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Dauerstrichradar

Ein Dauerstrichradar ist ein Radarsystem, das sich von einem Impulsradar dadurch unterscheidet, dass der Sender während der Dauer des Messvorganges ununterbrochen arbeitet. (Die Bezeichnung Dauerstrich stammt vom Strichsymbol beim Morsecode).

Die verschiedenen Funktionsprinzipien der Dauerstrichradare unterscheiden sich vor allem darin, ob und ggf. wie die gesendete Frequenz moduliert wird. Ein unmoduliertes Dauerstrichradar wird auch CW-Radar (von englisch continuous wave radar) genannt. Mit einem unmodulierten Dauerstrichradar können Entfernungen nur dürftig bestimmt werden. Es wurde vielmehr zur berührungslosen Geschwindigkeitsmessung mittels Doppler-Effekt entwickelt und wird als Bewegungsmelder eingesetzt. Modulierte Dauerstrichradargeräte, auch FMCW-Radar (von englisch frequency modulated continuous wave radar) genannt, werden vor allem als Abstands- oder Höhenmesser oder als Navigationsradar mit geringer Reichweite auf Schiffen und Booten eingesetzt.

alternative Beschreibung
Sender
Sendeenergie
Empfänger
reflektierte Energie,
enthält Informationen über
das reflektierende Objekt
Prinzip einer Messung mit einem Dauerstrichradar

Geschichtliche Entwicklung

Bereits Heinrich Hertz beschrieb bei seinen praktischen Versuchen zu den Berechnungen Maxwells die Reflexion elektromagnetischer Wellen an metallischen (also elektrisch leitenden) Oberflächen. Dieses wurde von dem deutschen Ingenieur Christian Hülsmeyer aufgegriffen, der das erste Radar entwickelte, welches im Jahre 1904 von der Rheinbrücke in Köln öffentlich demonstriert und in der Folge in mehreren Staaten patentiert wurde. Dieses Radar war in der Funktion ein Dauerstrichradar. Es konnte ein sich näherndes Schiff in einer Entfernung von bis zu 3 km Entfernung orten, und das, obwohl zu der Zeit keine empfindlichen Hochfrequenz-Baugruppen zur Verfügung standen. Als nichtmoduliertes CW-Radar konnte es prinzipiell keine Entfernungen messen. Hülsmeyer reichte ein zweites Patent ein, welches die Messung einer Entfernung durch ein CW-Radar von einem erhöhten Standpunkt aus durch die Richtwirkung der Antenne und nachfolgender trigonometrischer Berechnung der Entfernung aus dem Abstrahlwinkel der Antenne ermöglichte. Beide Erfindungen stießen jedoch auf keinerlei Interesse in der deutschen Marineführung.

Die beiden Elektroingenieure Albert H. Taylor und Leo C. Young vom Naval Research Laboratory (USA) wurden durch Marconis Erfolge bei der drahtlosen Telekommunikation inspiriert. Sie orteten im Herbst 1922 mit einem Dauerstrichradar unter Verwendung einer bistatischen Konfiguration (das heißt: getrennte Sender- und Empfängerposition) erstmals ein hölzernes Schiff auf einer Wellenlänge von 5 Metern. Bei diesem Experiment wurde durch die Lokalisierung von Sender und Empfänger am linken und rechten Ufer eines Flusses nicht eine Rückstreuung empfangen, sondern die Dämpfung und Streuung der elektromagnetischen Welle beim Durchqueren des Schiffes registriert. Dieses Prinzip wird in der Sicherungstechnik als Barriereradar angewendet.

Eine gezielte Entwicklung der Radartechnik erfolgte ab etwa 1935, nachdem der militärische Nutzen dieser Technologie erkannt wurde. Wegen der erforderlichen Reichweiten bei der Ortung von Schiffen und Flugzeugen lag der Schwerpunkt jedoch nicht beim Dauerstrichradar, sondern in der Impulsradartechnik. Das Dauerstrichverfahren geriet teilweise wieder in Vergessenheit, da mit den technischen Möglichkeiten der damaligen Zeit mit einem Dauerstrichradar nur geringe Reichweiten erzielt werden konnten.

Erste Überlegungen, eine Vermessung der Höhe der Ionosphäre durch ein frequenzmoduliertes Dauerstrichradar-Verfahren (FMCW-Radar) zu ermöglichen, wurden bereits 1920 formuliert. Die Funktion eines Radar-Altimeters wurde im Jahre 1930 veröffentlicht. Doch erst im Jahre 1938 wurde durch die Western Electric Company ein praktisch funktionierendes FMCW-Radar-Altimeter vorgestellt.

Eine zivile Nutzung der Radartechnik wurde durch die militärische Geheimhaltung der Radartechnologien stark behindert. Es wurden als Folge der Ereignisse des Zweiten Weltkrieges direkte Verbote zur Forschung an Radartechnologien ausgesprochen, die 1960 aufgehoben wurden. Erst sehr viel später wurden die Vorzüge eines CW- oder FMCW-Radars (einfacher Aufbau für relativ große Reichweiten bei geringster Sendeleistung) gegenüber dem Impulsradarverfahren wiederentdeckt. Das erste FMCW-Radar für atmosphärische Untersuchungen wurde 1969 gebaut. Seit den 1970er Jahren werden FMCW-Radare als Wetterradar sowie für gleichzeitige Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessungen genutzt. Im Jahre 1976 wurde FMCW-Radar erstmals für Messungen der Dopplerfrequenz von Windgeschwindigkeiten eingesetzt.

In den 1990er Jahren wurden Radarsysteme auf FMCW-Basis für Kraftfahrzeuge als Kollisionswarner und automatische Abstandsregelung (Abstandsregeltempomat, englisch Adaptive Cruise Control, ACC) entwickelt. In die Busse der Firma Greyhound Lines wurden 1600 FMCW-Radargeräte im Frequenzband 24 GHz eingebaut, welche die Unfallrate mit diesen Fahrzeugen im Jahre 1993 um 21 % senkten. Seit 1996 wird auf 77 GHz ein weitreichendes FMCW-Radar für automotive Sicherheit in Fahrzeugen von Daimler-Benz verwendet. Zu Beginn des Jahrtausends zogen andere Kfz-Hersteller nach.

Mit zunehmender Verfügbarkeit immer höherer Frequenzbereiche und gleichzeitiger Miniaturisierung ermöglicht moderne Hybrid-Technik, kleinere CW- und FMCW-Radarmodule in großer Anzahl preisgünstig anzubieten.

Technische Realisierung

Verschiedene Dauerstrichradar-Transceiver für das K-Band, verwendbar als einfache Bewegungssensoren (Modul ganz rechts mit nur zwei Patchantennen ist ausschließlich als CW-Radar verwendbar) sowie als FMCW-Doppler-Radarsensoren, alle drei nur als Direktmischempfänger aufgebaut.

Ein Dauerstrichradar sendet eine hochfrequente elektromagnetische Welle in eine Richtung, welche durch die Richtwirkung der Sendeantenne vorgegeben ist. Trifft die elektromagnetische Welle auf ein Hindernis, so wird ein geringer Teil der Sendeleistung als Echosignal zurück zum Sender reflektiert und dort vom Empfänger registriert. Dieses Echosignal dient als Nachweis dafür, dass sich in Ausbreitungsrichtung der Welle ein Hindernis befindet. Aus den Eigenschaften des Echosignals (zum Beispiel: Stärke, Phasenlage, Frequenzspektrum) kann auf Eigenschaften des Hindernisses geschlossen werden.

Sender

Oft sind die Radarmodule in der Lage, sowohl als CW-Radar als auch als FMCW-Radar konfiguriert zu werden. Der Transceiver eines FMCW-Radars enthält einen Hochfrequenzgenerator, der als ein spannungsgesteuerter Oszillator (englisch Voltage Controlled Oscillator, VCO) aufgebaut und dessen Ausgangsfrequenz abhängig von einer Steuerspannung ist. Ist diese eine Gleichspannung oder fehlt diese Regelmöglichkeit, so arbeitet das Modul als CW-Radar. Eine zu modulierende Signalform für ein FMCW-Radar wird oft mittels Direct Digital Synthesis oder direkte digitale Synthese (DDS) generiert und dem Hochfrequenzgenerator im Transceiver als Steuerspannung zugeführt. Die momentane Frequenz des VCO kann zum Beispiel sägezahnförmig mit der Periodendauer Τ verändert werden: es wird das Signal Ss(t) ausgesendet.

