DE102022123851A1

DE102022123851A1 - Radar zur Messung eines Abstands zu einem Messobjekt nach dem Laufzeitprinzip

Info

Publication number: DE102022123851A1
Application number: DE102022123851.2A
Authority: DE
Inventors: Axel Hülsmann; Mathias Klenner; Klenner Norbert
Original assignee: Ondosense GmbH
Current assignee: Ondosense GmbH
Priority date: 2022-09-16
Filing date: 2022-09-16
Publication date: 2024-03-21

Abstract

Ein Radar (1) zur Messung eines Abstands zu einem Messobjekt (2) nach dem Laufzeitprinzip weist ein metallisches Rohr (3) mit einer Innenhöhlung (4) auf, in der mindestens eine Radarantenne (5) zum Senden und Empfangen eines Radarstrahls angeordnet ist. Mit der Radarantenne (5) ist eine Radarelektronik (6) zur Erzeugung eines Radarsignals sowie zur Messung des Abstands zum Messobjekt (2) verbunden. Zum Messen des Abstands zu einem außerhalb der Innenhöhlung (4) befindlichen Messobjekt (2) hat das metallische Rohr (3) eine an die Innenhöhlung (4) angrenzende Öffnung (8) für den Durchtritt eines Radarstrahls. Ein zwischen der Öffnung (8) und der mindestens einen Radarantenne (5) befindlicher Abschnitt des metallischen Rohrs (3) ist an seiner der Innenhöhlung (4) zugewandten Innenwand mit einer Absorptionsschicht (9) für den Radarstrahl beschichtet. Die größte lichte Querschnittsabmessung (a) der Innenhöhlung (4) beträgt mindestens das 10-fache der Radar-Wellenlänge λ des Radarsignals.

Description

Die Erfindung betrifft ein Radar zur Messung eines Abstands zu einem Messobjekt nach dem Laufzeitprinzip, mit einem metallischen Rohr, das eine Innenhöhlung aufweist, in der mindestens eine Radarantenne zum Senden und Empfangen eines Radarstrahls angeordnet ist, und mit einer mit der mindestens einen Radarantenne verbundenen Radarelektronik zur Erzeugung eines Radarsignals sowie zur Messung des Abstands zum Messobjekt.
Die Entfernungsmessung von Radaren beruht auf der Laufzeitmessung einer Elektromagnetischen Welle von der Sende-Antenne zu einem Messobjekt und der Laufzeit der reflektierten Welle vom Messobjekt zurück zur Empfangsantenne. In praktischen Ausführungen von Radaren ist nach Ungleichung (1) der geometrische Abstand d zwischen Sende- und Empfangsantenne deutlich kleiner als der Abstand zwischen dem Messobjekt und der Sendeantenne Rs beziehungsweise zwischen dem Messobjekt und der Empfangsantenne R_E. Im Grenzfall hat ein Radar nur eine Sende- und Empfangsantenne und die Signaltrennung zwischen Sende- und Empfangssignal erfolgt mit einem Koppler innerhalb der Radarelektronik. Der geometrische Abstand zwischen einem Radar und einem Messobjekt ist daher gegeben durch Gleichung (2). $d < < R_{S} + R_{E}$
$R = (R_{S} + R_{E}) / 2$
Die Laufzeit τ des Radarsignals von der Radarantenne zum Messobjekt und wieder zur Radarantenne zurück wird durch Gleichung (3) beschrieben. $τ = 2 R / c_{0}$
In Gleichung (3) ist c₀ die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Phase der elektromagnetischen Radar-Welle im Vakuum, die auch als Lichtgeschwindigkeit bezeichnet wird und die sich von der Geschwindigkeit in Luft kaum unterscheidet.
Ein Radar der eingangs genannten Art und Algorithmen zur präzisen Abstandsmessung mit Radaren sind bekannt aus der Veröffentlichung von Steffen Scherr et. al. „Miniaturized 122 GHz ISM Band FMCW Radar with Micrometer Accuracy“, Proceedings of the 12th European Radar Conference, 9-11 Sept.B2015, Paris (Scherr). Bei einem auf Seite 37 dieser Veröffentlichung abgebildeten Radar ist die Radarantenne in einem zylindrischen Monomode-Hohlleiter angeordnet, der an seinen beiden Axialenden geschlossen ist und eine Innenhöhlung umschließt. Da die lichte Innenquerschnittsabmessung a der Innenhöhlung in etwa der Radar-Wellenlänge λ entspricht, kann sich in dem Holleiter nur eine Schwingungsmode ausbreiten.
