DE102019209508A1

DE102019209508A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung eines Raumbereichs mittels Radarwellen

Info

Publication number: DE102019209508A1
Application number: DE102019209508.9A
Authority: DE
Inventors: Andrey Osipov
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2019-06-28
Filing date: 2019-06-28
Publication date: 2020-12-31
Anticipated expiration: 2039-06-29
Also published as: EP3990940A1; DE102019209508B4; WO2020260372A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung eines Raumbereichs mittels Radarwellen, bei dem eine Radareinrichtung (2) Radarwellen in den Raumbereich aussendet und aus dem Raumbereich Radarechos (RE) empfängt, welche aus der Rückstreuung der Radarwellen aus dem Raumbereich resultieren, wobei die Radareinrichtung (2) die empfangenen Radarechos (RE) verarbeitet, um Informationen über den Raumbereich zu ermitteln. In dem Raumbereich sind als Radarreflektoren eine oder mehrere homogene Quarzglaskörper (1) installiert, welche jeweils eine kugelförmige Oberfläche (1a) umfassen und welche als eine oder mehrere Quarzglaskugeln und/oder eine oder mehrere Quarzglaskugelsegmente ausgestaltet sind. Radarstrahlung (RS) der Radareinrichtung (2) fällt in einer Einfallsrichtung derart auf einen jeweiligen Quarzglaskörper (1), dass durch Brechung der Radarstrahlung (RS) an der kugelförmigen Oberfläche (1a) des jeweiligen Quarzglaskörpers (1) bei deren Eintritt in den jeweiligen Quarzglaskörper (1) und Reflexion der eingetretenen Radarstrahlung (P1) an der kugelförmigen Oberfläche (1a) des jeweiligen Quarzglaskörpers (1) sowie nochmaliger Brechung der reflektieren Radarstrahlung (P2) an der kugelförmigen Oberfläche (1a) des jeweiligen Quarzglaskörpers (1) bei deren Austritt aus dem jeweiligen Quarzglaskörper (1) ein Radarecho (RE) in Richtung entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung erzeugt wird und durch die Radareinrichtung (2) empfangen wird, wobei die Radareinrichtung (2) den jeweiligen Quarzglaskörper (1) über das empfangene Radarecho (RE) detektiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung eines Raumbereichs mittels Radarwellen.
Radarwellen ermöglichen die Erkennung und Ortung von Objekten auf der Basis elektromagnetischer Wellen im Kurz- und Mikrowellenbereich. Die Ortung mittels Radarwellen funktioniert auch dann, wenn das Medium zwischen dem Radarsender und dem Radarziel undurchlässig für sichtbares Licht ist (z. B. aufgrund von Nebel, Wolken, Rauch, Dunkelheit und dergleichen). Die Radartechnik wird ständig durch technische Fortschritte in der Entwicklung von Radarsensoren und der Antennentechnik sowie durch neue computergestützte Signalverarbeitungsverfahren verbessert. Es entstehen dabei neue Anwendungen für Radare, insbesondere im Bereich Verkehr (z. B. autonome und assistierte Fortbewegung) und im Bereich Sicherheit (z. B. Erkennung von Gefahrensituationen).
Die Erfassung eines Raumbereichs mittels Radarstrahlung setzt voraus, dass die Radarwellen aus dem Raumbereich mit ausreichender Signalstärke rückreflektiert werden. Dies kann mit speziellen Radarreflektoren erreicht werden, die einen hohen Radarquerschnitt aufweisen. Der Radarquerschnitt ist dabei eine an sich bekannte Größe und spiegelt die Stärke eines Radarziels wider.
Als Radarreflektoren kommen häufig Retroreflektoren zum Einsatz, welche die einfallenden Radarwellen weitgehend unabhängig von der Einfallsrichtung sowie der Ausrichtung des Reflektors größtenteils in die Richtung reflektieren, aus der sie gekommen sind. Solche Retroreflektoren sind beispielsweise als Winkelreflektoren aus zwei bzw. drei senkrecht aufeinander stehenden Platten ausgebildet. Ebenso kommen als Retroreflektoren sog. Lüneburg-Linsen zum Einsatz. Es handelt sich hierbei um kugelförmige Linsen mit nach innen zunehmendem Brechungsindex, was durch dielektrisches Material mit ortsabhängiger Dielektrizitätskonstante erreicht wird. Lüneburg-Linsen zeichnen sich dadurch aus, dass parallel einfallende Radarstrahlen in einem Reflexionspunkt fokussiert werden und entgegengesetzt zu ihrer Einfallsrichtung zurückgeworfen werden. Lüneburg-Linsen sind durch die Variation ihrer Dielektrizitätskonstanten jedoch schwer zu fertigen. Ferner benötigen Lüneburg-Linsen eine Metallisierung am Reflexionspunkt (sonst keine Reflexion), was ihren Abdeckungsraum signifikant begrenzt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung eines Raumbereichs mittels Radarwellen zu schaffen, in denen einfach aufgebaute Radarreflektoren mit hohem Radarquerschnitt zum Einsatz kommen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bzw. die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 13 bzw. die Verwendung gemäß Patentanspruch 15 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Raumbereich mittels Radarwellen erfasst, indem eine Radareinrichtung Radarwellen in den Raumbereich aussendet und aus dem Raumbereich Radarechos empfängt, welche aus der Rückstreuung der Radarwellen aus dem Raumbereich resultieren. Die Radareinrichtung verarbeitet die empfangenen Radarechos, um Informationen über den Raumbereich zu ermitteln. Entsprechende Verarbeitungsverfahren für Radarechos sind an sich bekannt und werden nicht weiter im Detail erläutert. Insbesondere können über die empfangenen Radarechos Objekte im Raumbereich detektiert werden. Dabei werden Informationen zur Position dieser Objekte ermittelt, insbesondere die Richtung, in der sich das Objekt ausgehend von der Radareinrichtung befindet, und/oder die Entfernung des Objekts von der Radareinrichtung. Die Entfernung wird in der Regel über eine Laufzeitmessung der Radarwellen bestimmt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass in dem zu erfassenden Raumbereich als Radarreflektoren ein oder mehrere homogene Quarzglaskörper installiert sind, welche jeweils eine kugelförmige Oberfläche umfassen und welche als eine oder mehrere Quarzglaskugeln und/oder eine oder mehrere Quarzglaskugelsegmente ausgestaltet sind. Ein homogener Quarzglaskörper ist ein Körper aus reinem Siliziumdioxid mit vernachlässigbaren Verunreinigungen und konstanter Materialdichte. Der Begriff der Installation der homogenen Quarzglaskörper ist derart zu verstehen, dass die Quarzglaskörper dediziert durch Menschen zum Zwecke der Reflexion von Radarstrahlung im Raumbereich positioniert wurden.