Typen radarsensoren

De term radar of RADAR (acroniem voor RAdio Detection And Ranging: detectie en afstandsbepaling met radiosignalen) verwijst naar methoden voor het lokaliseren en bepalen van de bewegingstoestand van een keur aan objecten. Radarmethoden worden gebruikt in zeer uiteenlopende toepassingen. Er zijn ook verschillende radarfuncties die op verschillende manieren gebruikmaken van de eigenschappen van elektromagnetische golven.

De pulsradar zendt korte pulsen uit en bepaalt de afstand van het object op basis van de vertraging van de signaalvoortplanting. Net als bij een dopplerradar kan de snelheid ook worden bepaald door het frequentieverschil te meten. Pulsradarapparaten zijn geschikt voor metingen over lange afstanden vanwege hun hoge zendervermogen, maar ongeschikt voor metingen op korte afstand met hogere resolutie. Vanwege deze aanzienlijke beperking van pulsradars voor automatiseringstaken richten de diepgaande verklaringen op deze website zich uitsluitend op continugolfradars en frequentiegemoduleerde continugolfradars.

Een ongemoduleerde continugolfradar (ook bekend als CW- of dopplerradar) zendt continu een vaste frequentie uit. Door de dopplerfrequentie te observeren detecteren de sensoren bewegende objecten binnen hun detectiebereik en stellen ze hun lineaire snelheid vast. Het is echter niet, of slechts met veel moeite en grote onnauwkeurigheid, mogelijk om de afstand of positie van het bewegende object te berekenen.

De term frequentiegemoduleerde continugolfradar (of FMCW-radar: Frequency-Modulated Continuous Wave) verwijst naar een radar die (in tegenstelling tot een CW-radar) continu de frequentie van zijn signaal moduleert tijdens het uitzenden ervan. Deze modulatie van de uitgezonden frequentie leidt tot het maken van een referentietijdspunt, waardoor het technisch mogelijk wordt om de tijd te meten die is verstreken sinds het uitzenden van het signaal. Daarnaast maakt deze tijdsconstante het mogelijk om niet alleen bewegende maar ook statische objecten te detecteren.

De elektromagnetische golven die worden gegenereerd en uitgezonden door een continugolfradar of raken een bewegend object. Dit leidt tot een frequentiewijziging doordat het gereflecteerde signaal is gecomprimeerd of uitgerekt afhankelijk van de bewegingsrichting van het gedetecteerde object. Dit reflectiesignaal met gewijzigde frequentie wordt gemengd met het oorspronkelijk uitgezonden signaal in de sensor en geëvalueerd. Dit frequentieverschil in het signaal kan worden gebruikt voor het bepalen van beweging en snelheid. Het is irrelevant of de sensor beweegt ten opzichte van het object of dat het object beweegt ten opzichte van de sensor, hoewel rekening moet worden gehouden met de bewegingshoek voor het detecteren van de absolute snelheid van het object.

Beoogd doel

Dit principe is de effectiefste oplossing voor het detecteren van bewegende objecten. Bewegingsmelders voor bewaking van het gebied vóór deuren en poorten zijn een klassiek toepassingsgebied. Dochteronderneming Sensotek GmbH van Pepperl+Fuchs is een competente partner die een zeer specialistische portfolio aanbiedt op het gebied van toegangsautomatisering.

Een frequentiegemoduleerde continugolfradar werkt volgens hetzelfde basisprincipe. De sensor zendt een signaal uit via een zendantenne. Een klein gedeelte van dit signaal wordt gereflecteerd door het object en teruggekaatst naar de sensor, waar het wordt opgevangen door een ontvangstantenne. In tegenstelling tot een ongemoduleerde CW-radar zendt een frequentiegemoduleerde continugolfradar echter een frequentiegemoduleerd signaal uit. De volgende typische modulatietypen worden hier vaak gebruikt:

1. Zaagtandmodulatie

Eenvoudig modulatiepatroon dat echter geen onderscheid kan maken tussen dopplerfrequentie en frequentieverschil door vertraagde voortplanting.

2. Blokgolfmodulatie

Zeer hoge afstandsresolutie door berekening van het faseverschil, maar kan geen onderscheid maken tussen verschillende objecten.

3. Driehoeksmodulatie

De extra dalende curve maakt het mogelijk om onderscheid te maken tussen dopplerverschuiving en frequentiewijziging.

Pepperl+Fuchs gebruikt driehoeksmodulatie voor zijn industriële radarsensoren voor afstands- en snelheidsmeting. Het uitgezonden signaal neemt lineair toe binnen het toegestane frequentiebereik van de minimale tot de maximale frequentie (stijgende curve) en neemt weer lineair af na het bereiken van de maximale frequentie (dalende curve). Dit bereik, waarbinnen het uitgezonden signaal continu beweegt tussen de minimale en maximale frequentie, wordt aangeduid als de frequentiebandbreedte (B). In het geval van radarsensoren van Pepperl+Fuchs komt deze effectieve bandbreedte overeen met 1 GHz, namelijk het bereik van 122 t/m 123 GHz in de ISM-band.

Als de radargolven die worden uitgezonden door de radarsensor nu een object raken, worden ze volledig of gedeeltelijk weerkaatst. Het ontvangen signaal heeft een andere frequentie, waarbij de exacte afstand tot het object kan worden bepaald op basis van de frequentiewijziging van de twee signalen in de loop van een multiplicatief mengproces in de sensor. De afstand (R) tot het doelobject kan worden berekend op basis van de vastgestelde frequentiewijziging in een stijgende of dalende curve (Δf), de duur van de curve (T), de gebruikte frequentiebandbreedte (B) en de lichtsnelheid (c) waarmee de radargolf door de ruimte beweegt.

Het dopplereffect, veroorzaakt door de snelheid van het object, wijzigt ook de ontvangen frequentie (f_D) parallel aan de y-as, zoals weergegeven in de bovenstaande CW-radargrafiek. In tegenstelling tot de zaagtand- en blokgolfmodulatiemethoden kan deze ook worden gebruikt voor het meten van de snelheid.

Beoogd doel

De FMCW-radarsensor MWC25M-L2M*, ontwikkeld door Pepperl+Fuchs, is geoptimaliseerd voor afstands- en snelheidsmetingen binnen een detectiebereik van maximaal 25 meter of meer in industriële toepassingen. Vanwege de uiteenlopende functies en robuustheid van het sensorontwerp kan het worden gebruikt voor even uiteenlopende toepassingen, zoals automatisering, omgevingsbewaking en botsingspreventie voor AGV's, vorkheftrucks, mobiele kranen, wegenbouw of landbouwmachines. Ze bieden echter ook een ideale oplossing voor contactloze niveaudetectie van vloeistoffen en bulkgoederen in tanks en silo's.