Radarsensor-Glossar: Mehr wissen über Radar.

Für Radarsensoren existieren zwei verschiedene Auflösungsarten: Die Entfernungsauflösung und die Winkelauflösung. Bei der Entfernungsauflösung werden zwei Zielobjekte aufgrund ihrer Distanz zum Sensor unterschieden. Mit dieser Auflösung ist somit der kleinstmögliche Abstand gemeint, bei dem der Radarsensor zwei Objekte im Öffnungswinkel noch voneinander unterschieden kann. Ist die Distanz zwischen diesen beiden Objekten geringer als das Auflösungsvermögen des Radarsensors, so können die Objekte nicht mehr differenziert werden. Das Ergebnis: Die zwei Zielobjekte verschmelzen im Messergebnis zu einem einzigen Objekt.

Bei der Winkelauflösung werden die zwei Objekte aufgrund des Seitenwinkels und des Mindestabstands der Objekte auseinandergehalten. Für mehr Informationen zur Auflösung von Radarsensoren lesen Sie unser Tutorial zur Abstandsmessung mit Radarsensoren.

Für die Abstandsmessung von Radarsensoren mit kleinem Öffnungswinkel ist es wichtig, das Zielobjekt korrekt auf den Sensor auszurichten. Bei einem Zielobjekt mit einer ebenen Fläche gilt es, diese möglichst genau im rechten Winkel auf den Radarsensor bzw. dessen Öffnungswinkel auszurichten, um ein starkes Radarsignal zu erzielen. Mit zunehmender Verkippung der Fläche nimmt das Radarsignal ab, da ein Teil des Radarstrahlung nicht  mehr zum Radarsensor zurückgeworfen wird.

Die Rauheit der Fläche spielt dabei eine Rolle: Bei rauen Flächen bleibt das Radarsignal bei Verkippung länger stabil, weil die Radarstrahlen gestreut und in unterschiedliche Richtungen reflektiert werden. Im Gegensatz zu Lasersensoren eignen sich Radarsensoren gut zur Abstandsermittlung von Objekten mit sehr rauen Oberflächen. Mehr Informationen zur Ausrichtung von Radarsensoren finden Sie in unserem Tutorial zur Abstandsmessung mit Radarsensoren.

Der CW-Radar ist auch als unmodulierter Dauerstrichradarsensor bekannt und wird vor allem zur Geschwindigkeitsmessung eingesetzt. Im Gegensatz zum FMCW-Radarsensor (Frequency-Modulated-Continuous-Wave-Radarsensor) sendet der CW-Radarsensor (Continuous-Wave-Radarsensor) Radarwellen mit gleichbleibender Frequenz und Amplitude aus.

Das Messprinzip des CW-Radarsensors: Über die Frequenzdifferenz zwischen Sendesignal und Empfangssignal ergibt sich die sogenannte Dopplerfrequenz. Mit dieser lässt sich die Geschwindigkeit von bewegten Objekten berechnen. CW-Radarsensoren, die Geschwindigkeiten messen, heißen deshalb auch Dopplerradare.

So setzt die Polizei CW-Radare in Form von "Radarfallen" oder "Blitzern" im Straßenverkehr ein, um ordnungswidrige Geschwindigkeitsüberschreitungen zu ermitteln. Auch beim Sport kommt der unmodulierte Dauerstrichradarsensor zum Einsatz – zum Beispiel beim Fußball, um die Ballgeschwindigkeit beim Torschuss zu messen.

Radarsensoren sind zur Vermessung von Objekten verschiedenster Arten und Formen geeignet. So lässt sich mit Radartechnik die Höhe, Breite, Dicke oder der Durchmesser von Platten, Stangen, Rohre und weiteren Objekten ermitteln. Für die Objektvermessung kommen Radarsensoren zur Distanzmessung zum Einsatz, die üblicherweise auf FMCW-Radartechnologie basieren. Die FMCW-Radarsensoren senden Radarwellen aus, die vom Zielobjekt zurückgeworfen werden. Der Vergleich von Sende- und Empfangssignal erlaubt die Berechnung der Distanz zum Zielobjekt.

Um Objekte zu vermessen, braucht man zwei Distanz-Radarsensoren. Hierzu stehen sich die Radarsensoren in einem genau bekannten Abstand gegenüber, so dass sie z. B. ein rechtwinkliges Objekt beidseitig erfassen können. Sie werden dabei möglichst exakt im rechten Winkel auf die gegenüberliegenden Objektseiten ausgerichtet. Die von beiden Radarsensoren gemessenen Abstände zieht man dann vom bekannten Abstandswert ab. Das Ergebnis ist das gewünschte Objektmaß – z. b. die Objektbreite, -höhe oder -dicke.