Für sehr hohe Frequenzen arbeitet der VCO oft auf einer niedrigeren Frequenz. Die Umsetzung in das gewünschte Radarfrequenzband geschieht durch einen nachgeschalteten Frequenzvervielfacher. Das kann im einfachsten Fall eine Frequenzverdopplung sein und kann bis zu einer Vervielfachung um den Faktor 25 reichen. Ein solcher Frequenzvervielfacher ist ein resonantes Bauteil (zum Beispiel ein Hohlraumresonator), welches durch eine IMPATT-Diode entdämpft sein kann. Zum Beispiel kann der VCO eine Frequenz zwischen 7 und 8 GHz erzeugen, die nach einer eventuellen Modulation durch Verdreizehnfachung in das Band um 94 GHz umgesetzt wird. Hierbei ist zu beachten, dass durch die Frequenzvervielfachung die Modulation ebenfalls betroffen wird: eine Senderbandbreite von typisch 60 MHz würde nach der Vervielfachung zu einer Bandbreite von 780 MHz. Damit ist oft schon die mögliche Frequenztoleranz der Resonatorbaugruppe überschritten.[Anmerkung 1] Deshalb muss bei einer vorgesehenen Frequenzvervielfachung die modulierte Bandbreite des VCO verringert werden.

Die maximal mögliche Sendeleistung ist durch unvermeidliche Überkopplung zwischen Sender und Empfänger begrenzt. Da der Sender ständig arbeitet, gelangt ein Teil der Sendeleistung gleichzeitig mit dem verzögerten Echosignal an den Empfängereingang und überlagert dieses. Ist dieser übergekoppelte Anteil der Sendeleistung so groß, dass der Empfänger in die Begrenzung getrieben wird, können die sehr schwachen Echosignale nicht mehr aus diesem Signalgemisch getrennt und empfangen werden. Aus diesem Grunde werden meist getrennte Sende- und Empfangsantennen verwendet. Diese können durch eine zusätzliche Abschirmung und durch einen möglichst großen Abstand zueinander entkoppelt werden.

Durch die extrem geringen Sendeleistungen von CW- und FMCW-Radarmodulen, die meist im Bereich von ≤ 100 mW liegen, sind keine gesonderten Strahlenschutzmaßnahmen notwendig. Selbst bei einer starken Richtwirkung der Antenne ist eine sehr viel geringere Strahlungsdichte zu erwarten als diejenige, die im Normalbetrieb bei einem Mobiltelefon auftritt.

Zeitverlauf der Signale in einem frequenzmodulierten Dauerstrichradar. Oben befindet sich das Sendesignal Ss(t), unten das um die Laufzeit 2r/c verzögerte Empfangssignal Se(t). Nach einer Mischung beider Signale ist der Betrag der Frequenzdifferenz stets gleich und ist ein Maß für Laufzeit und Entfernung.
Anmerkung
  1. ↑ Frequenztoleranz ist eine Größe, die oft mit der −10-dB-Bandbreite gleichgesetzt wird. Die −10-dB-Bandbreite eines resonanten Bauteils ist die Bandbreite, innerhalb der der Reflexionsfaktor durch Fehlanpassung auf der Speiseleitung maximal −10 dB beträgt.

Antenne

Die Antenne ist oft eine integrierte Patchantenne: Sende- und Empfangsantenne sind auf einem Substrat aufgebaut und enthalten oft je 4, 16 oder mehr Patches. Je mehr Patches nebeneinander verwendet werden, desto schmaler ist das resultierende Antennendiagramm der Gruppe. Für einen einzelnen Patch sind Diagrammbreiten von etwa 130° typisch. Das kann durch eine Anordnung von 8 Patches nebeneinander auf etwa 12° verringert werden. Diese Patchantennen sind eine sehr preisgünstige Lösung. Durch eine nach links und rechts seriell verteilte Sendeleistung erhalten die Patches, die vom Speisepunkt am weitesten entfernt sind, die geringste Leistung. Diese Leistungsverteilung wird durch eine Variation der Breite der Zuleitung (Streifenleitung) beeinflusst. Oft ist sie eine Funktion nach einer Taylorreihe, was eine schmale Hauptkeule bei nur geringer Größe der Nebenkeulen bewirkt. Durch die verringerte Leistung am Rand des Antennenfeldes haben weitere hinzugefügte Strahlungselemente einen stetig verringerten Effekt, bis der ingenieurtechnische Aufwand für die Vergrößerung des Antennenfeldes und Verbesserung des Antennendiagramms nicht mehr gerechtfertigt wird. Das begrenzt die Anzahl der verwendeten Patches in der Antenne. Für sehr anspruchsvolle Anwendungen werden als effektivere Lösung die Sende- und Empfangsantenne vor je einem großen Parabolreflektor angeordnet, welche ein Antennendiagramm mit einem Öffnungswinkel von weniger als einem Grad bilden. Das Antennendiagramm ist im Datenblatt des Moduls oft als real gemessenes Diagramm enthalten.

Einfachere Module mit je einem kleinen Viertelwellendipol als Sende- und Empfangsantenne sind ebenfalls im Handel, die als Bewegungsmelder eine räumlich ausgedehntere Radarüberwachung ermöglichen. Je nach Anordnung dieses Moduls sind 180° bis 360° Radarabdeckung möglich.

Empfänger

In dem Modul befindet sich mindestens ein Abwärtsmischer, der das empfangene Signal in eine tiefere Frequenz umsetzt. Empfangen wird das reflektierte und durch die Laufzeit verzögerte Signal Se(t). Der Detektor des Moduls (hier der Mischer für die Abwärtsmischung in das Basisband) kann für eine Zerlegung des Ausgangssignals in eine gleichphasige (I-Signal) und eine Blindkomponente (Q-Signal) als sogenannter englisch Synchronous Detector für das I&Q-Verfahren ausgelegt sein. Zu diesem Zweck wird die letzte Abwärtsmischung in das Basisband doppelt ausgeführt. Es werden also zwei Mischstufen mit dem phasengleich geteilten Echosignal parallel gespeist. Die für die Abwärtsmischung genutzte LO-Frequenz (oder gegebenenfalls die Sendefrequenz) wird einmal phasengleich als Sinus (für das I-Signal, von englisch in phase), an der anderen Mischstufe um 90° phasenverschoben als Kosinus (für das Q-Signal, von englisch quadrature) bereitgestellt. Um die Informationen dieser beiden Ausgänge sinnvoll zu nutzen, muss die Schnittstelle die I&Q-Daten gleichzeitig auswerten. Eine Übertragung zum Rechner im Zeitmultiplex ohne Zwischenspeicherung genügt nicht, da bereits geringste Zeitunterschiede während der Messung zu zusätzlichen Phasenänderungen führen.

Bei der Betrachtung von Momentanwerten der an den Ausgängen anliegenden Frequenzen ist I der Realteil und Q der Imaginärteil eines komplexen Signals. Die Berechnung einer Amplitude nach dem Satz des Pythagoras und der Phasenlage nach einer Winkelfunktion ist bei Dauerstrichradar nicht notwendig. Da bei Dauerstrichradar keine Momentanwerte einer Sinusschwingung analysiert werden, sondern alle Messwerte über den gesamten Zeitraum der Messung zur Verfügung stehen, kann bei der Messung der Amplitude einer Wechselspannung gewartet werden, bis diese ihren Maximalwert erreicht hat und dann gleich dieser Maximalwert oder der Effektivwert gemessen werden. Das Signal am Q-Ausgang wird lediglich dahingehend überprüft, ob dessen Phasenlage zum I-Ausgang voreilt oder nacheilt.

Direktmischempfänger und die empfindlicheren Überlagerungsempfänger werten die Frequenzverschiebung aus, die bei bewegten Objekten durch den Dopplereffekt auftreten.

Direktmischempfänger

Die Symbole des Blockschaltbildes sind in drei Reihen übereinander angeordnet. In der obersten Reihe ist ganz links der Hochfrequenzgenerator gezeichnet: ein Quadrat mit drei übereinanderliegenden stilisierten Sinusschwingungsperioden. Sein Ausgangssignal wird in einem Leistungsteiler geteilt und der obere Ausgang direkt zur Sendeantenne geleitet. In der mittleren Reihe ist links unter der Sendeantenne die Empfangsantenne gezeichnet. Das Empfangssignal wird in einem Vorverstärker, ein Quadrat mit innenliegendem (hier) nach rechts zeigendem Dreieck, bekannt als Operationsverstärkersymbol, verstärkt. Es folgt eine Mischstufe, ein Symbol aus einem durchkreuzten Kreis; von oben wird an die Mischstufe der zweite Ausgang des Leistungsteilers geführt und von links das Empfangssignal. Es folgt ein Tiefpassfilter, dessen Symbol ist als Quadrat gezeichnet und enthält zwei übereinanderliegende Sinusschwingungen, von denen die obere durchgestrichen ist. Der Ausgang des Tiefpassfilters führt nach unten in die dritte Reihe: diese beginnt rechts mit einem Verstärker, dessen Symbol ist gleich dem Verstärkersymbol aus der zweiten Reihe, jedoch zeigt hier die Spitze des Dreiecks nach links. Das Ausgangssignal wird an den Analog zu Digitalumsetzer geleitet. Dieses Symbol besteht aus dem Quadrat, welches diagonal geteilt ist. Links oben in dem Quadrat steht der Buchstabe A für analog, rechts unten der Buchstabe D für digital. Der Ausgang des Umsetzers ist ein Bussystem, welches als breiter flächenhafter Pfeil gezeichnet ist. Das Ziel dieses Pfeiles ist als Computerschnittstelle angegeben.
Blockschaltbild eines einfachen Dauerstrichradarmoduls: Solche Transceiver werden von vielen Herstellern als „Doppler-Radarsensoren“ angeboten.

