EP4078727A1 - Verfahren und vorrichtung zur erfassung eines raumbereichs mittels radarwellen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur erfassung eines raumbereichs mittels radarwellen

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Publication number
EP4078727A1
EP4078727A1 EP20824530.8A EP20824530A EP4078727A1 EP 4078727 A1 EP4078727 A1 EP 4078727A1 EP 20824530 A EP20824530 A EP 20824530A EP 4078727 A1 EP4078727 A1 EP 4078727A1
Authority
EP
European Patent Office
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radar
wall
waves
ball
ghz
Prior art date
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Pending
Application number
EP20824530.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andrey OSIPOV
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Publication of EP4078727A1 publication Critical patent/EP4078727A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/02—Refracting or diffracting devices, e.g. lens, prism
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/14—Reflecting surfaces; Equivalent structures
    • H01Q15/16—Reflecting surfaces; Equivalent structures curved in two dimensions [2D], e.g. paraboloidal
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/41—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00 using analysis of echo signal for target characterisation; Target signature; Target cross-section
    • G01S7/411—Identification of targets based on measurements of radar reflectivity
    • G01S7/412—Identification of targets based on measurements of radar reflectivity based on a comparison between measured values and known or stored values

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for detecting a spatial area by means of radar waves.
  • Radar waves enable the detection and location of objects on the basis of electromagnetic waves in the short and microwave range. Location using radar waves also works when the medium between the radar transmitter and the radar target is impermeable to visible light (e.g. due to fog, clouds, smoke, darkness and the like). Radar technology is constantly being improved by technical advances in the development of radar sensors and antenna technology as well as by new computer-aided signal processing methods. New applications for radars are emerging, especially in the area of traffic (e.g. autonomous and assisted locomotion) and in the area of safety (e.g. detection of dangerous situations). The detection of a spatial area by means of radar radiation requires that the radar waves from the spatial area are reflected back with sufficient signal strength. This can be achieved with special radar reflectors that have a high Ra darcross section. The radar cross-section is a known quantity and reflects the strength of a radar target.
  • Retroreflectors are often used as radar reflectors, which largely reflect the incoming radar waves, largely regardless of the direction of incidence and the orientation of the reflector, in the direction from which they came. Such retroreflectors are designed, for example, as corner reflectors made of two or three plates that are perpendicular to one another. So-called Lüneburg lenses are also used as retroreflectors. These are spherical lenses with an inwardly increasing refractive index, which is achieved by the dielectric material with a location-dependent dielectric constant. Lüne burg lenses are characterized by the fact that radar beams incident in parallel are focused in a reflection point and reflected in the opposite direction to their direction of incidence. Lüneburg lenses are difficult to manufacture due to the variation in their dielectric constants. Furthermore, Lüneburg lenses require metallization at the point of reflection (otherwise no reflection), which significantly limits their coverage area.
  • the document DE 199 43 396 B3 describes a method for protecting moving objects by means of a deployable decoy, the folded decoys being fired by the object to be protected and deployed during the shot using gases.
  • the decoy comprises corner reflectors as radar-reflecting objects.
  • the document DE 20 2006 002 001 U1 discloses an automatic emergency rescue balloon with an internal radar reflector for marking people, objects and life rafts in the event of an emergency at sea.
  • the object of the invention is to provide a method and a device for detecting a spatial area by means of radar waves, in which simply structured radar reflectors with a high radar cross section are used.
  • a spatial area is detected by means of Ra darwellen, in that a radar device sends out radar waves in a predetermined frequency range into the spatial area and receives radar echoes from the spatial area, which result from the backscattering of the radar waves from the spatial area.
  • the radar device processes the received radar echoes in order to determine information about the spatial area.
  • Corresponding processing methods for radar echoes are known per se and will not be further explained in detail.
  • objects in the spatial area can be detected using the received radar echoes. Information on the position of these objects is determined, in particular the direction in which the object is located starting from the radar device, and / or the distance of the object from the radar device. The distance is usually determined by measuring the transit time of the radar waves.
  • the method according to the invention is characterized in that one or more spheres are installed as radar reflectors in the spatial area to be captured, each of which comprises a spherical outer wall that is partially transparent and partially reflective for the radar waves of the radar device.
  • the outer wall is designed in such a way that when it is hit by radar radiation, part of the radar radiation is transmitted and part of the radar radiation is reflected.
  • the concept of the installation of the spheres is to be understood in such a way that the spheres are dedicated by people for the purpose of reflecting radar radiation in the spatial area.
  • the outer wall is followed by a hollow area which is so large that radar beams from radar radiation from the radar device entering via the outer wall occur inside the respective sphere, twice and three times each are reflected on the outer wall and then exit opposite and parallel to the direction of incidence of the incoming radar radiation as a radar echo through the outer wall.
  • the hollow area is so large that ray paths of the respective Ra radiate, which are reflected twice and three times on the outer wall and then emerge from the sphere opposite and parallel to the direction of incidence, are permitted and not hindered.
  • the hollow area can be designed as a spherical shell.
  • the radar device receives this radar echo and detects the respective ball via this radar echo, ie information about the ball and preferably its position or distance relative to the radar device is determined.
  • the method according to the invention is based on the knowledge that partially transparent and at least partially hollow spheres are very suitable as radar reflectors.
  • these spheres due to multiple reflections on the inside of their outer wall, a significantly higher radar cross-section can be achieved compared to such hollow or solid spheres, which reflect the entire incident radar radiation and are designed, for example, as metallic spheres.
  • the spherical outer wall of the partially transparent spheres ensures that the radar cross-section of the spheres is independent of the direction of incidence of the radar waves. Due to the partially hollow interior of the corresponding balls, a weight reduction is also achieved.
  • the invention makes use of the fact that the radar cross-section of a partially transparent sphere is mainly responsible for two and three rays reflected inside the sphere. Accordingly, it is not absolutely necessary that the ball is hollow in its entire interior, but only can a section adjoining the outer wall can be designed to be hollow, as long as the beam path is not hindered by double and triple reflected radar beams. Nevertheless, in a preferred embodiment, at least one ball and preferably each of the one or more balls is a hollow ball, the hollow area of which encompasses the entire interior of the at least one ball. This creates a radar reflector with a particularly low weight.
  • the diameter of a respective sphere of the one or more spheres is larger and preferably at least 30 times larger than the largest wavelength in the predetermined frequency range of the Ra darwellen. In this way, particularly high radar cross-sections are achieved for the corresponding sphere.
  • radar waves can be transmitted into the spatial area in different frequency bands.
  • the specified frequency range of the transmitted radar waves comprises frequencies between 1 GHz and 300 GHz.
  • the specified frequency range is preferably in the frequency band between 8 GHz and 12 GHz (so-called X-band) or in the frequency range from 26.5 GHz and 40 GHz (so-called Ka-band) or in the frequency range between 75 GHz to 110 GHz (so-called . W band).
  • each special ball of the one or more balls is a floating inflated gas balloon.
  • the floating of the gas balloon can be achieved with a suitable filling of the balloon with a low density gas.
  • the gas balloon can be tied up, ie attached to an object via a fastening means (for example a leash). Nonetheless, the gas balloon can optionally also be floating freely.
  • balls designed as gas balloons has particular advantages.
  • their size and thus their reflective properties can be varied in a simple manner.
  • large ball diameters can be achieved with gas balloons, which leads to very high backscatter cross-sections.
  • each sphere of the one or more spheres is designed in such a way that its radar cross-section, averaged over the specified frequency range of the radar waves, is at least twice as large as that of a sphere with the same diameter as the respective sphere and with an outer surface , which is fully reflective for radar waves in the given frequency range (e.g. a metallic sphere).
  • the detailed description describes in detail how such balls can be realized.
  • the averaged radar cross-section of the respective sphere is preferably at least five times or possibly also ten times as large as that of a sphere with the same diameter and a fully reflective outer surface.
  • the thickness of the outer wall of a respective ball of the one or more balls is preferably 8 mm or less.
  • the frequency range of the radar waves is in the frequency band between 8 GHz and 12 GHz and the thickness of the outer wall of at least one ball and preferably each ball of the one or more balls is between 4 mm and 8 mm and in particular 6 mm .
  • the frequency range of radar waves in the frequency band between 26.5 GHz and 40 GHz and the thickness of the outer wall of at least one sphere and preferably each sphere of the one or more spheres is between 1.5 mm and 2 mm and in particular 1.7 mm. The inventor was able to determine through calculations that with the two last-mentioned embodiments a particularly high radar cross-section of the respective balls is achieved, in particular when the outer wall of the respective ball is made of rubber.
  • the backscattering properties of the balls differing, which can be achieved by using different materials for the outer wall and / or different thicknesses of the outer wall and / or different diameters of the balls .
  • the multiple spheres are preferably designed in such a way that the radar echoes of the multiple spheres result in a radar cross section which is essentially independent of the frequencies in the predetermined frequency range of the radar waves.
  • the radar cross section of the spheres used in the method according to the invention depends on the frequency of the radar radiation used.
  • the radar device uses the radar echo to detect the frequency-dependent course of the radar cross-section in the specified frequency range of the radar waves, this course in the radar device with one or more frequency-dependent courses of the radar cross-sections from one or more previously known radar reflectors (ie Radarreflek gates with a previously known structural design) in the given frequency range of the radar waves is compared to identify the respective sphere as a réelle known radar reflector, ie to determine whether a respective Ku gel corresponds to a known radar reflector.
  • the method according to the invention can be used in a large number of areas of application, in particular in the automotive sector, in aviation, in shipping, in space travel, in defense technology and in the field of security and disaster control.
  • a large number of application examples are mentioned.
