Neues Verfahren für die Abstandsmessung Radar mit bislang unerreichter Genauigkeit

Das Radarsystem in der Messkammer: Die Hardware entstand an der Ruhr-Uni Bochum, die Algorithmik am KIT
Das Radarsystem in der Messkammer: Die Hardware entstand an der Ruhr-Uni Bochum, die Algorithmik am KIT

Wissenschaftler des KIT und der Ruhr-Universität Bochum haben gemeinsam ein Radarsystem entwickelt, das die Messlatte für Radarabstandsmessungen auf eine neue Ebene hebt: Mit einer Genauigkeit von einem Mikrometer eröffnet es neue Möglichkeiten in der Produktions- und Anlagentechnik.

Die Anforderungen an die exakte Bestimmung von Abständen erlangen vor allem in der Fertigungstechnik immer größere Bedeutung, beispielsweise bei der genauen Ansteuerung von Robotern, der Produktion mikromechanischer Bauteile oder bei der Steuerung von Werkzeugmaschinen. Dabei werden häufig Glasmaßstäbe, induktive Sensoren oder Lasermesssysteme zur Abstandsmessung eingesetzt. Maßstäbe aus Glas sind sehr präzise und ermöglichen eine mikrometergenaue Messung, sind aber für den täglichen Einsatz zu unflexibel und zu kostenaufwendig. Induktive Sensoren, die Abstände mit Spule, Magnetfeld und Bewegung messen, arbeiten berührungslos und damit verschleißfrei, sind jedoch in ihrer Messwiederholrate beschränkt. Laser ermöglichen ebenfalls eine hochgenaue Messung, eignen sich aber nicht für Umgebungen mit Staub, Feuchtigkeit oder stark veränderlichen Lichtverhältnissen. Demgegenüber können Radarsignale sowohl Staub als auch Nebel gut durchdringen. Radarsysteme werden bis jetzt allerdings vornehmlich zur Wetterbeobachtung, Luftüberwachung oder Abstandsmessung in Automobilen eingesetzt.

Wissenschaftler am Institut für Hochfrequenztechnik und Elektronik (IHE) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) um Prof. Thomas Zwick und am Lehrstuhl für Integrierte Systeme der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Prof. Nils Pohl haben nun ein Radarsystem zur Abstandsmessung entwickelt und erfolgreich eingesetzt. Dieses Radarsystem zeichnet sich durch eine zuvor nicht erreichte Präzision aus: Bei einem gemeinsamen Versuch erreichten die Forscher mit einer Genauigkeit von einem Mikrometer einen neuen Rekordwert für Radarabstandsmessungen. Ein Mikrometer entspricht einem millionstel Meter. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist etwa 40 bis 60 Mikrometer dick.

Zur Messung setzen die Wissenschaftler ein Dauerstrichradar (FMCW-Radar – Frequency Modulated Continuous Wave Radar) ein, dessen Sender während der Dauer des Messvorgangs ununterbrochen arbeitet. Die RUB-Forscher entwickelten die Hardware, die Wissenschaftler des KIT die Algorithmik. Das Radarsystem mit speziellem Messaufbau erlaubt die mikrometergenaue Messung von Abständen bis zu mehreren Metern im Freiraum. Im Vergleich zu Lasersystemen sind diese nicht nur kostengünstiger, sondern bieten auch die Möglichkeit, selbst absolute Positionen eindeutig zu messen. Durch den quasi unbegrenzten Eindeutigkeitsbereich ist das Radar dem Laser weit überlegen.

Das Radarsystem wird nun in mehreren Forschungsprojekten optimiert; seine Genauigkeit wird weiter verbessert. Künftig wird es dazu dienen, verschiedenste Messaufgaben in der Produktions- und Anlagentechnik hochgenau, vielseitig und kostengünstig auszuführen.