Ein Direktmischempfänger arbeitet nach dem Prinzip der homodynen Detektion. Das hochfrequente Empfangssignal wird nach einer Verstärkung direkt mit einem Teil des Sendesignals in einem Mischer überlagert und so in das Basisband transformiert. Der nachfolgende Verstärker arbeitet im Niederfrequenzbereich. Ein Doppler-Radarsensor wird meist als kleines Hybridmodul ausgeführt. Das Blockschaltbild zeigt den prinzipiellen Aufbau, der Analog/Digitalkonverter kann Teil des Moduls sein oder Bestandteil eines digitalen Signalprozessors.

Der Vorteil des einfachen Aufbaus als Direktmischempfänger bedingt einige Nachteile:

Das Verhältnis von Sendeleistung zu Empfangsleistung und die Auswirkung auf die Radarreichweite wird generell für alle Radargeräte durch die Radargrundgleichung beschrieben. In den meisten Anwendungsfällen ist als der größte Dämpfungsfaktor in dieser Gleichung die Zweiweg-Freiraumdämpfung zu nennen. Sie wird als r4 – Abhängigkeit ausgedrückt und beeinflusst die theoretisch mögliche Reichweite des Radars dramatisch (vergleiche: r2 – Abhängigkeit des Abstandsgesetzes, die hier zweimal auftritt: auf dem Hinweg und auf dem Rückweg). Um die Reichweite eines Radars zu verdoppeln, muss gemäß der Radargrundgleichung die Sendeleistung versechzehnfacht werden.

Überlagerungsempfänger

Die verschiedenen Baugruppen dieses Dauerstrichradars wurden in drei Zeilen angeordnet: obere Zeile zeigt den Sendeweg, die mittlere und untere Zeile den Empfangsweg. Ein Hochfrequenzoszillator erzeugt die Sendefrequenz. Dieser ist als quadratisches Symbol mit innenliegenden drei symbolisierten übereinanderliegenden Sinuslinien dargestellt. Der Ausgang führt zu einem Leistungsteiler, der die Leistung in zwei gleich große Teile teilt. Der obere Ausgang wird an einen Verstärkereingang gelegt. In dessen quadratischem Symbol ist ein Dreieck gezeichnet, das wie ein Operationsverstärker mit einer Spitze in Richtung des Ausganges zeigt. (Das symbolisiert die Richtung der Verstärkung.) Wenn nur eine Antenne für Senden und Empfang verwendet wird, muss zwischen Antenne und Ausgangsverstärker ein Zirkulator geschaltet werden. Dieser besteht aus einem kreisrunden Symbol mit drei Anschlüssen, zwei davon in der waagerechten Linie, einer führt nach unten zum Empfangsweg. In dem Symbol befindet sich ein halbkreisförmig in Uhrzeigerrichtung gebogener Pfeil, der die Richtung der Weiterschaltung der Eingangssignale des Zirkulators andeutet. Die Antenne setzt die leitungsgebundene Energie in eine gebündelte Freiraumwelle um, hier nur als blauer nach rechts zeigender Pfeil angedeutet. In Ausbreitungsrichtung befindet sich ein gezeichnetes Auto, welches mittels Bewegungsunschärfe angedeutet, eine Geschwindigkeit hat. Deshalb erhält die Sendefrequenz nach der Reflexion eine Dopplerverschiebung und wird durch die Antenne empfangen. Der Zirkulator leitet diese Frequenz nach unten zur ersten Empfängermischstufe. Die Erzeugung der Lokaloszillatorfrequenz: Links unter dem Hochfrequenzoszillator ist ein zweiter Oszillator gezeichnet, der nur zwei Sinuslinien als Symbol für eine sehr viel niedrigere Frequenz hat. Dessen Ausgangsleistung wird ebenfalls über einen Leistungsteiler geführt. Die Frequenz wird zwei Mal benötigt: einmal zum Heraufmischen der Lokaloszillatorfrequenz und ein zweites Mal zum Heruntermischen der Echosignale in das Basisband im zweiten Abwärtsmischer des Empfängers. Der Aufwärtsmischer für die Lokaloszillatorfrequenz befindet sich in der mittleren Zeile, es ist ein durchkreuzter Kreis mit zwei Eingängen und einem Ausgang. Er erhält von oben einen Teil der Sendefrequenz, von unten einen Teil der Zwischenfrequenz. Sein Ausgang zeigt nach rechts und führt zu einem Bandfilter. Dessen Symbol ähnelt dem des Hochfrequenzgenerator, nur sind die obere und die untere der drei Sinuslinien diagonal durchgestrichen. Das Ausgangssignal wird nur die Summe beider Eingangsfrequenzen als Lokaloszillatorfrequenz weitergeleitet. Es folgt ein Abwärtsmischer für den Empfänger. Dessen Eingangssignale sind von oben das Echosignal und von links die Lokaloszillatorfrequenz. Das Ausgangssignal führt nach rechts und besteht aus der Zwischenfrequenz als Trägerschwingung und ist mit der Dopplerfrequenz überlagert. Dieses Signal wird in einem schmalbandigen Verstärker, dem Zwischenfrequenzverstärker, verstärkt. Dessen Ausgangssignal wird von oben auf den zweiten Abwärtsmischer geführt (gezeichnet in der dritten Zeile). Dieser erhält von links die Referenzfrequenz aus dem Leistungsteiler des Zwischenfrequenzgenerators. Das Ausgangssignal wird nach rechts geleitet auf ein Tiefpassfilter, gezeichnet als quadratisches Symbol mit zwei der Sinuslinien, die obere davon durchgestrichen. Das Ausgangssignal dieses Tiefpasses ist nur noch die gemessene Dopplerfrequenz, die auf einem symbolisiert dargestellten Frequenzzähler gleich als Geschwindigkeit angezeigt wird (hier: 68,9 km/h).
Zur Empfindlichkeitssteigerung verringert man die Frequenz der empfangenen Echosignale auf eine tiefere Zwischenfrequenz. Eine teure Antenne (zum Beispiel ein Hornstrahler) lässt sich mit Hilfe eines Zirkulators gleichzeitig für Senden und Empfangen nutzen.

Die Empfindlichkeit wird verbessert, wenn der Direktmischer durch einen Überlagerungsempfänger ersetzt wird. Im ersten Mischer des Empfängers wird das Empfangsfrequenzband in ein niedrigeres Frequenzband der Zwischenfrequenz fZF (oft zwischen 10 MHz und 100 MHz) herabgesetzt. Aus der Sendefrequenz und einem zweiten hochstabilen Generator auf der Mittenfrequenz des Zwischenfrequenz-Verstärkers wird die zum Abwärtsmischen notwendige Lokaloszillatorfrequenz heraufgemischt und liegt um die Zwischenfrequenz oberhalb der Sendefrequenz. Durch die Umsetzung in ein niedrigeres Frequenzband können Bandfilter höherer Ordnung einfacher realisiert werden und helfen so den Einfluss des 1/f-Rauschens zu verringern. Die Verstärkerstufen können auf dieser Frequenz mit höherer Verstärkung ohne die Gefahr einer Selbsterregung (Eigenschwingung durch Rückkopplung) aufgebaut werden.

Ein zweiter Abwärtsmischer setzt das Echosignal in das Basisband um. Eine weitere Möglichkeit ist, die Empfangssignale direkt auf der Zwischenfrequenz in einem schnellen Analog-Digital-Umsetzer zu digitalisieren und die Abwärtsmischung digital durchzuführen.

Eventuelles Phasenrauschen sowie kleinere Frequenzsprünge der Oszillatoren führen zu kurzzeitigen Messfehlern bis hin zu einem Aussetzen des empfangenen Echosignals, welches während der Laufzeit dieses Frequenzsprunges außerhalb der Empfängerbandbreite liegt. Diese Messfehler werden unabhängig von der Art des Empfängers bei einem CW-Radar über die Zeit ausgemittelt. Auch hier bieten die steileren Filterflanken des Überlagerungsempfängers bessere Bedingungen.