  • at least some of the one or more balls are attached to one or more road traffic infrastructure elements, such as B. on delineator posts on the roadside, and / or on one or more road users in the Jardinbe to be detected rich provided, for example on motor vehicles, motorcycles, bicycles or motorcyclists or cyclists.
  • the balls can also be attached to pedestrians.
  • the radar waves can be transmitted by a radar device which is attached to a road traffic infrastructure element or a road user.
  • At least some of the one or more balls are provided on at least one flying object and / or on at least one floating object in the spatial area to be detected.
  • the flying object can, for. B. be an airplane, a helicopter, a drone, a satellite and the like.
  • the floating object can e.g. B. be a ship, a buoy, a float and the like.
  • the radar waves it is also possible for the radar waves to be emitted by a radar device which is attached to a flying object or a floating object.
  • the radar waves are emitted by a radar device that is attached to an autonomously moving object or to a person.
  • the autonomously moving object can be, for example, an agricultural vehicle (e.g. a tractor), a robot in the industrial sector, a robot in the medical environment or also a robot for private applications.
  • the robot can be a care robot, a lawnmower robot, a vacuum cleaner robot and the like.
  • the person is especially a person who is in a dangerous place Moving terrain.
  • it is also possible that at least a part of the one or more balls is provided on at least one autonomously moving object and / or on at least one person in the spatial area to be detected.
  • the invention relates to a device for detecting a spatial area by means of radar waves.
  • the device contains a radar device which is designed in such a way that, during operation, it emits radar waves in a predetermined frequency range into the spatial area and receives radar echoes from the spatial area, which result from the backscattering of the radar waves from the spatial area, the radar device also being set up for this purpose to process the received radar echoes in order to determine information about the spatial area.
  • the device comprises, as radar reflectors, one or more spheres which are installed in the spatial area, the one or more spheres each comprising a spherical outer wall which is partially transparent and partially reflective for the radar waves of the radar device.
  • a hollow area adjoins the outer wall, which is so large that radar beams from the radar device entering via the outer wall occur inside the respective sphere, which are reflected twice and three times on the outer wall and then emerge opposite and parallel to the direction of incidence of the incoming radar radiation as a radar echo through the outer wall.
  • the radar device is configured in such a way that it detects the respective sphere via this radar echo that is received from it.
  • the device according to the invention is preferably set up to carry out one or more preferred variants of the method according to the invention.
  • the invention relates to the use of one or more balls with a spherical outer wall that is partially transparent and partially reflective for radar waves, and the subsequent hollow area inside the ball as radar reflectors in the method according to the invention or in one or more preferred embodiments of the method according to the invention or in the device according to the invention or in one or more preferred variants of the device according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a radar reflector in the form of a metallic sphere
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of a hollow sphere which, in a variant of the method according to the invention, is used as a radar reflector;
  • FIG. 3 is a diagram showing the frequency-dependent course of the radar cross-section of an embodiment of the hollow sphere from FIG. 2;
  • FIG. 4 is a diagram showing the radar cross-section averaged over the frequencies of radar radiation as a function of the diameters of the balls for an embodiment of a metallic ball from FIG. 1 and variants of hollow balls from FIG. 2 with different wall thicknesses;
  • FIG. 5 is a schematic sectional view of a modified embodiment of the hollow ball from FIG. 2;
  • FIG. and 6 and 7 are schematic sectional views of further embodiments from groups of several hollow spheres.
  • the embodiments of the invention described below are based on the knowledge that balls with an outer wall that is partially transparent for radar waves and adjoined by a sufficiently large hollow area inside the ball are very suitable as radar reflectors. This is due to the fact that these spheres, which are also referred to as hollow spheres in the following, have a high radar cross section.
  • Fig. 1 shows in cross section a known metallic sphere, which is only conditionally suitable for the reflection of radar radiation in comparison to the hollow spheres described below.
  • the metallic sphere is designated in Fig. 1 with the reference character G and has a metallic surface la 'which is fully reflective for incident radar radiation (i.e. essentially all of the incident radar radiation is reflected back).
  • the diameter of the ball is denoted by reference symbol D.
  • Parallel radar beams fall from a schematically indicated radar device 2 (not shown to scale) onto the surface la 'of the metallic sphere G.
  • Exemplary radar echoes RE are shown by dashed arrows from the reflection on the surface la'.
  • the radar beam RS incident vertically downwards at the north pole is shown, which leads to a radar echo RE opposite to the radar beam RS.
  • the RCS value of a metallic sphere with a diameter D which is greater than the wavelength of the incident radar radiation, is proportional small.
  • FIG. 2 An essential finding on which the invention is based is that hollow spheres that are partially transparent to radar radiation reflect much more strongly than metallic spheres of the same size in the direction of the radar device.
  • An embodiment of a corresponding partially transparent hollow sphere is shown in FIG. 2.
  • the hollow sphere is denoted by reference number 1 and is used as a radar reflector for radar radiation.
  • the radar radiation is in turn generated by a radar device 2 (not shown to scale). Due to the large distance between the radar device 2 and the sphere 1, parallel radar beams fall vertically downwards onto the hollow sphere 1.
  • the inside of the ball 1 is completely hollow, ie the inside of the ball forms a cavity 1b. This cavity is surrounded by an outer wall la with the thickness d.
  • the outer wall la is made of a material which partially transmits and partially reflects the incident radar radiation.
  • Two incident radar beams RS and RS 'of the radar radiation are indicated by way of example.
  • the portion of the radar beam RS that enters the interior of the hollow sphere 1 via its outer wall 1 a is reflected twice on the inside of the hollow sphere, as indicated by the beam path corresponding to the dashed arrows P.
  • the portion of the radar beam RS 'that enters the interior of the hollow sphere 1 is reflected three times on the inside thereof, as indicated by the beam path corresponding to the dashed arrows P'.
  • a radar beam RE emerging from the hollow sphere results from the radar beam RS
  • a radar beam RE 'emerging from the hollow sphere results from the radar beam RS'.
  • These radar beams are radar echoes, which are then recorded and evaluated by the radar device 2 in order to detect the corresponding hollow sphere. It should be noted that with each reflection of the radar beams RS and RS 'and when exiting the corresponding Radar echoes RE and RE 'from the hollow sphere due to the partial transparency of the outer wall la losses occur.
  • the RCS value of the hollow ball 1 is significantly greater than the RCS value of a comparable metallic ball, as shown in FIG. This is due to the fact that additional reflections of the radar beams occur in the interior of the sphere on its curved inner surface and are thrown back towards the radar device. The number of internal reflections of the respective radar beams is theoretically unlimited. The main contributions to the radar cross-section, however, come from two- and three-fold reflected beams, as they result from the beams RS and RS 'in Fig. 2.
  • the radar echoes thrown back in the direction of the radar device 2 cut across the outer wall la of the ball 1 along rings, whose diameter is determined by the number of reflections M of the corresponding radar rays on the inside of the outer wall la and the diameter D of the sphere.
  • the overall backscattered field from the hollow sphere 1 results from the superposition of radar beams that differ in the number of reflections.
  • the dominant radar beams with two and three reflections have roughly the same amplitudes, but different optical paths, which are dependent on the frequency of the radar radiation, the diameter D of the sphere and the thickness d of the outer wall. Therefore, the radar cross-section of a hollow sphere shows a strong dependency on the parameters mentioned above.
  • the inventor determined the frequency-dependent radar cross-sections for different materials of outer walls 1 a of the hollow sphere 1 by means of a simulation based on a known, exact analytical calculation.
  • the materials mentioned in Table 1 below namely a rubber made from natural rubber, polypropylene, Teflon and quartz glass, were analyzed.
  • FIG. 3 shows a diagram which shows the result of the inventor's calculations for a hollow ball 1 made from the rubber of Table 1 with a diameter D of 3 m and a wall thickness d of 6 mm.
  • the radar frequencies in the X-band between 8 GHz and 12 GHz are reproduced along the abscissa.
  • the radar cross-section RCS is plotted in square meters along the ordinate, which is independent of direction due to its spherical shape.
  • there is a strong frequency dependence of the RCS value for such a hollow sphere A similar frequency dependency also results for hollow spheres from the other materials mentioned in Table 1 above.
  • the diameter D of the hollow sphere is generally much greater than the wavelength of the incident radar waves.
  • the diameter is preferably 30 times greater than the longest wavelength in the corresponding frequency spectrum of the radiated radar radiation. Depending on the frequency spectrum of the radar radiation used, this results in hollow spheres with diameters from a few centimeters to several meters. Large gas balloons can, for example, have a diameter of 60 m.
  • the inventor shows RCS values in the X band from 8 GHz to 12 GHz for a hollow ball made of rubber in Table 1 with an outer wall thickness of 6 mm as a function of its diameter D.
  • rubber ball always refers to a hollow ball made from the rubber material in Table 1.
  • the sixth column of the table shows the median or mean value (Ds) of the fluctuations in the RCS value around the median value in square meters.
  • the seventh column shows the quotient (Ds) / (s) of the values from the sixth and fifth columns.
  • the weight of the corresponding hollow rubber ball is given in the last column of the table.
  • the mean RCS values (s) are significantly greater than for a comparable metallic ball.
  • the factors C 2 and C 3 depend on the nature of the outer wall of the Hohlku gel and the frequency range of the radar radiation, but not on the diameter of the hollow sphere. Table 3 below shows the values of the factors C 2 and C 3 for hollow rubber balls of different wall thickness d in the X-band. As you can see, the factors are particularly high with a wall thickness of 6 mm, which in turn leads to very high RCS values.
  • Table 3 The diagram in FIG. 4 again illustrates the mean RCS value (Ds) for rubber balls with different wall thicknesses d as a function of the diameter D of the hollow balls. Furthermore, the corresponding RCS value of a metallic ball is plotted as a comparison value.
