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Frequenzmoduliertes Dauerstrichradar

Einfache Dauerstrichradargeräte (CW-Radar) haben den Nachteil, dass sie wegen fehlenden Zeitbezuges keine Entfernung messen können. Ein solcher Zeitbezug zur Messung der Entfernung unbewegter Objekte kann aber mit Hilfe einer Frequenzmodulation des Sendesignals (Frequency-Modulated Continuous Wave radars = FMCW) erzeugt werden. Bei dieser Methode wird ein Signal ausgesendet, welches sich periodisch in der Frequenz ändert. Wird ein Echosignal empfangen, dann hat diese Frequenzänderung eine Laufzeitverschiebung Δt wie bei einem Pulsradar.

R =	c0 · |Δt |	=	c0 · |Δf |	mit	c0 = Lichtgeschwindigkeit = 3·108 m/s Δt = Laufzeit [s] R = Entfernung Antenne - Objekt (Boden) [m] df/dt = Frequenzhub pro Zeiteinheit	(1)
	2		2 · (df/dt)

Wenn die Frequenzänderung über einen weiten Bereich linear ist, so kann innerhalb dieses Bereiches durch einen einfachen Frequenzvergleich Δf die Entfernung ermittelt werden. Dadurch, dass nur der Betrag der Differenzfrequenz messbar ist, sind bei einem statischen Scenario die Ergebnisse bei ansteigender Frequenzänderung gleich einer abfallenden Frequenzänderung. Sägezahnförmige Modulationsformen werden für bildgebende Radargeräte bevorzugt, dreieckförmige Modulation wird mehr für nicht-bildgebende Radargeräte verwendet.

Kennzeichnend für ein FMCW-Radar ist:

• die Entfernungsmessung geschieht durch Frequenzvergleich des empfangenen Signals zu einer Referenz (meist direkt das Sendesignal)
• die Dauer des Sendesignals ist wesentlich größer als die benötigte Zeit für den installierten Entfernungsmessbereich

Durch geeignete Wahl des Frequenzhubs pro Zeiteinheit können das Auflösungsvermögen und durch die Dauer des Frequenzanstiegs der maximal mögliche Messbereich variiert werden. Zum Beispiel hat ein Radar mit einem linearen Frequenzanstieg über 1 ms Dauer einen zeitlich maximal möglichen Messbereich von knapp 150 km. Wenn der maximale Frequenzhub 65 MHz beträgt, dann verbleiben etwa 433 Hz pro Meter für das Filter zur Auswertung.

Bedingt durch das Verfahren (gleichzeitiges Senden und Empfangen) muss bei der Verwendung einer einzelnen Antenne ein Ferritzirkulator die Trennung von Sende- und Empfangsweg vornehmen. Bei den heute üblichen Patchantennen ist die Verwendung von getrennten Sende- und Empfangsantennen jedoch wesentlich billiger. Auf einem gemeinsamen Substrat sind Sendeantenne und Empfangsantenne als Antennenarrays direkt übereinander angebracht. Die Polarisationsrichtung ist gegeneinander um 180° gedreht. Oft wird durch ein zusätzliches Abschirmblech ein direktes „Übersprechen” (d.h. eine direkte Mitkopplung beider Antennen) verringert. Da die Messung als Frequenzdifferenz zwischen Sende- und Empfangssignal durchgeführt wird, wird das Signal, das durch diese direkte Kopplung entsteht, aufgrund der gleichen Frequenz unterdrückt.

Bildgebendes FMCW-Radar

Dieses Radarverfahren wird im sogenannten Broadband-Radar™ als Navigationsradar für maritime Anwendungen genutzt. Hier wird der Frequenzdurchlauf nach Erreichen der maximal möglichen Messentfernung jedoch gestoppt. Das Sendesignal sieht deshalb eher aus wie bei einem Pulsradar mit Intrapulsmodulation. Diese Pause hat hier keinen direkten Einfluss auf die maximal mögliche Messentfernung. Sie ist jedoch notwendig, um die vielen gemessenen Daten aus einem Zwischenspeicher zu lesen und durch eine schmalbandige Leitung verlustfrei zum Sichtgerät zu übermitteln. Aufgrund seiner Arbeitsweise - dem Frequenzvergleich des empfangenen Echosignals mit dem Sendesignal, das über die gesamte Entfernungsauslenkung zur Verfügung steht - bleibt es ein FMCW-Radar; es wird nur zwischendurch für ein paar Millisekunden abgeschaltet, da noch mehr Daten einfach nicht benötigt werden.

Ein bildgebendes Radarverfahren muss eine Entfernungsmessung für jeden einzelnen Punkt auf dem Sichtgerät durchführen. Eine Entfernungsauflösung hängt hier also eher von der Größe eines Pixels dieses Bildschirms ab und die Fähigkeit der Signalverarbeitung, die Daten in der geforderten Geschwindigkeit bereitzustellen. Mit dem als Beispiel genannten Frequenzhub von 65 MHz pro einer Millisekunde sind gute Werte möglich. Es wird ein hochauflösender Bildschirm mit der notwendigen Pixelauflösung benötigt. Wenn jetzt auch alle 15 Nanosekunden ein Frequenzvergleich durchgeführt werden kann, wird für ein bildgebendes FMCW-Radar eine Entfernungsauflösung von etwas mehr als 2 Metern möglich.

Nicht bildgebendes FMCW-Radar

Das Messergebnis dieses FMCW-Radars wird als numerischer Wert auf einem Zeigerinstrument oder digitalisiert als alpha-numerische Anzeige auf einem Bildschirm dargestellt. Es kann also nur ein einzelnes dominierendes Objekt vermessen werden, dieses allerdings mit einer sehr großen Genauigkeit bis hinab in den Zentimeterbereich. Diese Art der Entfernungsermittlung wird z.B. in Flugzeugen als Funkhöhenmesser (Radio- Altimeter) verwendet.

Eine mögliche Dopplerfrequenz f_D erscheint auf dem Zeigerinstrument nur als Messfehler. Eine Auswertung der Dopplerfrequenz ist zwar möglich durch Verwendung einer dreieckförmigen Modulation und einem gesonderten Frequenzvergleich während der steigenden und der fallenden Flanke des Dreiecks. Bei einem reflektierenden Objekt mit einer positiven (auf das Radar hinzubewegenden) Radialgeschwindigkeit wird das gesamte Empfangssignal um die Dopplerfrequenz zu höheren Frequenzen hin verschoben. Gegenüber einem feststehenden Reflektor ist die Frequenzdifferenz zwischen Sende- und Empfangssignal auf der steigenden Flanke des Dreiecks um die Dopplerfrequenz verkleinert und auf der fallenden Flanke um die Dopplerfrequenz erhöht. Die Differenz beider Differenzfrequenzen ergibt also die doppelte Dopplerfrequenz. Da beide Differenzfrequenzen jedoch nicht gleichzeitig zur Verfügung stehen, erfordert dieser Vergleich allerdings eine digitale Signalverarbeitung. Eine derartige Messung wird aber in der Praxis selten durchgeführt, da andere Radarverfahren dafür mit weitaus weniger Aufwand geeigneter sind.