Beispiel 1: Breitenmessung von Metallplatten

Bei dieser Objektvermessung erfassen die Radarsensoren die gegenüberliegenden Seitenkanten der Metallplatte, um die Breite der Stahl-, Kupfer- oder Aluminium-Bramme zu messen.

Beispiel 2: Dickenmessung von Metallplatten

In diesem Beispiel vermessen zwei Radarsensoren eine Metallplatte von der Ober- und Unterseite. Dadurch wird die Dicke der Bramme ermittelt.

Mit Radarsensoren lassen sich Abstände zu Zielobjekten beliebiger Materialien präzise messen. Radarsensoren zur Abstandsmessung basieren meist auf "Frequency-Modulated Continous Wave"-Radartechnik: Dabei sendet der FMCW-Radarsensor (oder frequenzmodulierter Dauerstrichradar) eine Radarfrequenz aus, die stetig über einen definierten Frequenzbandbereich (z. B. von 122 bis 123 GHz) zu- oder abnimmt. Aus der Frequenzverschiebung des Sende- und Empfangssignals zwischen Radar und Zielobjekt lässt sich dann die genaue Distanz berechnen.

Erfahren Sie mehr über Abstandsmessung sowie Anwendungen von Radar-Distanzsensoren.

Beispiel 1: Höhenmessung auf dem Förderband

Bei dieser Anwendung wird der Radarsensor mit einem exakt ausgemessenen Abstand über dem Förderband platziert. Der Radarsensor misst dann die verschiedenen Schüttguthöhen auf dem Förderband. Durch die Differenz zwischen Schüttgutdistanz und der bekannten Förderbanddistanz lässt sich die Schüttguthöhe berechnen. Hieraus lassen sich in Abhängigkeit der Förderbandgeschwindigkeit auch Rückschlüsse auf die Schüttgutdosierung oder den Förderbanddurchsatz ziehen.

Beispiel 2: Bodenabstandsmessung

Der Radarsensor misst in dieser Anwendung kontinuierlich den Abstand zum Boden. Die Abstandswerte erlauben eine präzise Höheneinstellung des Schneidewerks oder Pflugs.

Das Prinzip des "Frequency-Modulated Continous Wave"-Radars (FMCW-Radar) – auch frequenzmodulierter Dauerstrichradar genannt – ist die Grundlage vieler Radarsensortypen, wie z. B. der meisten radarbasierten Distanzsensoren.

Hierbei sendet der FMCW-Radarsensor eine Radarfrequenz aus, die stetig über ein genau bestimmtes Frequenzband erhöht oder reduziert wird. Diese Frequenzmodulation wird Chirp oder Sweep genannt.

Sobald das Radarsignal auf ein Objekt trifft, werden die ausgesandten Radarwellen zurückgeworfen und vom FMCW-Radarsensor empfangen. Die Frequenz des Empfangssignal unterscheidet sich von der des ausgesendeten Radarsignals. Aus der Differenz der beiden Signale, der sogenannten Frequenzverschiebung, lässt sich schließlich der genaue Abstand zum Zielobjekt errechnen.

Mehr Informationen finden Sie auf unserer FMCW-Radarseite.

Radarsensoren nutzen je nach Anwendungsgebiet und nationaler bzw. internationaler Frequenzverwaltung unterschiedliche Frequenzbereiche im Mikrowellenspektrum von 1 bis 300 GHz. Viele der von Radarsensoren genutzten Frequenzbereiche liegen in sogenannten ISM-Bändern (Industrial, Scientific and Medical Band): Damit sind Frequenzbänder gemeint, die in industriellen Anwendungen, in Forschung und Wissenschaft, für medizinische Zwecke sowie in häuslichen Anwendungen lizenzfrei und in der Regel ohne Genehmigung nutzbar sind. Darüber hinaus nutzen Radarsensoren im Automotive-Bereich spezifische Frequenzbänder, wie z. B. das "Automotive Long Range Radar"-Band (LRR-Band) ab 76 GHz, das "Automotive Short Range Radar"-Band (SRR-Band) ab 77 GHz sowie verschiedene Ultrabreitbänder (Ultra-wide band oder UWB). Für Radarsensoren zur Füllstandsmessung in den Frequenzbereichen 24-26 GHz und 77-81 GHz (vereinfacht 80 GHz) gelten je nach Land oder Region spezifische regulatorische Zulassungsanforderungen – so z. B. in Deutschland das Regelwerk des "nichtnavigatorischen Ortungsfunk für Füllstandsradare". Nachfolgend finden Sie die wichtigsten von Radarsenoren genutzten Frequenzbänder:

24 GHz (ISM-Band)

Dieses ISM-Band wird vor allem für Radarsensoren im Bereich Automotive genutzt – z. B. für Abstandswarnsysteme und Toter-Winkel-Erkennung. Der Frequenzbereich reicht von 24 GHz bis 24,25 GHz, was einer Bandbreite von lediglich 250 MHz entspricht.