Auch bei der Verwendung von nur einer Antenne und eines Zirkulators zur Trennung von Sende- und Empfangsweg gelangt ein Teil der Sendeenergie direkt in den Empfänger, da die Zirkulatoren die Ausgänge nicht ideal voneinander isolieren können. Es lassen sich Isolationswerte von typisch 18 dB bis höchstens 30 dB erreichen. Das heißt: Mindestens ein Tausendstel der Sendeenergie liegt am Empfängereingang an. Schon ab einer Entfernung von etwa 5 m ist das Echosignal meist kleiner als dieses unerwünschte („parasitäre“) Signal. In einem hochwertigen Dauerstrichradar mit unveränderlicher Sendefrequenz und getrennter Sende- und Empfangsantenne kann mit einer Schaltungsmaßnahme das unvermeidliche Übersprechen intern teilweise kompensiert werden: Da dessen Amplitude in gewissen Grenzen konstant ist und immer mit gleicher Phasenlage erfolgt, kann durch konstruktive Maßnahmen bereits innerhalb der Sendeantenne ein Teil der Sendefrequenz ausgekoppelt und in den Hochfrequenz-Empfangsweg gegenphasig wieder eingekoppelt werden. Wenn Phasenlage und Amplitude passen, wird das von der Empfangsantenne erfasste äußere Übersprechen durch destruktive Interferenz ausgelöscht.

Der Forderung nach einer hohen Stabilität des Generators für die Zwischenfrequenz fZF scheint das Blockschaltbild zu widersprechen: diese Frequenz wird einmal im Signalverlauf addiert… und danach wieder subtrahiert. Die absolute Größe dieser Frequenz ist also theoretisch unerheblich, praktisch muss sie nur im konstruktiv vorgegebenen Durchlassbereich des ZF-Verstärkers liegen. Sie darf sich aber während der Messung nicht ändern. Eine Drift der Zwischenfrequenz während der Laufzeit des Echosignals innerhalb des Empfängers führt zwangsläufig zu einem Messfehler. Praktisch sind hier vor allem solche Frequenzinstabilitäten relevant, die durch eine mechanische Vibration des Generators entstehen würden.

Unmoduliertes Dauerstrichradar (CW-Radar)

Funktionsweise

Ein unmoduliertes Dauerstrichradar sendet elektromagnetische Wellen mit einer konstanten Amplitude und einer konstanten Frequenz. Das Echosignal von bewegten reflektierenden Objekten unterscheidet sich von dieser gesendeten Frequenz durch eine überlagerte Dopplerfrequenz. Die Frequenzdifferenz zwischen Sendesignal und Echosignal ergibt am Ausgang der Mischstufe die Dopplerfrequenz. Echosignale von Festzielen würden eine Gleichspannung am Empfängerausgang ergeben und werden oft durch eine übertragergekoppelte Mischstufe ausgeblendet. Auch hier tritt eine Laufzeit zwischen Sendesignal und Echosignal auf. Durch die Periodizität der Sinusschwingung kann diese nur als Phasenunterschied gemessen werden. Wie viele volle Perioden der Sinusschwingung zusätzlich zu diesem messbaren Phasenunterschied vergangen sind, kann nicht festgestellt werden. Somit ist eine absolute Entfernungsmessung mit einem einzelnen CW-Radar nicht möglich (s.u.).

Gegenstand der Messung

Geschwindigkeitsmessung

Für eine Geschwindigkeitsmessung wird als Messgröße die Dopplerfrequenz fD verwendet. Bei Radargeräten ist zu beachten, dass der Dopplereffekt stets zwei Mal auftritt: Einmal auf dem Weg vom Sender zum reflektierenden Objekt (Signalquelle in Ruhe, Beobachter bewegt). Dort wird die bereits dopplerverschobene Welle reflektiert und der Dopplereffekt tritt ein zweites Mal auf dem Rückweg zum Empfänger auf (jetzt: Beobachter in Ruhe, Signalquelle bewegt). Die Dopplerfrequenz wird bei monostatischen Radargeräten (also solchen, bei denen Sender und Empfänger an einem Standort arbeiten) deshalb nach der Gleichung berechnet:

f_{{\mathrm {D}}}\approx {\frac {2v_{{\mathrm {r}}}}{\lambda }}

wobei vr die Radialgeschwindigkeit des reflektierenden Objektes ist und λ die Wellenlänge der Sendeenergie. Ein Objekt mit der Geschwindigkeit v = 5 m/s erzeugt bei einer Oszillatorfrequenz von 24 GHz die Dopplerfrequenz fD = 800 Hz, die im Hörbereich liegt und technisch einfach auswertbar ist. Das „ungefähr“-Zeichen in der Formel kann in den meisten Fällen durch ein Gleichheitszeichen ersetzt werden. Es hat seine Ursache in der Bedingung für die Gültigkeit der Gleichung. Das ist einerseits die Forderung, dass die Radialgeschwindigkeit sehr viel kleiner als die Lichtgeschwindigkeit sein muss (was in allen bekannten Fällen zutrifft) und dass sich andererseits die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen während der Messung nicht ändert. Das kann in einigen Anwendungsfällen vereinzelt vorkommen, zum Beispiel beim Durchqueren von Schichten unterschiedlicher Dichte der Luft in der Atmosphäre oder bei der Anwendung als Füllstandsmesser, da die Ausbreitungsgeschwindigkeit in Luft eine Andere ist, als in Flüssigkeiten oder festen Stoffen (Schüttgut). Das wirkt sich zum Beispiel bei Füllstandsmessern so aus, dass der Boden des Behälters bei vollem Behälter weiter weg zu sein scheint als bei leerem Behälter.

Das Bild zeigt eine Nahaufnahme der Heckscheibe eines roten Volkswagen-Kombi. Durch das Glas hindurch ist ein Dauerstrichradar zu erkennen. Mittig ist die Kamera auf einer quaderförmigen Baugruppe montiert. Die Front der Baugruppe verdeckt die Sende- und Empfangsantenne. Beide Teilsysteme nehmen etwa ein Drittel des Platzes in der Heckscheibe ein. Links daneben befindet sich das Infrarot-Blitzgerät. Man sieht davon nur eine dunkle rechteckige Fläche mit abgerundeten Ecken und etwas hellerem Rand. Zwischen Blitzgerät und Kamera befindet sich eine Trennwand die bis direkt an die Heckscheibe reicht und welche die Reflexionen des Blitzes an der Heckscheibe von dem Kameraobjektiv abschirmt.
Mobiles Messsystem, montiert in einem Pkw
Richtungsbestimmung der Bewegung bei einem CW-Radarmodul mit I&Q-Ausgängen: Es wird die Dopplerfrequenz an beiden Ausgängen gezeigt. Oben bei einem sich entfernenden, unten bei einem sich annähernden Objekt

Wenn eine Messung der Geschwindigkeit nicht direkt in Bewegungsrichtung des Objektes geschieht, so unterscheidet sich die gemessene Radialgeschwindigkeit von der realen Geschwindigkeit des Objektes. Zum Beispiel wird das im Bild gezeigte mobile Messsystem zur Geschwindigkeitsüberwachung im Straßenverkehr eingesetzt und arbeitet im K–Band auf der Frequenz 24,125 GHz. Das System kann in ein Messfahrzeug eingebaut oder auf einem Spezialstativ betrieben zur Überwachung des fließenden Verkehrs mit fotografischer Dokumentation von Verkehrsübertretungen eingesetzt werden. Mit diesem Gerät können Geschwindigkeiten von 20 km/h bis 250 km/h gemessen werden. Die Geschwindigkeit des ankommenden und/oder abfließenden Verkehrs kann vom rechten oder linken Straßenrand aus gemessen werden. Jedes Gerät muss individuell geeicht werden und wird für einen Betrieb in einem Winkel θ von 20° bis 22° schräg zur Fahrbahn eingestellt. Nur durch diesen festen Abstrahlwinkel ist eine ausreichend genaue Berechnung der Fahrgeschwindigkeit aus der gemessenen Radialgeschwindigkeit möglich:

v={\frac {v_{{\mathrm {r}}}}{\cos {\theta }}}hier:v={\frac {v_{{\mathrm {r}}}}{\cos {({\text{20°…22°}})}}}\approx ({\text{1,05…1,06}})\cdot v_{{\mathrm {r}}}

Eine leichte Ungenauigkeit in der Ausrichtung des Dauerstrichradars zur Fahrbahn hat in diesem Winkelbereich also nur einen geringen Einfluss auf die Geschwindigkeitsberechnung und ist kleiner als die vorgegebene Messtoleranz.

Ein Erkennen mehrerer Objekte mit verschiedenen Geschwindigkeiten ist mit einem Dauerstrichradar möglich, erhöht jedoch den Aufwand. Da sich alle Dopplerfrequenzen im Empfänger überlagern, müssen sie durch parallel arbeitende Filter voneinander getrennt werden. Praktisch bedeutet dies, dass für jede zu erwartende Dopplerfrequenz ein eigenes Filter mit nachfolgender Schwellwertschaltung und Erkennungslogik aufgebaut werden muss. Da die mögliche Anzahl dieser Filterkanäle begrenzt ist, ist sowohl die Messgenauigkeit als auch das Auflösungsvermögen des Dauerstrichradars eingeschränkt. Eine Zuordnung der gemessenen Dopplerfrequenz zu dem jeweiligen Ziel ist mit dem unmodulierten CW-Radar nicht möglich. In der Praxis wird meist auf eine solche Unterscheidung verzichtet, stattdessen wird nur die zum Messzeitpunkt intensivste Dopplerfrequenz ausgewertet. Für die Geschwindigkeitsmessungen von Polizei oder Ordnungsamt heißt das, dass wenn auf dem Bild mehrere Fahrzeuge erkennbar sind, so kann meist nicht bewiesen werden, zu welchem Fahrzeug die gemessene Geschwindigkeit gehört.

