Studienbrief Radarsensoren - Ulm · - Ludloﬀ: Handbuch Radar und Radarsignalverarbeitung, Vieweg,...

Studienbrief

Radarsensoren

Weiterbildender Masterstudiengang „Sensorsystemtechnik“ der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Informatik

mit dem Abschluss „Master of Science (M. Sc.)“an der Universität Ulm

7 Radarsensoren

Kürzel / Nummer: RS

Englischer Titel: Radar sensors

Leistungspunkte: 4 ECTS

Semesterwochenstunden: ???

Sprache: Deutsch

Turnus / Dauer: jedes / 1 Semester

Modulverantwortlicher: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Menzel

Dozenten: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Menzel

Einordnung des Modulsin Studiengänge:

Sensorsystemtechnik, M.Sc., ,

Voraussetzungen(inhaltlich):

Signale und Systeme, Felder und Wellen, Einführung in die HF-Technik

Lernziele: Radarsensoren werden seit vielen Jahrzehnten zur Überwachung von Flug undSchiffsverkehr sowie in diversen militärischen Systemen eingesetzt. In den letz-ten Jahren ist eine ganze Reihe von neuartigen Anwendungen im kommerziellenBereich dazu gekommen, erwähnt werden sollen hier nur Radarsensoren in derAutomobiltechnik oder der industriellen Messtechnik. Weitere Entwicklungengehen in Richtung kompakt integrierter, abbildender Systeme mit immer grö-ßerem Anteil der Signalverarbeitung. Dieses Modul führt die Lernenden in dieThematik ein und lenkt den Blickpunkt auch auf neuere Entwicklungen.Nach der Belegung des Moduls sind die Studierenden in der Lage, die Prinzipi-en der Hochfrequenztechnik und der Mikrowellentechnik zum Entwurf und dermesstechnischen Überprüfung von Systemen der Funkmesstechnik (Radartech-nik) anzuwenden. Sie können die Vor- und Nachteile unterschiedlicher Radar-sensorsysteme und deren Subsysteme sowie unterschiedliche Radiometer- undRadaranwendungen bewerten.

Inhalt: - Ausbreitungseigenschaften von Mikrowellen in der Atmosphäre- Radiometrie- Radar mit den verschiedenen Radarverfahren, ihrer Realisierung, ihren Eigen-

schaften (CW-, FMCW-, Pulsradar, phasengesteuertes Radar, Beamforming,SAR)

- Radarantennen

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Modulinhalt

Modulinhalt

Literatur: - Baur: Einführung in die Radartechnik, Teubner, 1985- Collin: Antennas and Radiowave Propagation. McGraw-Hill, Singapore 1985- Detlefsen: Radartechnik : Grundlagen, Bauelemente, Verfahren, Anwendungen,

Springer Verlag- Huder: Einführung in die Radartechnik, Teubner, 1999- Johnson: Antenna engineering handbook, McGraw-Hill, 1984- Kark: Antennen und Strahlungsfelder, Viehweg, Wiesbaden, 2004- Klausing, Holpp: Radar mit realer und synthetischer Apertur. Oldenbourg, Mün-

chen, Wien, 2000- Ludloff: Handbuch Radar und Radarsignalverarbeitung, Vieweg, 1993- Silver: Microwave antenna theory and design, Peregrinus, 1986- Skolnik: Introduction to radar systems, McGraw-Hill , 1981- Skolnik: Radar Handbook, McGraw-Hill, 1990- Vohwinkel: Passive Mikrowellenradiometrie, Vieweg , 1988

Grundlage für: Masterarbeiten im Bereich der Radarsensoren und -antennen

Lehrveranstaltungenund Lehrformen:

Präsenzveranstaltungen:Einführungsveranstaltung: 4 hVertiefende Übungen: 8 hSeminar zur Prüfungsvorbereitung: 4 hModulprüfung: 4 h

E-Learning:Selbststudium: 80 hVor- und Nachbereitung, Übungen, Anwendung: 20 h

Abschätzung desArbeitsaufwands:

Vermittlung des Unterrichtsstoffs: 80 hVor- und Nachbereitung, Übungen, Anwendung: 36 hModulprüfung: 4 hSumme: 120 h

Leistungsnachweisund Prüfungen:

-

Voraussetzungen(formal):

Keine

Notenbildung: Die Modulnote ergibt sich aus der Modulprüfung.