Als Objekt, dessen Abstand zu dem Radar gemessen werden soll, ist ein in der Innenhöhlung des Hohlleiters axial verschiebbar angeordneter Kolben vorgesehen, der die von der Radarantenne ausgesendete Radarstrahlung kurzschließt.
Das Radar dient dazu, unter Laborbedingungen die sogenannte Cramer-Rao-Grenze experimentell nachzuweisen. Die Cramer-Rao Grenze ist eine theoretische Grenze, die in der Praxis nicht erreicht werden kann und von vielen Faktoren eines real aufgebauten Radarsystems abhängt, wie beispielsweise dem Signal-Rausch Verhältnis des Empfangssignals, dem Phasenrauschen der Sendefrequenz, dem Phasenfehler verursacht durch den Abstand von Sende- und Empfangs-Radarantenne, der Bandbreite des Sendesignals, der Linearität des Frequenzchip, aber auch der gewählten Fenster-Funktion und der Digitalisierung des Radarsignals. Zur Messung des Abstands zu Messobjekten, die sich außerhalb der Innenhöhlung des Hohlleiters befinden, ist das vorbekannte Radar nicht geeignet.
Hohlleiter, deren Innenquerschnittsabmessungen a ein Vielfaches der Wellenlänge λ betragen (a >> λ), werden als multimodige Hohlleiter bezeichnet. Die verschiedenen Moden werden als TM oder TE-Wellen (transversal elektrisch oder transversal magnetisch) durchgezählt. Üblich ist eine Beschreibung über zwei Indizes n, m für die beiden orthogonalen elektrischen und magnetischen Felder. Die Mode mit der größten Phasengeschwindigkeit wird als Grundmode bezeichnet. Hier werden die Moden einfach nur mit einem Index n durchgezählt. Alle Phasengeschwindigkeiten c_n der verschiedenen Moden einer elektromagnetischen Welle in einem Rohr müssen naturgemäß immer kleiner als die Lichtgeschwindigkeit (c_n<c₀) sein. Für die Phasengeschwindigkeit der verschiedenen Moden (n= 1,2,3, ...) in einem multimodigen Hohleiter gilt die Ungleichung: $c_{1} \neq c_{2} \neq c_{3} \neq \dots$
Eine einfache Laufzeitauswertung nach Gleichung (3) und damit eine präzise Radar-Abstandsmessung ist daher mit einem Radarstrahl, der durch einen multimodigen Hohlleiter hindurchgeleitet wird, nicht mehr möglich.
Das oben beschriebene Phänomen wird auch als Modendispersion bezeichnet.
Aus der Veröffentlichung von Steffen Scherr et. al. „Miniaturized 122 GHz ISM Band FMCW Radar with Micrometer Accuracy", Proceedings of the 12th European Radar Conference, 9-11 Sept.B2015, Paris (Scherr) ist ferner ein Radar bekannt, bei dem der Radarstrahl auf dem Weg von der Radarantenne zum Messobjekt und von diesem zurück zur Radarantenne sich frei ausbreiten kann, also nicht durch ein metallisches Rohr geleitet wird. Derartige Radare sind jedoch für eine Verwendung in besonders rauen Umweltbedingungen praktisch nicht geeignet.
So besteht beispielsweise in einem Stahlwerk, in dem der Abstand zu einem Objekt, wie zum Beispiel einer Kante einer heißen, rot glühenden Bramme mit einem Radar gemessen wird, die Gefahr, dass die Radarantenne oder auch die Radarelektronik durch Umwelteinflüsse, wie Hitze, Staub, Dämpfe oder umherfliegende Partikel beschädigt werden. Außerdem kann der Radarstrahl zwischen der Radarantenne und dem Messobjekt durch umherfliegende Partikel unterbrochen werden, wodurch Messfehler bei der Abstandsmessung auftreten können.
Es besteht deshalb die Aufgabe, ein Radar der eingangs genannten Art zu schaffen, das auch bei rauen Umweltbedingungen eine weitgehend störungsfreie Abstandsmessung mit hoher Messgenauigkeit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Diese sehen bei einem Radar der eingangs genannten Art vor, dass das metallische Rohr zum Messen des Abstands zu einem außerhalb der Innenhöhlung befindlichen Messobjekt eine an die Innenhöhlung angrenzende Öffnung für den Durchtritt eines Radarstrahls hat, dass zumindest ein zwischen der Öffnung und der mindestens einen Radarantenne befindlicher Abschnitt des metallischen Rohrs an seiner der Innenhöhlung zugewandten Innenwand mit einer Absorptionsschicht für den Radarstrahl beschichtet ist, und dass die größte lichte Querschnittsabmessung (a) der Innenhöhlung mindestens das Zehnfache der Radar-Wellenlänge λ des Radarsignals beträgt.