Bei einfacher Abwärtsmischung mit dem Ziel der Messung des Betrages einer Dopplerfrequenz geht die Information verloren, in welche Richtung sich das reflektierende Objekt bewegt hat. Manche Doppler-Radarsensoren können auch mit dem I&Q-Verfahren eine Phaseninformation bereitstellen. Damit ist die Auswerteschaltung in der Lage, zusätzlich zur Geschwindigkeit eine Bewegungsrichtung zu erkennen. Das ist keine Winkelmessung: das heißt hier lediglich, dass das Radar erkennen kann, ob sich das Objekt mit der gemessenen Radialgeschwindigkeit zur Antenne hin oder von der Antenne weg bewegt hat.

Abstandsüberprüfung

Unter bestimmten Bedingungen kann ein Dauerstrichradar eine Entfernungsänderung in der Größenordnung der halben Wellenlänge des Senders, also von einigen Millimetern messen. Hierzu wird keine Dopplerfrequenz ausgewertet, sondern es wird eine Phasenlage zwischen Sende- und Empfangswelle überprüft und eine Änderung dieser Phasenlage entweder mit einem Speicheroszilloskop oder Spektrumanalysator oder einem Computer mit entsprechender Software zur Registrierung der Änderung ausgewertet.

HF-Ringmodulator mit Schottkydioden

Dieser Betrieb ist möglich, wenn eine hochwertige Mischstufe, zum Beispiel ein HF-Ringmodulator oder eine Gilbertzelle verwendet wird. Wird diese mit zwei identischen, jedoch phasenunterschiedlichen sehr hohen Frequenzen an den Eingängen gespeist (das heißt, die Frequenzen sind zueinander nur zeitlich etwas verschoben), so erscheint an dessen Ausgang eine Gleichspannung, welche die Größe der Phasendifferenz zwischen beiden Eingangsfrequenzen präsentiert. Um diese Spannung auswerten zu können, müssen die internen Mischeranschlüsse und die weitere Signalverarbeitung gleichstrommäßig gekoppelt sein. Dieser messbare Phasenunterschied kann durch die Periodizität der Sinusschwingung der Trägerfrequenz in einem einzelnen CW-Radar keine eindeutige Entfernungsbestimmung bereitstellen. Wie viele vollständige Perioden der Sinusschwingung zusätzlich zu dieser gemessenen Phasendifferenz hinzukommen, kann nicht bestimmt werden.

Da die verwendeten Dioden im Ringmodulator eine bauarttypische Durchlassspannung haben, ist der Zusammenhang von Phasendifferenz und Gleichspannung nicht linear und sehr kleine Phasendifferenzen ergeben keine eindeutigen Änderungen der Ausgangsspannung. Deswegen (und wegen der fehlenden Eindeutigkeit) kann diese Betriebsart nicht als Messung bezeichnet werden, sondern nur als Überprüfung.

Das Echosignal muss zur Auswertung eine sehr starke Amplitude aufweisen, da sich trotz der Richtwirkung der Antennen ein Teil der starken Sendeenergie (relativ zur Empfangsenergie) durch Superposition mit dem Echosignal an der Empfangsantenne überlagert. Diese von der Sendeantenne direkt auf den Empfangsweg wirkende Energie (sogenanntes Übersprechen) ist gegebenenfalls stärker als ein Echosignal aus etwa 5 m Entfernung. Die notwendige gleichstrommäßige Kopplung verringert die mögliche Empfängerempfindlichkeit und somit die erzielbare Reichweite empfindlich. Es wird also entweder eine sehr geringe Messentfernung oder ein quasi-bistatischer Betrieb (also eine bestimmte Entfernung zwischen Sendeantenne und Empfangsantenne) mit Abschirmung zwischen beiden Antennen vorausgesetzt. Das Echosignal kann durch den Einsatz von Winkelreflektoren verstärkt werden.

Entfernungsmessung

Der Phasenunterschied ΔΦ zwischen beiden Echosignalen ist proportional zur Laufzeit t und im Bereich ΔΦ< 2π ein Maß für die Entfernung R.

Auch mit unmoduliertem Dauerstrichradar ist mit gewissen Einschränkungen eine Entfernungsmessung möglich. Dazu müssen zwei gleiche unmodulierte Dauerstrichradarmodule, mit geringfügig unterschiedlichen Sendefrequenzen f1 und f2, unabhängig voneinander parallel betrieben werden, deren Ausgangssignale einer gemeinsamen Signalverarbeitung unterliegen. Bei der Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen entsteht eine Schwebung beider Schwingungen. Die Zielentfernung kann mittels der Phasendifferenz ΔΦ zwischen beiden Echosignalen bestimmt werden, wobei die Möglichkeiten der Geschwindigkeitsmessung in beiden Kanälen erhalten bleiben. Es werden also beide Ausgangssignale der Dauerstrichradarmodule auf die Eingänge einer Phasenmessschaltung gegeben. Die Phasendifferenz ist proportional zu der Frequenzdifferenz der Sender und der Entfernung R(t) zum Ziel:

\Delta {\mathit {\Phi }}={\mathit {\Phi }}_{1}-{\mathit {\Phi }}_{2}={\frac {4\pi (f_{1}-f_{2})}{c}}R(t)

Der Frequenzunterschied (f1 - f2) muss so gewählt werden, dass die Phasendifferenz für die energetisch maximal mögliche Entfernung den Wert 2π nicht überschreitet. Er soll also kleiner oder gleich dem Kehrwert der maximal zu erwartenden Laufzeit t_{{d_{{\text{max}}}}} sein:

(f_{1}-f_{2})\leq {\frac {1}{t_{{d_{{\text{max}}}}}}}

Er sollte zusätzlich größer als die jeweiligen Empfängerbandbreiten sein, damit gegenseitige Störungen ausgeschlossen werden. Sollten an dem Phasenmesser zwei Paare harmonischer Schwingungen mit zwei unterschiedlichen Phasendifferenzen anliegen, was einer Messung von zwei Zielen in unterschiedlicher Entfernung entspricht, so kann nur die Phasendifferenz der Summe dieser Schwingungen angezeigt werden. Das heißt, mit dieser Methode kann lediglich die Entfernung zu einem Ziel gemessen werden; es kann kein Auflösungsvermögen nach der Entfernung geben.

Werden preiswerte Dauerstrichradarmodule als Transceiver im K-Band verwendet, müssen sie danach ausgesucht werden, dass sie sich nicht gegenseitig stören, also im Testbetrieb direkt gegenüber jeweils keine Ausgangssignale ausgeben. Dann ist die Differenzfrequenz (bewirkt durch die Streuung der Toleranzen verschiedener frequenzbestimmender Bauelemente) größer als die Empfängerbandbreite. Bei einer Frequenzdifferenz von zum Beispiel 100 kHz liegt die maximale eindeutige Messentfernung bei 3 km. Bei Verwendung einer dritten Sendefrequenz kann die maximale eindeutige Messentfernung entsprechend erweitert werden, da eine Wiederholung einer gegebenen Kombination einer Phasendifferenz zwischen drei verschiedenen Frequenzen erst sehr viel später erfolgen kann.

Dieses Verfahren wird Multi-Frequency Ranging (MFR) genannt (auf Deutsch etwa: Entfernungsmessung mit mehreren Frequenzen). In der Praxis werden dafür jedoch keine zwei (oder mehr) unmodulierten CW-Radargeräte verwendet, sondern ein frequenzmodulierbares CW-Radar, welches auf den verschiedenen Frequenzen im Zeitmultiplex arbeitet und somit den FMCW-Radargeräten zugeordnet wird.

Anwendungen von unmoduliertem Dauerstrichradar

Der Einsatz von Dauerstrichradargeräten zur Geschwindigkeitsmessung ist vielfältig und wird immer dort vorgenommen, wo eine berührungslose Messung nötig ist.

Diese Bewegungsmelder werden neben Infrarotsensoren auch zur Steuerung von Türöffnern verwendet. Sie können beim Vorbeifahren von Kraftfahrzeugen, die mit einer (in einigen Ländern illegalen) Radarwarnanlage ausgerüstet sind, bei dieser einen Fehlalarm auslösen.