24 GHz (Ultrabreitband für Automotive & Füllstandsradare)

Das Ultrabreitband von 24 GHz bis 26 GHz (teilweise auch von 21 GHz bis 26 GHz) wurde in der Vergangenheit von Radarsensoren für Automotive-Anwendungen wiegen Stop-and-go- oder Spurwechsel-Assistenten genutzt. Neue Regulierungsverordnungen in Europa und den USA sehen jedoch vor, dass Radarsensoren für Automotive-Anwendungen künftig nur die LRR- und SRR-Bänder im 76-80 GHz nutzen sollen. Radarsensoren für Füllstandsmessung haben in der Vergangenheit ebenfalls den Frequenzbereich ab 24 GHz genutzt. Auch hier geht der Trend zur Nutzung des Ultrabreitbands für Füllstandsradare von 76 bis 80 GHz.

61 GHz (ISM-Band)

Das ISM-Band von 61 GHz bis 61,5 GHz (vereinfacht 60 GHz) wird von Radarsensoren u. a. für industrielle Anwendungen genutzt. Es hat eine Frequenzbandbreite von 500 MHz. Je nach Land bzw. Region haben die Regulierungsbehörden den Frequenzbereich auf 57 GHZ bis 64 GHz (teilweise sogar bis zu 71 GHz) ausgeweitet. Damit sind Frequenzbandbreiten von 7 GHz und mehr möglich. Diese erweiterten Frequenzbereiche können von sogenannten MIMO- bzw. 3D-Radarsensoren zur Präsenzdetektion, Gesten- oder Bewegungserkennung in Industrie-, Verbraucher- und Mobiltelefonanwendungen genutzt werden, bei denen eine hohe Auflösung entscheidend ist.

76 GHz (Automotive LRR-Band)

Das sogenannte "Automotive LRR"-Band (Long Range Radar) ist für Radarsensor-Anwendungen im Automotive-Bereich reserviert. Hierzu gehören u. a. Adaptive Geschwindigkeitsregelung, Querverkehr-Alarm, Toter-Winkel-Erkennung und Spurwechsel-Assistenz. Das Band reicht von 76 GHz bis 77 GHz und hat somit eine Frequenzbandbreite von 1 GHz.

76 GHz (Ultrabreitband für Füllstandsradare)

Dieses Ultrabreitband wird von Radarsensoren zur Füllstandsmessung genutzt. Das Frequenzband reicht üblicherweise von 76 GHz bis 80 GHz und hat damit eine Bandbreite von 4 GHz.

77 GHz (Automotive SRR-Band)

Das "Automotive SRR"-Band (Short Range Radar) reicht von 77 GHz bis 81 GHz, was einer Frequenbandbreite von 4 GHz entspricht. Dieses Ultrabreitband ist u. a. als Ersatz für das Automotive-Ultrabreitband ab 24 GHz gedacht. Bislang ist die Regulierung noch nicht in allen Ländern und Regionen abgeschlossen.

122 GHz (ISM-Band)

Dieses ISM-Band reicht von 122 GHz bis 123 GHz und hat folglich eine Frequenzbandbreite von 1 GHz. Manche Regulierungsbehörden haben den Frequenzbereich auf 120 GHZ bis 123 GHz (bzw. 116 GHz bis 123 GHz) ausgeweitet, was einer Bandbreite von 3 GHz bis 7 GHz entspricht. Dies erlaubt die Nutzung von Radarsensoren für industrielle Anwendungen mit höchster Auflösung und Präzision.

FSK-Radarsensoren (Frequency Shift Keying) gehören zusammen mit den CW-Radarsensoren und dem FMCW-Radarsensoren zu den sogenannten Dauerstrichradaren. Diese senden im Gegensatz zu den Pulsradarsensoren während der Messung ununterbrochen Radarwellen aus. Ebenso wie beim FMCW-Radarsensor findet auch beim FSK-Radarsensor eine Frequenzmodulation statt. Während das Radarsignal beim FMCW-Radar kontinuierlich über einen definierten Frequenzbereich ab- oder zunimmt, schaltet der FSK-Radar jedoch ständig zwischen mindestens zwei Frequenzwerten hin und her.

Weil das Radarsignal durch die ständige Frequenzumschaltung einem Rechteck ähnelt, spricht man beim FSK-Radarprinzip auch von der "rechteckförmigen Modulation". Über den Vergleich der Phasen vor und nach der Frequenzumschaltung kann die Entfernung zu Objekten gemessen werden. Zudem kann durch die Dopplerfrequenz die Geschwindigkeit eines bewegten Objekts ermittelt werden. Eingesetzt wird der FSK-Radarsensor u. a. in Anwendungen, bei denen die Distanz zu einem bewegten Objekt erfasst werden soll.