  • the curve LO in FIG. 4 shows the course of the RCS value for the metallic ball.
  • line L2 to a hollow sphere with a wall thickness of d 4 mm
  • line L3 to a hollow sphere with a wall thickness of d 6 mm
  • the largest RCS values are indeed achieved for a hollow sphere with a wall thickness of 6 mm. Nonetheless, the RCS values are also significantly greater for the other wall thicknesses than for a corresponding metallic sphere.
  • the minimum RCS values according to Table 2 above remain low even with large spheres.
  • the frequencies that correspond to the minimum points are determined by the diameter of the hollow sphere and the nature of the wall of the outer wall of the hollow sphere.
  • several hollow spheres with different diameters and / or wall thicknesses can be provided in the spatial area covered by the radar radiation.
  • the diameter and wall thickness of the hollow spheres can be coordinated in such a way that the minimum and maximum points of the frequency-dependent curves of the RCS values of the individual hollow spheres overlap in such a way that a balanced frequency curve of the radar cross-section resulting from all hollow spheres is achieved.
  • a person skilled in the art can determine suitable diameters and wall thicknesses based on appropriate analytical calculations.
  • Fig. 5 shows a modified embodiment of a hollow sphere which is used in a Vari ante of the method according to the invention for reflecting radar beams.
  • the beam courses shown in FIG. 5 of radar beams transmitted via the radar device 2 correspond to the beam courses in FIG. 2 and are therefore not explained again.
  • the only difference between Fig. 2 and Fig. 5 consists in that in the interior lb of the hollow ball 1, a further ball 3 is provided from metallic material.
  • the diameter of this ball 3 is selected such that the beam path of radar beams with two and also a larger number of reflections on the inside of the outer wall 1 a of the hollow ball 1 is not hindered by the metallic ball 3.
  • the inventor was also able to prove that the mean radar cross-section of the hollow sphere from FIG. 5 is only slightly influenced by the inner metallic sphere 3 as long as the beam path P for twice reflected rays inside the hollow sphere is not hindered. Approximately, the diameter of the inner metallic ball should not exceed 70% of the diameter D of the hollow ball 1.
  • an inflatable gas balloon is used as a hollow sphere for reflecting radar radiation, which gas balloon is filled with an electrically neutral gas which has a lower density than air, so that the balloon can be positioned in a freely floating position.
  • the balloon can be tied up by means of a leash or positioned freely floating without securing.
  • By changing the gas pressure of the balloon its backscattering properties can be changed in a simple manner.
  • a gas balloon that is a few meters in diameter usually has very high RCS values, even at low radar frequencies, such as in the X-band or other bands with even lower frequencies, as long as the diameter of the balloon is greater than approx. 30 wavelengths is the longest wavelength of the radar radiation.
  • Gas balloons can be used in combination with the detection of their radar cross-section via radar beams, for example as weather balloons to measure wind speeds at greater heights.
  • FIG. 6 and FIG. 7 show again in section modified embodiments which can be used in the context of the method according to the invention.
  • a group of three hollow spheres 1 with different diameters is arranged next to one another in the horizontal direction.
  • These hollow spheres are inflated gas balloons which are filled with gas with a lower density than the surrounding air and are held in position by means of appropriate lines 4 or possibly also rods.
  • the radar radiation emitted is indicated by concentric lines in the upper left part of FIG. 6.
  • the hollow spheres of FIG. 6 do not necessarily have to be implemented as gas balloons.
  • the balls can also be non-deformable.
  • the outer wall consists of a non-flexible material.
  • FIG. 7 shows a modification of the embodiment of FIG. 6. This modification differs from FIG. 6 only in that the hollow balls are not arranged horizontally next to one another, but vertically one above the other Poles connected to each other and to the ground. For both embodiments of FIGS. 6 and 7, care must be taken that the arrangement of the balls relative to one another is such that they do not cover one another and remain visible from the position of the radar device.
  • a sufficiently small interior space of a gas balloon can also be used as a “cargo space”.
  • the The size of the room can be up to about 70% of the balloon diameter. In this space, for example, cargo, people or another radar reflector (Winkelreflek gate) can be arranged.
  • the outer wall of the gas balloon not only serves as a radar reflector, but also as a protective radome.
  • a hollow sphere with a fixed spherical shell can also be used, with a usable space optionally also being provided in the middle of the hollow sphere in this case.
  • the hollow sphere can be mounted, for example, on a tip of a pointed carrier.
  • the hollow spheres described above can be used as radar reflectors for backscattering radar radiation in a variety of application areas.
  • an effective, fast and independent of the position of the radar device marking of objects and terrain can be achieved.
  • Corresponding hollow spheres can also serve as strong and individually recognizable radar targets, e.g. as decoy targets.
  • Safety and disaster control as a marker to identify objects (lifeboats and rafts, free-floating containers and the like) in the water, especially in darkness or fog, in these cases preferably hollow spheres in the form of tied, inflatable and high-floating gas balloons be used; for the navigation of rescue personnel, robots and autonomous vehicles, e.g. in dark, smoky rooms; Marking of dangerous areas (e.g. passages in snow, mountain and swamp areas or in mined terrain);
  • - Shipping Marking of the fairway, including coastal and port areas
  • - Road traffic Determining the position of vehicles on the road, eg by marking the edge of the road or marking construction sites using hollow spheres, preferably using fixed hollow spheres (autonomous driving, driving safety);
  • - Radar technology as a calibration body for the calibration of radars of different types (ground, air, space-based) in different frequency bands (e.g. from L to W band);
  • the inventive concept described in the foregoing of using partially transparent hollow spheres as radar reflectors has a number of advantages. Due to the spherical symmetry of the hollow sphere, the radar cross-section is completely independent of the direction of the radar radiation. In contrast to this, plate, angle and Lüneburg reflectors ensure that the radar cross-section is direction-independent only for certain spatial areas.
  • Hollow balls very high RCS values can be achieved, which are significantly higher than for metallic balls and most dielectric balls of the same size.
  • Hollow spheres also have a significantly lower weight than solid spheres. As a result, they can also have very large diameters, so that very high RCS values can be guaranteed.
  • the pronounced frequency dependence of the radar cross-section of partially transparent hollow spheres can be used as an individual feature for recognizing the hollow spheres.
  • individual radar reflectors can be identified by evaluating the frequency-dependent course of the radar cross-section and differentiated from other radar reflectors.
  • Partially transparent hollow spheres can be easily implemented and manufactured. Their radar cross-section can easily be simulated, as an exact solution for this radar cross-section is known.
  • desired frequency-dependent curves of radar cross-sections can be implemented by defining suitable materials and wall thicknesses for the outer wall of the hollow spheres and suitable spherical diameters via simulations.
  • Partly transparent hollow spheres can easily be installed without any special position requirements due to the fact that their radar cross-section is independent of direction.
  • the hollow spheres can be easily adapted to the frequency range of the radar radiation used.

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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 Kugeln (1) installiert, welche jeweils eine kugelförmige Außenwand (1a) umfassen, die für die Radarwellen der Radareinrichtung (2) teilweise transparent und teilweise reflektierend ist, wobei sich im Inneren einer jeweiligen Kugel (1) an die Außenwand (1a) ein hohler Bereich (1b) anschließt, der derart groß ist, dass Radarstrahlen (P, P') von über die Außenwand (1a) eintretender Radarstrahlung (RS, RS') der Radareinrichtung (2) im Inneren der jeweiligen Kugel (1) auftreten, die jeweils zweimal und jeweils dreimal an der Außenwand (1a) reflektiert werden und anschließend entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung der eintretenden Radarstrahlung (RS, RS') als Radarecho (RE, RE') über die Außenwand (1a) austreten, wobei die Radareinrichtung (2) die jeweilige Kugel (1) über das Radarecho (RE, RE') detektiert.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung eines Raumbereichs mittels Radarwellen
Beschreibung
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 Antennen technik sowie durch neue computergestützte Signalverarbeitungsverfahren verbes sert. 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 Ra darwellen aus dem Raumbereich mit ausreichender Signalstärke rückreflektiert wer den. Dies kann mit speziellen Radarreflektoren erreicht werden, die einen hohen Ra darquerschnitt aufweisen. Der Radarquerschnitt ist dabei eine an sich bekannte Grö ße und spiegelt die Stärke eines Radarziels wider.
Als Radarreflektoren kommen häufig Retroreflektoren zum Einsatz, welche die ein fallenden Radarwellen weitgehend unabhängig von der Einfallsrichtung sowie der Ausrichtung des Reflektors größtenteils in die Richtung reflektieren, aus der sie ge kommen 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 die lektrisches Material mit ortsabhängiger Dielektrizitätskonstante erreicht wird. Lüne burg-Linsen zeichnen sich dadurch aus, dass parallel einfallende Radarstrahlen in einem Reflexionspunkt fokussiert werden und entgegengesetzt zu ihrer Einfallsrich tung zurückgeworfen werden. Lüneburg-Linsen sind durch die Variation ihrer Die lektrizitätskonstanten jedoch schwer zu fertigen. Ferner benötigen Lüneburg-Linsen eine Metallisierung am Reflexionspunkt (sonst keine Reflexion), was ihren Abde ckungsraum signifikant begrenzt.
Die Druckschrift DE 199 43 396 B3 beschreibt ein Verfahren zum Schützen von beweglichen Objekten mittels eines entfaltbaren Täuschkörpers, wobei der zusam mengefaltete Täuschkörper von dem zu schützenden Objekt verschossen und wäh rend des Schusses mittels Gasen entfaltet wird. Der Täuschkörper umfasst als radar- reflektierende Objekte Winkelreflektoren.
