Radare und Radaranwendungen waren lange Zeit der Landesverteidigung, der Luftverkehrssicherheit und meteorologischen Diensten vorbehalten. Doch in jüngster Zeit erobern neue Radar-Technologien weitere Einsatzfelder. So ermöglicht vor allem die Ultra­breitband-Technologie (UWB) die Herstellung kompakter und vergleichsweise kostengünstiger Radare für eine Vielzahl neuer Anwendungen. UWB ist eine Funkmodulationstechnik, die auf der Übertragung von Impulsen mit sehr kurzer Dauer – oft weniger als eine Nanosekunde – und sehr großer Bandbreite basiert. US-Amerikaner entwickelten die Technik bereits in den 60er-Jahren, sie unterlag allerdings lange dem Militärgeheimnis und wurde erst Anfang 2000 für zivile Anwendungen freigegeben.

Allgemein bewegt sich Radarstrahlung im Frequenzbereich von 3 bis 300 GHz, wobei der Bereich von 3 bis 30 GHz als Super High Frequency (SHF) und der höherfrequente Bereich von 30 bis 300 GHz als Extremely High Frequency (EHF) bezeichnet wird. Abgeleitet von der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle im Vakuum ergibt dies eine Wellenlänge von 1 bis 10 cm im SHF- und 1 bis 10 mm im EHF-Band (auch als Mikrowellen bezeichnet). Neben diesen Frequenzbereichen werden zwei Radartechniken unterschieden: der Impuls- und der Dauerstrichradar.

Der Dauerstrichradar ist – im Unterschied zum Impulsradar – nicht bildgebend. Er kann keine Ortsinformation über das reflektierende Objekt auswerten, also auch keine Entfernungen bestimmen, wie es zum Beispiel Flug- oder Schiffsradare leisten. Daher eignet sich Dauerstrichradar in erster Linie zur Detektion gut reflektierender bewegter Objekte – beispielsweise Medien mit hoher Dielektrizitätszahl wie Wasser enthaltende Objekte oder Metalle.

Der wohl bekannteste Dauerstrich-radarsensor ist der zur Geschwindigkeitskontrolle eingesetzte Dopplerradar. Er errechnet über die Phasenverschiebung zwischen ausgesendeter und reflektierter Welle die Relativgeschwindigkeit von Objekten. Diese recht einfache Messung eines Dauerstrichradars (auch CW-Radar genannt, Continuous Wave) dient beispielsweise der Anwesenheitskontrolle bewegter Gegenstände im Umkreis automatischer Rolltore in Lagerhäusern: Der Sensor erkennt Transportgeräte wie Gabelstapler oder fahrerlose Transport-Fahrzeuge und veranlasst die automatische Öffnung des Tores. Diese Objekt-Erkennung hat allerdings einen Nachteil: Ruhende Objekte werden wegen der fehlenden Phasenverschiebung nicht erkannt.

Eine Weiterentwicklung des Dauerstrichradars beseitigt dieses Manko: Der Frequenzmodulierte Dauerstrichradar (FMCW-Radar, Frequency Modulated Continuous Wave) verschiebt kontinuierlich die Frequenz innerhalb eines schmalen Frequenzbandes. So simuliert er die Phasenverschiebung und erkennt damit auch statische Objekte. Diese Technik ist in der Automobilindustrie bereits im Einsatz, wenn Fahrerassistenzsysteme mit Adaptive Cruise Control (ACC) den Abstand zu vorausfahrenden Fahrzeugen überwachen und je nach Ausführung Warnsignale an den Fahrer veranlassen oder sogar Not-Bremsmanöver einleiten.

24-GHz-Radarsensoren für Industrie und Verkehr

Für die Industrieautomation waren Radarsensoren lange Zeit kaum einsetzbar, da die verfügbaren Systeme im Frequenzbereich von 76 bis 77 GHz zu groß und zu teuer waren. Erste Radarsensoren auf 24-GHz-Basis kamen erst vor rund fünf Jahren auf den Markt. Die „R-Gage“-Sensoren von Banner Engineering sind preiswerter als herkömmliche Lösungen und eignen sich für Anwendungen sowohl im Innen- als auch im Außenbereich. Die Firma Turck als Partner von Banner bietet die Radarsensor-Familie mit FCMW-Technik für Industrieautomations-, Logistik- und Verkehrssicherheitssysteme an.