Radarsensoren sind in der Füllstandsmessung mittlerweile weit verbreitet. Während in der Vergangenheit Pulsradarsensoren für der Füllstandsmessung zum Einsatz kamen, hat sich hier mittlerweile der FMCW-Radarsensor (24 GHz, 80 GHz oder 122 GHz) durchgesetzt. Weil Radarsensoren kontaktlos messen, eignen sie sich hervorragend zur Füllstandskontrolle von aggressiven Feststoffen und ätzenden Flüssigkeiten oder wenn die Anforderungen an Hygiene besonders hoch sind, wie z. B. in der Lebensmittel- oder Pharmaindustrie. Zudem können Radarsensoren die Füllstände auch durch Silos-, Tank- oder Gefäßwände messen, falls das Wandmaterial nicht metallisch oder leitfähig ist. So gibt es keinerlei Kontakt zwischen Radarsensor und dem zu messenden Medium. Dies kann z. B. im Chemie- und Pharmabereich erforderlich sein. Ein weiterer Vorteil: Hochwertige Radarsensoren liefern auch in harschen Umgebungen verlässliche Messergebnisse. Extreme Temperaturen, Druckunterschiede, Feuchtigkeit, Staub, Dreck, Dampf und Rauch haben normalerweise keinen Einfluss auf die Füllstandsmessung. Dies gilt auch für Dreck oder Wassertropfen auf der Linse.

Bei der Füllstandsmessung wird der Radarsensor üblicherweise vertikal über dem zu messenden Medium angebracht. Die ausgesendeten Radarwellen werden von der Flüssigkeit oder dem Feststoff (z.B. Schüttgut oder Pulver) ganz oder teilweise reflektiert und vom Radarsensor empfangen. Aus dem ermittelten Distanzwert wird dann basierend auf der Gesamtfüllhöhe des Behältnisses der genaue Füllstand berechnet. Erfolgt die Füllstandsmessung in einem Behältnis, bieten Radarsensoren mit einem kleinen Öffnungswinkel meist bessere Messergebnisse. So lassen sich Messfehler vermeiden, die durch Störreflektionen an der Wand entstehen können.

Radarsensoren eignen sich zur Füllstandsmessung von Pulver, Schüttgut, Flüssigkeiten oder Pasten in Silos, Prozess- und Lagertanks oder anderen Behältnissen. Eingesetzt werden Füllstandradarsensoren u. a. in der Lebensmittelindustrie, in der Chemie- und Pharmabranche, in der Zement- und Baustoffindustrie, in der Metallindustrie sowie im Bergbau.

Erfahren Sie mehr über Füllstandsmessung und Anwendungen von Radar-Füllstandssensoren.

Beispiel: Füllstandsmessung von flüssigem Metall

Für die Füllstandsmessung von heißem, flüssigem Metall sind hochleistungsfähige Radarsensoren notwendig, die auch bei Metalltemperaturen von bis zu 1600 Grad Celsius zuverlässig durch Staub, Dampf, Rauch messen. OndoSense Radarsensoren eignen sich u. a. für die Füllstandsmessung  in Schmelzöfen und -tiegeln, in Rinnensystemen (Launder Systems), in Gießpfannen, Torpedowagen oder Gussformen sowie im Druck- und Kokillenguss von Brammen oder Barren.

Ein Impuls-Radarsensor (oder Pulsradar) sendet in regelmäßigen Abständen kurze Impulse aus, die von Objekten reflektiert und vom Radar empfangen werden. Im Gegensatz zum FMCW-Radarsensor findet beim Impuls-Radarsensor also keine kontiniuerliche Aussendung von Radarsignalen statt. Aus der Zeitdifferenz zwischen Sende- und Empfangssignal kann die Entfernung der Objekte errechnet werden.

Weil Impuls-Radarsensoren meist mit starker Sendeleistung arbeiten, können Objekte in großen Entfernungen von mehr als 100 km ausgewertet werden. Die bei solchen Distanzen erreichte Genauigkeit beträgt dabei bis zu < 20 Metern.  Impuls-Radare werden besonders im militärischen Bereich angewendet, finden aber auch in der Flugsicherung, in der Wetterbeobachtung sowie in der Erderkundung über Satelliten Anwendung. In der Vergangenheit wurden Impuls-Radarsensoren auch als Füllstandsradarsensoren eingesetzt. Mittlerweile hat der FMCW-Radarsensor den Puls-Radar in diesem Anwendungsgebiet ersetzt.