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens fällt Radarstrahlung der Radareinrichtung (d.h. zumindest ein Teil der von der Radareinrichtung ausgesendeten Radarwellen) in einer Einfallsrichtung derart auf einen jeweiligen Quarzglaskörper, dass durch Brechung der Radarstrahlung an der kugelförmigen Oberfläche des jeweiligen Quarzglaskörper bei deren Eintritt in den jeweiligen Quarzglaskörper und Reflexion der eingetretenen Radarstrahlung an der kugelförmigen Oberfläche des jeweiligen Quarzglaskörpers sowie nochmaliger Brechung der reflektierten Radarstrahlung an der kugelförmigen Oberfläche des jeweiligen Quarzglaskörpers bei deren Austritt aus dem jeweiligen Quarzglaskörper ein Radarecho entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung erzeugt wird und durch die Radareinrichtung empfangen wird. Mit anderen Worten werden die Radareinrichtung sowie die jeweiligen Quarzglaskörper derart angeordnet, dass ein solcher Einfall von Radarstrahlung gewährleistet ist. Über das empfangene Radarecho detektiert die Radareinrichtung den jeweiligen Quarzglaskörper, d.h. es werden Informationen zu dem Quarzglaskörper und vorzugsweise seine Position bzw. Entfernung relativ zur Radareinrichtung ermittelt.
Vorzugsweise bildet das Radarecho entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung einen Ring aus Radarwellen, der aus dem jeweiligen Quarzglaskörper austritt. Mit anderen Worten wird sichergestellt, dass alle Radarwellen, die entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung zurückgeworfen werden können, auch aus dem Quarzglaskörper austreten. Das heißt, der Quarzglaskörper weist in keinem Abschnitt des Rings und vorzugsweise auch in keinem Abschnitt innerhalb und/oder außerhalb des Rings eine Beschichtung auf, die den Austritt von Radarstrahlung verhindert.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass Kugeln bzw. Kugelsegmente aus Quarzglas überraschenderweise im Frequenzbereich von Radarstrahlung zu einem sehr hohen Radarquerschnitt führen, der mit anderen Materialen nicht erreicht werden kann. Aufgrund der Homogenität des Quarzglaskörpers ist dieser wesentlich einfacher zu fertigen als bekannten Radarreflektoren, wie z. B. Lüneburg-Linsen. Bei der Verwendung eines Quarzglaskörpers in der Form einer Quarzglaskugel kann darüber hinaus ein isotroper Radarreflektor geschaffen werden, dessen Radarquerschnitt im Wesentlichen unabhängig von der Richtung der einfallenden Strahlung ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Radarstrahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen 1 GHz und 300 GHz, vorzugweise in einem Wellenlängenbereich zwischen 75 GHz und 110 GHz und besonders bevorzugt in einem Wellenlängenbereich zwischen 77 und 81 GHz. Bei dem letztgenannten Wellenlängenbereich handelt es sich um das sog. untere W-Band, welches bevorzugt in Anwendungen im Automobilbereich zum Einsatz kommt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Durchmesser, der zu der kugelförmigen Oberfläche eines jeweiligen Quarzglaskörpers gehört, größer als die Wellenlänge der Radarstrahlung, wodurch Welleninterferenzeffekte vermieden werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist eine metallische Reflexionsschicht auf einem Teil der kugelförmigen Oberfläche von zumindest einem Quarzglaskörper in einem Bereich vorgesehen, an dem die in den entsprechenden Quarzglaskörper (d. h. den zumindest einen Quarzglaskörper) eingetretene Radarstrahlung reflektiert wird, aus der das Radarecho entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung der Radarstrahlung resultiert. Durch diese Reflexionsschicht kann der Radarquerschnitt des entsprechenden Quarzglaskörpers weiter erhöht werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die kugelförmige Oberfläche zumindest eines Quarzglaskörpers unbeschichtet. Selbst ohne das Vorhandensein einer Beschichtung können hohe Radarquerschnitte erreicht werden.
In einer weiteren Ausführungsform umfassen der oder die Quarzglaskörper eine oder mehrere Quarzglaskugelsegmente, welche jeweils derart ausgestaltet sind, dass der Kugelmittelpunkt der kugelförmigen Oberfläche im jeweiligen Quarzglaskugelsegment (d. h. nicht außerhalb des Quarzglaskugelsegments) liegt und dass das jeweilige Quarzglaskugelsegment an einer Seite und vorzugsweise an zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils durch eine andere, von der kugelförmigen Oberfläche abweichende Fläche begrenzt ist. Beispielsweise kann diese andere Fläche eine Kugelfläche mit einem anderen Radius als die kugelförmige Oberfläche sein. Vorzugsweise ist die andere Fläche jedoch eine nicht-kugelförmige Fläche und vorzugsweise eine ebene Fläche.