Basierend auf Rev. 51. Letzte Änderung am 04.04.2014 um 01:20 durch smoser.

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Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung2. Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in der Atmosphäre3. Radiometrie4. Radar und Radarreichweite5. Reflexionsquerschnitt6. Dopplerradar (CW-Radar)7. Inkohärentes Pulsradar8. Kohärentes Pulsradar9. Verbesserung von Radarfunktionen10. FMCW-Radar11. Radarantennen (Teil 1)12. Phasengesteuerte Antennen (Radarantennen Teil 2)13. Digitale Strahlformung14. Synthetisches Apertur-Radar (SAR)

Leseprobe

W. Menzel: Institut für Mikrowellentechnik, Universität Ulm

Allgemeine Einleitung Radar

Radartechnik ist heute weitverbreitet

• Militärische Systeme

• Flugüberwachung

• Verkehrsüberwachung

• Automobiltechnik

• Industrielle Sensorik

• ….

Die Technik ist aber noch vergleichsweise jung:

1886 Heinrich Hertz Reflexion elektromagnetischer Wellen an

Metall

1904 Christian Hülsmeyer Patent zur Erkennung von Schiffen durch

Reflexion elektromagnetischer Wellen

1919 Alexander Watson-Watt Patent Radar

ca. 1935 “ Ortung von Flugzeugen

ca. 1939 Telefunken Würzburg-Radar, erster militärischer

Einsatz dieses Radars

1999 Mercedes Erstes kommerzielles Automobilradar

3


Allgemeine Einleitung Radar

Eigentlicher Beginn der Entwicklung im 2. Weltkrieg

Würzburg-Radar von TelefunkenQuelle: Creative Commons Lizenz, Ch.Whisky, http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mvc-471x.jpg

4

Leseprobe

W. Menzel, Institut für Mikrowellentechnik, Universität Ulm

Einführung Radar

Schemata

Sender

S/E-

Weiche

EmpfängerAntenne Ziel

Monostatisches Radar

Ziel

Bistatisches Radar

Beim bistatischen Radar kann es unterschiedlicheEntfernungen von Sender bzw. Empfänger zum Ziel geben. Auch die Antennen in Sender und Empfänger können unterschiedlich sein.

5


Grundlagen der Reichweitenberechnung

Voraussetzung: ungestörte, quasioptische Ausbreitung,atmosphärische Dämpfung hier vernachlässigt

PS: SendeleistungGS: Gewinn der Sendeantenne

AAnt: Effektive Antennenfläche

)GE: Gewinn der Empfangsantenne∆ƒ: EmpfängerbandbreiteF: EmpfängerrauschzahlS/N: Signal - Rausch – Verhältnis

Sender EmpfängerR

Leistungsdichte S im Abstand R:2

4 R

GPS SS

Eπ

⋅=

Von Antenne empfangene Leistung:

( )2

22

44 R

GGPGSASP ESsEE

AntEEπ

λ

π

λ ⋅⋅⋅=

⋅⋅=⋅=

a) Kommunikation

6

Leseprobe



Voraussetzung: ungestörte, quasioptische Ausbreitung,atmosphärische Dämpfung hier vernachlässigt

PS: SendeleistungGS: Gewinn der Sendeantenne

AAnt: Effektive Antennenfläche

)GE: Gewinn der Empfangsantenne∆ƒ: EmpfängerbandbreiteF, Te: Empfängerrauschzahl/TemperaturS/N: Signal - Rausch – Verhältnis

Sender EmpfängerR

( )2

2

4 R

GGPP ESS

Eπ

λ⋅⋅⋅=

Minimales zulässiges Empfangssignal: P SN

NS

Nk f F Te min = ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅∆ 0

F= 1 + Te/T0Rauschpegel am Empfängereingang: ( )

00 TF ⋅∆=∆⋅+⋅= fkfTTkN e

(T0: Antennenrauschtemperatur)

(Hier angenommen, dass Antenne die Umgebungstemperatur T0 siehtund dass das Empfängerrauschen über Te in den Eingang transformiert ist)

7

Rmax



b) Radar (monostatisch)

Sender

Empfänger

Antenne

Zielσ

R

π

λ

4;

2⋅===

GAGGG EeffSE

8

43

22

)4( R

GPS

π

σλ ⋅⋅⋅=

Das Signal trifft im Abstand R auf Ziel. Das Ziel habe (in eine vorgegebene Richtung) einen effektiven Reflexionsquerschnitt σ, d.h. die reflektierte Leistung beträgt

σπ

σ ⋅⋅

=⋅=2

4 R

GPSP S

ZielRefl (zum Radarreflexionsquerschnitt folgt extra Kapitel)

Annahme: diese Leistung werde dann in alle Richtungen gleichmäßig abgestrahlt.