Für die radarbasierte Kollisionsvermeidung kommen üblicherweise FMCW-Radarsensoren zum Einsatz. Diese ermitteln den Abstand zu unbewegten oder bewegten Hindernissen im Öffnungswinkel des Radarsensors. Das Unterschreiten von definierten Schwellenabständen aktiviert einen mehrstufige Sicherheitsprozess. Bei Fahrzeugen mit radarbasierten Kollisionsvermeidungssystemen gibt es meist zwei über Abstandswerte definierte Sicherheitszonen: eine Warn- und eine Schutzzone. Die Warnzone definiert einen Abstand, bei dem das Fahrzeug seine Geschwindigkeit automatisch reduziert, um rechtzeitig stoppen zu können. Die Schutzzone greift innerhalb der Warnzone, wenn das Fahrzeug bereits entschleunigt. Diese Zone definiert einen Abstand, bei dem das Fahrzeug vollständig abgebremst wird, um die Kollision zu verhindern.

Radarsensoren haben im Vergleich zu anderen Sensortechnologien bestimmte Vorteile, wenn es um das Vermeiden von Kollisionen geht. So bieten leistungsfähige Radarsensoren auch in schwierigen Bedingungen mit großen Temperaturunterschieden, Feuchtigkeit, Regen, Schnee, Staub, Dreck oder Rauch stets zuverlässige Messresultate. Zudem gibt es im Gegensatz zu Lidar-Sensoren und Kamerasystemen keine bewegten Teile oder komplizierte Optiken gibt, so dass Radarsensoren deutlich wartungsärmer und robuster sind.

Radarsensoren werden mittlerweile in vielen Branchen zur Kollisionsvermeidung eingesetzt, um Unfälle zu verhindern, ungeplante Stillstandzeiten zu unterbinden und mehr Produktivität zu erreichen. Besonders im Automotive-Sektor spielen Radarsensoren ein wichtige Rolle: Sie finden Verwendung als Einparkhilfen, für Abstandswarnsysteme, zur Adaptiven Geschwindigkeitsregelung sowie als Alarmsysteme bei Querverkehr. Aber auch in anderen Branchen wie im Bergbau, in Transport und Logistik, in der Robotik und in der Landwirtschaft hat sich der Einsatz von Radarsensoren für Kollisionsvermeidung etabliert.

Nachfolgenden finden Sie einige Anwendungsbeispiele für Kollisionsvermeidung mit Radarsensoren:

Beispiel 1: Kollisionsvermeidung für Krane

Der Radarsensor erfasst den Abstand zwischen den zwei Brückenkranen auf der Kranbahn. Um Kollisionen zu verhindern, wird die Krangeschwindigkeit in definierten Abstandszonen sukzessive bis zum Nothalt in der Schutzzone reduziert.

Beispiel 2: Kollisionsvermeidung für Minenfahrzeuge

Mit Radarsensoren können Hindernisse von Minenfahrzeugen innerhalb definierter Sicherheitszonen auch in den schwierigen Produktionsumgebungen des Bergbaus sicher erfasst werden, um Kollisionen zu verhindern.

Sowohl Laser- als auch Radarsensor senden elektromagnetische Wellen aus, die vom Zielobjekt zurückreflektiert und ausgewertet werden. Allerdings emittiert der Radar Strahlung im Mikrowellenbereich, während es sich beim Laser um ein Lichtsignal mit einer deutlich höheren Frequenz handelt. Deshalb ist beim Radarsensor die Wellenlänge, die mit niedrigerer Frequenz zunimmt, deutlich größer als beim Lasersensor und liegt im Millimeterbereich.

Das bedeutet, dass feine Partikel wie z. B. Staub oder Regentropfen die Ausbreitung des Radarsignals nicht behindern. Das Lasersignal wird dagegen gestört, da die Wellenlänge hier im Mikrometerbereich oder darunter liegt. Daher sind Radarsensoren deutlich besser für den Außenbereich oder harsche Produktionsumgebungen mit Dampf, Rauch, Staub geeignet. Ebenso beeinflusst Dreck auf der Radarlinse üblicherweise das Messergebnis nicht.

Aufgrund der sensiblen Laserdioden sind Lasersensoren meist empfindlicher als Radarsensoren bei Umwelteinflüssen wie z. B. extremen Temperaturen, Vibrationen oder Druckvariationen. Auch schwierige Lichtverhältnisse beeinflußen die Radarwellen nicht. Ebenso haben raue Materialien oder Oberflächen in gewissen Farben keinen Einfluss auf die Messung.

Obwohl mit hochleistungsfähigen Radarsensoren mittlerweile Messgenauigkeiten im Mikrometerbereich erreicht werden, sind mit Triangulations-Lasersensoren in begrenzten Messbereichen noch präzisere Messergebnisse möglich, sofern die Umgebungsbedingungen dies zulassen.