In dem Dokument DE 20 2006 002 001 Ul ist ein automatischer Seenot- Rettungsballon mit einem internen Radarreflektor zur Markierung für den Seenotfall von Personen, Gegenständen und Rettungsinseln offenbart. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung ei nes Raumbereichs mittels Radarwellen zu schaffen, in denen einfach aufgebaute Ra darreflektoren mit hohem Radarquerschnitt zum Einsatz kommen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bzw. die Vorrich tung gemäß Patentanspruch 14 bzw. die Verwendung gemäß Patentanspruch 16 ge löst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Raumbereich mittels Ra darwellen erfasst, indem eine Radareinrichtung Radarwellen in einem vorgegebenen Frequenzbereich in den Raumbereich aussendet und aus dem Raumbereich Radar echos empfängt, welche aus der Rückstreuung der Radarwellen aus dem Raumbe reich resultieren. Die Radareinrichtung verarbeitet die empfangenen Radarechos, um Informationen über den Raumbereich zu ermitteln. Entsprechende Verarbeitungsver fahren für Radarechos sind an sich bekannt und werden nicht weiter im Detail erläu tert. Insbesondere können über die empfangenen Radarechos Objekte im Raumbe reich detektiert werden. Dabei werden Informationen zur Position dieser Objekte ermittelt, insbesondere die Richtung, in der sich das Objekt ausgehend von der Rada reinrichtung befindet, und/oder die Entfernung des Objekts von der Radareinrich tung. Die Entfernung wird in der Regel über eine Laufzeitmessung der Radarwellen bestimmt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass in dem zu erfas senden Raumbereich als Radarreflektoren eine oder mehrere Kugeln installiert sind, welche jeweils eine kugelförmige Außenwand umfassen, die für die Radarwellen der Radareinrichtung teilweise transparent und teilweise reflektierend ist. Mit anderen Worten ist die Außenwand derart ausgestaltet, dass beim Auftreffen von darauf fal lender Radarstrahlung ein Teil der Radarstrahlung durchgelassen wird und ein Teil der Radarstrahlung reflektiert wird. Der Begriff der Installation der Kugeln ist derart zu verstehen, dass die Kugeln dediziert durch Menschen zum Zwecke der Reflexion von Radarstrahlung im Raumbereich eingebracht sind. Im Inneren einer jeweiligen Kugel (d.h. jeder Kugel) schließt sich an die Außenwand ein hohler Bereich an, welcher derart groß ist, dass Radarstrahlen von über die Au ßenwand eintretender Radarstrahlung der Radareinrichtung im Inneren der jeweili gen Kugel auftreten, die jeweils zweimal und jeweils dreimal an der Außenwand reflektiert werden und anschließend entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung der eintretenden Radarstrahlung als Radarecho über die Außenwand austreten. Mit anderen Worten ist der hohle Bereich derart groß, dass Strahlengänge jeweiliger Ra darstrahlen, die zweimal und dreimal an der Außenwand reflektiert werden und an schließend entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung aus der Kugel austreten, zugelassen und nicht behindert werden. Beispielsweise kann der hohle Bereich als Kugelschale ausgestaltet sein. Die Radareinrichtung empfängt dieses Radarecho und detektiert über dieses Radarecho die jeweilige Kugel, d.h. es werden Informationen zu der Kugel und vorzugsweise ihre Position bzw. Entfernung relativ zu der Radar einrichtung ermittelt.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Erkenntnis, dass sich teiltransparen te und zumindest teilweise hohle Kugeln sehr gut als Radarreflektoren eignen. Insbe sondere kann mit diesen Kugeln aufgrund von Mehrfachreflexionen an der Innensei te ihrer Außenwand ein deutlich höherer Radarquerschnitt im Vergleich zu solchen Hohl- oder Vollkugeln erreicht werden, welche die gesamte einfallende Radarstrah lung reflektieren und beispielsweise als metallische Kugeln ausgestaltet sind. Dar über hinaus wird durch die kugelförmige Außenwand der teiltransparenten Kugeln gewährleistet, dass der Radarquerschnitt der Kugeln unabhängig von der Einfalls richtung der Radarwellen ist. Durch den teilweise hohlen Innenraum der entspre chenden Kugeln wird ferner eine Gewichtsreduktion erreicht.
Der Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, dass für den Radarquerschnitt einer teiltransparenten Kugel hauptsächlich zweimal und dreimal, im Inneren der Kugel reflektierte Strahlen verantwortlich sind. Demzufolge ist es nicht zwangsläufig erfor derlich, dass die Kugel in ihrem gesamten Inneren hohl ist, sondern es kann auch nur ein sich an die Außenwand anschließender Abschnitt hohl ausgestaltet sein, solange der Strahlengang von zweifach und dreifach reflektierten Radarstrahlen nicht behin dert wird. Nichtsdestotrotz ist in einer bevorzugten Ausführungsform zumindest eine Kugel und vorzugsweise jede der einen oder mehreren Kugeln eine Hohlkugel, deren hohler Bereich das gesamte Innere der zumindest einen Kugel umfasst. Hierdurch wird ein Radarreflektor mit besonders geringem Gewicht geschaffen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Durchmesser einer jeweili gen Kugel der einen oder mehreren Kugeln größer und vorzugsweise wenigstens 30- mal größer als die größte Wellenlänge im vorgegebenen Frequenzbereich der Ra darwellen. Auf diese Weise werden besonders hohe Radarquerschnitte für die ent sprechende Kugel erreicht.
Je nach Ausführungsform können Radarwellen in verschiedenen Frequenzbändern in den Raumbereich ausgesendet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform um fasst der vorgegebene Frequenzbereich der ausgesendeten Radarwellen Frequenzen zwischen 1 GHz und 300 GHz. Vorzugsweise liegt der vorgegebene Frequenzbereich im Frequenzband zwischen 8 GHz und 12 GHz (sog. X-Band) oder im Frequenzbe reich von 26,5 GHz und 40 GHz (sog. Ka-Band) oder im Frequenzbereich zwischen 75 GHz bis 110 GHz (sog. W-Band).
Je nach Ausgestaltung können als Außenwand einer jeweiligen Kugel der einen oder mehreren Kugeln verschiedene Materialien verwendet werden. Vorzugsweise besteht die Außenwand einer jeweiligen Kugel aus Gummi oder Polypropylen oder Teflon oder Quarzglas, wobei gegebenenfalls unterschiedliche Materialien für verschiedene Kugeln genutzt werden können. Ferner können auch andere geeignete Materialien für die Kugeln verwendet werden. Unter dem obigen Begriff "Gummi" sind dabei form feste, elastisch verformbare Kunststoffe zu verstehen (sog. Elastomere), sofern sie teiltransparent für Radarwellen sind. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zumindest eine Kugel und insbe sondere jede Kugel der einen oder mehreren Kugel ein schwebender aufgeblasener Gasballon. Das Schweben des Gasballons kann mit einer geeigneten Befüllung des Ballons mit einem Gas geringer Dichte erreicht werden. Der Gasballon kann dabei gefesselt sein, d.h. an einem Objekt über ein Befestigungsmittel (z.B. eine Leine) angebracht sein. Nichtsdestotrotz kann der Gasballon gegebenenfalls auch frei schwebend sein.
Die Verwendung von als Gasballons ausgestalteten Kugeln hat besondere Vorteile. Insbesondere können durch Veränderung des Gasdrucks im Inneren der Kugeln auf einfache Weise deren Größe und damit deren Reflexionseigenschaften variiert wer den. Darüber hinaus können mit Gasballons hohe Kugeldurchmesser erreicht werden, was zu sehr hohen Rückstreuquerschnitten führt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine jeweilige Kugel der einen oder mehreren Kugeln derart ausgestaltet, dass ihr über den vorgegebenen Frequenz bereich der Radarwellen gemittelter Radarquerschnitt zumindest doppelt so groß ist wie derjenige einer Kugel mit dem gleichen Durchmesser wie die jeweilige Kugel und mit einer äußeren Oberfläche, die für Radarwellen im vorgegebenen Frequenz bereich vollreflektierend ist (z.B. eine metallische Kugel). In der detaillierten Be schreibung wird ausführlich beschrieben, wie solche Kugeln realisiert werden kön nen. Vorzugsweise ist der gemittelte Radarquerschnitt der jeweiligen Kugel zumin dest fünfmal oder gegebenenfalls auch zehnmal so groß wie derjenige einer Kugel mit gleichem Durchmesser und vollreflektierender äußeren Oberfläche.
