empfangen werden. Sende- und Empfangssignal werden verglichen und daraus die Entfernung, Größe und Geschwindigkeit des Objekts berechnet.

Eine der ersten und bis heute wichtigsten zivilen Radar-Anwendungen ist die Überwachung des Luftverkehrs durch die Flugverkehrskontrolle im Tower. Ebenso gehören Bordradare zur Standardausrüstung ziviler Flugzeuge und Schiffe. Trotz großer Potenziale beschränkt sich der zivile Radareinsatz auf wenige Bereiche wie etwa die Abstandswarnradare in der Automobilbranche. Denn die bisherigen Radarsysteme – basierend auf Keramiksubstraten – sind teuer, groß und vier bis fünf Kilo schwer; ihre Einsatzmöglichkeiten begrenzt.

Forscher der Fraunhofer-Institute für Angewandte Festkörperphysik IAF, für Produktionstechnik und Automatisierung IPA sowie für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM haben gemeinsam ein Radar entwickelt, das modular aufgebaut, kostengünstig, energieeffizienter, höher auflösend und universell einsetzbar ist. Dieses Radar arbeitet mit Millimeterwellen im Frequenzbereich von 75 bis 110 Gigahertz – dem W-Band – und kann selbst bei schwierigen Sichtverhältnissen auch kleine Objekte aus der Distanz erkennen. Seine Reichweite beträgt bei einer Ausgangsleistung von 10 Milliwatt bis zu 50 Meter.

Durch die kürzeren Wellenlängen von rund drei Millimetern fällt das W-Band-Radar kompakt aus. Das komplette System aus Galliumarsenid-Halbleiter, Radarsignalverarbeitung und digitaler Auswertung ist dank moderner Miniaturisierungstechniken nicht größer als eine Zigarettenschachtel. Neben der digitalen Signalverarbeitung enthält es ein Hochfrequenzmodul, einen Signalprozessor sowie eine Sende- und zwei Empfangsantennen mit dielektrischen Linsen. "In diesem Radarsystem ist die mittlere Antenne nur Sender, die zwei äußeren sind Empfänger. Damit kann ich detektieren, in welchem Winkel das Objekt zu meinem Radarsystem steht. Mit der Entfernung und dem Winkel habe ich – wie bei einem Laserscan – die exakte Positionierung", beschreibt Bernhard Kleiner, Gruppenleiter am Fraunhofer IPA, das Radarmodul. Ein weiterer Vorteil ist seine hohe Frequenz von 94 Gigahertz. "Durch die kleinere Wellenlänge lassen sich auch kleinere Objekte detektieren und besser voneinander unterscheiden", erklärt Kleiner. "Zum Vergleich: das Abstandswarnradar im Auto liegt bei 77 Gigahertz. Je höher die Frequenz, umso genauer die Messauflösung und Unterscheidbarkeit der Objekte. Außerdem wird die Bauweise kompakter." Die Polymerlinsen der Antennen bündeln die elektromagnetischen Wellen. Dabei ist die Linsengröße an die Frequenz angepasst. Es lassen sich Linsen verschiedener Größen einsetzen, welche die Strahlen schon fast auf Euro-Münzen-Durchmesser bündeln können.

"Da wir eine dielektrische Antenne verwenden, ist der Öffnungswinkel frei wählbar. Wir können also sowohl große Flächen im Nahbereich erfassen als auch kleine, weit entfernte Objekte", fasst Dr. Axel Hülsmann vom Fraunhofer IAF zusammen. So sei es ohne weiteres möglich, mit wenigen Radarsystemen einen mehrere hundert Meter breiten Zaun zu überwachen, etwa am Hamburger Containerhafen. "Überwachungskameras liefern bei dichtem Nebel, wie er oft am Elbehafen vorherrscht, keine hochaufgelösten Bilder mehr. Daher patrouillieren bei Schlechtwetterlage häufig Sicherheitskräfte mit Hundestaffeln", weiß der Forscher.

Dies prädestiniert das W-Band-Radar für vielfältige Anwendungsmöglichkeiten vor allem auch im medizinischen Bereich. An einem speziellen Anwendungsfall in der Prothetik arbeiten die IPA-Wissenschaftler. "Wir entwickeln für Prothesen eine Art Objekterkennung. Sie soll einer Steuerung Informationen über die Umgebung liefern und Antworten auf Fragen liefern wie: Ist in den nächsten 2 bis 3 Metern etwa eine Schwelle, über die ich stolpern könnte?", so Kleiner. Auf diese Weise kann die Bewegung der Prothese und der Gang angepasst werden, ohne dass der Prothesenträger vor dem Hindernis anhalten und seine Prothese beispielsweise unnatürlich auf die erste Stufe einer Treppe heben muss. Im Vergleich zu anderen Sensoren liefert Radar auch mehr Informationen über die Oberflächenbeschaffenheit der Objekte: Ist diese beispielsweise nass oder vereist? Außerdem kann es in einem Gehäuse verbaut und unter der Kleidung getragen werden. Und: Im Gegensatz zu Röntgenscannern ist Radar nicht gesundheitsschädlich. Die Sendeleistung der kurzwelligen Strahlen im Millimeterbereich liegt bei 10 Milliwatt. Die eines Handys rangiert bei 1000 Milliwatt.

COMPAMED.de; Quelle: Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

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