12.04.2018

Millimeterwellen-Radare für effiziente Industriesensorik

Neuartiges W-Band-Radar prüft verpackte Güter auf Inhalt und Voll­ständig­keit.

Radare basieren auf Millimeterwellen, die Kunststoffe, Pappe, Holz und Texti­lien durch­dringen. Sie sind damit in der Lage, zu sehen, was sich in Ver­packungen, hinter Wänden oder hinter Rauch und Nebel befindet. Forscher des Fraun­hofer-IAF haben sich die Eigen­schaften von Milli­meter­wellen zunutze gemacht und ein kompaktes W-Band-Radar ent­wickelt, das sich ideal für den Ein­satz in der Industrie­sensorik eignet: Es durch­leuchtet ver­packte Güter und gibt eine präzise Aus­kunft über deren Inhalt.

Abb.: Das kompakte W-Band-Radar ist in etwa so groß wie eine Ziga­retten­schachtel. (Bild: Fh.-IAF)

Die moderne industrielle Produktion soll mithilfe von intel­li­genten und digital ver­netzten Systemen weitest­gehend selbst­orga­ni­siert und selbst­ständig werden. Menschen, Maschinen, Anlagen, Logistik und Produkte sollen mit­ein­ander kommu­ni­zieren und koope­rieren und damit ein­zelne Produk­tions­schritte oder gar die gesamte Wert­schöpfungs­kette opti­mieren. Zu dieser Vision gehören Systeme, die anhand der ihnen zur Ver­fügung stehen­den Daten selbst­ständig Ent­schei­dungen treffen und Auf­gaben möglichst autonom erledigen. Das vom Fraun­hofer-IAF ent­wickelte W-Band-Radar bringt die Industrie­auto­mation einen Schritt weiter. Das Radar arbeitet mit Milli­meter­wellen im Frequenz­bereich von 75 bis 110 GHz. Es prüft ver­packte Güter auf Inhalt und Voll­ständig­keit. Auf Basis der Ergeb­nisse kann das System selbst­ständig fehler­hafte Waren­liefe­rungen vor dem Ver­sand aus­sor­tieren.

Bislang werden zur Präsenzdetektion im Produktions­ablauf meistens optische Sensoren wie etwa Laser ein­ge­setzt. Der Nach­teil ist, dass Laser bei schlechten Sicht­ver­hält­nissen ver­sagen und nicht hinter Ver­packungs­material blicken können. Das W-Band-Radar hin­gegen liefert nicht nur hoch­präzise Abstands­mes­sungen bei Staub, Rauch oder Nebel, es ermög­licht sogar einen Blick hinter Materi­alien und Gegen­stände. Wie ein Röntgen­gerät, das den Blick in den mensch­lichen Körper ermög­licht, erfasst das Radar, was sich in einer Ver­packung oder hinter einer Wand befindet. Im Gegen­satz zu Röntgen­strahlen sind die vom W-Band-Radar aus­ge­sendeten kurz­welligen Strahlen im Milli­meter­bereich jedoch nicht gesund­heits­schäd­lich. Die Sende­leistung des Radars ist sogar hundert Mal kleiner als die eines Handys.

Die Kombination aus den einzigartigen Eigenschaften von Milli­meter­wellen und dem kompakten, vom Fraun­hofer-IAF ent­wickelten Radar­modul bietet auch über die Industrie­sensorik hinaus eine breite Anwen­dungs­palette. „Über­all dort, wo eine berüh­rungs­freie Material­prüfung, eine Kontrolle von ver­packten Waren oder hoch­präzise Abstands­mes­sungen unter schwie­rigen Bedin­gungen wie etwa ein­ge­schränkter Sicht gefordert sind, kann das Radar ein­ge­setzt werden“, sagt Christian Zech, Forscher am Fraun­hofer-IAF. Das Institut hat bereits mehrere Projekte gestartet, bei denen es unter anderem um den Sicher­heits­aspekt in der Mensch-Maschine-Kolla­bora­tion, den Ein­satz des Radars in der rauen Umge­bung eines Stahl­werks sowie als sichere Lande­hilfe für Hub­schrauber geht.

Das Radar sendet Signale aus, die von Materialien und Gegen­ständen reflek­tiert werden und zum Radar zurückk­ehren. Sende- und Empfangs­signal werden mit­hilfe nume­rischer Algo­rithmen mit­ein­ander ver­glichen und geben Aus­kunft darüber, was sich in welchem Abstand vor dem Radar­modul befindet. „Trotz ihrer Vor­teile hatten Milli­meter­wellen-Radar­systeme bis­lang nur eine geringe Markt­akzep­tanz, da nieder­frequente Systeme zu groß und hoch­frequente Systeme zu teuer in der Her­stel­lung sind“, erklärt Zech. Das neu ent­wickelte System ist dagegen ist kompakt, kosten­günstig und modular auf­ge­baut. Durch die kürzeren Wellen­längen von rund drei Milli­metern ist das kom­plette System in etwa so groß wie eine Ziga­retten­schachtel. Eine kosten­günstige Her­stel­lung des Moduls ist den Forschern durch eine Aufbau-und Ver­bin­dungs­technik auf Platinen­basis gelungen. „Unser W-Band-Radar basiert auf dem Halb­leiter Gallium­arsenid und bietet damit eine höhere Bandbreite, Auflösung, Empfindlichkeit und Robustheit als Radar-Systeme, die mit Siliziumschaltkreisen arbeiten. Das ist für viele Anwen­dungen ent­schei­dend“, er­läutert Benjamin Bau­mann vom Fraun­hofer-IAF.

Fh.-IAF / RK

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