Moduliertes Dauerstrichradar

Unmodulierte Dauerstrichradargeräte (auch Doppler-Radar genannt) können lediglich Änderungen der Entfernung von Objekten messen (radiale Geschwindigkeiten), nicht jedoch absolute Entfernungen, weil der Zeitbezug für eine Messung der absoluten Laufzeit des Sendesignals fehlt. Wenn im Gegensatz dazu das Signal zeitlich verändert (moduliert) wird, kann die Laufzeit der Veränderung des Sendesignals gemessen werden. Im Prinzip ist jede Art von Modulation (Frequenzmodulation, Phasenmodulation und Amplitudenmodulation) geeignet, um die ausgesendete Welle mit Marken zu versehen, die nach dem Empfang auf die Laufzeit zurückschließen lässt. Eine Art der Amplitudenmodulation führt zum Impulsradar. Weil unterschiedliche Objektgrößen und -reflektivität den Amplitudenverlauf des Echos stark beeinflussen, wird in Dauerstrichradargeräten fast ausschließlich Frequenzmodulation verwendet und die diese Verfahren nutzenden Geräte werden als frequenzmoduliertes Dauerstrichradar oder FMCW-Radar bezeichnet. Diese können in ihrer Funktion auch als bildgebendes Radar genutzt werden.

Frequenzmoduliertes Dauerstrichradar (FMCW-Radar)

Prinzip eines FMCW-Radars: wenn der Fehler durch die Dopplerfrequenz (fD) ignoriert werden kann, dann ist bei linearer Frequenzmodulation des Sendesignals der Betrag des Frequenzabstandes Δf zwischen Sende- und Empfangssignal zu jedem Zeitpunkt ein Maß für die Laufzeit (Δt) und somit für die Entfernung. Die Signalverarbeitung besteht im Wesentlichen aus der Messung der Differenzfrequenz Δf, die sich durch Mischung von Echosignal und aktueller Sendefrequenz ergibt.
Einfaches Blockschaltbild eines FMCW-Radars: die grau hinterlegten Blöcke sind Bestandteil des Transceivermoduls, die grün hinterlegten Blöcke integrierter Bestandteil eines Prozessors mit USB-Schnittstelle.

Funktionsweise

FMCW-Radare arbeiten oft mit einer periodischen Frequenzmodulation, die für einen hohen Anspruch an eine Genauigkeit der Messung möglichst zeitlinear sein muss. Die oft vorhandene Nichtlinearität der Änderung der Ausgangsfrequenz als Funktion der Steuerspannung wird durch eine Vorverzerrung der digital erzeugten Abstimmungsspannung kompensiert, welche eine Abweichung vom linearen Verlauf in die entgegengesetzte Richtung wie der Hochfrequenzgenerator aufweist. Historische FMCW-Radargeräte haben auch eine sinusförmige Modulation benutzt.

Die Modulation wird meist zyklisch vorgenommen. Ein solcher Durchgang von der tiefsten bis zur höchsten Frequenz wird als Signalfolge (meist englisch Burst) bezeichnet. Der Frequenzhub eines solchen Bursts kann einige Gigahertz betragen. Die Steilheit der Frequenzänderung hat einen Einfluss auf das Auflösungsvermögen des FMCW-Radars. Da gleichzeitig die Bandbreite des Empfängers dann aber die maximal mögliche Frequenzänderung begrenzt, muss zwischen Auflösungsvermögen und Reichweite ein Kompromiss gefunden werden.

Gegenstand der Messung

Ausschließliche Entfernungsmessung

Während der Zeit Δt = 2r/c, die das ausgesendete Signal benötigt, um mit Lichtgeschwindigkeit c die Entfernung r zum reflektierenden Objekt zweimal (hin- und zurück) zu durchlaufen, hat sich die Frequenz des Senders bereits verändert. Je schneller die Frequenz verändert wird, je größer also die Steilheit der Frequenzänderung df/dt, desto größer ist der Effekt. Falls kein Dopplereffekt zu berücksichtigen ist, beträgt Δf = Δt · df/dt und die Entfernung lässt sich folgendermaßen berechnen:

r={\frac {c}{2}}\,\Delta t={\frac {c}{2}}\cdot {\frac {\Delta f}{{\mathrm d}f/{\mathrm d}t}}

Wenn sich das reflektierende Objekt relativ zum Radar bewegt, verschiebt sich das Echo um die Doppler-Frequenz fD nach oben oder unten. Diese Frequenzänderung kann bei einer sägezahnförmigen Modulation nicht eindeutig einer Entfernung oder einer Geschwindigkeit zugeordnet werden und erzeugt deshalb einen Messfehler. Dieser wird umso geringer, je größer die Steilheit der Frequenzänderung gewählt wird. Wenn zum Beispiel ein FMCW-Radar im K-Band eine Frequenzänderung mit 100 MHz pro Mikrosekunde verwendet und insgesamt eine Bandbreite von 250 MHz nutzt, arbeitet das Radar zwar nur im Bereich von wenigen 100 Metern mit eindeutiger Messentfernung. Dafür kann eine mögliche Dopplerfrequenz im Kilohertzbereich, entspricht hier einer Geschwindigkeit von etwa 10 m/s, vernachlässigt werden.

Je steiler die Frequenzänderung erfolgt, desto größer ist die Frequenzdifferenz für eine gegebene Zeitdifferenz und das Entfernungsauflösungsvermögen des FMCW-Radars verbessert sich. Gleichzeitig wirkt die Begrenzung durch die installierte maximale Senderbandbreite sehr viel früher und die maximale eindeutig bestimmbare Messentfernung verringert sich. Umgekehrt gilt: wenn die Frequenzänderung flacher (sprich: langsamer) erfolgt, so vergrößert sich diese eindeutig bestimmbare Messentfernung. Die Wahl dieses Parameters ist also ein Kompromiss zwischen Reichweite, Genauigkeit (wegen der Messfehler durch Dopplerfrequenz) und der Entfernungsauflösung.

Simultane Messung von Entfernungen und Geschwindigkeiten
Gleichzeitiges Messen der Entfernung und der Radialgeschwindigkeit eines Zieles: die ansteigende und die abfallende Flanke der dreiecksförmigen Modulation haben eine unterschiedliche Richtung der Dopplerverschiebung. Eine Signalverarbeitung darf erst nach einer kleinen Pause nach den Wendepunkten der gesendeten Frequenzmodulation erfolgen.
Dreieckförmige Modulation

Die Verwendung einer dreieckförmigen Modulationsform bietet die Möglichkeit, die Dopplerfrequenz als Maß für eine Radialgeschwindigkeit als unabhängige Messgröße neben der Entfernungsmessung zu ermitteln. Während der Annäherung erhöht sich die Empfangsfrequenz und vermindert so während der steigenden Flanke den Betrag der Differenzfrequenz. Durch die Überlagerung mit der Dopplerfrequenz ist die Frequenzdifferenz bei Messung einer Annäherung in der ansteigenden Flanke der dreieckförmigen Modulation geringer, in der fallenden Flanke ist sie um den gleichen Betrag höher als bei einem statischen Reflektor. Bei betragsmäßig gleicher Steilheit der Frequenzänderung in steigender und fallender Flanke des Dreiecksignals ist der Mittelwert der Differenzfrequenzen aus beiden Messperioden ein Entfernungsmaß, unabhängig von der Geschwindigkeit. Die Summe der Differenzfrequenzen ist ein Maß für die halbe Radialgeschwindigkeit des Objekts. An die Linearität der Frequenzänderung werden jetzt besonders hohe Anforderungen gestellt.

Um die primären Messergebnisse in ein Bild umzurechnen, müssen die gemessenen Frequenzen mittels Filter erkannt und anschließend die Frequenzen der steigenden Flanke mit den Frequenzen der fallenden Flanke der Dreiecksmodulation korreliert werden. Erst danach kann ein Mittelwert für die Entfernung und die halbe Differenz für die Radialgeschwindigkeit errechnet werden.

In einem Szenario mit mehreren reflektierenden Zielen können bei der Verwendung einer dreieckförmigen Modulation Mehrdeutigkeiten auftreten. Die gemessenen Dopplerfrequenzen und die Frequenzänderungen durch die Laufzeit können durch die Signalverarbeitung nicht mehr eindeutig einem bestimmten Ziel zugeordnet werden. Durch Zuordnung der gemessenen Dopplerfrequenz des einen Zieles zu dem entfernungsbestimmenden laufzeitbedingten Frequenzhub eines zweiten Zieles können sogenannte Geisterziele entstehen. Diese Mehrdeutigkeiten können dadurch ausgeschlossen werden, dass alternierend Messzyklen mit unterschiedlichem Frequenzhub angewendet werden und nur diejenigen Ziele zur Anzeige gelangen, die in beiden Messzyklen auf der gleichen Position auftreten.

Durch diesen relativ hohen Rechenaufwand zur Berechnung der Geschwindigkeit und zur Korrektur der Entfernung wird diese Modulationsform nur noch selten verwendet und wird mehr und mehr durch die folgende Frequency-Shift-Keying-Methode (eine Modulationsform mit Frequenzumtastung) ersetzt, die eine erheblich einfachere Signalverarbeitung bietet.