In vorteilhafter Weise ist die mindestens eine Radarantenne der in der Innenhöhlung des metallischen Rohrs beim Auftreten von rauen Umgebungsbedingungen gut vor Beschädigungen geschützt. Durch die an der Innenwand des metallischen Rohrs vorgesehene Absorptionsschicht wird die Modendispersion der Radarstrahlung im Rohr so stark reduziert, dass eine präzise Messung des Abstands zum Messobjekt ermöglicht wird. Wegen der im Vergleich zu einem Monomode-Hohlleiter wesentlich größeren Querschnittsabmessungen des metallischen Rohrs, ist in der Innenhöhlung genügend Platz vorhanden, um die mindestens eine, in der Innenhöhlung angeordnete Radarantenne derart auszugestalten, dass sie einen geringen Öffnungswinkel aufweist. Hierdurch trifft nur ein relativ kleiner Teil der Radarstrahlung auf der Absorptionsschicht auf, so dass der Radarstrahl durch die Absorptionsschicht kaum geschwächt wird. Somit kann mit dem Radar auch der Abstand zu Messobjekten gemessen werden, die sich außerhalb der Innenhöhlung in größerem Abstand zu der Öffnung des metallischen Rohrs befinden.
Bevorzugt sind in der Innenhöhlung zwei mit Abstand zueinander angeordnete Radar-Antennen vorgesehen, die mit einer Linse zur Bündelung des Radarstrahls zusammenwirken. Dabei dient eine Radar-Antenne als Sendeantenne und die andere Radarantenne als Empfangsantenne. Gegebenenfalls ist es sogar möglich, außer der mindestens einen Radarantenne auch die Radarelektronik oder zumindest Teile davon in der Innenhöhlung des metallischen Rohrs anzuordnen. In der Innenhöhlung ist die Radarelektronik vor rauen Umgebungsbedingungen geschützt. Außerdem kann die Antennenleitung zwischen der Radarelektronik und der mindestens einen Antenne besonders kurz gehalten werden. Dies ermöglich einen einfachen Aufbau des Radars.
Die der Innenhöhlung zugewandte Innenfläche des metallischen Rohres ist zumindest abschnittweise zylindrisch ausgestaltet, insbesondere kreiszylindrisch. Unter einer zylindrischen Innenfläche wird eine Fläche verstanden, die durch Parallelverschiebung einer Geraden längs einer geschlossenen Leitkurve gebildet werden kann.
Die Erfindung kann in einem Stahlwerk zum berührungslosen Messen des Abstands zu einer heißen, rot glühenden Bramme verwendet werden. Wenn die Abstände zu einander abgewandt gegenüberliegenden Oberflächen der Bramme mit zwei separaten Radaren gemessen wird, ist es sogar möglich, aus den Messwerten die Blechdicke der Bramme oder die Breite der Bramme zu ermitteln. Die bisher zur Blechdickenmessung in Stahlwerken verwendeten Cäsium-Strahlungsquellen können dadurch eingespart werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der elektrische Schichtwiderstand der Absorptionsschicht im Bereich von 10⁵ bis 10¹⁰ Ohm. Hierdurch kann die Modendispersion in dem metallischen Rohr besonders gut unterdrückt werden.
Vorteilhaft ist, wenn die Schichtdicke der Absorptionsschicht mindestens ein Zehntel der Radar-Wellenlänge λ beträgt. Auch durch diese Maßnahme wird die Modendispersion wirkungsvoll reduziert. Gegebenenfalls ist es sogar möglich, dass der Messfehler bei der Abstandsmessung des Radars kleiner ist als die halbe Radar-Wellenlänge λ.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt der entlang des Strahlengangs der Radarstrahlung gemessene Abstand zwischen der mindestens einen Radarantenne und der Öffnung mindestens das 20-fache der Radar-Wellenlänge λ. Hierdurch ist die mindestens eine Radar-Antenne in der Innenhöhlung des metallischen Rohrs beim Auftreten von rauen Umgebungsbedingungen noch besser gegen mechanische Beschädigung und/oder Verschmutzung geschützt.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist zum Ablenken des Radarstrahls zwischen der mindestens einen Radarantenne und der Öffnung ein Ablenkspiegel in der Innenhöhlung des metallischen Rohrs angeordnet. Durch die an dem Ablenkspiegel auftretende Änderung der Ausbreitungsrichtung des Radarstrahls kann das erfindungsgemäße Radar auch bei in der Praxis häufig vorkommenden Anwendungen verwendet werden, die es aus Platzgründen notwendig machen, den Radarstrahl um- oder abzulenken. Die Ablenkung von Radarstrahlen durch Metallflächen ist aus der DE 10 2008 029 771 A1 bekannt. Unter rauen Umweltbedingungen, wie oben beschrieben, ist eine einfache Freistrahlablenkung des Radarstrahls, wie sie in dieser Druckschrift beschrieben ist, jedoch praktisch nicht möglich.