PRefl

π

λ

π

σ

π 444

2

22

⋅⋅

⋅=⋅= E

e

G

R

SA

R

PP Ziel

AntenneRefl

SEmpfang


Verbesserung der Radarfunktion

Festzielunterdrückung

Viele Radargeräte sollen nur bewegte Ziele erfassen (Festziele stören!).

Beispiel: Flugsicherungsradar

Lösung: Unterdrückung der Festziele, "Moving target indication", MTI

Spektrum (Basisband) des Signals

1/T 1/τ

f

Pulsspektrum

Idealer rechteckiger Puls: si-Funktion Für bewegte Ziele

sind die Linien verschoben!

3



Kohärent detektiertes

Basisbandsignal

Festzielunterdrückung

Einsatz eines Kammfilters, das alle

Frequenzen n/T unterdrückt, aber

dopplerverschobene Signale passieren lässt!

Einfachste Lösung:

Verzögerung T -

)sin()(1)(2

2/2/2/ TTjTjTjTj KeeeeH ωω ωωωω =−=−= −−−|H(jω)|

ωStehendes Ziel

Bewegtes Ziel

4

1/T 1/τ

f

Pulsspektrum

Idealer rechteckiger Puls: si-Funktion

Leseprobe



Regenunterdrückung

Reflexionen von Regentropfen können Signale von gewünschten Zielen

überdecken.

Ausweg: Ausnutzen der Polarisation; hier: zirkulare Polarisation

5

Regentropfen:

Meist relativ symmetrische (runde) Gebilde. Die Reflexion

erfolgt in entgegengesetzt drehender Polarisation, in gleichsinnig

drehender Polarisation wird sehr wenig zurückgestrahlt.

(Die Drehrichtung des Feldes bleibt zwar im Raum erhalten, bezogen auf

die Ausbreitungsrichtung der Welle kehrt sie sich jedoch um).

Komplexe Ziele (Flugzeuge, Fahrzeuge):

Aufgrund der unregelmäßigen Form wird auch ein beträchtlicher Anteil

der reflektierten Leistung in gleichsinniger Polarisation zurückgestrahlt.



6

Zirkulare Polarisation: Eges = Ex + j Ey

Ex

Ey

Ex

Ey

Ex lässt sich wiederum aus der Überlagerung von

zwei zirkular polarisierten Wellen darstellen:

Ex = ½ {(Ex + j Ey) + (Ex - j Ey)}

Leseprobe

Leseprobe


Phasengesteuerte Antennen

Einführung

3

Θ

Θ

E1

d

E2

d sinΘ

( ) ( )

max

maxmax

max

Θ=⇒

=−Θ⇒=

−Θ⇒

Θ=Θ

sin

0sin1sin2

1cos

00

0000

dk

dkdk

iMaximum be

Forderung:

ϑ

ϑϑ

wenkung Strahlschcheelektronis

dkllbar überule einsteer HauptkePosition d

⇒Θ= max00 sin ϑ

( )

( )

Θ−Θ~Θ

Θ−Θ~ Θ

max

max00

sinsincos)(

sinsin2

1cos)(

λπ

dE

dkdkEdiagramm:Strahlungs

( )

−Θ~00 sin

2

1cos ϑdkEges

0ϑj

e

0E

0E



4

a) Allgemein für alle Θ, Θmax

( )|sin|1||sin1sinsin

1sin

max

maxmaxΘ+

≤⇒Θ+≤Θ−Θ

≤Θ

λd

b) für alle Θ, aber Θmax < π/2:

( )π

λπ

dnsin sin maxΘ Θ− = ±

Wenn dies nicht erfüllt ist, gibt es weitere Maxima

⇒ Grating-Lobes bei

Voraussetzung: nur ein Maximum

, Argument vom cos < π( )