In einer bevorzugten Variante der obigen Ausführungsform ist das jeweilige Quarzglaskugelsegment an zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils durch eine ebene Fläche begrenzt, wobei die beiden ebenen Flächen parallel zueinander verlaufende Flächen sind. Durch die Verwendung eines Quarzglaskugelsegments gemäß den soeben beschriebenen Ausführungsformen wird ein kompakter Radarreflektor geschaffen, der eine Reflexion zurück zur Einfallsrichtung der Strahlung aus einer Vielzahl von Richtungen ermöglicht.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen der oder die Quarzglaskörper eine oder mehrere Quarzglaskugeln, welche jeweils an einer einzelnen Stelle eines Trägers, insbesondere auf einer Spitze eines spitzenförmigen Trägers, gelagert sind. Hierdurch kann ein weitgehend winkelunabhängiger Radarquerschnitt erreicht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten, insbesondere im Automobilbereich, in der Luftfahrt, in der Schifffahrt, in der Raumfahrt sowie im Bereich Sicherheit und Katastrophenschutz, zum Einsatz kommen. In der detaillierten Beschreibung wird eine Vielzahl von Anwendungsbeispielen genannt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind der oder die Quarzglaskörper an einem oder mehreren Straßenverkehrs-Infrastrukturelementen, wie z. B. an Leitpfosten am Straßenrand, und/oder an einem oder mehreren Straßenverkehrsteilnehmern im zu erfassenden Raumbereich vorgesehen, zum Beispiel an Kraftfahrzeugen, Motorrädern, Fahrrädern oder auch an Motorradfahrern bzw. Fahrradfahrern. Ebenso können die Quarzglaskörper an Fußgängern angebracht sein. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass die Radarwellen von einer Radareinrichtung ausgesendet werden, die an einem Straßenverkehrs-Infrastrukturelement oder einem Straßenverkehrsteilnehmer angebracht ist.
In einer weiteren Ausgestaltung sind der oder die Quarzglaskörper an zumindest einem Flugobjekt und/oder an zumindest einem schwimmenden Objekt im zu erfassenden Raumbereich vorgesehen. Das Flugobjekt kann z. B. ein Flugzeug, ein Helikopter, eine Drohne, ein Satellit und dergleichen sein. Das schwimmende Objekt kann z. B. ein Schiff, eine Boje, ein Schwimmer und dergleichen sein. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass die Radarwellen von einer Radareinrichtung ausgesendet werden, die an einem Flugobjekt oder einem schwimmenden Objekt angebracht ist.
In einer weiteren Ausführungsform sind der oder die Quarzglaskörper an zumindest einem sich autonom bewegenden Objekt und/oder an zumindest einem Menschen im zu erfassenden Raumbereich vorgesehen. Das sich autonom bewegende Objekt kann beispielsweise ein landwirtschaftliches Fahrzeug (z. B. ein Traktor), ein Roboter im industriellen Bereich, ein Roboter im medizinischen Umfeld oder auch ein Roboter für private Anwendungen sein. Beispielsweise kann der Roboter ein Pflegeroboter, ein Rasenmähroboter, ein Staubsaugerroboter und dergleichen sein. Bei dem Menschen handelt es sich insbesondere um eine Person, die sich in einem gefährlichen Gelände bewegt, wodurch dessen Ortung über Radarstrahlung mittels des bzw. der Quarzglaskörper verbessert wird. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass die Radarwellen von einer Radareinrichtung ausgesendet werden, die an einem sich autonom bewegenden Objekt oder an einem Menschen angebracht ist.
Neben dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erfassung eines Raumbereichs mittels Radarwellen. Die Vorrichtung enthält eine Radarreinrichtung, welche derart ausgestaltet ist, dass sie im Betrieb Radarwellen in den Raumbereich aussendet und aus dem Raumbereich Radarechos empfängt, welche aus der Rückstreuung der Radarwellen aus dem Raumbereich resultieren, wobei die Radareinrichtung ferner dazu eingerichtet ist, die empfangenen Radarechos zu verarbeiten, um Informationen über den Raumbereich zu ermitteln.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst als Radarreflektoren einen oder mehrere homogene Quarzglaskörper, welche in dem Raumbereich installiert sind, wobei der oder die Quarzglaskörper jeweils eine kugelförmige Oberfläche umfassen und als eine oder mehrere Quarzglaskugeln und/oder eine oder mehrere Quarzglaskugelsegmente ausgestaltet sind. Die Vorrichtung ist so konfiguriert, dass Radarstrahlung der Radareinrichtung in einer Einfallsrichtung derart auf einen jeweiligen Quarzglaskörper fällt, dass durch Brechung der Radarstrahlung an der kugelförmigen Oberfläche des jeweiligen Quarzglaskörpers bei deren Eintritt in den jeweiligen Quarzglaskörper und Reflexion der eingetretenen Radarstrahlung an der kugelförmigen Oberfläche des jeweiligen Quarzglaskörpers sowie nochmaliger Brechung der reflektierten Radarstrahlung an der kugelförmigen Oberfläche des jeweiligen Quarzglaskörpers bei deren Austritt aus dem jeweiligen Quarzglaskörper ein Radarecho in Richtung entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung erzeugt wird und durch die Radareinrichtung empfangen wird. Die Radareinrichtung ist dabei derart ausgestaltet, dass sie den jeweiligen Quarzglaskörper über das empfangene Radarecho detektiert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise zur Durchführung einer oder mehrerer bevorzugter Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung die Verwendung von einem oder mehreren homogenen Quarzglaskörpern in der Form von einer oder mehreren Quarzglaskugeln und/oder in der Form von einem oder mehreren Quarzglaskugelsegmenten als Radarreflektoren in dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. in einer oder mehreren bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens oder in der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. in einer oder mehreren bevorzugten Varianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
Es zeigen:

1 eine schematische Schnittansicht eines Radarreflektors in der Form einer Metallkugel gemäß dem Stand der Technik;
2 eine Schnittansicht einer Quarzglaskugel, die im erfindungsgemäßen Verfahren als Radarreflektor verwendet wird;
3 und 4 Diagramme, welche den Radarquerschnitt einer Quarzglaskugel mit anderen Radarreflektoren vergleicht;
5 eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines Radarreflektors mit einer Quarzglaskugel;
6 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Radarreflektors mit einem Quarzglaskugelsegment; und
7 eine Draufsicht auf den in 6 im Schnitt gezeigten Radarreflektor.

Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung beruhen auf der erfindungswesentlichen Erkenntnis, dass sich Quarzglaskugeln bzw. Quarzglaskugelsegmente sehr gut als Radarreflektoren eignen, da sie einen hohen Radarquerschnitt aufweisen. Der Radarquerschnitt wird im Folgenden auch als RCS (RCS= Radar Cross Section) bezeichnet und ist eine an sich bekannte Größe.
1 zeigt im Querschnitt eine an sich bekannte metallische Kugel, die sich im Vergleich zu der weiter unten beschriebenen Quarzglaskugel nur bedingt zur Reflexion von Radarstrahlung eignet. Die metallische Kugel ist in 1 mit dem Bezugszeichen 1' bezeichnet und hat eine metallische Oberfläche 1a'. Der Durchmesser der Kugel ist mit Bezugszeichen D bezeichnet. Parallele Radarstrahlen fallen von einer schematisch angedeuteten Radareinrichtung 2 (nicht maßstabsgetreu dargestellt) auf die Oberfläche 1a' der metallischen Kugel 1'. Beispielhaft sind aus der Reflexion an der Oberfläche 1a' hervorgerufene Radarechos RE durch gestrichelte Pfeile wiedergegeben. Ferner ist der vertikal nach unten am Nordpol einfallende Radarstrahl RS dargestellt, der zu einem Radarecho RE entgegengesetzt zu dem Radarstrahl RS führt. Wie man erkennt, wird nur bei der Reflexion des Radarstrahls am Nordpol ein Radarecho entgegengesetzt zur Einfallsrichtung generiert. Beiträge von anderen Punkten auf der Oberfläche 1a' der metallischen Kugel 1' werden zur Seite weg reflektiert. Demzufolge ist der RCS-Wert einer metallischen Kugel mit dem Durchmesser D, der größer als die Wellenlänge der einfallenden Radarstrahlung ist, verhältnismäßig klein. In an sich bekannter Weise kann der RCS-Wert σ in Abhängigkeit von dem Durchmesser D durch folgende Formel beschrieben werden: $σ = π D^{2} / 4$
Im Unterschied zu einer metallischen Kugel ist der Radarquerschnitt einer Kugel aus dielektrischem Material durch eine zusätzliche Reflexion an der gewölbten Innengrenze verstärkt. Durch Berechnungen kann nachgewiesen werden, dass eine relative dielektrische Konstante des Dielektrikums einer dielektrischen Kugel zum Erreichen von ausreichenden Radarquerschnitten zwischen 2 und 4 liegen sollte. Das Wesen der Erfindung besteht in der Erkenntnis, dass Quarzglas, bei dem es sich um reines Siliziumdioxid mit einer Dichte von etwa 2,2 g/cm³ handelt, eine solche relative Dielektrizitätskonstante für elektromagnetische Wellen im Frequenzspektrum von Radar aufweist.
Die elektrischen Eigenschaften für Quarzglas bei 23°C und einer Strahlungsfrequenz von 80 GHz sind dabei wie folgt:

Relative Dielektrizitätskonstante 3,81

Dielektrischer Verlustwinkel 0,0008

Relative Permeabilitätskonstante 1
Im Besonderen konnte der Erfinder basierend auf Berechnungen ermitteln, dass sich der Radarquerschnitt einer Quarzglaskugel mit einem Durchmesser größer als die Wellenlänge der einfallenden Radarstrahlung durch folgende Gleichung näherungsweise beschreiben lässt: $σ = 8,9 F D^{3}$
Dabei ist D der Durchmesser (m) der Quarzglaskugel, F die Frequenz (GHz) der einfallenden Radarstrahlung und σ der RCS-Wert (m²). Wie man erkennt, vergrößert sich der RCS-Wert mit zunehmender Frequenz bzw. zunehmendem Durchmesser. Die Gleichung (2) setzt vernachlässigbare Verluste im Material der Kugel voraus.
2 zeigt eine Quarzglaskugel 1, die im Rahmen der Erfindung als Radarreflektor eingesetzt wird. Die Oberfläche der Quarzglaskugel ist mit Bezugszeichen 1a und deren Durchmesser mit Bezugszeichen D bezeichnet. In dem Szenario der 2 werden analog zu 1 durch eine Radareinrichtung 2 (nicht maßstabsgetreu dargestellt) parallele Radarstrahlen erzeugt, die in vertikaler Richtung nach unten auf die Quarzglaskugel 1 fallen. Die Radarstrahlung enthält einen Ring aus Radarstrahlen, der sich entlang der angedeuteten Linie L erstreckt. Ein Radarstrahl dieses Rings ist durch den Pfeil RS wiedergegeben. Nur Radarstrahlen, die entlang dieses Rings auf die Oberfläche 1a fallen, werden durch Brechung und Reflexion an der Oberflächenwölbung entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung als Radarecho zurückgeworfen. Ein solches Radarecho RE ist für den Radarstrahl RS durch einen gestrichelten Pfeil angedeutet.
Wie man erkennt, entsteht das Radarecho RE dadurch, dass der Radarstrahl RS zunächst an der Außenseite der Kugel 1 gebrochen wird. Der daraus resultierende Radarstrahl P1 breitet sich im Inneren der Kugel aus und wird anschließend am Südpol der Kugel reflektiert, so dass der reflektierte Radarstrahl P2 entsteht. Dieser Radarstrahl wird bei seinem Austritt aus der Kugel 1 nochmals gebrochen und führt zu dem Radarecho RE.
Im Unterschied zu der metallischen Kugel 1', bei der nur der am Nordpol eintreffende Radarstrahl RS entgegengesetzt zur Einfallsrichtung rückreflektiert wird, erzeugt die Quarzglaskugel 1 einen Ring von Radarstrahlung entsprechend der Linie L entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung. Es wird somit ein wesentlich höherer Radarquerschnitt erreicht. Es ist dabei lediglich sicherzustellen, dass die ausgesendete Radarstrahlung so einfällt, dass ein Radarecho entlang des Rings gemäß der Linie L entsteht. Für eine Quarzglaskugel ergibt sich für die Linie L ein Zenitwinkel θ₀ von 26° am Kugelmittelpunkt M. Demzufolge werden bei der Verwendung einer Quarzglaskugel als Radarreflektor hohe Radarquerschnitte dann erreicht, wenn die Radarstrahlung entlang des Rings mit dem Öffnungswinkel 2θ₀ (d.h. von 52°) einfällt.
3 und 4 zeigen Diagramme, welche auf Berechnungen des Erfinders beruhen und Radarquerschnitte RCS in dBm² in Abhängigkeit vom Einfallswinkel θ der Radarstrahlung in Grad (deg.) für unterschiedliche Radarreflektoren umfassend eine Quarzglaskugel wiedergeben. Die Radarquerschnitte sind dabei für eine Radarstrahlung mit der Wellenlänge λ = 3,2 cm angegeben. Die Linie L1 in 3 und 4 entspricht dem Radarquerschnitt einer Quarzglaskugel. Demgegenüber stellt die Linie L2 in 3 und 4 den Radarquerschnitt einer metallischen Kugel dar. Für beide Kugeln wurde ein Durchmesser D = 17,9 cm angenommen. Der Kurve K1 in 3 entspricht dem Radarquerschnitt einer quadratischen metallischen Platte, die eine Länge von 17,9 cm entsprechend dem Kugeldurchmesser hat. Demgegenüber entspricht die Kurve K2 in 4 dem Radarquerschnitt eines Winkelreflektors aus zwei metallischen quadratischen Platten mit einer Kantenlänge der Platten von 17,9 cm.
Wie man aus den Diagrammen der 3 und 4 erkennt, ist der Radarquerschnitt der Quarzglaskugel deutlich höher als der Radarquerschnitt der metallischen Kugel. Im Besonderen liegt der Radarquerschnitt gemäß der Linie L1 bei -1,9 dBm², wohingegen der Radarquerschnitt der Linie L2 bei -16 dBm² liegt. Darüber hinaus ist der Radarquerschnitt der Quarzglaskugel isotrop, d. h. die Quarzglaskugel stellt einen richtungsunabhängigen Radarreflektor dar, der Radarwellen immer entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung zurückwirft. Dies ist für eine metallische Platte und einen Winkelreflektor nicht der Fall, wie sich aus den Kurven K1 und K2 der 3 und 4 ergibt. Wie man erkennt, ist der Radarquerschnitt einer metallischen Platte gemäß der Kurve K1 stark winkelabhängig und weist eine Vielzahl von Peaks auf. Der höchste Peak liegt dabei in einem Winkelbereich von 4,5°, der durch die beiden Pfeile P' in 3 angedeutet ist. Auch der Winkelreflektor gemäß der Kurve K2 der 4 weist eine Winkelabhängigkeit auf. Insbesondere fällt der Radarquerschnitt außerhalb eines Winkelbereichs von 90° stark ab, wie durch den Pfeil P" angedeutet ist, der den Winkelbereich von 90° abdeckt.
In einer bevorzugten Variante wird die Quarzglaskugel aus 2 zur Reflexion von Radarstrahlung im sog. unteren W-Band verwendet, das einen Frequenzbereich der Radarstrahlung zwischen 77 GHz und 81 GHz abdeckt. Dieser Frequenzbereich kommt bevorzugt in Anwendungen im Automobilbereich (autonomes Fahren, Fahrassistenzsysteme, Fahrsicherheit und dergleichen) zum Einsatz. Für Kugeln mit einem Durchmesser von 5 cm ergeben sich folgende mittlere Radarquerschnitte in diesem W-Band:

Material Mittlerer RCS (cm²)

Quarzglas 876

Teflon 43

Metall 19

Acrylglas 16

Herkömmliches Glas 4
Wie man erkennt, hat die Quarzglaskugel einen deutlich höheren Radarquerschnitt als Kugeln aus anderen Materialen. Insbesondere reflektiert die Quarzglaskugel ca. 20-mal stärker als eine Kugel aus Teflon und ca. 46-mal stärker als eine metallische Kugel. Dieses Verhältnis verstärkt sich mit zunehmender Frequenz bzw. zunehmendem Durchmesser (siehe Formeln (1) und (2)). Eine Quarzglaskugel ist somit außerordentlich gut zur Verwendung für Radarstrahlung im obigen Frequenzbereich geeignet.
5 bis 7 zeigen zwei Ausführungsbeispiele der Verwendung einer Quarzglaskugel bzw. eines Quarzglaskugelsegments als Radarreflektor. In 5 bis 7 ist dabei durch eine gestrichelte Linie der Verlauf eines einfallenden Radarstrahls RS und des daraus resultierenden Radarechos RE für eine Einfallsposition angedeutet, bei der das Radarecho entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung des Radarstrahls zurückgeworfen wird. Die Radarstrahlung stammt von der Radareinrichtung 2, die schematisch und nicht maßstabsgetreu wiedergegeben ist. Das Bezugszeichen M bezeichnet in 5 und 6 den Mittelpunkt der Quarzglaskugel bzw. den Mittelpunkt des Quarzglaskugelsegments.
5 zeigt einen Anwendungsfall, bei dem eine vollkommen richtungsunabhängige Reflexion von einfallender Radarstrahlung erreicht wird. Hierzu wird die Quarzglaskugel 1 auf der Spitze eines spitzenförmigen Trägers 3 gelagert. 6 zeigt einen Anwendungsfall, bei dem anstatt einer Quarzglaskugel ein Quarzglaskugelsegment 1 verwendet wird. Das Segment ist in der Ausführungsform der 6 Bestandteil eines Leitpfostens 4, der am Straßenrand angeordnet ist und mit einer Radareinrichtung 2 eines Kraftfahrzeugs detektiert werden kann. Wie man aus 6 erkennt, ist das Quarzglaskugelsegment zwischen einem oberen Abschnitt 4a und einem unteren Abschnitt 4b des Leitpfostens angeordnet.
Das Kugelsegment entsteht dadurch, dass die ursprüngliche Quarzglaskugel im gleichen Abstand von einer horizontalen, durch den Mittelpunkt M verlaufenden Ebene E abgeschnitten wird. Es entstehen somit zwei parallele Flächen 1c, die das Kugelsegment oben und unten begrenzen. Dabei ist darauf zu achten, dass der Öffnungswinkel für einfallende Radarstrahlung am Mittelpunkt M so gewählt wird, dass eine Rückreflexion der Radarstrahlung zur Radareinrichtung gewährleistet ist, d. h. der Öffnungswinkel 2θ₀ liegt mindestens bei 52°, wie bereits oben beschrieben wurde. Optional kann ferner eine metallische Reflexionsschicht 1b auf der Oberfläche 1a des Kugelsegments in einem Bereich vorgesehen sein, an dem die Reflexion der Radarstrahlung an der gewölbten Innengrenze des Kugelsegments erfolgt. Hierdurch wird der Radarquerschnitt erhöht.
7 zeigt den Leitpfosten 4 der 6 nochmals in Draufsicht von oben, wobei ferner nochmals ein Strahlengang eines Radarstrahls verdeutlicht ist. Dabei ist zu beachten, dass der Verlauf der Radarstrahlung in einer Ebene liegt, die durch das Quarzglaskugelsegment verläuft.
Der als Quarzglaskugel bzw. Quarzglaskugelsegment ausgestaltete Radarreflektor kann für eine Vielzahl von Anwendungsgebieten zum Einsatz kommen. Dabei ist es das Ziel, den Radarreflektor mit einer entsprechenden Radareinrichtung zu detektieren, um hierdurch Informationen über die Position des Radarreflektors im Bezug zur Radareinrichtung zu erhalten.
Ein Anwendungsbereich des als Quarzglaskugel bzw. Quarzglaskugelsegment ausgestalteten Radarreflektors ist der Automobilbereich. Der Radarreflektor kann dabei als Markierung für folgende Zwecke eingesetzt werden:

- Positionsbestimmung von Fahrzeugen auf der Straße, z.B. durch Markierung des Straßenrands (an Leitpfosten) und der Fahrbahn (an der Fahrstreifenmarkierung),
- radargestützte Erkennung von anderen Verkehrsteilnehmern, wie Autos, Radfahrern und Fußgängern, wobei die Quarzglaskugel bzw. das Quarzglaskugelsegment beispielsweise an Stoßstangen und Anhängerkupplungen von Autos, Lenkern bzw. Steuerrohren von Fahrrädern, Radfahrerhelmen, Warnwesten, Schulranzen, Bekleidung und dergleichen angebracht werden kann,
- Erkennung der Außenabmessungen von Fahrzeugen bei Höhenkontrollen vor Brücken, Unterführungen und Tunneln,
- Positionsbestimmung für autonome Fahrzeuge und Serviceroboter auf privaten, landwirtschaftlichen und betrieblichen Flächen, beispielsweise in Parkhäusern, Lagerhallen und dergleichen.