Vorteilhaft ist, wenn der Ablenkspiegel eine ebene, metallische Reflexionsschicht aufweist, die an ihrer der Innenhöhlung zugewandten Oberfläche eine Rauigkeit von unter einem Zehntel der Radar-Wellenlänge λ hat, und wenn die elektrische Leitfähigkeit der metallischen Reflexionsschicht mindestens 10⁶ S/m beträgt. Hierdurch kann der Radarstrahl präzise und mit geringen Streuverlusten an dem Ablenkspiegel abgelenkt werden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Reflexionsschicht des Ablenkspiegels gegen Oxydation mit einer dielektrischen Schicht passiviert, die dünner ist als ein Zehntel der Radar-Wellenlänge λ. Hierdurch kann der Ablenkspiegel auch beim Auftreten von hohen Temperaturen dauerhaft vor Oxidation geschützt werden.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung weist das metallische Rohr einen zwischen der mindestens einen Radarantenne und dem Ablenkspiegel angeordneten ersten Rohrabschnitt und einen quer dazu verlaufenden zweiten Rohrabschnitt auf, der zwischen dem Ablenkspiegel und der Öffnung für den Durchtritt des Radarstrahls angeordnet ist, wobei die Absorptionsschicht sowohl an der der Innenhöhlung zugewandten Innenwand des ersten Rohrabschnitts als auch an der der Innenhöhlung zugewandten Innenwand des zweiten Rohrabschnitts vorgesehen ist. Durch diese Maßnahme kann der Ablenkspiegel noch besser vor rauen Umgebungsbedingungen geschützt werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung hat die mindestens eine Radarantenne einen -3 dB Öffnungswinkel von weniger als 10°, insbesondere von weniger als 8° und bevorzugt von weniger als 6°. Hierdurch trifft nur ein vergleichsweise geringer Teil der Radarstrahlung auf die Absorptionsschicht auf, so dass eine Schwächung des Radarstrahls weitestgehend vermieden wird. Der geringe Öffnungswinkel kann dadurch erreicht werden, dass die mindestens eine Radarantenne eine Sendeantenne und eine davon beabstandete Empfangsantenne umfasst und mindestens eine Linse zum Bündeln des Radarstrahls umfasst.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

1 einen Längsschnitt durch ein Radar zu Messung eines Abstands zu einem Messobjekt nach dem Laufzeitprinzip, wobei das Radar zwei in der Innenhöhlung eines metallischen Rohrs angeordnete Radarantennen aufweist, und wobei die Innenwand des metallischen Rohrs mit einer Absorptionsschicht für die Radarwellen beschichtet ist,
2 eine Aufsicht auf das in 1 gezeigte Radar,
3 eine Darstellung ähnlich 1, wobei jedoch an dem von den Radarantennen entfernten Ende des metallischen Rohrs ein Ablenkspiegel für die Radarstrahlung angeordnet ist,
4 eine graphische Darstellung einer Fehleranalyse des in 3 gezeigten Radars,
5 eine Darstellung ähnlich 4, jedoch für ein nicht erfindungsgemäßes Radar, bei dem das metallische Rohr an seiner Innenwand unbeschichtet ist, wobei das Radar im Übrigen mit dem in 3 abgebildeten Radar übereinstimmt, und
6 eine Darstellung ähnlich 3, wobei jedoch das metallische Rohr einen ersten und einen quer dazu angeordneten zweiten Rohrabschnitt aufweist, und wobei der Ablenkspiegel zwischen diesen Rohrabschnitten angeordnet ist.