Nachfolgend finden Sie einen Vergleich der Leistungen von Radarsensoren, Laser- und Ultraschallsensoren:

Mit der Linearitätsabweichung ist die größtmögliche Abweichung zwischen dem Idealwert und dem vom Sensor ermittelten Wert innerhalb eines definierten Messbereichs gemeint. Wenn zum Beispiel ein Radarsensor mit eine Linearitätsabweichung von ±0,1 mm einen gemessenen Distanzwert von 1 mm ausgibt, so liegt der reelle Distanzwert im Bereich von 199,9 bis 200,1 mm. Je kleiner die Linearität eines Messystems, desto besser ist seine Messleistung. Die Linearität ist als ±00% v.E. definiert. Dabei ist mit v.E. (vom Endwert) der gesamte Messbereich gemeint. Üblicherweise werden bei der Ermittlung der Linearität Messschwankungen durch Remissionsgrad, Temperatur- oder Einschaltdrift sowie weitere Kriterien nicht berücksichtigt.

Mit dem Messbereich (oder der Reichweite) eines Radarsensors ist die räumliche Ausdehnung gemeint, in dem der Sensor aufgrund seiner technischen Spezifikationen ein Zielobjekt erfolgreich erfassen kann. Der Messbereich wird meist mit dem kleinsten möglichen Messabstand und dem größten mögliche Messabstand in Metern oder Millimetern angegeben (z. B. Messbereich: 0,1 bis 40 Meter). Nur wenn sich das Zielobjekt innerhalb dieser zwei Distanzwerte befindet, ist eine Messung möglich.

Den Bereich zwischen Nullpunkt und minimalem Messabstand nennt man die Blindzone. Bei einem Messbereich von 0,1 bis 40 Meter ist die Blindzone also <0,1 Meter. Befinden sich Objekte in der Blindzone, kann der Radarsensor sie nicht oder nur unzuverlässig erfassen. Generell ist die maximale Messdistanz bei Radarsensoren vom Radarrückstreuquerschnitt abhängig.

Im Gegensatz zu FMCW-Radarsensoren können Impuls-Radarsensoren Reichweiten von weit über 100 Kilometer erzielen. Allerdings sind hierfür sehr leistungsstarke Radargeräte notwendig, die meist nur im militärischen Bereich oder in der Flugkontrolle Einsatz finden.

Der Messfleck eines Radarsensors wird durch den Öffnungswinkel der Radarlinse bestimmt und beeinflusst die genaue Erfassung des Zielobjekts. Die Größe des Messflecks lässt sich einfach berechnen und ist für Abstandsmessung ein wichtiges Leistungskriterium. Grundsätzlich ergibt ein großer Öffnungswinkel einen großen Messfleck, während ein kleiner Öffnungswinkel zu einem kleinen Messfleck führt. Für genaue Abstandsmessungen ist ein möglichst kleiner Messfleck vorteilhaft, weil dieser zu einem stärkeren Empfanggssignal mit weniger Störreflektionen führt.

Mehr Informationen zum Messfleck finden Sie in unserem Tutorial für Abstandsmessungen mit Radarsensoren. Den Messfleck von Radarsensoren können Sie mit unserem Messfleck-Rechner bestimmen.

Für Radarsensoren zur Distanzmessung ist Messgenauigkeit (engl. Measurement Accuracy) ein wichtiger Qualitätsfaktor. Das JCGM (Joint Committee for Guides in Metrology) definiert Genauigkeit im International Vocabulary of Metrology (VIM-Ausgabe 2012) als "Grad der Übereinstimmung zwischen einem gemessenen Mengenwert und dem richtigen Mengenwert einer Messgröße".

Demnach ist Genauigkeit in der Messtechnik das Ergebnis von Messpräzision und Messrichtigkeit: Hohe Messpräzision (veraltet: Messwiederholgenauigkeit) besteht dabei dann, wenn man durch wiederholte Messungen unter gleichbleibenden Bedingungen höchstmöglich übereinstimmende Messwerte erzielt. Hohe Messrichtigkeit wird hingegen erreicht, wenn der Mittelwert einer großen Anzahl gemessener Werte einem idealen Referenzwert entspricht.

Somit ist ein Radarsensor oder ein anderes Messsystem dann genau, wenn er sowohl wiederholt präzise Messwerte liefert als auch stets im Mittelwert richtige Messwerte erzielt.

Hohe Messpräzision (veraltet Messwiederholgenauigkeit) bedeutet, dass ein Messgerät (z. B. ein Radarsensor) bei wiederholten Messungen unter gleichbleibenden Bedingungen höchstmöglich übereinstimmende Messwerte erzielt. In der Messtechnik ist die Messpräzision im Zusammenspiel mit der Messrichtigkeit die Basis für Messgenauigkeit. Mehr Informationen finden Sie unter "Messgenauigkeit".

Unter der Messrate eines Radarsensors oder eines Messgeräts versteht man die Anzahl der Messungen in einer gewissen Zeitspanne, bzw. die Frequenz, mit der sich das Messergebnis aktualisiert. Man bezeichnet sie auch als Messfrequenz oder Messgeschwindigkeit. Die Messrate wird üblicherweise in Hertz (Hz) angegeben (Messungen pro Sekunde).