Frequency Shift Keying

Mit der Modulation unter der Bezeichnung Frequency Shift Keying (FSK) kann das frequenzmodulierte Dauerstrichradar Eigenschaften annehmen, die einem Impulsradar ähneln. Es wird keine sägezahn- oder dreieckförmige Modulationsspannung verwendet, sondern eine rechteckige. Deshalb arbeitet das FMCW-Radar wie ein CW-Radar, springt jedoch periodisch zwischen zwei Sendefrequenzen hin- und her. Diese liegen relativ dicht beieinander, damit die Echosignale beider Frequenzen in die Bandbreite des Empfängers passen. Ab dem Frequenzsprung des Senders wird die Laufzeit gemessen, bis dieser Frequenzsprung im Echosignal registriert wird. Daraus wird wie beim Impulsradar die Entfernung zu dem reflektierenden Objekt bestimmt.

Prinzip der Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessung mittels Frequency Shift Keying (FSK)

Anschließend wird die Dopplerfrequenz bestimmt und daraus die Geschwindigkeit berechnet. Technisch wird nach dem Frequenzsprung im Sender erst einmal eine relativ hohe Differenzfrequenz nach der Mischstufe im Empfänger auftreten. Deren Größe ist die installierte Differenzfrequenz der beiden Sendefrequenzen plus/minus einer möglichen Dopplerfrequenz. Aus diesem Signal lässt sich die Radialgeschwindigkeit eines Objektes leicht ableiten. Die Erkennung mehrerer Dopplerfrequenzen ist theoretisch mit einer Filterbank möglich. Es ist bei diesem Modulationsverfahren jedoch nicht möglich, diese Dopplerfrequenz dann einem bestimmten Ziel zuzuordnen. Wenn dieser ausgesendete Frequenzsprung nach der Laufzeit (zum Objekt und zurück) den Empfänger erreicht, ist dieser Zustand mit der relativ hohen Differenzfrequenz beendet. Die Hüllkurve dieser Differenzfrequenz ist ein Rechteckimpuls, dessen Impulslänge ein Maß für die Entfernung zwischen Radar und reflektierendem Objekt ist. Überlagern sich mehrere dieser Entfernungen, hat die fallende Flanke dieser Hüllkurve die Form einer Treppenspannung. Jede fallende Teilflanke dieser Treppenspannung steht für ein einzelnes Echosignal und ist durch einen Hochpass leicht zu detektieren: je später diese Flanke auftritt, desto weiter ist das reflektierende Objekt entfernt. Eine mögliche Dopplerfrequenz hat keinen Einfluss auf diese Flanke, diese Quelle für einen systematischen Messfehler entfällt deshalb beim FSK-FMCW-Radar.

Einige praktisch erprobte Auswerteschaltungen können durch Messung des Phasenunterschiedes zwischen beiden genutzten Sendefrequenzen eine extreme Genauigkeit in der Entfernungsbestimmung bis hinab zur Wellenlänge der Sendefrequenz erzielen. Das Messprinzip entspricht etwa der Messung einer Entfernung mit zwei unmodulierten Dauerstrichradargeräten. Eine Kombination dieser Auswertung mit der hier beschriebenen Laufzeitmessung des Frequenzsprunges kann die Mehrdeutigkeiten in der Entfernungsmessung bei reiner Phasenmessung überwinden, die durch Phasenunterschiede größer als π auftreten können. Als Nachteil bleibt erhalten, dass mit dieser Methode nur ein einziges Ziel gemessen werden kann, da am Ausgang der Mischstufe nur eine einzelne Phase messbar ist. Vorteil ist hingegen, dass wenn sich zwei Phasenlagen überlagern und nicht auswertbar sind, dann wenigstens die ungenauere Messentfernung aus der Zeitmessung erhalten bleibt.

Stepped-Frequency Continuous Wave (SFCW)

Die Funktion des SFCW-Radar ist eine Erweiterung der Funktion eines FSK-FMCW-Radar. Stepped frequency heißt hier so viel wie „schrittweise Änderung der Frequenz“. Die Frequenzänderung kann nach einem Muster ähnlich einer Treppenspannung folgen, oder zum Beispiel nach dem Costas Code. Durch die Laufzeitmessung wie beim FSK-Verfahren ist eine eindeutige Entfernungsmessung möglich. Diese kann durch Messungen der Phasenlage dann präzisiert werden (ähnlich der Entfernungsmessung unter Verwendung von zwei unmodulierten CW-Radargeräten). Da viele verschiedene Frequenzen innerhalb eines Durchlaufs des Modulationsmusters (dem sogenannten Scan) miteinander verglichen werden können, sind sehr präzise Messungen möglich.

Jedoch auch hier gilt das unter dem Punkt Entfernungsmessung mit CW-Radar genannte Problem, dass wegen der Unmöglichkeit, zwei verschiedene sich überlagernde Phasenverschiebungen zu trennen, nur ein einzelnes Ziel gemessen werden kann. Praktisch ist dies immer das Ziel mit der größten Empfangsleistung. In den meisten Fällen ist das gemäß der r4 – Abhängigkeit der Amplitude des Echosignals auch das Ziel mit der geringsten Entfernung zum Radar.

Elektronische Schwenkung des Antennendiagramms

Bei einer sägezahn- oder dreieckförmigen Modulation ist eine gleichzeitige elektronische Schwenkung des Antennendiagramms für eine flächenhafte Abtastung durch ein FMCW-Radar möglich. Da zu jedem Zeitpunkt auf der Flanke des Sägezahnes die gleiche Entfernung durch die gleiche Frequenzdifferenz gemessen wird, ist die Entfernungsmessung über den gesamten Frequenzbereich mehrfach redundant. Das kann einerseits ausgenutzt werden, um mit schwächerer Sendeleistung eine Signalintegration durchzuführen, um so die Störfestigkeit zu verbessern und die Reichweite zu erhöhen. Hat das Radar jedoch relativ große Leistungsreserven, so ist eine solche Signalintegration für die Zielerkennung nicht notwendig. Das wird bei einigen FMCW-Radargeräten ausgenutzt um diese Sendefrequenzänderung gleichzeitig für eine elektronische Strahlschwenkung zur Abtastung des Raumes zu verwenden.

Technisch realisiert wird das wie bei einer Phased-Array-Antenne mit frequenzabhängiger Strahlschwenkung. Mehrere nebeneinander liegende Antennen werden seriell gespeist, zum Beispiel aus einem Hohlleiter mit vielen Schlitzantennen. Zwischen den Einzelstrahlern befinden sich Umwegleitungen mit fester Länge. Für die mittlere Sendefrequenz entspricht dieser Umweg exakt der Wellenlänge. Bei dieser Sendefrequenz zeigt das resultierende Antennendiagramm in Richtung der Mittelachse der Antennengruppe. Steigt die Frequenz an, so verringert sich die Wellenlänge und die mechanisch festgelegte Umwegleitung zwischen den Einzelstrahlern ist jetzt etwas zu lang. Es entsteht eine Phasenverschiebung von Strahler zu Strahler, welche in der Summe eine elektronische Strahlschwenkung bewirkt. Die letzte Antenne in der seriellen Speisung erhält die Schwingung um die Summe dieser Phasenverschiebungen später als die erste. Die resultierende Wellenfront dieser Antennengruppe wird damit von der Mittelachse in Richtung der letzten Einzelantenne geschwenkt. Somit wird mit einer stationären Antennengruppe ein Sektor von bis zu 90° abgetastet und ersetzt eine mechanische Antennenschwenkung oder -drehung.

Anwendungen von moduliertem Dauerstrichradar

Geöffneter Sender eines Radio-Altimeters (Sowjetunion, ca. 1973):
- unten: montierte Baugruppe
- links: Topfkreis TK mit Scheibentriode ST
- rechts: Deckel mit von Motor M angetriebenen Sektorelement S für eine kapazitiv gesteuerte Frequenzmodulation
61-GHz-FMCW-Radar zur Entfernungsmessung
Oft wird für die Auswertung des Messsignals ein Mikroprozessor genutzt, der diese Störsignale herausrechnen kann, weil deren Positionen nach einem längeren Betrieb bekannt sind. Ein weiteres rechnergestütztes Verfahren wird Multi-echo Tracking genannt. Diese Radargeräte sind meist nur zum Betrieb innerhalb geschlossener abgeschirmter Behälter zugelassen, da sie eine Sendefrequenz nutzen, deren Abstrahlung in den freien Raum durch die Bundesnetzagentur nicht erlaubt wird.
Im nebenstehenden Bild des historischen Altimeters wurde eine sinusförmige Modulation benutzt. Diese entstand durch die Drehung des kapazitiven Abstimmelementes im Resonanzraum. Von dieser modulierten Sinuskurve wurde jedoch nur ein kleiner Teil benutzt (etwa ±30…45° um die 0° und die 180° herum). Dieser Teil der Sinuskurve ist relativ linear, auch wenn an die Genauigkeit noch keine großen Anforderungen gestellt werden konnten. Mit dieser Modulationsweise konnten einfach zu handhabende und robuste Geräte aufgebaut werden.