Ein im Ganzen mit 1 bezeichnetes Radar zur Messung eines Abstands zu einem Messobjekt 2 nach dem Laufzeitprinzip hat ein metallisches Rohr 3, das eine Innenhöhlung 4 umgrenzt. Das metallische Rohr 3 ist zylindrisch mit rechteckigem Querschnitt ausgestaltet und hat eine Länge von 50 cm. Bei einer Radar-Wellenlänge von 2,5 mm beträgt also die Länge des metallischen Rohrs 3 das 20-fache der Wellenlänge λ der Radarstrahlung des Radars 1.
In der Innenhöhlung 4 des metallischen Rohrs 3 sind zwei Radarantennen 5 angeordnet, von denen die eine als Sendeantenne und die andere als Empfangsantenne genutzt wird. Die aus den Radarantennen 5 gebildete Antennenanordnung ist mittig im Rohrquerschnitt des metallischen Rohrs 3 angebracht. In der Zeichnung sind die beiden Antennen der Einfachheit halber nur durch ein Antennensymbol dargestellt.
Im Abstrahlbereich der Sendeantenne und im Empfangsbereich der Empfangsantenne ist außerdem eine in der Zeichnung nicht näher dargestellte Linse zur Bündelung der Radarstrahlung in der Innenhöhlung 4 angeordnet.
Die Radarstrahlung wird von der mindestens einen Radarantenne 5 mit kleinem Öffnungswinkel abgestrahlt und empfangen. Ein kleiner Öffnungswinkel bedeutet, dass die abgestrahlte Strahlungsintensitätsverteilung an der Rohrinnenwand kleiner als -7 dB im Verhältnis zur Rohrmitte beträgt. Dies ist zu erreichen mit einer Radarantenne 1, die einen Antennengewinn von über 20 dBi aufweist.
Die größte lichte Querschnittsabmessung a der Innenhöhlung, die bei dem in 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel in Richtung der Diagonale des metallischen Rohres 3 gemessen wird, ist 25 mm und beträgt damit das das Zehnfache der kleinsten Radar-Wellenlänge λ von 2,5 mm des von der Radarelektronik 4 erzeugten Radarsignals (ca. 122 GHz).
Benachbart zu den Radarantennen 5 ist ferner eine Radarelektronik 6 in der Innenhöhlung 4 des metallischen Rohrs 3 angeordnet. Die Radarelektronik 6 ist in an sich bekannter Weise zur Erzeugung Radarsignals sowie zur Messung des Abstands zum Messobjekt 2 ausgestaltet. Die Radarelektronik 6 hat einen mit der Sendeantenne verbundenen ersten Antennenanschluss, an dem ein Sendesignal ausgebbar ist, das eine Wellenlängen λ aufweist.
Das Sendesignal, das von der als Sendeantenne dienenden Radarantenne 5 ausgesendet wird, trifft auf das Messobjekt 2 auf, wird an diesem reflektiert und zu der als Empfangsantenne dienenden Radar-Antenne 5 hin abgelenkt. Die reflektierte Mikro- oder Millimeterwelle wird nach einer vom Abstand des Messobjekts 2 abhängigen Laufzeit τ wieder empfangen und über die Radarantenne 5 der Radarelektronik 6 zugeführt. Die Radarelektronik 6 ermittelt die zugehörige Laufzeit und errechnet daraus den Abstand R.
Ob es sich bei dem Radar 1 um ein Puls-Radar, FMCW-Radar oder ein Radar handelt, dass nach einem anderen Radar-Messprinzip arbeitet, ist für die Erfindung unerheblich. Bei einem Radar, bei dem das Radarsignal mehrere Wellenlängen umfasst, wie z.B. bei einem FMCW-Radar, wird unter der Radarwellenlänge die kleinste Wellenlänge λ verstanden, die über die Radarantenne 5 in Richtung auf das Messobjekt 2 ausgesendet wird.
Da das Messobjekt 2 außerhalb der Innenhöhlung 4 des metallischen Rohres 3 angeordnet ist, hat das metallische Rohr 3 eine an die Innenhöhlung 4 angrenzende Öffnung 8 für den Durchtritt eines Radarstrahls. Bei dem in 1 abgebildeten Ausführungsbeispiel ist die Öffnung 8 an dem von den Radarantennen 5 entfernten Stirnende des metallischen Rohrs 3 angeordnet. Das Radarsignal kann sich somit in gerader Linie von der als Sendeantenne dienenden Radarantenne 5 durch die Öffnung 8 hindurch zu dem Messobjekt 2 und von diesem in gerader Linie durch die Öffnung 8 hindurch zu der als Empfangsantenne dienenden Radarantenne 5 ausbreiten. In 1 ist der Strahlengang 7 des Radarstrahls für die Grundmode mit direktem Weg zum Messobjekt 2 strichliniert markiert.