R-Gage-Radarsensoren dienen dem Kollisionsschutz bei Krananlagen oder Containerbrücken.

© Hans Turck

Die aktuelle R-Gage-Generation „Q120R“ eignet sich dank einer Reichweite von bis zu 40 m beispielsweise dazu, Containerkrane in Hafenterminals vor Kollisionen zu schützen. Um Störsignale von benachbarten Objekten in Detektionsrichtung zu vermeiden, lässt sich das Erfassungsfeld mittels eines Rohradapters fokussieren. Eine optimierte Abstandserfassung minimiert die Blindzonen, so dass die Sensoren sehr nahe und sehr weit entfernte Objekte gleichermaßen erkennen. Darüber hinaus lassen sich die Sensoren auf ein Warn- und ein zusätzliches Schutzfeld einstellen. Warn- und Schutzsignal werden über zwei separate Ausgänge ausgegeben.

Ein anderes Applikationsbeispiel ist die Kollisionskontrolle von Gabelstaplern mit großem Ausfahrweg. Hier schützen die Sensoren die Gabel vor Zusammenstößen mit dem Hallendach, indem sie den Abstand zwischen Gabel und Hallendach permanent in Echtzeit überwachen. Gegebenenfalls bremst eine Sicherheitsroutine die Gabel rechtzeitig ab.

Weitere Einsatzfelder für 24-GHz-Radarsensoren sind die kontinuierliche Positionskontrolle von Ladung auf Trailern oder das Erkennen von Fahrzeugen an Mautstellen oder Drive-in-Schaltern. Auch im Pariser Straßenverkehr tun die Sensoren ihren Dienst: Im Rahmen eines Großprojektes wurden dort über 300 Energiesäulen zum Laden von Elektroautomobilen installiert. Da die Säulen eine freie Parkbucht für das zu ladende Fahrzeug benötigen, wird die Parkbucht auf nicht ladende und damit unbefugt abgestellte Fahrzeuge überwacht. Diese Aufgabe übernimmt ein Radarsensor in der Lade­säule. Die Radarstrahlung dringt ungehindert durch die Kunststoffverkleidung und detektiert sicher jeden entsprechend großen Gegenstand innerhalb eines definierten Erfassungsbereichs. Sollte ein Fahrzeug erkannt werden, ohne dass ein Ladevorgang stattfindet, wird automatisch ein Abschleppdienst alarmiert.

Eine Frage der Verfügbarkeit

In den Niederlanden sorgen R-Gage-Sensoren dafür, dass sich Züge in Tunneln jederzeit lokalisieren lassen.

© Hans Turck

Gegenüber anderen Sensortechnologien mit hohen Reichweiten wie optischen oder Ultraschallsensoren haben Radarsensoren einen entscheidenden Vorteil: ihre hohe Verfügbarkeit. Denn im Gegensatz zu optischen Sensoren lassen sich die Radarsensoren nicht von Verschmutzung beeinträchtigen, was im Industrie- wie auch im Verkehrsumfeld entscheidend ist. Im Unterschied zum Ultraschallsensor, der auf das Ausbreitungsmedium Luft angewiesen ist, lässt sich eine Radarmessung nicht durch Windeinfluss verfälschen. Radarsensoren schließen somit die Nachteile der Ultraschall- und der Optosensor-Technik aus.

Gesundheitsschädigende Einflüsse gehen von den beschriebenen Anwendungen nicht aus, da die Strahlungsleistungen von wenigen Watt bei weitem nicht so groß sind, wie sie bei den gerade im militärischen Bereich genutzten bildgebenden Systemen in den 1980er-Jahren auftraten. Zudem ging die schädigende ionisierende Strahlung seinerzeit nicht von der eigentlichen Radar-Mikrowellenstrahlung aus, sondern vielmehr von der Hochspannungselektronik in den Schaltröhren, die nicht ausreichend gegen die zwangsläufig auftretende Röntgenstrahlung abgeschirmt waren. Moderne Geräte arbeiten ohne Röhren und mit deutlich weniger Sendeleistung, so dass Röntgenstrahlung gar nicht erst entstehen kann.

Autor: Markus Bregulla ist Produktmanager Opto- und Ultraschall­sensorik bei Turck.