Vorzugsweise ist die Dicke der Außenwand einer jeweiligen Kugel der einen oder mehreren Kugeln 8 mm oder kleiner. In einer Variante des erfindungsgemäßen Ver fahrens liegt der Frequenzbereich der Radarwellen im Frequenzband zwischen 8 GHz und 12 GHz und die Dicke der Außenwand zumindest einer Kugel und vor zugsweise jeder Kugel der einen oder mehreren Kugeln liegt zwischen 4 mm und 8 mm und insbesondere bei 6 mm. In einer anderen Ausgestaltung liegt der Frequenz- bereich der Radarwellen im Frequenzband zwischen 26,5 GHz und 40 GHz und die Dicke der Außenwand zumindest einer Kugel und vorzugsweise jeder Kugel der ei nen oder mehreren Kugeln liegt zwischen 1,5 mm und 2 mm und insbesondere bei 1,7 mm. Der Erfinder konnte durch Berechnungen ermitteln, dass mit den beiden zuletzt genannten Ausführungsformen ein besonders hoher Radarquerschnitt der je weiligen Kugeln erreicht wird, und zwar insbesondere, wenn die Außenwand der jeweiligen Kugel aus Gummi gebildet ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind im Raumbereich mehrere der oben beschriebenen Kugeln installiert, wobei sich die Rückstreueigenschaften der Kugeln unterscheiden, was durch die Verwendung von unterschiedlichen Materialien für die Außenwand und/oder unterschiedlichen Dicken der Außenwand und/oder unterschiedlichen Durchmessern der Kugeln erreicht werden kann. Vorzugsweise sind die mehreren Kugeln derart ausgestaltet, dass aus den Radarechos der mehreren Kugeln ein Radarquerschnitt resultiert, der im Wesentlichen unabhängig von den Frequenzen im vorgegebenen Frequenzbereich der Radarwellen ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung macht man sich die Erkenntnis zunutze, dass der Radarquerschnitt der im erfmdungsgemäßen Verfahren verwende ten Kugeln von der Frequenz der verwendeten Radarstrahlung abhängt. Dabei wird mittels der Radareinrichtung im Rahmen der Detektion der jeweiligen Kugeln über das Radarecho der frequenzabhängige Verlauf des Radarquerschnitts im vorgegebe nen Frequenzbereich der Radarwellen erfasst, wobei dieser Verlauf in der Radarein richtung mit einem oder mehreren frequenzabhängigen Verläufen der Radarquer schnitte von einem oder mehreren vorbekannten Radarreflektoren (d.h. Radarreflek toren mit jeweils vorbekanntem konstruktivem Aufbau) im vorgegebenen Frequenz bereich der Radarwellen verglichen wird, um die jeweilige Kugel als einen vorbe kannten Radarreflektor zu identifizieren, d.h. um festzustellen, ob eine jeweilige Ku gel einem vorbekannten Radarreflektor entspricht. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten, insbesondere im Automobilbereich, in der Luftfahrt, in der Schifffahrt, in der Raum fahrt, in der Wehrtechnik sowie im Bereich Sicherheit und Katastrophenschutz, zum Einsatz kommen. In der detaillierten Beschreibung wird eine Vielzahl von Anwen dungsbeispielen genannt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist zu mindest ein Teil der einen oder mehreren Kugeln an einem oder mehreren Straßen- verkehrs-Infrastrukturelementen, wie z. B. an Leitpfosten am Straßenrand, und/oder an einem oder mehreren Straßenverkehrsteilnehmem im zu erfassenden Raumbe reich vorgesehen, zum Beispiel an Kraftfahrzeugen, Motorrädern, Fahrrädern oder auch an Motorradfahrern bzw. Fahrradfahrern. Ebenso können die Kugeln an Fuß gängern angebracht sein. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass die Ra darwellen von einer Radareinrichtung ausgesendet werden, die an einem Straßenver- kehrs-Infrastrukturelement oder einem Straßenverkehrsteilnehmer angebracht ist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist zumindest ein Teil der einen oder mehreren Ku geln 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 derglei chen 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 werden die Radarwellen von einer Radareinrich tung ausgesendet werden, die an einem sich autonom bewegenden Objekt oder an einem Menschen angebracht ist. Das sich autonom bewegende Objekt kann bei spielsweise 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 Men schen handelt es sich insbesondere um eine Person, die sich in einem gefährlichen Gelände bewegt. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass zumindest ein Teil der einen oder mehreren Kugeln an zumindest einem sich autonom bewegenden Objekt und/oder an zumindest einem Menschen im zu erfassenden Raumbereich vorgesehen 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 einem vorgegebenen Frequenzbereich 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 eingerich tet ist, die empfangenen Radarechos zu verarbeiten, um Informationen über den Raumbereich zu ermitteln.
Die erfmdungsgemäße Vorrichtung umfasst als Radarreflektoren eine oder mehrere Kugeln, welche in dem Raumbereich installiert sind, wobei die eine oder mehreren Kugeln jeweils eine kugelförmige Außenwand umfassen, die für die Radarwellen der Radareinrichtung teilweise transparent und teilweise reflektierend ist. Im Inneren einer jeweiligen Kugel schließt sich an die Außenwand ein hohler Bereich an, der derart groß ist, dass Radarstrahlen von über die Außenwand eintretender Radarstrah lung der Radareinrichtung im Inneren der jeweiligen Kugel auftreten, die jeweils zweimal und jeweils dreimal an der Außenwand reflektiert werden und anschließend entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung der eintretenden Radarstrahlung als Radarecho über die Außenwand austreten. Die Radareinrichtung ist derart ausgestal tet, dass sie über dieses Radarecho, das von ihr empfangen wird, die jeweilige Kugel detektiert.
Die erfmdungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise zur Durchführung einer oder mehrerer bevorzugter Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Darüber hinaus betrifft die Erfindung die Verwendung von einer oder mehreren Ku geln mit kugelförmiger Außenwand, die für Radarwellen teilweise transparent und teilweise reflektierend ist, und daran anschließendem hohlen Bereich im Inneren der Kugel 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:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Radarreflektors in der Form einer metallischen Kugel;
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer Hohlkugel, die in einer Varian- te des erfindungsgemäßen Verfahrens als Radarreflektor verwendet wird;
Fig. 3 ein Diagramm, das den frequenzabhängigen Verlauf des Radarquer schnitts einer Ausgestaltung der Hohlkugel aus Fig. 2 wiedergibt;
Fig. 4 ein Diagramm, das für eine Ausgestaltung einer metallischen Kugel aus Fig. 1 und Varianten von Hohlkugeln aus Fig. 2 mit unterschiedli chen Wanddicken den über die Frequenzen von eingestrahlter Radar strahlung gemittelten Radarquerschnitt in Abhängigkeit von den Durchmessern der Kugeln darstellt;
Fig. 5 eine schematische Schnittansicht einer abgewandelten Ausführungs form der Hohlkugel aus Fig. 2; und Fig. 6 und Fig. 7 schematische Schnittansichten weiterer Ausführungsformen aus Gruppen von mehreren Hohlkugeln.
Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung beruhen auf der Erkenntnis, dass sich Kugeln mit für Radarwellen teiltransparenter Außenwand, an die sich ein ausreichend großer hohler Bereich im Inneren der Kugel anschließt, sehr gut als Radarreflektoren eignen. Dies liegt daran, dass diese Kugeln, die im Folgen den auch als Hohlkugeln bezeichnet werden, einen hohen Radarquerschnitt aufwei sen. Der Radarquerschnitt wird im Folgenden auch als RCS (RCS= Radar Cross Sec- tion) bezeichnet und ist eine an sich bekannte Größe.
Fig. 1 zeigt im Querschnitt eine an sich bekannte metallische Kugel, die sich im Ver gleich zu den weiter unten beschriebenen Hohlkugeln nur bedingt zur Reflexion von Radarstrahlung eignet. Die metallische Kugel ist in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen G bezeichnet und hat eine metallische Oberfläche la', die vollreflektierend für einfal lende Radarstrahlung ist (d.h. im Wesentlichen die gesamte einfallende Radarstrah lung wird zurückgeworfen). Der Durchmesser der Kugel ist mit Bezugszeichen D bezeichnet. Parallele Radarstrahlen fallen von einer schematisch angedeuteten Rada reinrichtung 2 (nicht maßstabsgetreu dargestellt) auf die Oberfläche la' der metalli schen Kugel G. Beispielhaft sind aus der Reflexion an der Oberfläche la' hervorgeru fene Radarechos RE durch gestrichelte Pfeile wiedergegeben. Ferner ist der vertikal nach unten am Nordpol einfallende Radarstrahl RS dargestellt, der zu einem Radar echo RE entgegengesetzt zu dem Radarstrahl RS führt.
Wie man erkennt, wird nur bei der Reflexion des Radarstrahls am Nordpol ein Ra darecho entgegengesetzt zur Einfallsrichtung generiert. Beiträge von anderen Punk ten auf der Oberfläche la' der metallischen Kugel G 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 s in Abhängigkeit von dem Durchmesser D durch folgende Formel beschrieben werden: s = pΌ214 (1)
Eine wesentliche, der Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass hohle, für Radarstrahlung teiltransparente Kugeln viel stärker als gleich große metal lische Kugeln in Richtung zur Radareinrichtung reflektieren. Eine Ausführungsform einer entsprechenden teiltransparenten Hohlkugel ist in Fig. 2 gezeigt. Die Hohlkugel ist mit Bezugszeichen 1 bezeichnet und wird als Radarreflektor für Radarstrahlung genutzt. Die Radarstrahlung wird wiederum über eine Radareinrichtung 2 (nicht maßstabsgetreu dargestellt) erzeugt. Aufgrund des großen Abstands zwischen Radar einrichtung 2 und Kugel 1 fallen parallele Radarstrahlen in vertikaler Richtung nach unten auf die Hohlkugel 1.
Die Kugel 1 ist im Inneren komplett hohl, d.h. das Innere der Kugel bildet einen Hohlraum lb. Dieser Hohlraum ist von einer Außenwand la mit der Dicke d umge ben. Die Außenwand la ist aus einem Material gebildet, welches die einfallende Ra darstrahlung teilweise durchlässt und teilweise reflektiert. Beispielhaft sind von der Radarstrahlung zwei einfallende Radarstrahlen RS und RS' angedeutet. Der Anteil des Radarstrahls RS, der in das Innere der Hohlkugel 1 über deren Außenwand la eintritt, wird dabei zweimal an der Innenseite der Hohlkugel reflektiert, wie durch den Strahlverlauf entsprechend den gestrichelten Pfeilen P angedeutet ist. Im Unter schied hierzu wird der Anteil des Radarstrahls RS', der in das Innere der Hohlkugel 1 eintritt, dreimal an deren Innenseite reflektiert, wie durch den Strahlverlauf entspre chend den gestrichelten Pfeilen P' angedeutet ist. Aus dem Radarstrahl RS resultiert ein aus der Hohlkugel austretender Radarstrahl RE und aus dem Radarstrahl RS' ein aus der Hohlkugel austretender Radarstrahl RE'. Diese Radarstrahlen sind Radar echos, die anschließend von der Radareinrichtung 2 erfasst und ausgewertet werden, um die entsprechende Hohlkugel zu detektieren. Dabei ist zu beachten, dass bei jeder Reflexion der Radarstrahlen RS und RS' und beim Austretern der entsprechenden Radarechos RE und RE' aus der Hohlkugel aufgrund der Teiltransparenz der Au ßenwand la Verluste auftreten.