Zur Unterdrückung der Modendispersion der Radarstrahlung ist das metallische Rohr 3 an seiner der Innenhöhlung 4 zugewandten Innenwand mit einer Absorptionsschicht 9 für den Radarstrahl beschichtet. Die Absorptionsschicht 9 erstreckt sich zumindest von dem Emissionspunkt der mindestens einen Radarantenne 5 bis zu der Öffnung 8 des metallischen Rohrs 3. Bei dem in 1 abgebildeten Ausführungsbeispiel ist der Innenhöhlung 4 zugewandte Innenwand des metallischen Rohrs 3 ganzflächig mit der Absorptionsschicht 9 beschichtet. Die Absorptionsschicht 9 kann aus einem schwach leitfähigen, dielektrischen Material, beispielsweise Kunststoff mit einem Schichtwiderstand im Bereich von 10⁵ bis 10¹⁰ Ohm/sq und einer relativen Permittivität im Bereich von 2 bis 6 bestehen. Die Einheit Ohm/sq bedeutet, dass es sich hierbei nicht um einen Widerstandswert handelt, sondern um einen Schichtwiderstandswert.
Durch die Absorptionsschicht 9 verliert das metallische Rohr 3 die Eigenschaft eines multimodigen Hohlleiters für elektromagnetische Strahlung und die Ausbreitung der elektromagnetischen Welle im metallischen Rohr 3 verhält sich wie eine gedämpfte ebene TEM-Welle (transversal elektromagnetische Welle).
Der Strahlengang 10 der höheren Moden ist in 1 durch strichpunktierte Linien dargestellt. Diese beginnen an der als Sendeantenne dienenden Radarantenne 5 und enden an der Stelle, an der sie Absorptionsschicht 9 auftreffen. Hierdurch soll verdeutlicht werden, dass die Radarstrahlung der höheren Moden von der Absorptionsschicht 9 absorbiert wird und somit nicht zu dem Messobjekt 2 gelangt.
Wenn die Absorptionsschicht 9 nicht vorhanden wäre, könnten auch andere Moden als die Grundmode an dem Messobjekt zu der Radarantenne reflektiert werden. Da die Laufzeiten aller möglichen Moden unterschiedlich sind, würde die Laufzeitmessung bei einem Radar, bei dem das metallische Rohr keine Absorptionsschicht 9 aufweist, uneindeutig werden. Dies würde zu Messfehlern führen.
Wird als Radarantenne 5, eine Antenne mit geringem Öffnungswinkel von unter 10° verwendet, so ist die Dämpfung der elektromagnetischen Welle durch die Absorptionsschicht 9 im metallischen Rohr 3 so gering, dass sie vernachlässigbar ist.
Bei dem in 1 abgebildeten Radar 1 hat das mit der Absorptionsschicht beschichtete metallische Rohr 3 einen quadratischen Querschnitt, der in der Innenhöhlung eine Kantenlänge von 10 cm hat.
Auch bei dem in 3 abgebildeten Radar 1' hat das metallische Rohr 3 eine Länge von 20 cm und einen quadratischen Querschnitt, der in der Innenhöhlung eine Kantenlänge von 10 cm hat.
An dem von den Radarantennen 5 entfernten Stirnende des metallischen Rohrs 3 ein im Abstrahlbereich der als Sendeantenne dienenden Radarantenne 5 ein planer Ablenkspiegel 11 mit dem metallischen Rohr 3 verbunden. Die Öffnung 8 für den Durchtritt des Radarstrahls ist seitlich an dem metallischen Rohr 3 vorgesehen und der Ablenkspiegel 11 ist derart an dem metallischen Rohr 3 angeordnet, dass der von der als Sendeantenne dienenden Radarantenne 5 entlang des Strahlengangs 7A ausgesendete Radarstrahl der Grundwelle nach dem Reflexionsgesetz für optische Strahlen im Rohr 3 am Ablenkspiegel 11 abgelenkt wird und im weiteren Verlauf entlang des Strahlengangs 7B durch die Öffnung 8 hindurch aus der Innenhöhlung 4 des metallischen Rohrs 3 austritt. Der abgelenkte Radarstrahl wird von dem Messobjekt 2 reflektiert und über im Wesentlichen dieselben Strahlengänge 7B und 7A von der als Empfangsantenne dienenden Radarantenne 5 empfangen.