Ein weiteres Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Quarzglaskugeln bzw. Quarzglaskugelsegmente ist die Luftfahrt. Die Quarzglaskugeln bzw. Quarzglaskugelsegmente können z. B. in Flugzeugen, Hubschraubern, Drohnen, Drachen, Gleitschirmen und dergleichen integriert werden. Ebenso können sie zur radarwirksamen Markierung von Windkraftanlagen, Stromtrassen, Hochhäusern, Brücken, Turmkränen, Seilbahnen sowie Start- und Landebahnen an Flughäfen genutzt werden.
Ebenso können die erfindungsgemäßen Quarzglaskugeln bzw. Quarzglaskugelsegmente in der Schifffahrt eingesetzt werden. Insbesondere können sie dabei für folgende Zwecke genutzt werden:

- Markierung von Schiffen, auch für autonomes Schwimmen,
- Markierung des Fahrwassers (Bojen),
- Markierung von Küstenbereichen (Klippen, Riffen) sowie von Gewässern in Hafenbereichen (Kais, Landezonen, Stege, Piers),
- Höhenkontrolle von Schiffen vor Brücken.

Ein weiterer Anwendungsbereich ist die Raumfahrt. Dabei können die erfindungsgemäßen Quarzglaskugeln bzw. Quarzglaskugelsegmente für folgende Zwecke genutzt werden:

- Verfolgung von Satelliten von Bodenstationen aus,
- Kalibrierung des Orbits von Satelliten,
- Radarentfernungsmessung zwischen Satelliten,
- Positionskontrollen für Satelliten im Formationsflug,
- Markierung von Landungsstellen und Landemodulen, z.B. auf dem Mond, auf Asteroiden und Planeten.

Ein weiteres Anwendungsfeld für die erfindungsgemäßen Quarzglaskugeln bzw. Quarzglaskugelsegmente ist Sicherheit und Katastrophenschutz, insbesondere für folgende Zwecke:

- Erkennung von Personen und Gegenständen (Rettungsboote und Flöße, Rettungswesten, freischwimmenden Container) im Wasser bei Dunkelheit oder Nebel,
- Navigation von Rettungspersonen, Robotern und autonomen Fahrzeugen in dunklen, verrauchten Räumen,
- drohnengestützte Kontrolle von Pipelines und Deformationen der Erdoberfläche,
- Markierung von gefährlichem Gelände (z.B. Durchgänge in Schnee-, Berg-, und Sumpfgebieten oder in vermintem Terrain).

Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere werden erstmalig Quarzglaskugeln bzw. Quarzglaskugelsegmente in radargestützten Verfahren zur Reflexion von Radarstrahlung genutzt. Quarzglaskugeln bzw. Quarzglaskugelsegmente haben dabei den Vorteil, dass sie einfach und kostengünstig zu fertigen sind und im Frequenzbereich von Radarwellen einen hohen Radarquerschnitt aufweisen. Darüber hinaus sind Quarzglaskugeln bzw. Quarzglaskugelsegmente mechanisch fest und sie haben einen geringen Ausdehnungskoeffizienten und eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit. Ferner sind Quarzglaskugeln bzw. Quarzglaskugelsegmente chemisch stabil, da Quarzglas mit Ausnahme von Flusssäure und heißer Phosphorsäure von keiner Säure angegriffen wird und sich gegenüber vielen Stoffen neutral verhält. Im Übrigen ist Quarzglas ein umweltfreundliches und wetterbeständiges Material.