Neben der Messrate existiert der Begriff der Abtast- oder Ausgaberate. Diese bezieht sich allerdings nicht darauf, wie "schnell" ein Messgerät tatsächlich messen kann, sondern mit welcher Frequenz die Schnittstelle das Ausgabesignal aktualisiert.

Hohe Messrichtigkeit (englisch Measurement Trueness) besteht dann, wenn der Mittelwert einer großen Anzahl gemessener Werte einem idealen Referenzwert entspricht. In der Messtechnik ist die Messrichtigkeit gemeinsam mit der Messpräzision die Grundlage für Messgenauigkeit. Mehr Informationen finden Sie unter "Messgenauigkeit".

MIMO-Radarsensoren basieren auf einer neuartigen Radartechnologie mit mehrfachen Sende- und Empfängerantennen – daher auch der Name MIMO, der für "Multiple Input Multiple Output" steht. Beim MIMO-Radarsensor emittiert jede Sendeantenne unabhängig von den anderen Antennen ein Signal, welches von allen Empfängerantennen aufgenommen wird.

Durch die mehrfachen Sende- und Empfangsantennen sowie die große Antennenfläche (Apertur) bietet die MIMO-Radartechnologie eine im Vergleich zu klassischen FMCW-Radaren erhöhte Winkelauflösung in der Horizontale (Azimuth) und Vertikale (Elevation). Damit kann der MIMO-Radarsensor mehrere Objekte gleichzeitig im dreidimensionalen Raum bestimmen. Hierzu erfasst der Radarsensor den horizontalen und vertikalen Objektwinkel und ermittelt so die Objektposition in 3D.

Mit der MIMO-Technologie können Radarsensoren mehrere Objekte nicht nur zeitgleich nach vertikaler (1) und horizontaler (2) Winkellage unterscheiden, sondern auch nach Geschwindigkeit (3) und Distanz (4). Daher nennt man diese MIMO-Radare auch 4D-Radarsensoren. Mit Hilfe von Mikrodoppler-Algprithmen können mit dem MIMO-Radar zudem kleinste menschliche Bewegungen – z. B. die Auf- und Abbewegung des Brustkorbs beim Atmen – erfasst werden. So kann der Radarsensor auch zwischen menschlichen und nicht-menschlichen Zielobjekten unterscheiden. Grundsätzlich basieren MIMO-Radarsensoren auf dem Prinzip des frequenzmodulierten Dauerstrichradars (FMCW-Radar), allerdings messen MIMO-Radarsensoren deutlich weniger genau und in komplexen Umgebungen weniger stabil als klassische FMCW-Radarsensoren. Zudem ist die Winkelauflösung im Vergleich zu LIDAR-Sensoren weiterhin geringer.

Das Anwendungsspektrum von MIMO-Radarsensoren reicht von Personen- und Fahrzeugzählungen im öffentlichen Raum (Smart City) über das Gesundheitsmonitoring von Senioren und Patienten (Smart Health) bis hin zum industriellen Einsatz in der kollaborativen Robotik oder als Sicherheitsensorik für mobile Roboter im Transport- und Logistikwesen. So können z. B. mit MIMO-Radarsensoren Kollisionsvermeidungssysteme erstellt werden, die z. B. Hindernisse identifizieren, die auf dem Boden liegen oder von oben in den Fahrweg hineinragen.

Radarsensoren eignen sich gut zur Objektdetektion von statischen und bewegten Objekten. Basierend auf FMCW-Radartechnik ermitteln Radarsensoren für Objektdetektion die Entfernung und bei Bedarf auch die Geschwindigkeit der Zielobjekte. Damit eignen sich diese Radarsensoren z. B.  zur Fahrzeugzählung von Zügen, zur Höhen- und Durchfahrtskontrolle von LKWs, zur zerstörungsfreien Präsenzkontrolle von Objekten in Verpackungen, aber auch zur Positionskontrolle von Kranen oder zur Kollisionsvermeidung von Minenfahrzeugen oder Landmaschinen.

Während hohe Genauigkeit bei der Objektdetektion eine eher untergeordnete Rolle spielt, ist die zuverlässige Erfassung der Zielobjekte selbst in schwierigen Bedingungen oder im Außenbereich von großer Bedeutung. Radarsensoren eignen sich sehr gut hierfür, weil sie auch in harschen Umgebungen oder im Outdoor-Bereich mit extremen Temperaturschwankungen, Regen, Schnee, Staub, Dreck oder Rauch stets verlässliche Ergebnisse liefern.