Θ−Θ~Θ maxsinsincos)(λ

πd

E

sin sin maxΘ Θ− ≤ ⇒ ≤ ⇒ ≤22

2 πλ

πλd

d

Leseprobe



Gruppe aus N Elementen

• gleicher Abstand

• gleiche Amplitude• lineare Phasenprogression

(Koordinatenursprung in der Mitte der Gruppe)• Einzelelemente als isotrope Kugelstrahler

d sin(θ)

d

θ

( )

( )

Θ−Θ

Θ−Θ

==Θ ∑=

−=

Θ−Θ−

max

max2

2

)sin(sin

sinsinsin

sinsinsin

)( max

λ

π

λ

π

dN

dN

eG

Nn

Nn

jnkd

gruppe

⇒⇒⇒⇒ Gruppendiagramm einer Liniengruppe

Gesamt-Antennendiagramm:

(Gelement: Einzelelementcharakteristik) elementgruppeges GGG ⋅=

Eine rechteckförmige, zweidimensionale Antennengruppe:

Koordinaten sind unter obigen Voraussetzungen separierbar ⇒ G = GΘ⋅ GΦ

5



6

Eine Unterdrückung von Grating lobes ist auch durch eine entsprechende

Elementcharakteristik möglich.

Reduktion der Nebenzipfel: reduzierte Belegung an Rändern

Systemtheoretische Betrachtung:

Eine Gruppenantenne kann als Abtastung einer kontinuierlichen Apertur

betrachtet werden. Das Fernfeld ist proportional zu der Fouriertransformation

der Belegung; also wiederholt sich bei "Unterabtastung" das Strahlungsdiagramm

⇒ Grating lobes

Leseprobe


SAR

Auflösung eines SAR in Bewegungsrichtung

a) Unfokussiertes SAR (einfache kohärente Addition der Messwerte)

Boden

Messstrecke L

≤ λ/8

Punkt am Boden

h

[ ]max

,

22

22

max2

644

82

Lh

hh

hL

h

<<

++=

+=

+

λ

λλ

λ

Grenzbetrachtung:

Abweichung von ebener Welle λ/8

3

λ⋅= hLmax


SAR

4

Winkelauflösung des unfokussierten SAR

Besonderheit: Die Diagrammbildung erfolgt erst

beim Empfang (das Ziel wird breit ausgeleuchtet):

Betrachtung des Gesamtweges

⇓doppelter Weg, doppelte Phase!

Normale Gruppenantenne (ein Weg)

( )

∝ θλ

πθ sincos

dE

Etwa halber Öffnungswinkel!

( ) ( )

( )

∝

⋅⋅=

+∝

∝

∝

−−

−−

−

−

θλ

πθ

θλ

π

θ

θ

θ

sin2

cos

sin2

cos2

1

sin2

sin22

2

2

2

1

1

1

2

1

dE

dee

eeE

eE

eE

jkdkRj

kdjkRj

Rjk

Rjk

θ

θsin12 dRR +≈

d

R2

R1 Fernfeldbedingung R>>d

⇒ Strecken mit R1 und R2 parallel

θZwei aufeinander folgende

Messwerte:

Ansprechpartner

Dr. Gabriele GrögerAlbert-Einstein-Allee 4589081 Ulm

Tel 0049 731 – 5 03 24 00Fax 0049 731 – 5 03 24 09

[email protected]/saps Postanschrift Universität UlmSchool of Advanced Professional StudiesAlbert-Einstein-Allee 4589081 Ulm

Das Studienangebot „Sensorsystemtechnik“ wurde entwickelt im Projekt Mod:Mas-ter, das aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung gefördert und aus dem Europäischen Sozialfonds der Europäischen Union kofinanziert wird (Förder-kennzeichen: 16OH11027, Projektnummer WOH11012). Dabei handelt es sich um ein Vorhaben im Programm „Aufstieg durch Bildung: offene Hochschulen“.

Fabian Krapp | 3.8.2012, 14:39 | Mod:Master Sensorsystemtechnik| 1

Mod:Master-Konzept Sensorsystemtechnik

Ein Projekt der School of Advanced Professional Studies an der Universität UlmInterner Entwurf, Stand 3.8.2012, 14:39

Planung & Dokumentation

Mod:MasterSensorsystemtechnik

Beratung und Kontakt

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