Mehrwert-Dienstleistungen Radarsensoren für Verkehrs- und Beleuchtungs-Applikationen

Radarsensoren für Abstandsmessungen

Zur Abstandsmessung wird im Gegensatz zum Dopplermodus ein Radarmodul benötigt, das einen FM-Eingang besitzt. Durch ein geeignetes Spannungssignal am FM-Eingang wird die Sendefrequenz des Radarmoduls innerhalb des K-Bands verändert.

Bei der FMCW-Betriebsart wird die Sendefrequenz durch eine dreieckförmige Signalspannung am FM-Eingang zwischen zwei Grenzfrequenzen (Frequenzhub fM) kontinuierlich verändert (Bild 7).

Wichtig ist, dass diese Frequenzänderung möglichst linear erfolgt, um die darauf basierende Abstandsmessung nicht zu verfälschen. Zu einem Zeitpunkt t erreicht die Sendefrequenz fTx einen Wert f1. Die Frequenz f2 der empfangenen Radarstrahlung fRx zum Zeitpunk t unterscheidet sich jedoch von f1, da die empfangene Radarstrahlung vor einer Zeit tp abgestrahlt wurde und sich während der Laufzeit des Radarsignals zum Objekt und zurück die Sendefrequenz fTx um die Differenz fb = f1 – f2 verschoben hat.

Durch den Mischer wird die Differenzfrequenz fb als Ausgangssignal IF ausgegeben. Zur Auswertung der Messung wird dieses Signal durch eine entsprechende Hardware digitalisiert und in sein Frequenzspektrum zerlegt. Der Abstand zum Objekt wird aus der Frequenz fb ermittelt, die ähnlich wie die Dopplerfrequenz im Frequenzspektrum als Peak erscheint. Aufgrund der begrenzten Bandbreite des K-Bandes (das bei der periodischen Frequenzänderung nicht verlassen werden darf) und unvermeidlichen Toleranzen können allerdings nur Objekte ab einem Mindestabstand von ca 1 bis 1,5 m erfasst werden.

In der Praxis zeigt sich, dass FMCW nur mit Modulen mit engem Abstrahlwinkel sinnvoll eingesetzt werden kann. Bei Modulen mit breiter Abstrahlcharakteristik werden in der Regel viele Objekte erfasst, und es ist schwierig, den zum Messobjekt gehörenden Peak zu identifizieren. Bei der FSK-Betriebsart wird ebenfalls die Sendefrequenz des Radarmoduls mit Hilfe des FM-Eingangs geändert; allerdings nicht kontinuierlich, sondern es wird nur zwischen zwei Frequenzen hin- und hergeschaltet, die sich um einige MHz voneinander unterscheiden – siehe Bild 8.

Grundvoraussetzung für das FSK-Verfahren ist, dass sich das zu messende Objekt bewegt. Dadurch wird für jede der beiden Radarfrequenzen eine separate Dopplerfrequenz erzeugt. Da die Differenz ∆f = fa – fb im Vergleich zu den beiden Frequenzen fa und fb klein ist, ist die Frequenz der beiden Dopplersignale nahezu identisch. Beide Dopplersignale sind jedoch gegeneinander um den Winkel ∆φ phasenverschoben (Bild 9). Aus dieser Phasendifferenz wird der Abstand zum Objekt ermittelt. Die maximale, eindeutige Distanz ist bei einer Phasenverschiebung von 360° erreicht; diese Distanz kann durch geeignete Wahl der Differenzfrequenz festgelegt werden (z.B. 10 m bei ∆f = 15 MHz).

In Bild 10 ist der Screenshot einer FFT-Abstandsmessung dargestellt. Das Rechtecksignal (rot) zeigt das Umschalten der Radarfrequenzen zwischen den Werten fa und fb. Die blaue Kurve stellt die beiden (phasenverschobenen) Dopplersignale zu den beiden Frequenzen dar, die mittels der Sampling-Zeiten txa und txb (Bild 8) gewonnen werden. Aus deren Phasenverschiebung ∆φ kann der Abstand zum Objekt ermittelt werden. FSK kann nur für bewegte Objekte angewendet werden; allerdings lassen sich mehrere Objekte mit unterschiedlicher Geschwindigkeit unterscheiden.

Die Messauflösung ist nur limitiert durch die Signalverarbeitung, jedoch nicht (wie im Fall von FMCW) durch die Bandbreite des K-Bands. Beide Verfahren (FSK und FMCW) erfordern eine hohe Rechenleistung des Mikroprozessors und Erfahrung bei der Auswertung der Daten. Für den schnellen und einfachen Einstieg in FMCW- und FSK-Messmethoden ist das Starter Kit ST-200 geeignet.

Hier handelt es sich um ein 16-bit-Datenerfassungs- und Aufbereitungssystem (Sampling-Rate: 250 kS/s), basierend auf einem NI-USB-6211-Multifunktions-DAQ-Modul von National Instruments. Dies ermöglicht neben Dopplermessungen auch Abstandsmessungen mittels FMCW und FSK. Bild 11 zeigt einen Screenshot des Signal Viewer in der Betriebsart FMCW. Doppler- und FSK-Modus werden durch die entsprechende Wahl der Reiter in der Bedienoberfläche ausgewählt.