Claims

Verfahren zur Erfassung eines Raumbereichs mittels Radarwellen, bei dem eine Radareinrichtung (2) Radarwellen in den Raumbereich aussendet und aus dem Raumbereich Radarechos (RE) empfängt, welche aus der Rückstreuung der Radarwellen aus dem Raumbereich resultieren, wobei die Radareinrichtung (2) die empfangenen Radarechos (RE) verarbeitet, um Informationen über den Raumbereich zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Raumbereich als Radarreflektoren eine oder mehrere homogene Quarzglaskörper (1) installiert sind, welche jeweils eine kugelförmige Oberfläche (1a) umfassen und welche als eine oder mehrere Quarzglaskugeln und/oder eine oder mehrere Quarzglaskugelsegmente ausgestaltet sind, wobei Radarstrahlung (RS) der Radareinrichtung (2) in einer Einfallsrichtung derart auf einen jeweiligen Quarzglaskörper (1) fällt, dass durch Brechung der Radarstrahlung (RS) an der kugelförmigen Oberfläche (1a) des jeweiligen Quarzglaskörpers (1) bei deren Eintritt in den jeweiligen Quarzglaskörper (1) und Reflexion der eingetretenen Radarstrahlung (P1) an der kugelförmigen Oberfläche (1a) des jeweiligen Quarzglaskörpers (1) sowie nochmaliger Brechung der reflektieren Radarstrahlung (P2) an der kugelförmigen Oberfläche (1a) des jeweiligen Quarzglaskörpers (1) bei deren Austritt aus dem jeweiligen Quarzglaskörper (1) ein Radarecho (RE) in Richtung entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung erzeugt wird und durch die Radareinrichtung (2) empfangen wird, wobei die Radareinrichtung (2) den jeweiligen Quarzglaskörper (1) über das empfangene Radarecho (RE) detektiert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Radarecho (RE) entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung einen Ring aus Radarwellen bildet, der aus dem jeweiligen Quarzglaskörper (1) austritt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Radarstrahlung (RS) in einem Wellenlängenbereich zwischen 1 GHz und 300 GHz, vorzugweise in einem Wellenlängenbereich zwischen 75 GHz bis 110 GHz und besonders bevorzugt in einem Wellenlängenbereich zwischen 77 GHz und 81 GHz liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (D), der zu der kugelförmigen Oberfläche (1a) eines jeweiligen Quarzglaskörpers (1) gehört, größer als die Wellenlänge der Radarstrahlung (RS) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine metallische Reflexionsschicht (1b) auf einem Teil der kugelförmigen Oberfläche (1a) von zumindest einem Quarzglaskörper (1) in einem Bereich vorgesehen ist, an dem die in den entsprechenden Quarzglaskörper (1) eingetretene Radarstrahlung (R1) reflektiert wird, aus der das Radarecho (RE) entgegensetzt und parallel zur Einfallsrichtung der Radarstrahlung (RS) resultiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kugelförmige Oberfläche (1a) zumindest eines Quarzglaskörpers (1) unbeschichtet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Quarzglaskörper (1) eine oder mehrere Quarzglaskugelsegmente (1) umfassen, welche jeweils derart ausgestaltet sind, dass der Kugelmittelpunkt (M) der kugelförmigen Oberfläche (1a) im jeweiligen Quarzglaskugelsegment (1) liegt und das jeweilige Quarzglaskugelsegment (1) an einer Seite und vorzugsweise an zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils durch eine andere, von der kugelförmigen Oberfläche (1a) abweichende Fläche (1c), vorzugsweise eine nicht-kugelförmige Fläche, begrenzt ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Quarzglaskugelsegment (1) an zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils durch eine ebene Fläche (1c) begrenzt ist, wobei die beiden ebenen Flächen (1c) parallel zueinander verlaufende Flächen sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Quarzglaskörper (1) eine oder mehrere Quarzglaskugeln (1) umfassen, welche jeweils an einer einzelnen Stelle eines Trägers, insbesondere auf einer Spitze eines spitzenförmigen Trägers (3), gelagert sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Quarzglaskörper (1) an einem oder mehreren Straßenverkehrs-Infrastrukturelementen (4) und/oder Straßenverkehrsteilnehmern im Raumbereich vorgesehen sind und/oder die Radarwellen von einer Radareinrichtung (2) ausgesendet werden, die an einem Straßenverkehrs-Infrastrukturelement (4) oder einem Straßenverkehrsteilnehmer angebracht ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Quarzglaskörper (1) an zumindest einem Flugobjekt und/oder zumindest einem schwimmenden Objekt im Raumbereich vorgesehen sind und/oder die Radarwellen von einer Radareinrichtung (2) ausgesendet werden, die an einem Flugobjekt oder einem schwimmenden Objekt angebracht ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der oder die Quarzglaskörper (1) an zumindest einem sich autonom bewegenden Objekt und/oder an zumindest einem Menschen im Raumbereich vorgesehen sind und/oder die Radarwellen von einer Radareinrichtung (2) ausgesendet werden, die an einem sich autonom bewegenden Objekt oder einem Menschen angebracht ist.
Vorrichtung zur Erfassung eines Raumbereichs mittels Radarwellen, umfassend eine Radareinrichtung (2), welche derart ausgestaltet ist, dass sie im Betrieb Radarwellen in den Raumbereich aussendet und aus dem Raumbereich Radarechos (RE) empfängt, welche aus der Rückstreuung der Radarwellen aus dem Raumbereich resultieren, wobei die Radareinrichtung (2) ferner dazu eingerichtet ist, die empfangenen Radarechos (RE) zu verarbeiten, um Informationen über den Raumbereich zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als Radarreflektoren einen oder mehrere homogene Quarzglaskörper (1) umfasst, welche in dem Raumbereich installiert sind, wobei der oder die Quarzglaskörper (1) jeweils eine kugelförmige Oberfläche (1a) umfassen und als eine oder mehrere Quarzglaskugeln und/oder eine oder mehrere Quarzglaskugelsegmente ausgestaltet sind, wobei die Vorrichtung so konfiguriert ist, dass Radarstrahlung (RS) der Radareinrichtung (2) in einer Einfallsrichtung derart auf einen jeweiligen Quarzglaskörper (1) fällt, dass durch Brechung der Radarstrahlung (RS) an der kugelförmigen Oberfläche (1a) des jeweiligen Quarzglaskörpers (1) bei deren Eintritt in den jeweiligen Quarzglaskörper (1) und Reflexion der eingetretenen Radarstrahlung (P1) an der kugelförmigen Oberfläche (1a) des jeweiligen Quarzglaskörpers (1) sowie nochmaliger Brechung der reflektieren Radarstrahlung (P2) an der kugelförmigen Oberfläche (1a) des jeweiligen Quarzglaskörpers (1) bei deren Austritt aus dem jeweiligen Quarzglaskörper (1) ein Radarecho (RE) in Richtung entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung erzeugt wird und durch die Radareinrichtung (2) empfangen wird, wobei die Radareinrichtung (2) derart ausgestaltet ist, dass sie den jeweiligen Quarzglaskörper (1) über das empfangene Radarecho detektiert.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 12 eingerichtet ist.
Verwendung von einem oder mehreren homogenen Quarzglaskörpern in der Form von einer oder mehreren Quarzglaskugeln und/oder in der Form von einem oder mehreren Quarzglaskugelsegmenten als Radarreflektoren in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder in einer Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14.