Bei dem in 3 gezeigten Radar 1' wird der Radarstrahl um 90° aus dem Strahlengang 7A in den Strahlengang 7B abgelenkt. Es sind aber auch andere Winkel möglich.
Der Strahlengang 7A ist vertikal und der Strahlengang 7B horizontal angeordnet. Das Rohr 3 kann aber auch in anderer Weise im Raum angeordnet sind, beispielsweise derart, dass der Strahlengang 7A horizontal und der Strahlengang 7B vertikal verläuft.
Der Ablenkspiegel 11 weist eine hochleitfähige, ebene, metallische Schicht, auf, die beispielsweise aus Kupfer bestehen kann. Die Oberfläche dieser Schicht hat eine Rauigkeit von unter einem Zehntel der Wellenlänge λ der Radarstrahlung. Die Leitfähigkeit der metallischen Schicht des Ablenkspiegels 11 beträgt über 10⁶ S/m. Die metallische Schicht des Ablenkspiegels 11 ist gegen Oxydation durch eine homogene, dielektrische Schicht passiviert. Die Passivierung ist dünner als ein Zehntel der Wellenlänge λ der Radarstrahlung.
In 4 ist der Abstandsfehler |R_R - R_G| für das in 3 dargestellte Radar 1' graphisch dargestellt. Auf der Abszisse ist der geometrischen Abstand R_G von der Öffnung 8 zum Messobjekt 2 und auf der Ordinate der Abstandsfehler |R_R - R_G| aufgetragen, wobei R_R den vom Radar gemessenen Anstand zwischen dem Öffnungsfenster 8 und dem Messobjekt 2 bezeichnet. Der geometrische Abstand R_G wurde mit einem kalibrierten µm-genauen Linearmesssystem erfasst. Die geometrische Abstandsmessung hat eine zertifizierte Genauigkeit von +/- 2µm. Wie in 4 zu sehen ist, beträgt der maximale Messfehler |R_R -R_G| weniger als 0,25 mm.
Zum Vergleich ist in 5 der Abstandsfehler |R_R - R_G| für ein nicht erfindungsgemäß ausgestaltetes Radar dargestellt, bei dem das metallische Rohr 3 an seiner der Innenhöhlung 4 zugewandten Innenwand nicht mit einer Absorptionsschicht beschichtet ist. Im Übrigen entspricht das nicht erfindungsgemäß ausgestaltete Radar dem Radar 1' dem in 3.
Bei dem nicht erfindungsgemäß ausgestalteten Radar wird der maximale Abstandsmessfehler von bis zu 3,5 mm durch die Überlagerung mehrerer Moden bei der Ausbreitung der elektromagnetischen Welle innerhalb des metallischen Rohrs 3 und des Ablenkspiegels 11 verursacht und ist größer als die Wellenlänge λ.
Durch einen Vergleich von 4 mit 5 ergibt sich, dass der Messfehler |R_R -R_G| durch die Absorptionsschicht 9 von 3,5 mm auf unter 0,25 mm erheblich reduziert wird.
Bei dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel des Radars 1" hat das metallische Rohr 3 einen zwischen der mindestens einen Radarantenne 5 und dem Ablenkspiegel 11 angeordneten ersten Rohrabschnitt 3A und einen rechtwinklig dazu verlaufenden zweiten Rohrabschnitt 3B, der zwischen der Öffnung 8 für den Durchtritt des Radarstrahls und dem Ablenkspiegel 11 angeordnet ist. Beide Rohrabschnitte 3A, 3B haben den selben quadratischen Innenquerschnitt mit einer Kantenlänge von 10 cm.
Der Ablenkspiegel 11 ist an einem Wandungsbereich der Innenwand des metallischen Rohrs 3 angeordnet und in Ausbreitungsrichtung der Radarstrahlung von der mindestens einen Radarantenne 5 und der Öffnung 8 beabstandet. Der Ablenkspiegel 11 ist als Planspiegel ausgestaltet und jeweils unter einem Winkel von 45° zur Längsmittelachse des ersten Rohrabschnitts 3A und zur Längsmittelachse des zweiten Rohrabschnitts 3B geneigt.
Die Absorptionsschicht 9 ist sowohl an der der Innenhöhlung 4 zugewandten Innenwand des ersten Rohrabschnitts 3A als auch an der der Innenhöhlung 4 zugewandten Innenwand des zweiten Rohrabschnitts 3B vorgesehen. Außer in dem Wandungsbereich der Innenwand, an dem der Ablenkspiegel 11 angeordnet ist, erstreckt sich die Absorptionsschicht 3 unterbrechungsfrei vom Emissionspunkt der mindestens einen Radarantenne 5 bis zu der Öffnung 8 des metallischen Rohrs 3.