Der RCS-Wert der Hohlkugel 1 ist wesentlich größer als der RCS-Wert einer ver gleichbaren metallischen Kugel, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist. Dies liegt daran, dass zusätzliche Reflexionen der Radarstrahlen im Inneren der Kugel an deren gewölbten Innenfläche auftreten und hin zur Radareinrichtung zurückgeworfen werden. Die Anzahl der auftretenden inneren Reflexionen jeweiliger Radarstrahlen ist theoretisch unbegrenzt. Die Hauptbeiträge zum Radarquerschnitt kommen jedoch von zwei- und dreifach reflektierten Strahlen, wie sie aus den Strahlen RS und RS' in Fig. 2 resultie ren. Die in Richtung zur Radareinrichtung 2 zurückgeworfenen Radarechos über schneiden die Außenwand la der Kugel 1 entlang von Ringen, deren Durchmesser durch die Anzahl der Reflexionen M der entsprechenden Radarstrahlen auf der In nenseite der Außenwand la sowie dem Durchmesser D der Kugel bestimmt ist. Für sehr dünne Kugelschalen hat der Ring für M = 2 (d.h. zwei Reflexionen) einen Durchmesser von D/V2 und für M = 3 (d.h. drei Reflexionen) einen Durchmesser von y[3D/2.
Das insgesamt von der Hohlkugel 1 zurückgestreute Feld resultiert aus der Überlage rung von Radarstrahlen, die sich in der Anzahl der Reflexionen unterscheiden. Die dominierenden Radarstrahlen mit zwei und drei Reflexionen haben ungefähr die gleichen Amplituden, aber unterschiedliche optische Wege, die von der Frequenz der eingestrahlten Radarstrahlung, dem Durchmesser D der Kugel und der Dicke d der Außenwand abhängig sind. Daher zeigt der Radarquerschnitt einer Hohlkugel eine starke Abhängigkeit von den oben genannten Parametern.
Der Erfinder hat mittels einer Simulation basierend auf einer bekannten exakten ana lytischen Berechnung die frequenzabhängigen Radarquerschnitte für unterschiedli che Materialien von Außenwänden la der Hohlkugel 1 ermittelt. Insbesondere wur den dabei die in der folgenden Tabelle 1 genannten Materialien, nämlich ein Gummi aus Naturkautschuk, Polypropylen, Teflon und Quarzglas, analysiert. Tabelle 1:
In der obigen Tabelle 1 bezeichnen die Werte e und eG" Größen, die für eine Ra darstrahlung von 10 GHz gelten und aus denen sich die relative Permittivität eG wie folgt ergibt:
£r — £r — JEr (2)
Fig. 3 zeigt ein Diagramm, welches das Ergebnis der Berechnungen des Erfinders für eine Hohlkugel 1 aus dem Gummi der Tabelle 1 mit einem Durchmesser D von 3 m und einer Wanddicke d von 6 mm wiedergibt. In diesem Diagramm sind entlang der Abszisse die Radarfrequenzen im X-Band zwischen 8 GHz und 12 GHz wiedergege ben. Demgegenüber ist entlang der Ordinate der Radarquerschnitt RCS in Quadrat metern aufgetragen, der aufgrund der Kugelform richtungsunabhängig ist. Wie be reits oben erwähnt, ergibt sich eine starke Frequenzabhängigkeit des RCS-Werts für eine solche Hohlkugel. Eine ähnliche Frequenzabhängigkeit ergibt sich auch für Hohlkugeln aus den anderen, in der obigen Tabelle 1 genannten Materialien. Zwar sind gemäß Fig. 3 die Radarquerschnitte für bestimmte Frequenzen sehr gering, je doch kann durch geeignete Wahl einer Radarfrequenz bei einem Peak der Fig. 1 si chergestellt werden, dass ein ausreichend großer Radarquerschnitt vorliegt. Ferner kann durch die Verwendung eines ausreichend breiten Frequenzbereichs der einge strahlten Radarstrahlung ein hoher Radarquerschnitt sichergestellt werden. Um hohe RCS-Werte für die Hohlkugel 1 aus Fig. 2 zu erreichen, ist der Durchmes ser D der Hohlkugel in der Regel wesentlich größer als die Wellenlänge der einfal lenden Radarwellen. Vorzugsweise ist der Durchmesser 30-mal größer als die längste Wellenlänge im entsprechenden Frequenzspektrum der eingestrahlten Radarstrah lung. Hieraus ergeben sich je nach verwendetem Frequenzspektrum der Radarstrah lung Hohlkugeln mit Durchmessern von einigen Zentimetern bis zu mehreren Me tern. Große Gasballons können z.B. einen Durchmesser von 60 m aufweisen.
Beispielhaft sind in der nachfolgenden Tabelle 2 vom Erfinder berechnete RCS- Werte im X-Band von 8 GHz bis 12 GHz für eine hohle Kugel aus dem Gummi in Tabelle 1 mit einer Außenwandstärke von 6 mm in Abhängigkeit von deren Durch messer D wiedergegeben. Im Folgenden bezieht sich der Begriff der Gummikugel immer auf eine Hohlkugel aus dem Gummimaterial der Tabelle 1.
Tabelle 2:
In der ersten Spalte der Tabelle 2 sind verschiedene Durchmesser D von Gummiku geln in Metern angegeben. Die zweite Spalte der Tabelle 2 gibt als Vergleichswert einen RCS-Wert so in Quadratmetern für eine metallische Kugel gemäß Fig. 1 mit dem entsprechenden Durchmesser D wieder. Für eine metallische Kugel ist dieser Wert richtungs- und frequenzunabhängig. Die dritte Spalte der obigen Tabelle gibt den maximalen Radarquerschnitt maxa der entsprechenden Gummikugel in Quad ratmetern innerhalb des X-Bands an. Demgegenüber ist in der vierten Spalte der Ta belle der Minimalwert hήhs in Quadratmetern angegeben. In der fünften Spalte der Tabelle ist der über die Frequenzen des X-Bands gemittelte RCS-Wert (s) (d.h. der Medianwert) in Quadratmetern angegeben. Die sechste Spalte der Tabelle gibt den Median- bzw. Mittelwert (Ds) der Schwankungen des RCS-Werts um den Median wert in Quadratmetern an. In der siebten Spalte ist der Quotient ( Ds)/(s ) der Werte aus der sechsten und fünften Spalte wiedergegeben. Das Gewicht der entsprechenden hohlen Gummikugel ist in der letzten Spalte der Tabelle enthalten.
Wie man aus der zweiten und fünften Spalte der Tabelle 2 erkennt, sind die mittleren RCS-Werte ( s ) deutlich größer als für eine vergleichbare metallische Kugel. Die obige Tabelle 2 zeigt auch, dass die Maximal- und Medianwerte des Radarquer schnitts einer Hohlkugel deutlich größer als diese einer gleich großen metallischen Kugel sind. Sie nehmen schnell mit dem zunehmenden Durchmesser zu. Diese Werte kann man in an sich bekannter Weise mit folgenden Formeln abschätzen: ma xa = C2D3 (3)
<s> = C3D3 (4)
Die Faktoren C2 und C3 hängen von der Beschaffenheit der Außenwand der Hohlku gel und dem Frequenzbereich der eingestrahlten Radarstrahlung, jedoch nicht von dem Durchmesser der Hohlkugel ab. In der nachfolgenden Tabelle 3 sind Werte der Faktoren C2 und C3 für hohle Gummikugeln unterschiedlicher Wandstärke d im X- Band wiedergegeben. Wie man erkennt, sind die Faktoren bei einer Wandstärkte von 6 mm besonders hoch, was wiederum zu sehr großen RCS-Werten führt.
Tabelle 3: Das Diagramm der Fig. 4 veranschaulicht nochmals den mittleren RCS-Wert (Ds) für Gummikugeln mit unterschiedlichen Wandstärken d in Abhängigkeit vom Durchmesser D der Hohlkugeln. Ferner ist als Vergleichswert der entsprechende RCS-Wert einer metallischen Kugel aufgetragen. Die Kurve LO der Fig. 4 zeigt den Verlauf des RCS-Werts für die metallische Kugel. Die Linie LI bezieht sich auf eine Hohlkugel mit einer Wanddicke d = 2 mm, die Linie L2 auf eine Hohlkugel mit einer Wanddicke von d = 4 mm, die Linie L3 auf eine Hohlkugel mit einer Wanddicke von d = 6 mm und die Linie L4 auf eine Hohlkugel mit einer Wanddicke von d = 8 mm. Wie man erkennt, werden die größten RCS-Werte in der Tat für eine Hohlkugel mit der Wanddicke von 6 mm erreicht. Nichtsdestotrotz sind die RCS-Werte auch für die anderen Wanddicken deutlich größer als für eine entsprechende metallische Kugel.
