Radarblick auf kleinstem Raum

Forscher dreier Fraunhofer-Institute entwickeln gemeinsam ein Radar, das trotz Schneewolken, Staub oder Nebel exakte Höhen- und Bodenabstandsdaten liefert. Es 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. Die Reichweite beträgt bis zu drei Kilometer. Im Gegensatz zu optischen Sensoren durchleuchtet der Millimeterwellensensor alle dielektrischen, also elektrisch schwach- oder nichtleitenden, nichtmetallischen und opaken Stoffe wie Kleidung, Kunststoffplatten, Papier, Holz oder eben Schnee und Nebel.

Dies prädestiniert das W-Band-Radar für vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, die von der Verkehrskontrolle über die Medizintechnik bis hin zur Logistik und Industriesensorik, etwa zur Überwachung von Containerhäfen oder von Produktionsprozessen reichen. „Überall dort, wo andere Sensortechnologien in Herstellungsprozessen aufgrund von hohen Temperaturen oder eingeschränkter Sicht versagen, kann das W-Band-Radar eingesetzt werden. So eignet es sich etwa als Füllstandsensor in Mehlsilos, wo es beim Einfüllen der Schüttware zu starker Staubbildung kommt“, erläutert Axel Hülsmann, Ingenieur am Fraunhofer-IAF. Ein weiterer Vorteil des Geräts: Im Gegensatz zu Röntgenscannern ist es nicht gesundheitsschädlich, es arbeitet mit kurzwelligen Strahlen im Millimeterbereich. Die Sendeleistung liegt bei 10 Milliwatt. Zum Vergleich: Die eines Handys rangiert bei 1000 Milliwatt.

Bisherige Radarsysteme – basierend auf Keramiksubstraten – sind teuer, groß und vier bis fünf Kilogramm schwer. Die Einsatzmöglichkeiten sind begrenzt, sie konzentrieren sich vor allem auf den militärischen Bereich. Die Entwicklung der Fraunhofer-Forscher hingegen ist modular aufgebaut, kostengünstig, energieeffizienter, höher auflösend und universell einsetzbar.

Durch die relativ kurzen Wellenlängen von rund drei Millimeter fällt das W-Band-Radar kompakt aus. Das komplette System aus Galliumarsenid-Halbleitertechnik ist nicht größer als eine Zigarettenschachtel. Neben der digitalen Signalverarbeitung enthält es ein Hochfrequenzmodul, einen Signalprozessor sowie eine Sende- und Empfangsantenne mit dielektrischen Linsen. „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“, sagt Hülsmann. So sei es ohne weiteres möglich, einen mehrere hundert Meter breiten Zaun zu überwachen, etwa am Hamburger Containerhafen. „Überwachungskameras liefern bei dichtem Nebel, wie er oft am Elbehafen vorherrscht, keine hochauflösenden Bilder mehr. Daher patroullieren bei Schlechtwetterlage häufig Sicherheitskräfte mit Hundestaffeln“, weiß der Forscher.

Doch wie funktioniert der Millimeterwellensensor? „Unser Radar sendet Signale aus, die von den beobachteten Objekten reflektiert werden. Sende- und Empfangssignal werden mithilfe numerischer Algorithmen miteinander verglichen. Anhand dieses Vergleichs lassen sich Entfernung, Größe, Dicke und Geschwindigkeit des Objekts berechnen. Bewegt sich dieses nicht, ändert sich auch das Signal nicht“, erklärt Hülsmann.

Die Forscher präsentieren einen Prototyp des W-Band-Radar erstmals vom 8. bis 12. April auf der Hannover Messe am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand in Halle 2, Stand D18. Am Beispiel zweier Wassersäulen, in denen Nebel aufsteigt, demonstrieren sie die Funktionsweise als Füllstandssensor: Während ein optischer Sensor durch den Nebel getäuscht wird und nur bis zur Nebelschicht misst, durchdringt das Radar den Dunst und berechnet zuverlässig den aktuellen Wasserstand. In zwei Jahren soll das System marktreif sein. Dann wollen die Experten mit dem Mehrkanalradar nicht nur Abstand und Geschwindigkeit von Objekten detektieren, sondern deren exakte Position.

Fh.-IAF / PH