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18 DESIGN&ELEKTRONIK 06 2020 Messtechnik On-Chip-Radarsensoren Bild 1 So kann der Aufbau eines On-Chip-Radarsystems aussehen Möglich damit ist zum Beispiel eine Objektund Umwelterkennung mit Bestimmung der Geschwindigkeit und Richtung Bild Embedded Brains kehrsüberwachung zum Einsatz Mit den höheren Frequenzen der On-Chip-Sensoren Bild 1 zeigt den Musteraufbau eines On-Chip-Radarsystems lassen sich nun auch kürzere Distanzen in Innenräumen genau vermessen zum Beispiel um Sicherheitsabstände zu gewährleisten Die höhere Genauigkeit gegenüber einfachen anderen Sensoren ist jedoch nicht verschwendet denn die präzisen Daten lassen sich sehr gut dafür nutzen um die Erkennung zu optimieren Beispielsweise ist es möglich bei Alarmanlagen oder in Sicherheitsbereichen präzise einzugrenzen ab welcher Entfernung ausgelöst wird und zwar unabhängig von der Größe des Objekts Tabelle 2 Weiterhin lässt sich die Erkennung auch von der Geschwindigkeit der Objekte abhängig machen also bei Objekten mit hoher Geschwindigkeit früher auslösen als bei sich langsam bewegenden Objekten Damit können auch die statischen Objekte ausgeblendet werden ohne die übrige Erkennung zu beeinträchtigen Dies lässt sich beispielsweise dafür nutzen um Zugangsschutz für Menschen zu bewirken aber die Objekte im Umfeld auszublenden Ebenso kann man Lichtschranken durch Distanzmessen ersetzen und damit viele Zugangsprobleme und Störungen vermeiden Die hohe Auflösung ist auch nützlich um beispielsweise Vitalfunktionen aus der Distanz zu überwachen Natürlich ersetzt ein Radar keinen Patientenmonitor im Krankenhaus aber er macht es möglich Lebenszeichen Atmung oder Herzschlag aus mehreren Metern Entfernung zu erfassen und ist damit für Anwendungen in Altenund Pflegeheimen interessant Die geringe räumliche Auflösung ist dabei sogar von Vorteil denn Radarmessungen sind beim heutigen Stand der Technik anonym Somit werden keine personenbezogenen Informationen erhoben ein Problem das so gut wie alle kamerabasierten Systeme im Zusammenhang mit Menschen im Erfassungsbereich haben Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit durch Materialien hindurch zu messen Je nach Frequenz gehen Radarstrahlen auch durch Wände oder Gefäße und können damit in abgeschlossene Bereiche hinein messen Dies eröffnet vielfältige Möglichkeiten zum Beispiel in der verarbeitenden Industrie Um durch Schutzgehäuse hindurch oder um Flüssigkeiten die sich in Behältern oder Rohrleitungen befinden von außen zu messen ■ Modulationsverfahren für verschiedene Messungen Die Preise für die reinen Sensoren Antenne und HF-Elektronik bewegen sich je nach Ausführung und Stückzahl im einoder zweistelligen Euro-Bereich Damit erhält man ein Frontend bei dem Sendeund Empfang zu steuern und auszuwerten sind Hierfür gibt es mehrere Modulationsverfahren für unterschiedliche Messzwecke Beim Dopplerradar als einfachstes Verfahren wird ein Sendesignal mit konstanter Frequenz emittiert Ein solches Radar ist auch als Dauerstrichradar oder CW-Radar Continuous Wave Radar bekannt Bewegt sich ein Objekt relativ zum Sensor so verändert sich die Frequenz des reflektierten Signals Dopplereffekt Aus der Größe der Frequenzverschiebung lässt sich die Geschwindigkeit messen Die Distanz zum Sensor ist so allerdings nicht zu bestimmen Hierzu finden Modulationsverfahren die auf einer Variation der Sendefrequenz beruhen Verwendung Um auch den Abstand bewegter Objekte messen zu können wird bei einem FSK-Radar Frequency Shift Keying Radar die Radarfrequenz in konstanten kurzen Intervallen zwischen zwei Frequenzen umgetaktet moduliert Das Dopplersignal eines bewegten Objekts verändert jeweils die hohe und niedrige Frequenz diese unterscheiden sich aber in der Phasenlage womit sich der Abstand eines bewegten Objekts berechnen lässt Beim FMCW-Radar Frequency Modulated Constant Wave Radar wird die Radarfrequenz periodisch verändert moduliert Häufig ist dabei eine sägezahnförmige dreiecksförmige treppenförmige oder auch sinusförmige Modulation im Einsatz Durch die Modulation ergibt sich eine Frequenzdifferenz zwischen dem aktuell gesendeten und dem verzögerten Echosignal was dazu dient den Abstand eines nicht nur bewegten sondern auch Sehr gut Etwas schwieriger Sehr schwierig Abstand 0 05-50 m Richtung Große Zahl von Objekten Geschwindigkeit 0 1-100 ms-1 Unterscheidung verschiedener Objekte Form von Objekten Tabelle 1 Messgrößen von Radarsystemen Die Zahlenangaben beziehen sich auf gängige On-Chip-Sensoren Positiv Zu beachten Eher negativ Extrem präzise Abstandsund Geschwindigkeitsmessungen Stromverbrauch 10-300 mW Schlechte räumliche Auflösung außer MIMO-Radar Kann durch Wände messen je nach Frequenz Aufwand für Frequenzstabilisierung Erfasst keine personenbezogenen Daten Anonymität der Messung Lizenzfrei für zugelassene Frequenzbänder und Sendeleistungen Tabelle 2 Eigenschaften von On-Chip-Radarsystemen www designelektronik de