Die RCS-Minimalwerte gemäß der obigen Tabelle 2 bleiben sogar bei großen Ku geln niedrig. Die Frequenzen, die den Minimalstellen entsprechen, sind durch die Durchmesser der Hohlkugel und die Wandbeschaffenheit der Außenwand der Hohl kugel bestimmt. Um bei der Reflexion der Radarstrahlen möglichst hohe RCS-Werte durchgehend über den Frequenzbereich der Strahlung zu erreichen, können in einer weiteren Ausführungsform mehrere Hohlkugeln mit unterschiedlichen Durchmessern und/oder Wandstärken im durch die Radarstrahlung erfassten Raumbereich vorgese hen sein. Die Durchmesser und Wandstärken der Hohlkugeln können dabei derart abgestimmt sein, dass sich die Minimal- und Maximalstellen der frequenzabhängigen Verläufe der RCS-Werte der einzelnen Hohlkugeln so überlagern, dass ein ausgegli chener Frequenzverlauf des aus allen Hohlkugeln resultierenden Radarquerschnitts erreicht wird. Geeignete Durchmesser und Wandstärken kann ein Fachmann basie rend auf entsprechenden analytischen Berechnungen ermitteln.
Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform einer Hohlkugel, die in einer Vari ante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Reflexion von Radarstrahlen eingesetzt wird. Die in Fig. 5 dargestellten Strahlverläufe von über die Radareinrichtung 2 aus gesendeten Radarstrahlen entsprechen den Strahlverläufen der Fig. 2 und werden deshalb nicht nochmals erläutert. Der einzige Unterschied zwischen Fig. 2 und Fig. 5 besteht darin, dass im Inneren lb der Hohlkugel 1 eine weitere Kugel 3 aus metalli schem Material vorgesehen ist. Der Durchmesser dieser Kugel 3 ist derart gewählt, dass der Strahlengang von Radarstrahlen mit zwei und auch einer größeren Anzahl von Reflexionen an der Innenseite der Außenwand la der Hohlkugel 1 nicht durch die metallische Kugel 3 behindert wird. Man macht sich bei dieser Ausführungsform die Erkenntnis zunutze, dass im Wesentlichen Radarstrahlen mit zwei und drei Re flexionen an der Innenseite der Außenwand zum Radarquerschnitt der Hohlkugel beitragen.
Der Erfinder konnte mit entsprechenden analytischen Berechnungen auch nachwei- sen, dass der mittlere Radarquerschnitt der Hohlkugel aus Fig. 5 nur gering von der inneren metallischen Kugel 3 beeinflusst wird, solange der Strahlverlauf P für zwei fach reflektierte Strahlen im Inneren der Hohlkugel nicht behindert wird. Nähe rungsweise sollte der Durchmesser der inneren metallischen Kugel 70 % des Durch messers D der Hohlkugel 1 nicht überschreiten.
In einer Ausgestaltung wird als Hohlkugel zur Reflexion von Radarstrahlung ein aufblasbarer Gasballon verwendet, der mit einem elektrisch neutralen Gas gefüllt ist, das eine geringere Dichte als Luft aufweist, so dass der Ballon frei schwebend posi tioniert werden kann. Der Ballon kann dabei mittels einer Leine gefesselt sein oder auch freischwebend ohne Sicherung positioniert sein. Durch Veränderung des Gas drucks des Ballons können seine Rückstreueigenschaften auf einfache Weise verän dert werden. Ein Gasballon, der einige Meter an Durchmesser aufweist, hat in der Regel sehr hohe RCS-Werte, und zwar sogar bei niedrigen Radarfrequenzen, wie z.B. im X-Band oder auch anderen Bändern mit noch niedrigeren Frequenzen, solan ge der Durchmesser des Ballons größer als ca. 30 Wellenlängen der längsten Wellen länge der eingestrahlten Radarstrahlung ist. Gasballons können in Kombination mit der Erfassung ihres Radarquerschnitts über Radarstrahlen z.B. als Wetterballons zum Vermessen von Windgeschwindigkeiten in größeren Höhen genutzt werden. Fig. 6 und Fig. 7 zeigen nochmals im Schnitt modifizierte Ausführungsformen, die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden können. In Fig. 6 ist dabei eine Gruppe von drei Hohlkugeln 1 mit unterschiedlichen Durchmessern in horizontaler Richtung nebeneinander angeordnet. Diese Hohlkugeln sind aufgeblase ne Gasballons, die mit Gas mit einer geringeren Dichte als die umgebende Luft be- füllt sind und über entsprechende Leinen 4 oder gegebenenfalls auch Stangen in Po sition gehalten werden. Dabei ist durch konzentrische Linien im oberen linken Teil der Fig. 6 die eingestrahlte Radarstrahlung angedeutet. Wie bereits oben erwähnt, kann mittels einer derartigen Anordnung von verschiedenen Hohlkugeln mit unter schiedlichen Radarquerschnitten erreicht werden, dass ein über den Frequenzbereich der eingestrahlten Radarstrahlung im Wesentlichen konstanter Verlauf des Radar querschnitts der Gruppe von Hohlkugeln erreicht wird. Die Hohlkugeln der Fig. 6 müssen nicht zwangsläufig als Gasballons realisiert sein. Beispielsweise können die Kugeln auch unverformbar sein. In diesem Fall besteht deren Außenwand aus einem nicht flexiblen Material.
Fig. 7 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform der Fig. 6. Diese Abwandlung unterscheidet sich gegenüber Fig. 6 lediglich darin, dass die Hohlkugeln nicht hori zontal nebeneinander, sondern vertikal übereinander angeordnet sind, Die Kugeln sind wiederum über entsprechende Leinen 4 bzw. gegebenenfalls auch Stangen mit einander und mit dem Boden verbunden. Für beide Ausführungsformen der Fig. 6 und Fig. 7 ist darauf zu achten, dass die Anordnung der Kugeln zueinander derart ist, dass sie sich nicht gegenseitig abdecken und aus der Position der Radareinrichtung sichtbar bleiben.
Wie bereits erwähnt, werden hohe RCS-Werte für eine Hohlkugel auch dann er reicht, wenn sich im Inneren der Hohlkugel ein Gegenstand mit ausreichend kleinem Durchmesser befindet, so dass der Strahlengang von zwei- bzw. mehrfach reflektier ten Radarstrahlen im Inneren der Hohlkugel nicht behindert wird. Demzufolge kann in einer Ausführungsform der Erfindung auch ein ausreichend kleiner Innenraum eines Gasballons als „Frachtraum“ genutzt werden. Wie oben erwähnt, kann die Größe des Raums in etwa bis zu 70 % des Ballondurchmessers betragen. In diesem Raum können z.B. Fracht, Personen oder ein weiterer Radarreflektor (Winkelreflek tor) angeordnet sein. Dabei dient die Außenwand des Gasballons nicht nur als Radar reflektor, sondern auch als schützendes Radom. Wie bereits erläutert, kann anstatt eines Gasballons auch eine Hohlkugel mit fester Kugelschale genutzt werden, wobei auch in diesem Fall optional in der Mitte der Hohlkugel ein Nutzraum vorgesehen sein kann. Die Hohlkugel kann z.B. auf einer Spitze eines spitzenförmigen Trägers gelagert sein.
Die im Vorangegangenen beschriebenen Hohlkugeln können als Radarreflektoren zur Rückstreuung von eingestrahlter Radarstrahlung in einer Vielzahl von Anwen dungsgebieten eingesetzt werden. Insbesondere kann dabei eine wirksame, schnelle und von der Position der Radareinrichtung unabhängige Markierung von Gegenstän den und Geländeflächen erreicht werden. Entsprechende Hohlkugeln können auch als starke und individuell erkennbare Radarziele, wie z.B. als Täuschziele, dienen. Unter anderem gibt es folgende Anwendungen für als Radarreflektoren genutzte Hohlkugeln:
- Wehrtechnik: aufblasbare Täuschkörper zum Ablenken von anfliegenden radarge lenkten Flugkörpern;
- Sicherheit und Katastrophenschutz: als Markierung zur Erkennung von Gegen ständen (Rettungsbooten und Flößen, frei schwimmenden Containern und derglei chen) im Wasser, insbesondere bei Dunkelheit oder Nebel, wobei in diesen Fällen vorzugsweise Hohlkugeln in der Form von gefesselten, aufblasbaren und hoch schwebenden Gasballons genutzt werden; zur Navigation von Rettungspersonal, Robotern und autonomen Fahrzeugen, z.B. in dunklen verrauchten Räumen; Mar kierung von gefährlichen Geländen (z.B. Durchgängen in Schnee-, Berg- und Sumpf-Geländen oder in vermintem Terrain);
- Luftfahrt: Markierung von Windkraftanlagen, Stromtrassen, Hochhäusern, Brü cken, Turmkränen, Seilbahnen sowie Start- und Landebahnen von Flughäfen;
- Schifffahrt: Markierung des Fahrwassers, auch von Küsten- und Hafenbereichen; - Straßenverkehr: Positionsbestimmung von Fahrzeugen auf der Straße, z.B. durch Markierung des Straßenrands oder Markierung von Baustellen über Hohlkugeln, vorzugsweise über feste Hohlkugeln (autonomes Fahren, Fahr Sicherheit);
- Radartechnik: als Kalibrierkörper zur Kalibrierung von Radaren unterschiedlicher Art (boden-, luft-, weltraumgestützt) in unterschiedlichen Frequenzbändern (z.B. vom L- bis zum W-Band);
- Meteorologie und Ozeanographie: als Wetterballons zum Vermessen von Wind geschwindigkeit in größeren Höhen; als Teil von Messbojen zur Ermittlung von Eisschollenbewegungen und Ozeanströmungen.
Das im Vorangegangenen beschriebene erfindungsgemäße Konzept der Verwendung von teiltransparenten Hohlkugeln als Radarreflektoren weist eine Reihe von Vortei len auf. Durch die Kugelsymmetrie der Hohlkugel ist eine völlige Unabhängigkeit des Radarquerschnitts von der Richtung der eingestrahlten Radarstrahlung gegeben. Im Unterschied hierzu gewährleisten Platten-, Winkel- und Lüneburg-Reflektoren eine Richtungsunabhängigkeit des Radarquerschnitts nur für bestimmte Raumberei che.
