Typen von Radarsensoren

Der Begriff Radar oder RADAR (Akronym für radio detection and ranging) bezeichnet Verfahren zur Ortung und Feststellung des Bewegungszustands verschiedenster Objekte. Radarverfahren werden in den unterschiedlichsten Anwendungsgebieten eingesetzt. Dementsprechend existieren verschiedene Funktionsweisen des Radars, welche die Eigenschaften der elektromagnetischen Welle unterschiedlich nutzen.

Das Impulsradar sendet kurze Pulse und bestimmt über die Laufzeit des Signals die Entfernung des Objekts. Ähnlich wie beim Doppler-Radar kann auch hier durch Messung des Frequenzunterschieds die Geschwindigkeit bestimmt werden. Impulsradargeräte eignen sich aufgrund ihrer hohen Sendeleistung für Messungen über große Entfernungen, sind für kurze Streckenmessungen mit erhöhter Auflösung allerdings nicht geeignet. Aufgrund dieser erheblichen Limitierung der Impulsradare für Automatisierungsaufgaben fokussieren die tiefergehenden Erklärungen auf dieser Website ausschließlich CW- bzw. FMCW-Radare.

Ein unmoduliertes Dauerstrichradar (auch CW- oder Continuous-Wave- bzw. Doppler-Radar) sendet dauerhaft eine feste Frequenz aus. Durch Beobachtung der Dopplerfrequenz werden bewegte Objekte im Erfassungsbereich des Sensors erkannt und ihre orthogonale Geschwindigkeit bestimmt. Allerdings ist es nicht bzw. nur mit erhöhtem Aufwand und großen Ungenauigkeiten möglich, die Entfernung oder Position des bewegten Objektes zu berechnen.

Der Begriff des frequenzmodulierten Dauerstrichradars (bzw. FMCW- oder Frequency-Modulated-Continuous-Wave-Radar) bezeichnet ein Radar, das (im Gegensatz zum CW-Radar) sein Signal während des Aussendens kontinuierlich frequenzmoduliert. Durch diese Modulation der Sendefrequenz wird ein zeitlicher Bezugspunkt erzeugt und dadurch eine Laufzeitmessung technisch möglich. Zudem können durch diese zeitliche Konstante nicht nur bewegte, sondern auch statische Objekte erfasst werden.

Die von einem Dauerstrichradar generierten und ausgesendeten elektromagnetischen Wellen bzw. deren Wellenfronten treffen auf ein Objekt in Bewegung. Hierbei kommt es zu einer Frequenzverschiebung, die sich entweder in Form einer Stauchung oder Dehnung des reflektierten Signals zeigt – abhängig von der Bewegungsrichtung des erfassten Objekts. Dieses in der Frequenz verschobene Reflexionssignal wird innerhalb des Sensors mit dem ursprünglichen Sendesignal gemischt und ausgewertet. Anhand dieser Frequenzdifferenz des Signals lässt sich eine Bewegung und Geschwindigkeit ermitteln. Ob sich der Sensor relativ zum Objekt bewegt oder das Objekt relativ zum Sensor, ist dabei nicht relevant, wobei der Winkel der Bewegung mit eingerechnet werden muss, um die absolute Geschwindigkeit des Objekts zu erfassen.

Einsatzzweck

Zur Erfassung von bewegten Objekten stellt dieses Prinzip die wirkungsvollste Lösung dar. Ein klassischer Anwendungsbereich sind etwa Bewegungsmelder zur Bereichsüberwachung vor Türen und Toren. Die Pepperl+Fuchs Tochter Sensotek GmbH bietet hier als kompetenter Partner ein hochspezialisiertes Portfolio rund um das Thema „Entrance Automation“.

Ein FMCW-Radar funktioniert nach demselben grundlegenden Prinzip. Der Sensor strahlt über eine Antenne ein Signal aus. Ein kleiner Teil dieses Signals wird am Objekt reflektiert und strahlt zurück zum Sensor, wo er von einer Empfängerantenne aufgenommen wird. Im Unterschied zum unmodulierten CW-Radar sendet das FMCW-Radar jedoch ein frequenzmoduliertes Signal aus. Hierbei kommen oftmals die folgenden typischen Modulationsarten zum Einsatz:

1. Sägezahn-Modulation

Einfaches Modulationsmuster, kann aber nicht zwischen Dopplerfrequenz und Frequenzunterschied durch Laufzeitverzögerung unterscheiden.

2. Rechteck-Modulation

Sehr hohe Entfernungsauflösung durch Berechnung des Phasenunterschieds, kann aber nicht zwischen verschiedenen Objekten unterscheiden.

3. Dreieck-Modulation

Die zusätzliche abfallende Flanke erlaubt das Unterscheiden von Doppler-Verschiebung und Frequenzverschiebung.

Pepperl+Fuchs nutzt für seine industriellen Radarsensoren zur Distanz- und Geschwindigkeitsmessung die Dreieck-Modulation. Das ausgesendete Signal steigt dabei linear im erlaubten Frequenzbereich von der minimalen bis zur maximalen Frequenz an (Up Ramp) und fällt nach Erreichen der Maximalfrequenz wieder linear ab (Down Ramp). Dieser Bereich, innerhalb dem das Sendesignal kontinuierlich zwischen minimaler und maximaler Frequenz „wandert“, wird als Frequenzbandbreite (B) bezeichnet. Im Falle der Radarsensoren von Pepperl+Fuchs entspricht diese effektive Bandbreite 1 GHz, nämlich dem Bereich von 122 bis 123 GHz im ISM-Band. 

Treffen die vom Radarsensor ausgesendeten Radarwellen nun auf ein Objekt, werden diese ganz oder teilweise reflektiert. Das empfangene Signal hat hierbei eine unterschiedliche Frequenz, wodurch im Zuge eines multiplikativen Mischvorgangs im Sensor aus der Frequenzverschiebung beider Signale der genaue Abstand zum Objekt ermittelt werden kann. Die Entfernung (R) zum Zielobjekt lässt sich durch die ermittelte Frequenzverschiebung in steigender oder fallender Rampe (Δf), die Rampendauer (T), die benutzte Frequenzbandbreite (B) sowie die Lichtgeschwindigkeit (c), mit welcher sich die Radarwelle durch den Raum bewegt, errechnen.

Der durch die Geschwindigkeit des Objekts hervorgerufene Dopplereffekt verschiebt die Empfangsfrequenz (f_D) zudem analog zur oben zum CW-Radar gezeigten Grafik parallel zur y-Achse. Hiermit lässt sich im Gegensatz zu den Modulationsverfahren Sägezahn und Rechteck ergänzend die Geschwindigkeit messen.

Einsatzzweck

Der von Pepperl+Fuchs entwickelte FMCW-Radarsensor MWC25M-L2M* ist optimiert für Distanz- und Geschwindigkeitsmessungen auf Reichweiten von bis zu 25 Metern und mehr im industriellen Bereich. Durch die hohe Funktionsvielfalt und die robuste Auslegung der Sensoren kann ein entsprechend breites Anwendungsspektrum abgedeckt werden, etwa bei der Automatisierung, Umfeldüberwachung und Kollisionsvermeidung von FTF, Staplern, Mobilkränen, Straßenbau- oder Agrarmaschinen. Doch auch zur kontaktlosen Füllstanderfassung von Flüssigkeiten und Schüttgütern in Tanks und Silos bieten sie eine ideale Lösung.