Die mindestens eine Radarantenne 5 und die Radarelektronik sind in der Innenhöhlung 4 des ersten Rohrabschnitts 3A angeordnet. Die Öffnung 8 für den Durchtritt der Radarstrahlung ist an dem vom Ablenkspiegel 11 entfernten Stirnende des zweiten Rohrabschnitts 3B vorgesehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008029771 A1 [0022]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Scherr et. al. „Miniaturized 122 GHz ISM Band FMCW Radar with Micrometer Accuracy“, Proceedings of the 12th European Radar Conference, 9-11 Sept.B2015 [0011]

Claims

Radar (1, 1', 1") zur Messung eines Abstands zu einem Messobjekt (2) nach dem Laufzeitprinzip, mit einem metallischen Rohr (3), das eine Innenhöhlung (4) aufweist, in der mindestens eine Radarantenne (5) zum Senden und Empfangen eines Radarstrahls angeordnet ist, und mit einer mit der mindestens einen Radarantenne (5) verbundenen Radarelektronik (6) zur Erzeugung eines Radarsignals sowie zur Messung des Abstands zum Messobjekt (2), dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Rohr (3) zum Messen des Abstands zu einem außerhalb der Innenhöhlung (4) befindlichen Messobjekt (2) eine an die Innenhöhlung (4) angrenzende Öffnung (8) für den Durchtritt eines Radarstrahls hat, dass zumindest ein zwischen der Öffnung (8) und der mindestens einen Radarantenne (5) befindlicher Abschnitt des metallischen Rohrs (3) an seiner der Innenhöhlung (4) zugewandten Innenwand mit einer Absorptionsschicht (9) für den Radarstrahl beschichtet ist, und dass die größte lichte Querschnittsabmessung (a) der Innenhöhlung (4) mindestens das 10-fache der Radar-Wellenlänge λ des Radarsignals beträgt.
Radar (1, 1', 1") nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Schichtwiderstand der Absorptionsschicht (9) im Bereich von 10⁵ bis 10¹⁰ Ohm liegt.
Radar (1, 1', 1") nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke (d) der Absorptionsschicht (9) mindestens ein Zehntel der Radar-Wellenlänge λ beträgt.
Radar (1, 1', 1") nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der entlang des Strahlengangs (7) der Radarstrahlung gemessene Abstand zwischen der mindestens einen Radarantenne (5) und der Öffnung (8) mindestens das 20-fache der Radar-Wellenlänge λ beträgt.
Radar (1', 1") nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ablenken des Radarstrahls zwischen der mindestens einen Radarantenne (5) und der Öffnung (8) ein Ablenkspiegel (11) in der Innenhöhlung (4) des metallischen Rohrs (3) angeordnet ist.
Radar (1', 1") nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ablenkspiegel (11) eine ebene, metallische Reflexionsschicht aufweist, die an ihrer der Innenhöhlung (4) zugewandten Oberfläche eine Rauigkeit von unter einem Zehntel der Radar-Wellenlänge λ hat, und dass die elektrische Leitfähigkeit der metallischen Reflexionsschicht mindestens 10⁶ S/m beträgt.
Radar (1', 1") nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsschicht des Ablenkspiegels (11) gegen Oxydation mit einer dielektrischen Schicht passiviert ist, die dünner ist als ein Zehntel der Radar-Wellenlänge λ.
Radar (1', 1") nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Rohr (3) einen zwischen der mindestens einen Radarantenne (5) und dem Ablenkspiegel (11) angeordneten ersten Rohrabschnitt (3A) und einen quer dazu verlaufenden zweiten Rohrabschnitt (3B) aufweist, der zwischen dem Ablenkspiegel (11) und der Öffnung (8) für den Durchtritt des Radarstrahls angeordnet ist, und dass die Absorptionsschicht (9) sowohl an der der Innenhöhlung (4) zugewandten Innenwand des ersten Rohrabschnitts (3A) als auch an der der Innenhöhlung (4) zugewandten Innenwand des zweiten Rohrabschnitts (3B) vorgesehen ist.
Radar (1, 1', 1") nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Radarantenne (5) einen -3 dB Öffnungswinkel von weniger als 10°, insbesondere von weniger als 8° und bevorzugt von weniger als 6° hat.