Mit den Hohlkugeln können sehr hohe RCS-Werte erreicht werden, die deutlich hö her als für metallische Kugeln und die meisten dielektrischen Kugeln gleicher Größe sind. Hohlkugeln haben ferner im Vergleich zu Vollkugeln ein wesentlich geringeres Gewicht. Demzufolge können sie gegebenenfalls auch sehr große Durchmesser auf weisen, so dass sehr hohe RCS-Werte gewährleistet werden können.
Die ausgeprägte Frequenzabhängigkeit des Radarquerschnitts von teiltransparenten Hohlkugeln kann als individuelles Merkmal zur Erkennung der Hohlkugeln genutzt werden. Auf diese Weise können einzelne Radarreflektoren über die Auswertung des frequenzabhängigen Verlaufs des Radarquerschnitts identifiziert werden und von anderen Radarreflektoren unterschieden werden. Teiltransparente Hohlkugeln können einfach realisiert und hergestellt werden. Deren Radarquerschnitt kann einfach simuliert werden, da eine exakte Lösung für diesen Radarquerschnitt bekannt ist. Auf diese Weise können gewünschte frequenzabhängi ge Verläufe von Radarquerschnitten realisiert werden, indem über Simulationen ge- eignete Materialen und Wanddicken für die Außenwand der Hohlkugeln sowie ge eignete Kugeldurchmesser festgelegt werden.
Teiltransparente Hohlkugeln können aufgrund der Richtungsunabhängigkeit ihres Radarquerschnitts einfach ohne besondere Anforderungen an ihre Position installiert werden. Bei der Ausgestaltung als Gasballons können die Hohlkugeln auf einfache Weise an den Frequenzbereich der verwendeten Radarstrahlung angepasst werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erfassung eines Raumbereichs mittels Radarwellen, bei dem eine Radareinrichtung (2) Radarwellen in einem vorgegebenen Frequenzbe reich in den Raumbereich aussendet und aus dem Raumbereich Radarechos (RE, RE') empfängt, welche aus der Rückstreuung der Radarwellen aus dem Raumbereich resultieren, wobei die Radareinrichtung (2) die empfangenen Ra darechos (RE, RE') verarbeitet, um Informationen über den Raumbereich zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Raumbereich als Radarreflektoren eine oder mehrere Kugeln (1) instal liert sind, welche jeweils eine kugelförmige Außenwand (la) umfassen, die für die Radarwellen der Radareinrichtung (2) teilweise transparent und teilweise reflektierend ist, wobei sich im Inneren einer jeweiligen Kugel (1) an die Au ßenwand (la) ein hohler Bereich (lb) anschließt, der derart groß ist, dass Ra darstrahlen (P, P') von über die Außenwand (la) eintretender Radarstrahlung (RS, RS') der Radareinrichtung (2) im Inneren der jeweiligen Kugel (1) auftre- ten, die jeweils zweimal und jeweils dreimal an der Außenwand (la) reflektiert werden und anschließend entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung der eintretenden Radarstrahlung (RS, RS') als Radarecho (RE, RE') über die Au ßenwand (la) austreten, wobei die Radareinrichtung (2) die jeweilige Kugel (1) über das Radarecho (RE, RE') detektiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (D) einer jeweiligen Kugel (1) größer und vorzugsweise wenigstens 30-mal größer als die größte Wellenlänge im vorgegebenen Frequenzbereich der Ra darwellen ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Kugel (1) der einen oder mehreren Kugeln (1) eine Hohlkugel ist, deren hohler Bereich (lb) das gesamte Innere der zumindest einen Kugel (1) umfasst.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass der vorgegebene Frequenzbereich der Radarwellen Frequenzen zwi schen 1 GHz und 300 GHz umfasst und vorzugsweise im Frequenzband zwi schen 8 GHz und 12 GHz oder im Frequenzband zwischen 26,5 GHz und 40 GHz oder im Frequenzband zwischen 75 GHz bis 110 GHz liegt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass die Außenwand (la) einer jeweiligen Kugel (1) aus einem der folgen den Materialien gebildet ist:
Gummi, Polypropylen, Teflon, Quarzglas.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass zumindest eine Kugel (1) der einen oder mehreren Kugeln (1) ein schwebender aufgeblasener Gasballon ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass eine jeweilige Kugel (1) derart ausgestaltet ist, dass ihr über den vor gegebenen Frequenzbereich der Radarwellen gemittelter Radarquerschnitt zu mindest doppelt so groß ist wie derjenige einer Kugel (G) mit dem gleichen Durchmesser wie die jeweilige Kugel (1) und mit einer äußeren Oberfläche (la1), die für Radarwellen im vorgegebenen Frequenzbereich vollreflektierend ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass die Dicke (d) der Außenwand (la) einer jeweiligen Kugel (1) 8 mm oder kleiner ist, wobei vorzugsweise der Frequenzbereich der Radarwellen im Frequenzband zwischen 8 GHz und 12 GHz liegt und die Dicke der Außen wand (la) zumindest einer Kugel der einen oder mehreren Kugeln (1) zwi schen 4 mm und 8 mm und insbesondere bei 6 mm liegt oder wobei vorzugs weise der Frequenzbereich der Radarwellen im Frequenzband zwischen 26,5 GHz und 40 GHz liegt und die Dicke der Außenwand (la) zumindest einer Kugel (1) der einen oder mehreren Kugeln (1) zwischen 1,5 mm und 2 mm und insbesondere bei 1,7 mm liegt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass im Raumbereich mehrere Kugeln (1) installiert sind, deren Rückstreu eigenschaften sich unterscheiden, wobei die mehreren Kugeln (1) vorzugswei se derart ausgestaltet sind, dass aus den Radarechos (RS, RS') der mehreren Kugeln (1) ein Radarquerschnitt resultiert, der im Wesentlichen unabhängig von den Frequenzen im vorgegebenen Frequenzbereich der Radarwellen ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass mittels der Radareinrichtung (2) im Rahmen der Detektion der jewei ligen Kugel (1) über das Radarecho (RE) der frequenzabhängige Verlauf des Radarquerschnitts im vorgegebenen Frequenzbereich der Radarwellen erfasst wird, wobei dieser Verlauf in der Radareinrichtung (2) mit einem oder mehre ren frequenzabhängigen Verläufen der Radarquerschnitte von einem oder meh reren vorbekannten Radarreflektoren im vorgegebenen Frequenzbereich der Radarwellen verglichen wird, um die jeweilige Kugel (1) als einen vorbekann ten Radarreflektor zu identifizieren.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass zumindest ein Teil der einen oder mehreren Kugeln (1) an einem oder mehreren Straßenverkehrs-Infrastrukturelementen (4) und/oder Straßenver kehrsteilnehmern im Raumbereich vorgesehen ist und/oder die Radarwellen von einer Radareinrichtung (2) ausgesendet werden, die an einem Straßenver- kehrs-Infrastrukturelement (4) oder einem Straßenverkehrsteilnehmer ange bracht ist.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass zumindest ein Teil der einen oder mehreren Kugeln (1) an zumindest einem Flugobjekt und/oder zumindest einem schwimmenden Objekt im Raum bereich vorgesehen ist und/oder die Radarwellen von einer Radareinrichtung (2) ausgesendet werden, die an einem Flugobjekt oder einem schwimmenden Objekt angebracht ist.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass zumindest ein Teil der einen oder mehreren Kugeln (1) an zumindest ei nem sich autonom bewegenden Objekt und/oder an zumindest einem Men schen im Raumbereich vorgesehen ist und/oder die Radarwellen von einer Ra dareinrichtung (2) ausgesendet werden, die an einem sich autonom bewegen den Objekt oder einem Menschen angebracht ist.
14. Vorrichtung zur Erfassung eines Raumbereichs mittels Radarwellen, umfas send eine Radareinrichtung (2), welche derart ausgestaltet ist, dass sie im Be trieb Radarwellen in einem vorgegebenen Frequenzbereich in den Raumbe reich aussendet und aus dem Raumbereich Radarechos (RE) empfängt, welche aus der Rückstreuung der Radarwellen aus dem Raumbereich resultieren, wo bei die Radareinrichtung (2) ferner dazu eingerichtet ist, die empfangenen Ra darechos (RE, RE') zu verarbeiten, um Informationen über den Raumbereich zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als Radarreflektoren eine oder mehrere Kugeln (1) umfasst, welche in dem Raumbereich installiert sind, wobei die eine oder mehreren Ku geln (1) jeweils eine kugelförmige Außenwand (la) umfassen, die für die Ra darwellen der Radareinrichtung (2) teilweise transparent und teilweise reflek tierend ist, wobei sich im Inneren einer jeweiligen Kugel (1) an die Außen wand (la) ein hohler Bereich (lb) anschließt, der derart groß ist, dass Radar strahlen (P, P') von über die Außenwand (la) eintretender Radarstrahlung (RS, RS') der Radareinrichtung (2) im Inneren der jeweiligen Kugel (1) auftreten, die jeweils zweimal und jeweils dreimal an der Außenwand (la) reflektiert werden und anschließend entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung der eintretenden Radarstrahlung (RS, RS') als Radarecho (RE, RE') über die Au ßenwand (la) austreten, wobei die Radareinrichtung (2) derart ausgestaltet ist, dass sie die jeweilige Kugel (1) über das Radarecho (RE, RE') detektiert.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 13 einge richtet ist.
16. Verwendung von einer oder mehreren Kugeln (1) mit kugelförmiger Außen- wand (la), die für Radarwellen teilweise transparent und teilweise reflektierend ist, und daran anschließendem hohlen Bereich (1) im Inneren der Kugel (1) als Radarreflektoren in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder in einer Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15.
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