Phasenkodiertes Dauerstrichradar

Beispielhafte Sequenz eines CW-Radars mit Biphasenmodulation
Antenne des Zielzuweisungsradars 76N6 (NATO-Bezeichnung: „Clam Shell“) des russischen Boden-Luft-Raketen-Systems S-400 Triumf, eines hochpräzisen Dauerstrichradars mit Phasenkodierung: die übereinander angeordneten getrennten Antennen für Senden und Empfangen sind gut zu unterscheiden; die Strahler sind an der in der Mitte befindlichen keilförmigen Abschirmung angebracht.

Der Oszillator eines phasenkodierten Dauerstrichradars erzeugt eine Festfrequenz, deren zeitlicher Verlauf in kurze Abschnitte gleicher Länge unterteilt wird. Innerhalb jedes Abschnittes ist die Phasenlage konstant, die Länge der Abschnitte wird durch die geforderte Entfernungsauflösung bestimmt. In unregelmäßigen Abständen wird zwischen die oft nur wenige Nanosekunden dauernden Abschnitte ein Phasensprung eingefügt. Die Phasenumschaltung erfolgt durch schnelle PIN-Diodenschalter, die eine kurze Umwegleitung in den Sendeweg schalten, so dass die Phase an der Antenne um 180° gedreht anliegt. Dieser PIN-Diodenschalter wird mit einer Digitalspannung gesteuert, die mit einem binären Code verknüpft ist, weshalb die Folge dieser Phasenänderungen einem Bitmuster entspricht. Eine weitere Möglichkeit zur Phasenmodulation ist die Verwendung eines I&Q-Vektormodulators. Dieser teilt das HF-signal in einem −3dB-Richtkoppler in zwei Teile auf, die um 90° zueinander phasenverschoben sind. Je eine Verstärkerstufe vollziehen bei den Teilsignalen eine weitere Phasendrehung um 180°. Danach erfolgt in jedem Teilpfad eine spannungsgesteuerte Dämpfung mit unterschiedlicher Höhe, bevor beide Teilsignale wieder mit einem −3dB-Richtkoppler zusammengefügt werden. Im Ergebnis ist das Ausgangssignal mit einer von der Größe der Steuerspannung abhängigen Phasenverschiebung behaftet.

Die Phasenlage des Sendesignals ist nun von einer Folge von Impulsen abhängig, deren Bitmuster zum Beispiel einem Barker-Code entsprechen kann. Dieser Barker-Code kann auch mehrfach ineinander verschachtelt sein. Innerhalb eines langen Zeitverlaufs, der durch die maximal zu erwartende Laufzeit der elektromagnetischen Welle vorgegeben wird, darf sich dieses Muster nicht wiederholen. Ideal wäre es, dieses Bitmuster durch einen Zufallsgenerator zu erzeugen, aber auch pseudozufällige Bitfolgen sind praktisch möglich und erlauben eine einfache Auswerteschaltung, da das originale Sendesignal nicht mehr schrittweise verzögert werden muss, sondern dort, wo es benötigt wird, mit einem verzögerten Startzeitpunkt neu erstellt werden kann.

Erfolgt die Abwärtsmischung im Empfänger mit der unmodulierten Frequenz, erscheint am Ausgang des Mischers das Bitmuster als Impulsfolge. In der Vergangenheit wurde mit einer langen Laufzeitkette das gesendete Bitmuster zum Vergleich mit dem Empfangssignal schrittweise verzögert. Mittlerweile wird rechnergestützt mit der Sliding-Window-Methode das empfangene Bitmuster mit dem ausgesendeten Signal verglichen. Die Anzahl der verschobenen Bits bis zur Übereinstimmung von Sende- und Empfangssignal ist das Maß für die Entfernung, wodurch eine simultane Messung von Entfernung und Radialgeschwindigkeit ermöglicht wird, da die eventuell zu messende Dopplerfrequenz keinen Einfluss auf die Entfernungsbestimmung hat.

Gegenüber einem Impulsradar hat dieses Verfahren folgende Vorteile:

Rauschmoduliertes Dauerstrichradar

Prinzip eines rauschmodulierten Radars
- Oben: Sendesignal eines rauschmodulierten Radars (zwischen den Impulsen besteht keine Sendepause)
- Mitte: empfangenes laufzeitverzögertes Rauschen (die roten Linien sind hier im Bild nur Sehhilfe, sie haben keine Funktion im Radar)
- Unten: Korrelierter laufzeitverzögerter Ausgangsimpuls

Zur Messung einer Entfernung mit einem Dauerstrichradar kann eine rauschmodulierte Amplituden- oder Phasenmodulation genutzt werden. Für breitbandiges Radar kann hochfrequentes weißes Rauschen direkt leistungsverstärkt und gesendet werden. Die durch das Rauschen modulierten Impulse haben eine Länge von nur wenigen Nanosekunden bei einer Senderbandbreite von mehreren Gigahertz. Auch hier muss im Empfänger das gesendete Rauschsignal schrittweise verzögert werden und wird in einem Korrelator mit dem empfangenen Signal verglichen. Diese Radargeräte arbeiten meist auf Frequenzen oberhalb von 80 GHz und ermöglichen eine Entfernungsauflösung von wenigen Zentimetern. Eine Aufklärung oder Störung dieser Radargeräte ist nicht möglich, da ein zusätzliches Rauschen innerhalb des natürlichen Umgebungsrauschens nicht erkannt werden kann und für eine effektive Störung oder Täuschung das exakte Sendesignal bekannt sein muss.

Zum Empfang werden die reflektierten hochfrequenten Rauschsignale mittels eines hochstabilen lokalen Oszillators, der auf der Mittenfrequenz des Sendefrequenzbandes schwingt, herabgemischt. Das Ausgangssignal der Mischstufe wird verstärkt, mit dem verzögerten Sendesignal verglichen und in einem abgestimmten Empfänger, dem Korrelator, zu einem kurzen Ausgangsimpuls komprimiert, welcher in der Funktion dem Pulskompressionsfilter im Pulskompressionsverfahren ähnelt. Im Empfangssignal tritt zwar zusätzlich das natürliche Umgebungsrauschen auf, welches als Eigenrauschen ebenfalls dem Sendesignal überlagert wird. Dieses zusätzliche Rauschen wird durch den Vergleich mit dem Sendesignal statistisch auskorreliert. Die Impulsdauer des Ausgangsimpulses ist im Idealfall so lang wie die einzelnen Rauschimpulse des Senders, abhängig von der Senderbandbreite meist nur wenige Nanosekunden lang. Das Auflösungsvermögen dieses Radars liegt somit bei Rauschimpulsen von 1 ns Länge bei 15 cm – die Senderbandbreite muss in diesem Fall mindestens 1 GHz betragen. Die Genauigkeit der Messung der Laufzeit ist unabhängig vom Auflösungsvermögen und hängt davon ab, wie viele Schritte Verzögerung im Korrelator für einen einzelnen gesendeten Rauschimpuls vorgesehen beziehungsweise technisch realisierbar sind.

Die Weiterentwicklung dieses Verfahrens, speziell durch das Aussenden von nur vereinzelten Rauschimpulsen, führt zum Rauschradar (wegen der großen Bandbreite auch UWB-Radar genannt). Da aber deren Sender während des Messvorganges nicht ununterbrochen arbeiten, werden diese Geräte den Impulsradargeräten zugeordnet.

Frequenzfreigaben

Es gibt hinsichtlich einer Frequenzfreigabe zwei grundsätzlich verschiedene Dauerstrichradaranwendungen. Eine Möglichkeit ist, das Radar innerhalb von abgeschirmten Behältern zu betreiben (zum Beispiel für Füllstandsmessungen), welche Eigenschaften eines Faradayschen Käfigs aufweisen und keine Abstrahlung nach außen zulassen. Für diese Geräte sind nur Bauartzulassungen nötig, in denen die Betriebsbedingungen festgelegt sind.

Alle anderen Radargeräte, die in den freien Raum abstrahlen, benötigen eine Frequenzfreigabe der Bundesnetzagentur. Diese legt in Verwaltungsvorschriften fest, welche Frequenzen oder welche Frequenzbänder durch wen wie genutzt werden dürfen.

In den sogenannten ISM-Bändern Typ B sind beliebige Anwendungen ohne spezielle Frequenzfreigabe möglich. In solchen speziellen Frequenzbändern können somit auch Dauerstrichradaranwendungen genehmigungsfrei in Betrieb genommen werden. Für das ISM-Band von 24 … 24,25 GHz sind viele preisgünstige Transceiver verfügbar und können für den Aufbau von Bewegungsmeldern und Entfernungsmessgeräten genutzt werden. Oft werden ebenfalls Radartransceiver angeboten, die in anderen Frequenzbändern arbeiten. Diese sind meist für andere Kontinente (zum Beispiel USA) konstruiert und dürfen in Deutschland entweder gar nicht oder nur innerhalb oben genannter abgeschirmter Behälter in Betrieb genommen werden.

Literatur

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Basierend auf einem Artikel in: Extern Wikipedia.de
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Datum der letzten Änderung: Jena, den: 14.06. 2024