Beispiel 1: Positionskontrolle von Kranen oder Kranauslegern

Radarsensoren erfassen die Lage des Kranauslegers oder anderen beweglichen Kranbauteilen und ermöglichen so eine zuverlässige Positionskontrolle von Kranen.

Beispiel 2: Kollisionsvermeidung von Minenfarzeugen

Radarsensoren erkennen Hindernisse innerhalb von definierten Sicherheitszonen auch in der schwierigen Produktionsumgebung des Bergbaus stets verlässlich, so dass der Muldenkipper, Bagger oder Radlader sofort gestoppt werden kann.

Der Öffnungswinkel (bzw. Strahlbreite oder Radarkeule) ist eine wichtige Kennziffer in der Radartechnik: Er gibt Aufschluss darüber, wie groß der Bereich ist in dem Objekte von den Radarstrahlen erfasst werden. Man berechnet den Öffnungswinkel über die sogenannte Halbwertsbreite der Antennenleistung des Radarsensors. Dazu ermittelt man unter nahezu reflexionsfreien Bedingungen das Maximum der Antennenleistung.

Die Halbwertsbreite errechnet sich dann aus dem Winkel zwischen den zwei Punkten in der Leistungskurve (Radarkeule) der Radarantenne, an denen die maximale Leistung genau auf die Hälfte gefallen ist. Üblicherweise wählt man in solchen Leistungskurven die logarithmische Skala. Für den Faktor 0,5 ist dies der Wert -3 dB.

Radarreflektoren werden eingesetzt, um Radarstrahlung unabhängig von der Einfallsrichtung möglichst exakt zum Radarsensor zurückzuwerfen. Sie werden auch Winkelreflektoren oder Corner Cubes genannt und bestehen aus drei Flächen die rechtwinklig angeordnet sind.

Radarreflektoren tragen dazu bei, die maximale Messdistanz zu erweitern. Grund dafür ist, dass der vergrößerte Radarquerschnitt des Reflektors das Radarsignal erheblich verstärkt. Zudem können Corner Cubes die Winkelstabilität und Genauigkeit von bestimmten Messungen deutlich erhöhen. Mehr Informationen zu Radarreflektoren finden Sie in unserem Tutorial für Abstandsmessungen mit Radarsensoren.

Der "Synthetic Apertur Radar" (SAR) ist ein bildgebender Radarsensor, der zur Erderkundung in Flugzeugen oder Satelliten dient. Er liefert hochauflösende zweidimensionale Bilder der Erdöberfläche. Der SAR-Radarsensor nutzt die Flugbahn von Satelliten oder Flugzeugen, um eine riesige Antennenfläche zu simulieren. Diese synthetische Apertur funktioniert folgendermaßen: Der SAR-Radar erfasst ein Zielgebiet auf der Erde im Verlauf seiner Flugbahn über einen längeren Zeitraum immer wieder, wobei sich der Blickwinkel stetig verändert. Die empfangenen Radardaten werden in der Folge zusammen mit den genauen Positionsdaten des Flugobjekts verarbeitet. Das Ergebnis ist ein Radarbild mit einer sehr hohen Auflösung.

Da SAR-Bilder Fotografien ähneln und bei fast jedem Wetter sowie auch nachts gute Aufnahmen liefern, verwendet man sie oft zur Kartierung, Erkundung und Aufklärung der Erdoberfläche. SAR-Radarbilder können unter idealen Bedingungen eine Aufklärung von bis zu 0,1 Metern erzielen.

Was sind die Unterschiede zwischen Radarsensoren und Ultraschallsensoren? Ultraschallsensoren senden im Gegensatz zu Radarsensoren nicht elektromagnetische Wellen aus, sondern mechanische Schallwellen. Diese sind nicht nur deutlich langsamer als Radarwellen, die sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, sie brauchen auch ein Medium, un sich auszubreiten.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen variert stark mit dem Ausbreitungsmedium. So breitet sich Ultraschall in Luft mit etwa 330 Meter pro Sekunde aus, in Knochen jedoch mit der zehnfachen Geschwindigkeit (3300 Meter pro Sekunde). Die Schallwellengeschwindigkeit ist zudem stark von Faktoren wie Temperatur, Druck oder Feuchtigkeit abhängig, was z. B. verlässliche Messungen in widrigen Umgebungen oder im Außenbereich erschwert. Auch eine Verschmutzung des Ultraschallsensors beeinträchtig die Messpräzision und -qualität.

Radarsensoren messen hingegen auch im Outdoorbereich oder in schwierigen Produktionsbedingungen mit extremen Temperaturen, Vibrationen, Dampf, Rauch, Druck oder Staub stets verlässlich. Staub oder Dreck auf der Linse haben meist keinen wesentlichen Einfluss auf das Messergebnis.

Nachfolgend finden Sie einen Vergleich der Leistungen von Radarsensoren, Ultraschall- und Lasersensoren: