WO2020260372A1 - Verfahren und vorrichtung zur erfassung eines raumbereichs mittels radarwellen - Google Patents

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Andrey OSIPOV
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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
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    • G01S7/411—Identification of targets based on measurements of radar reflectivity

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 if 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 using 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 reflect the incoming radar waves largely in the direction from which they come, largely regardless of the direction of incidence and the orientation of the reflector. Such retroreflectors are designed, for example, as corner reflectors made of two or three plates that are perpendicular to one another. Another well-known type of retroreflectors is the so-called cat's eye. A typical embodiment is a dielectric ball that acts as a spherical lens and has a metallization on the back. So-called Lüneburg lenses are also used as retroreflectors. These are spherical lenses with an inwardly increasing refractive index, which is achieved by means of dielectric material with a location-dependent dielectric constant.
  • Lüneburg lenses are characterized by the fact that radar beams incident in parallel are focused in a reflection point and reflected back 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 reflection point (otherwise no reflection), which significantly limits their coverage area.
  • the publication EIS 2018/0081094 A1 discloses a retroreflective system for detecting vehicles in road traffic.
  • the system includes a variety of retroreflectors.
  • the retroreflectors can be designed as glass spheres which are provided with a reflective layer.
  • the document US 2018/0081058 Al describes a system for the detection of a vehicle with a variety of reflectors.
  • the reflectors can be designed as spherical retro-reflectors made of glass with a reflective layer.
  • the document US 10,014,587 B1 shows a cloud of small retroreflectors for optical light frequencies.
  • the retroreflectors are fastened on a supporting surface and, in one variant, can be designed as dielectric balls with a refractive index twice as large as the refractive index of the surrounding medium.
  • the document WO 00/34807 A1 shows a retroreflector which consists of a substrate on which arrays of spherical domes are attached on both sides.
  • the back of the retroreflector is designed as a completely reflective surface.
  • the document GB 2 194 391 A discloses a passive radar reflector which consists of a dielectric sphere with a reflective layer.
  • the material for the ball can e.g. Silicon dioxide can be used.
  • the document EP 0 461 125 B1 discloses a passive radar reflector with a first lens and a second lens, the first lens focusing the energy of the radar radiation towards the second lens.
  • the second lens includes a reflective surface.
  • the lenses can have a dielectric constant of 3.414.
  • 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 radar waves in that a radar device sends radar waves into the spatial area and receives radar echoes from the spatial area, which are from the backscatter of the radar waves result 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 who are not explained in further detail.
  • objects in the spatial area can be detected via the received ra dar 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 runtime of the radar waves.
  • the method according to the invention is characterized in that one or more homogeneous bodies made of polyamide and / or one or more homogeneous bodies made of quartz glass are installed as radar reflectors in the spatial area to be recorded.
  • a homogeneous body made of polyamide is a body made of plastic in the form of pure polyamide with negligible impurities and constant material density.
  • a homogeneous body made of quartz glass is a body made of pure silicon dioxide with negligible impurities and a constant material density.
  • homogeneous body made of polyamide or quartz glass is to be understood in such a way that the bodies were positioned in the spatial area by people for the purpose of reflecting radar radiation.
  • homogeneous bodies are also referenced as bodies (without the addition "homogeneous").
  • radar radiation from the radar device falls in a direction of incidence on a respective body in such a way that the refraction of the radar radiation on the spherical surface of the respective body when it enters the respective body Body and reflection of the radar radiation that has entered on the spherical surface of the respective body and repeated refraction the reflected radar radiation on the spherical surface of the respective body pers when it emerges from the respective body a radar echo is generated opposite and parallel to the direction of incidence and is received by the radar device.
  • the radar device and the respective bodies are arranged in such a way that such an incidence of radar radiation is guaranteed.
  • the radar device detects the respective body via the received radar echo, ie information on the body and preferably its position or distance relative to the radar device is determined.
  • the radar echo preferably forms a ring of radar waves opposite and parallel to the direction of incidence, which ring emerges from the respective body. In other words, it ensures that all radar waves that can be reflected in the opposite direction and parallel to the direction of incidence also exit the body. That is to say, the body does not have a coating in any section of the ring and preferably also in no section inside and / or outside the ring, which coating prevents the escape of radar radiation.
  • the invention is based on the knowledge that spheres or spherical segments made of poly amide or quartz glass surprisingly lead to a very high radar cross section in the frequency range of radar radiation, which cannot be achieved with other materials. Due to the homogeneity of the body, it is much easier to manufacture than known radar reflectors, such as. B. Lüneburg lenses. When using a body in the form of a sphere, an isotropic radar reflector can also be created, the radar cross section of which is essentially independent of the direction of the incident radiation.
  • the radar radiation used in the method according to the invention is in a wavelength range between 1 GHz and 300 GHz, preferably in a wavelength range between 75 GHz and 110 GHz and particularly preferably in a wavelength range between 77 and 81 GHz.
  • the last-mentioned wavelength range is the so-called lower one W-band, which is preferably used in applications in the automotive sector.
  • the diameter that belongs to the spherical surface of a respective body is greater than the wavelength of the radar radiation, whereby wave interference effects are avoided.
  • a metallic reflective layer is provided on part of the spherical surface of at least one body in a region where the radar radiation that has entered the corresponding body (ie the at least one body) is reflected, from which the radar echo is opposed and parallel to the direction of incidence of the radar radiation.
  • the spherical surface of at least one body and preferably each body is uncoated.
  • This variant is based on the surprising finding that with bodies made of polyamide or quartz glass, even without the presence of a coating, high radar cross-sections can be achieved.
  • a complete coverage of the surrounding space is also achieved with this embodiment.
  • the effect of known corner reflectors is also limited to one sector in space. By arranging several corner reflectors, for example a combination of 8 triangular corner reflectors (so-called octahedral radar reflector), the spatial coverage can be improved.
  • the body or bodies comprise one or more spherical segments, each of which is designed such that the center of the sphere of the spherical surface lies in the respective spherical segment (ie not outside the spherical segment) and that the respective spherical segment is on one side and preferably on two opposite sides are each limited by a different area deviating from the spherical surface.
  • this other surface can be a spherical surface with a different radius than the spherical surface.
  • the other surface is a non-spherical surface and preferably a flat surface.
  • the spherical segment is delimited on two opposite sides by a flat surface, the two flat surfaces being surfaces running parallel to one another.
  • the body or bodies comprise one or more balls which are each mounted at a single point on a carrier, in particular on a tip of a pointed carrier. In this way, a radar cross-section that is largely independent of the angle can be achieved.
  • the body or bodies on one or more road traffic ubeni ementen such. B. on delineator posts on the roadside, and / or on one or more road users in the too Detecting spatial area provided, for example on motor vehicles, motorcycles, bicycles or even on motorcyclists or cyclists.
  • the bodies can also be attached to pedestrians.
  • the radar waves it is also possible for the radar waves to be transmitted by a radar device that is attached to a road traffic infrastructure element or a road traffic participant.
  • the body or bodies are provided on at least one flight object and / or on at least one floating object in the spatial region to be detected.
  • the flying object can, for. B. an airplane, a helicopter, a drone, a satellite and the like.
  • the floating object can e.g. B. 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 that is attached to a flying object or a floating object.
  • the body or bodies are provided on at least one autonomously moving object and / or on at least one person in the spatial region to be detected.
  • the autonomously moving object can, for example, be an agricultural vehicle (e.g. a tractor), a robot in the industrial sector, a robot in a medical environment or a robot for private applications.
  • the robot can be a care robot, a lawn mower robot, a vacuum cleaner robot and the like.
  • the human being is, in particular, a person who is moving in dangerous terrain, as a result of which his / her location via radar radiation is improved by means of the body or bodies.
  • the radar waves it is also possible for the radar waves to be transmitted by a radar device which is attached to an autonomously moving object or to a person.
  • the invention relates to a device for detecting a spatial area by means of radar waves.
  • the device contains a Ra darrein Surprise which is designed such that they radar waves in the operation Sends spatial area and receives radar echoes from the spatial area, which result from the backscattering of the radar waves from the spatial area, wherein the radar device is also set up to process the received radar echoes to determine information about the spatial area.
  • the device according to the invention comprises, as radar reflectors, one or more homogeneous bodies made of polyamide and / or one or more homogeneous bodies made of quartz glass, the homogeneous body or bodies made of polyamide or quartz glass being installed in the spatial area and each having a spherical surface include and are designed as one or more balls and / or one or more ball segments.
  • the device is configured so that radar radiation from the radar device falls in a direction of incidence on a respective body in such a way that by refraction of the radar radiation on the spherical surface of the respective body when it enters the respective body and reflection of the radar radiation that has entered the spherical surface of the respective body and repeated refraction of the reflected radar radiation on the spherical upper surface of the respective body at the exit from the respective body a radar echo is generated in the opposite direction and parallel to the direction of incidence and is received by the radar device.
  • the radar device is designed in such a way that it detects the respective body via the received radar echo.
  • 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 also relates to the use of one or more homogeneous polyamide bodies and / or one or more homogeneous bodies made of quartz glass in the form of one or more spheres and / or in the form of one or more spherical segments as radar reflectors in the inventive method 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 is a schematic sectional view of a radar reflector in the form of a metal ball according to the prior art
  • Fig. 2 is a sectional view of a quartz glass sphere, which in the invention
  • 3 and 4 are diagrams which compare the radar cross-section of a quartz glass sphere with other radar reflectors
  • FIG. 5 shows a sectional view of an embodiment of a radar reflector with a quartz glass sphere
  • Fig. 6 is a sectional view of a further embodiment of a Radarreflek sector with a quartz glass ball segment;
  • FIG. 7 is a plan view of the radar reflector shown in section in FIG.
  • the embodiments of the invention described below are based on the finding, which is essential to the invention, that spheres made of polyamide or quartz glass or spherical segments made of polyamide or quartz glass are very suitable as radar reflectors because they have a high radar cross section.
  • RCS Radar Cross Section
  • the invention is based on quartz glass spheres or Quartz glass spherical segments explained. Nevertheless, according to the invention, polyamide can also be used as material for the balls or ball segments.
  • 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 quartz glass sphere described below.
  • the metallic ball is designated in Fig. 1 with the reference character G and has a metallic surface la '.
  • 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 ball G.
  • radar echoes RE caused by the reflection on the surface la' are shown by dashed arrows.
  • 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 relatively small.
  • the radar cross-section of a sphere made of dielectric material is reinforced by an additional reflection at the curved inner border.
  • a relative dielectric constant of the dielectric of a dielectric sphere should be between 2 and 4 in order to achieve sufficient radar cross-sections.
  • quartz glass which is pure silicon dioxide with a density of about 2.2 g / cm 3, is such a relative Dielectric constant for electromagnetic waves in the frequency spectrum of Ra dar.
  • the electrical properties for quartz glass at 23 ° C and a radiation frequency of 80 GHz are as follows:
  • D is the diameter (m) of the quartz glass sphere
  • F is the frequency (GHz) of the incident radar radiation
  • s is the RCS value (m 2 ).
  • the RCS value increases with increasing frequency or increasing diameter. Equation (2) assumes negligible losses in the material of the ball.
  • Fig. 2 shows a quartz glass ball 1 which is used as a radar reflector in the context of the invention.
  • the surface of the quartz glass ball is denoted by reference character la and its diameter by reference character D.
  • a radar device 2 (not shown to scale) generates pa rallel radar beams that fall in the vertical direction down onto the quartz glass ball 1.
  • the radar radiation contains a ring of radar rays, which extends along the line L indicated.
  • a radar beam of this ring is represented by the arrow RS.
  • Only radar rays that fall along this ring on the surface are caused by refraction and reflection at the surface curvature reflected back as a radar echo opposite and parallel to the direction of incidence.
  • Such a radar echo RE is indicated for the radar beam RS by a dashed arrow.
  • the radar echo RE arises from the fact that the radar beam RS is initially refracted on the outside of the sphere 1.
  • the resulting radar beam PI propagates inside the sphere and is then reflected at the south pole of the sphere, so that the reflected radar beam P2 is created.
  • This radar beam is refracted again when it emerges from the sphere 1 and leads to the radar echo RE.
  • the quartz glass ball 1 In contrast to the metallic ball G, in which only the radar beam RS arriving at the north pole is reflected back opposite to the direction of incidence, the quartz glass ball 1 generates a ring of radar radiation corresponding to the line L opposite and parallel to the direction of incidence. A significantly higher radar cross-section is thus achieved. It is only necessary to ensure that the radar radiation emitted is incident in such a way that a radar echo along the ring according to the line L is generated.
  • the line L has a zenith angle qo of 26 ° at the center of the sphere M. Accordingly, when using a quartz glass sphere as a radar reflector, high radar cross-sections are achieved if the radar radiation along the ring with an opening angle 2qo (i.e. from 52 °) occurs.
  • FIGS. 3 and 4 show diagrams which are based on calculations by the inventor and which show radar cross sections RCS in dBm 2 as a function of the angle of incidence Q of the radar radiation in degrees (deg.)
  • the line LI in FIG. 3 and FIG. 4 corresponds to the radar cross section of a quartz glass sphere.
  • line L2 in FIGS. 3 and 4 represents the radar cross section of a metallic sphere.
  • a diameter D 17.9 cm was assumed for both spheres.
  • curve K2 in FIG. 4 corresponds to the radar cross section of a corner reflector made of two metal square plates with an edge length of the plates of 17.9 cm.
  • the radar cross section of the quartz glass sphere is significantly higher than the radar cross section of the metallic sphere.
  • the radar cross section according to the line LI is -1.9 dBm 2
  • the radar cross section of the line L2 is -16 dBm 2 .
  • the radar cross-section of the quartz glass sphere is isotropic, ie the quartz glass sphere represents a direction-independent radar reflector which always reflects radar waves in the opposite direction and parallel to the direction of incidence. This is not the case for a metallic plate and a corner reflector, as can be seen from the curves K1 and K2 in FIGS. 3 and 4.
  • the radar cross-section of a metallic plate according to the curve K1 is strongly dependent on the angle and has a large number of peaks.
  • the highest peak lies in an angular range of 4.5 °, which is indicated by the two arrows P ′ in FIG. 3.
  • the corner reflector according to curve K2 in FIG. 4 also has an angle dependency.
  • the radar cross-section drops sharply outside of an angular range of 90 °, as indicated by the arrow P ′′, which covers the angular range of 90 °.
  • the quartz glass ball from FIG. 2 is used to reflect radar radiation in the so-called lower W band, which covers a frequency range of the radar radiation between 77 GHz and 81 GHz.
  • This frequency range is preferably used in applications in the automotive sector (autonomous driving, driver assistance systems, driving safety and the like).
  • the following mean radar cross-sections result in this W-band:
  • the quartz glass sphere has a significantly higher radar cross-section than spheres made from other materials.
  • the quartz glass sphere reflects approx. 46 times more strongly than a metallic sphere. This ratio increases with increasing frequency or increasing diameter (see formulas (1) and (2)).
  • a quartz glass sphere is therefore extremely well suited for use for radar radiation in the above frequency range.
  • a sphere made of polyamide also reflects significantly more (approx. 3 times more) than a metallic sphere.
  • Spheres made of other plastics, conventional glasses and ceramics hardly reflect more than a metal sphere, since at radar frequencies the relative dielectric constant of these substances is outside the interval between 2 and 4 and / or the losses in the material are simply too great.
  • Fig. 5 to Fig. 7 show two embodiments of the use of a quartz glass ball or a quartz glass ball segment as a radar reflector.
  • the course of an incident radar beam RS and the resulting radar echo RE for an incidence position is indicated by a dashed line, in which the radar echo is reflected in the opposite direction and parallel to the direction of incidence of the radar beam.
  • the radar radiation comes from the radar device 2, which is shown schematically and not to scale.
  • the reference symbol M denotes the center point of the quartz glass sphere or the center point of the quartz glass sphere segment in FIGS. 5 and 6.
  • Fig. 5 shows an application in which a completely direction-independent reflection of incident radar radiation is achieved.
  • the quartz glass ball 1 is mounted on the tip of a pointed support 3.
  • 6 shows an application in which, instead of a quartz glass ball, a quartz glass ball segment 1 is used.
  • the segment is part of a delineator post 4 which is arranged on the roadside and can be detected with a radar device 2 of a motor vehicle.
  • the quartz glass ball segment is arranged between an upper section 4a and a lower section 4b of the guide post.
  • the spherical segment results from the fact that the original quartz glass sphere is cut off at the same distance from a horizontal plane E running through the center point M. There are thus two parallel surfaces lc that delimit the spherical segment at the top and bottom. Care must be taken that the opening angle for incident radar radiation at the center point M is selected so that the radar radiation is reflected back to the radar device, i.e. H. the opening angle 2qo is at least 52 °, as already described above.
  • a metallic reflection layer lb can also be provided on the surface la of the spherical segment in an area in which the reflection of the radar radiation takes place at the curved inner border of the spherical segment. This increases the radar cross-section.
  • FIG. 7 shows the delineator post 4 of FIG. 6 again in a plan view from above, a beam path of a radar beam also being illustrated again. It should be noted that the course of the radar radiation lies in a plane that runs through the quartz glass sphere.
  • the radar reflector configured as a quartz glass sphere or quartz glass sphere segment can be used for a large number of application areas.
  • the aim is to detect the radar reflector with a corresponding radar device in order to obtain information about the position of the radar reflector in relation to the radar device.
  • One area of application of the radar reflector designed as a quartz glass sphere or quartz glass sphere segment is the automotive sector.
  • the radar reflector can be used as a marker for the following purposes:
  • quartz glass ball or the quartz glass ball segment can be attached, for example, to bumpers and trailer hitches of cars, handlebars or control tubes of bicycles, cyclist helmets, safety vests, school bags, clothing and the like ,
  • quartz glass balls or quartz glass ball segments can, for. B. be integrated in airplanes, helicopters, drones, kites, paragliders and the like. They can also be used for the radar-effective marking of wind turbines, power lines, high-rise buildings, bridges, tower cranes, cable cars and runways at airports.
  • quartz glass spheres or quartz glass sphere segments according to the invention can also be used in shipping. In particular, they can be used for the following purposes:
  • quartz glass balls or quartz glass ball segments according to the invention can be used for the following purposes:
  • quartz glass spheres or quartz glass spherical segments according to the invention is security and disaster control, in particular for the following purposes:
  • quartz glass spheres or quartz glass spherical segments or spheres or spherical segments made of polyamide are used in radar-based methods for reflecting radar radiation.
  • Quartz glass spheres or Quartz glass spherical segments have the advantage that they are easy and inexpensive to manufacture and have a high radar cross section in the frequency range of radar waves.
  • balls or ball segments made of polyamide The same applies to balls or ball segments made of polyamide.
  • quartz glass spheres or quartz glass spherical segments are mechanically strong and they have a low coefficient of expansion and high temperature change resistance.
  • quartz glass spheres or quartz glass spherical segments are chemically stable, since quartz glass, with the exception of hydrofluoric acid and hot phosphoric acid, is not attacked by any acid and is neutral to many substances.
  • quartz glass is an environmentally friendly and weather-resistant material.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lückenlosen 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 ein oder mehrere homogene Körper (1) aus Polyamid und/oder ein oder mehrere homogene Körper (1) aus Quarzglas installiert, wobei der oder die homogenen Körper (1) jeweils eine kugelförmige Oberfläche (1a) umfassen und als eine oder mehrere Kugeln und/oder eine oder mehrere Kugelsegmente ausgestaltet sind. Radarstrahlung (RS) der Radareinrichtung (2) fällt in einer Einfallsrichtung derart auf einen jeweiligen Körper (1), dass durch Brechung der Radarstrahlung (RS) an der kugelförmigen Oberfläche (1a) des jeweiligen Körpers (1) bei deren Eintritt in den jeweiligen Körper (1) und Reflexion der eingetretenen Radarstrahlung (P1) an der kugelförmigen Oberfläche (1a) des jeweiligen Körpers (1) sowie nochmaliger Brechung der reflektieren Radarstrahlung (P2) an der kugelförmigen Oberfläche (1a) des jeweiligen Körpers (1) bei deren Austritt aus dem jeweiligen Körper (1) ein Radarecho (RE) in Richtung entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung erzeugt wird und durch die Radareinrichtung (2) empfangen wird, wobei die Radareinrichtung (2) den jeweiligen Körper (1) über das empfangene Radarecho (RE) detektiert.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung eines Raumbereichs mittels Radarwellen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung eines Raum bereichs mittels Radarwellen.
Radarwellen ermöglichen die Erkennung und Ortung von Objekten auf der Basis elekt romagnetischer Wellen im Kurz- und Mikrowellenbereich. Die Ortung mittels Radar wellen funktioniert auch dann, wenn das Medium zwischen dem Radarsender und dem Radarziel undurchlässig für sichtbares Licht ist (z. B. aufgrund von Nebel, Wolken, Rauch, Dunkelheit und dergleichen). Die Radartechnik wird ständig durch technische Fortschritte in der Entwicklung von Radarsensoren und der Antennentechnik sowie durch neue computergestützte Signalverarbeitungsverfahren verbessert. Es entstehen dabei neue Anwendungen für Radare, insbesondere im Bereich Verkehr (z. B. auto nome 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 Größe 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. Eine andere be kannte Gattung von Retroreflektoren ist das sog. Katzenauge (Cat’s Eye). Eine typi sche Ausführungsform ist eine dielektrische Kugel, die als sphärische Linse wirkt und eine Metallisierung auf der Rückseite aufweist. Ebenso kommen als Retroreflektoren sog. Lüneburg-Linsen zum Einsatz. Es handelt sich hierbei um kugelförmige Linsen mit nach innen zunehmendem Brechungsindex, was durch dielektrisches Material mit ortsabhängiger Dielektrizitätskonstante erreicht wird. Lüneburg-Linsen zeichnen sich dadurch aus, dass parallel einfallende Radarstrahlen in einem Reflexionspunkt fokus siert werden und entgegengesetzt zu ihrer Einfallsrichtung zurückgeworfen werden. Lüneburg-Linsen sind durch die Variation ihrer Dielektrizitätskonstanten jedoch schwer zu fertigen. Ferner benötigen Lüneburg-Linsen eine Metallisierung am Refle xionspunkt (sonst keine Reflexion), was ihren Abdeckungsraum signifikant begrenzt.
Die Druckschrift EIS 2018/0081094 Al offenbart ein retroreflektierendes System zur Erkennung von Fahrzeugen im Straßenverkehr. Das System umfasst eine Vielzahl von Retroreflektoren. Die Retroreflektoren können als Glaskugeln ausgestaltet sein, die mit einer reflektierenden Schicht versehen sind.
Das Dokument US 2018/0081058 Al beschreibt ein System zur Detektion eines Fahr zeugs mit einer Vielzahl von Reflektoren. Die Reflektoren können als sphärische Ret roreflektoren aus Glas mit einer reflektierenden Schicht ausgestaltet sein. Das Dokument US 10,014,587 Bl zeigt eine Wolke aus kleinen Retroreflektoren für optische Lichtfrequenzen. Die Retroreflektoren sind auf einer tragenden Fläche befes tigt und können in einer Variante als dielektrische Kugeln mit einer Brechzahl doppelt so groß wie die Brechzahl des umgebenden Mediums ausgestaltet sein.
In der Druckschrift WO 00/34807 Al ist ein Retroreflektor gezeigt, der aus einem Substrat besteht, auf dem beidseitig Arrays aus sphärischen Kalotten angebracht sind. Die Rückseite des Retroreflektors ist als komplett reflektierende Fläche ausgestaltet.
Die Druckschrift GB 2 194 391 A offenbart einen passiven Radarreflektor, der aus einer dielektrischen Kugel mit reflektierender Schicht besteht. Als Material für die Kugel kann z.B. Siliziumdioxid verwendet werden.
Das Dokument EP 0 461 125 Bl offenbart einen passiven Radarreflektor mit einer ersten Linse und einer zweiten Linse, wobei die erste Linse die Energie der Radar strahlung hin zur zweiten Linse fokussiert. Die zweite Linse umfasst eine reflektie rende Fläche. Die Linsen können beispielsweise eine dielektrische Konstante von 3,414 aufweisen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung eines Raumbereichs mittels Radarwellen zu schaffen, in denen einfach aufgebaute Radarre flektoren mit hohem Radarquerschnitt zum Einsatz kommen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bzw. die Vorrich tung gemäß Patentanspruch 13 bzw. die Verwendung gemäß Patentanspruch 15 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Raumbereich mittels Radar wellen erfasst, indem eine Radar einrichtung Radarwellen in den Raumbereich aussen det und aus dem Raumbereich Radarechos empfängt, welche aus der Rückstreuung der Radarwellen aus dem Raumbereich resultieren. Die Radareinrichtung verarbeitet die empfangenen Radarechos, um Informationen über den Raumbereich zu ermitteln. Entsprechende Verarbeitungsverfahren für Radarechos sind an sich bekannt und wer den nicht weiter im Detail erläutert. Insbesondere können über die empfangenen Ra darechos Objekte im Raumbereich detektiert werden. Dabei werden Informationen zur Position dieser Objekte ermittelt, insbesondere die Richtung, in der sich das Objekt ausgehend von der Radareinrichtung befindet, und/oder die Entfernung des Objekts von der Radareinrichtung. Die Entfernung wird in der Regel über eine Laufzeitmes sung der Radarwellen bestimmt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass in dem zu erfassen den Raumbereich als Radarreflektoren ein oder mehrere homogene Körper aus Poly amid und/oder ein oder mehrere homogene Körper aus Quarzglas installiert sind. Der oder die homogenen Körper, die jeweils aus Polyamid bzw. Quarzglas bestehen, um fassen jeweils eine kugelförmige Oberfläche und sind als eine oder mehrere Kugeln und/oder eine oder mehrere Kugelsegmente ausgestaltet sind. Ein homogener Körper aus Polyamid ist ein Körper aus Kunststoff in der Form von reinem Polyamid mit ver nachlässigbaren Verunreinigungen und konstanter Material dichte. Ein homogener Körper aus Quarzglas ist ein Körper aus reinem Siliziumdioxid mit vernachlässigbaren Verunreinigungen und konstanter Material dichte. Der Begriff der Installation der ho mogenen Körper aus Polyamid bzw. Quarzglas ist derart zu verstehen, dass die Körper dediziert durch Menschen zum Zwecke der Reflexion von Radarstrahlung im Raum bereich positioniert wurden. Im Folgenden werden die homogenen Körper auch als Körper (ohne den Zusatz "homogen") referenziert.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens fällt Radarstrahlung der Radareinrich tung (d.h. zumindest ein Teil der von der Radareinrichtung ausgesendeten Radarwel len) in einer Einfallsrichtung derart auf einen jeweiligen Körper, dass durch Brechung der Radarstrahlung an der kugelförmigen Oberfläche des jeweiligen Körpers bei deren Eintritt in den jeweiligen Körper und Reflexion der eingetretenen Radarstrahlung an der kugelförmigen Oberfläche des jeweiligen Körpers sowie nochmaliger Brechung der reflektierten Radarstrahlung an der kugelförmigen Oberfläche des jeweiligen Kör pers bei deren Austritt aus dem jeweiligen Körper ein Radarecho entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung erzeugt wird und durch die Radareinrichtung empfangen wird. Mit anderen Worten werden die Radareinrichtung sowie die jeweiligen Körper derart angeordnet, dass ein solcher Einfall von Radarstrahlung gewährleistet ist. Über das empfangene Radarecho detektiert die Radareinrichtung den jeweiligen Körper, d.h. es werden Informationen zu dem Körper und vorzugsweise seine Position bzw. Entfernung relativ zur Radareinrichtung ermittelt.
Vorzugsweise bildet das Radarecho entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung einen Ring aus Radarwellen, der aus dem jeweiligen Körper austritt. Mit anderen Wor ten wird sichergestellt, dass alle Radarwellen, die entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung zurückgeworfen werden können, auch aus dem Körper austreten. Das heißt, der Körper weist in keinem Abschnitt des Rings und vorzugsweise auch in kei nem Abschnitt innerhalb und/oder außerhalb des Rings eine Beschichtung auf, die den Austritt von Radarstrahlung verhindert.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass Kugeln bzw. Kugelsegmente aus Poly amid oder Quarzglas überraschenderweise im Frequenzbereich von Radarstrahlung zu einem sehr hohen Radarquerschnitt führen, der mit anderen Materialen nicht erreicht werden kann. Aufgrund der Homogenität des Körpers ist dieser wesentlich einfacher zu fertigen als bekannten Radarreflektoren, wie z. B. Lüneburg-Linsen. Bei der Ver wendung eines Körpers in der Form einer Kugel kann darüber hinaus ein isotroper Radarreflektor geschaffen werden, dessen Radarquerschnitt im Wesentlichen unab hängig von der Richtung der einfallenden Strahlung ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Radarstrahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen 1 GHz und 300 GHz, vorzugweise in einem Wellenlängenbereich zwischen 75 GHz und 110 GHz und besonders bevorzugt in einem Wellenlängenbereich zwischen 77 und 81 GHz. Bei dem letztgenannten Wellenlängenbereich handelt es sich um das sog. untere W-Band, welches bevorzugt in Anwendungen im Automobilbereich zum Einsatz kommt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Durchmesser, der zu der kugelförmigen Oberfläche eines jeweiligen Körpers ge hört, größer als die Wellenlänge der Radarstrahlung, wodurch Welleninterferenzef fekte vermieden werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist eine metallische Reflexionsschicht auf einem Teil der kugelförmigen Oberfläche von zumindest einem Körper in einem Be reich vorgesehen, an dem die in den entsprechenden Körper (d. h. den zumindest einen Körper) eingetretene Radarstrahlung reflektiert wird, aus der das Radarecho entgegen gesetzt und parallel zur Einfallsrichtung der Radarstrahlung resultiert. Durch diese Re flexionsschicht kann der Radarquerschnitt des entsprechenden Körpers weiter erhöht werden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die kugelförmige Oberfläche zumindest eines Körpers und vorzugsweise jedes Kör pers unbeschichtet. Diese Variante beruht auf der überraschenden Erkenntnis, dass mit Körpern aus Polyamid bzw. Quarzglas selbst ohne das Vorhandensein einer Beschich tung hohe Radarquerschnitte erreicht werden können. Im Gegensatz zu bekannten die lektrischen Radarreflektoren mit reflektierender Schicht wird mit dieser Ausführungs form ferner eine lückenlose Abdeckung des umgebenden Raums erreicht. Auch die Wirkung von bekannten Winkelreflektoren ist auf einen Sektor im Raum beschränkt. Durch eine Anordnung von mehreren Winkelreflektoren, z.B. eine Kombination aus 8 triangulären Winkelreflektoren (s.g. Oktaeder-Radarreflektor), lässt sich die räumliche Abdeckung zwar verbessern. Jedoch vermehrt sich das Gewicht und eine vollständige Abdeckung des umgebenden Raums wird aufgrund des Rückgangs des Radarquer schnitts an den Grenzen zwischen Wirkungsbereichen einzelner Winkelreflektoren trotzdem nicht erreicht. In einer weiteren Ausführungsform umfassen der oder die Körper eine oder mehrere Kugelsegmente, welche jeweils derart ausgestaltet sind, dass der Kugelmittelpunkt der kugelförmigen Oberfläche im jeweiligen Kugelsegment (d. h. nicht außerhalb des Ku gelsegments) liegt und dass das jeweilige Kugelsegment an einer Seite und vorzugs weise an zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils durch eine andere, von der kugelför migen Oberfläche abweichende Fläche begrenzt ist. Beispielsweise kann diese andere Fläche eine Kugelfläche mit einem anderen Radius als die kugelförmige Oberfläche sein. Vorzugsweise ist die andere Fläche jedoch eine nicht-kugelförmige Fläche und vorzugsweise eine ebene Fläche.
In einer bevorzugten Variante der obigen Ausführungsform ist das Kugelsegment an zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils durch eine ebene Fläche begrenzt, wobei die beiden ebenen Flächen parallel zueinander verlaufende Flächen sind. Durch die Ver wendung eines Kugelsegments gemäß den soeben beschriebenen Ausführungsformen wird ein kompakter Radarreflektor geschaffen, der eine Reflexion zurück zur Einfalls richtung der Strahlung aus einer Vielzahl von Richtungen ermöglicht.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen der oder die Körper eine oder mehrere Kugeln, welche jeweils an einer einzelnen Stelle eines Trägers, insbesondere auf einer Spitze eines spitzenförmigen Trägers, gelagert sind. Hierdurch kann ein weitgehend winkelunabhängiger Radarquerschnitt erreicht wer den.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten, insbesondere im Automobilbereich, in der Luftfahrt, in der Schifffahrt, in der Raum fahrt sowie im Bereich Sicherheit und Katastrophenschutz, zum Einsatz kommen. In der detaillierten Beschreibung wird eine Vielzahl von Anwendungsbeispielen genannt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind der oder die Körper an einem oder mehreren Straßenverkehrs-Infrastrukturei ementen, wie z. B. an Leitpfosten am Straßenrand, und/oder an einem oder mehreren Straßenverkehrsteilnehmern im zu erfassenden Raumbereich vorgesehen, zum Beispiel an Kraftfahrzeugen, Motorrädern, Fahrrädern oder auch an Motorradfahrern bzw. Fahrradfahrem. Ebenso können die Körper an Fußgängern angebracht sein. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass die Radarwellen von einer Radareinrichtung ausgesendet werden, die an einem Straßenverkehrs-Infrastrukturelement oder einem Straßenverkehrsteilnehmer ange bracht ist.
In einer weiteren Ausgestaltung sind der oder die Körper an zumindest einem Flugob jekt und/oder an zumindest einem schwimmenden Objekt im zu erfassenden Raumbe reich vorgesehen. Das Flugobjekt kann z. B. ein Flugzeug, ein Helikopter, eine Drohne, ein Satellit und dergleichen sein. Das schwimmende Objekt kann z. B. ein Schiff, eine Boje, ein Schwimmer und dergleichen sein. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass die Radarwellen von einer Radareinrichtung ausgesendet wer den, die an einem Flugobjekt oder einem schwimmenden Objekt angebracht ist.
In einer weiteren Ausführungsform sind der oder die Körper an zumindest einem sich autonom bewegenden Objekt und/oder an zumindest einem Menschen im zu erfassen den Raumbereich vorgesehen. Das sich autonom bewegende Objekt kann beispiels weise ein landwirtschaftliches Fahrzeug (z. B. ein Traktor), ein Roboter im industriel len Bereich, ein Roboter im medizinischen Umfeld oder auch ein Roboter für private Anwendungen sein. Beispielsweise kann der Roboter ein Pflegeroboter, ein Rasen mähroboter, ein Staubsaugerroboter und dergleichen sein. Bei dem Menschen handelt es sich insbesondere um eine Person, die sich in einem gefährlichen Gelände bewegt, wodurch dessen Ortung über Radarstrahlung mittels des bzw. der Körper verbessert wird. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass die Radarwellen von einer Radareinrichtung ausgesendet werden, die an einem sich autonom bewegenden Objekt oder an einem Menschen angebracht ist.
Neben dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erfassung eines Raumbereichs mittels Radarwellen. Die Vorrichtung enthält eine Ra darreinrichtung, welche derart ausgestaltet ist, dass sie im Betrieb Radarwellen in den Raumbereich aussendet und aus dem Raumbereich Radarechos empfängt, welche aus der Rückstreuung der Radarwellen aus dem Raumbereich resultieren, wobei die Ra dareinrichtung ferner dazu eingerichtet ist, die empfangenen Radarechos zu verarbei ten, um Informationen über den Raumbereich zu ermitteln.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst als Radarreflektoren einen oder mehrere homogene Körper aus Polyamid und/oder einen oder mehrere homogene Körper aus Quarzglas, wobei der oder die homogenen Körper, die aus Polyamid bzw. Quarzglas bestehen, in dem Raumbereich installiert sind und jeweils eine kugelförmige Oberflä che umfassen und als eine oder mehrere Kugeln und/oder eine oder mehrere Kugel Seg mente ausgestaltet sind. Die Vorrichtung ist so konfiguriert, dass Radarstrahlung der Radareinrichtung in einer Einfallsrichtung derart auf einen jeweiligen Körper fällt, dass durch Brechung der Radarstrahlung an der kugelförmigen Oberfläche des jewei ligen Körpers bei deren Eintritt in den jeweiligen Körper und Reflexion der eingetre tenen Radarstrahlung an der kugelförmigen Oberfläche des jeweiligen Körpers sowie nochmaliger Brechung der reflektierten Radarstrahlung an der kugelförmigen Ober fläche des jeweiligen Körpers bei deren Austritt aus dem jeweiligen Körper ein Radar echo in Richtung entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung erzeugt wird und durch die Radareinrichtung empfangen wird. Die Radareinrichtung ist dabei derart ausgestaltet, dass sie den jeweiligen Körper über das empfangene Radarecho detek- tiert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise zur Durchführung einer oder mehrerer bevorzugter Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung die Verwendung von einem oder mehreren ho mogenen Körpern aus Polyamid und/oder von einem oder mehreren homogenen Kör pern aus Quarzglas in der Form von einer oder mehreren Kugeln und/oder in der Form von einem oder mehreren Kugel Segmenten als Radarreflektoren in dem erfindungsge- mäßen 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 Fi guren detailliert beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Radarreflektors in der Form ei ner Metallkugel gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 eine Schnittansicht einer Quarzglaskugel, die im erfindungsgemäßen
Verfahren als Radarreflektor verwendet wird;
Fig. 3 und Fig. 4 Diagramme, welche den Radarquerschnitt einer Quarzglaskugel mit anderen Radarreflektoren vergleicht;
Fig. 5 eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines Radarreflektors mit einer Quarzglaskugel;
Fig. 6 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Radarreflek tors mit einem Quarzglaskugelsegment; und
Fig. 7 eine Draufsicht auf den in Fig. 6 im Schnitt gezeigten Radarreflektor.
Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung beruhen auf der erfindungswesentlichen Erkenntnis, dass sich Kugeln aus Polyamid oder Quarzglas bzw. Kugelsegmente aus Polyamid oder Quarzglas sehr gut als Radarreflektoren eig nen, da sie einen hohen Radarquerschnitt aufweisen. Der Radarquerschnitt wird im Folgenden auch als RCS (RCS= Radar Cross Section) bezeichnet und ist eine an sich bekannte Größe. Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Quarzglaskugeln bzw. Quarzglaskugelsegmenten erläutert. Nichtsdestotrotz kann erfindungsgemäß als Ma terial für die Kugeln bzw. Kugelsegmente auch Polyamid genutzt werden.
Fig. 1 zeigt im Querschnitt eine an sich bekannte metallische Kugel, die sich im Ver gleich zu der weiter unten beschriebenen Quarzglaskugel 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'. Der Durchmesser der Kugel ist mit Bezugszeichen D bezeichnet. Parallele Radarstrahlen fallen von einer schematisch angedeuteten Radareinrichtung 2 (nicht maßstabsgetreu dargestellt) auf die Oberfläche la' der metallischen Kugel G. Beispielhaft sind aus der Reflexion an der Oberfläche la' hervorgerufene Radarechos RE durch gestrichelte Pfeile wiedergegeben. Ferner ist der vertikal nach unten am Nordpol einfallende Radarstrahl RS dargestellt, der zu ei nem Radarecho RE entgegengesetzt zu dem Radarstrahl RS führt. Wie man erkennt, wird nur bei der Reflexion des Radarstrahls am Nordpol ein Radarecho entgegenge setzt zur Einfallsrichtung generiert. Beiträge von anderen Punkten 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 Wel lenlänge der einfallenden Radarstrahlung ist, verhältnismäßig klein. In an sich bekann ter Weise kann der RCS-Wert s in Abhängigkeit von dem Durchmesser D durch fol gende Formel beschrieben werden: a = D1 ! 4 (1)
Im Unterschied zu einer metallischen Kugel ist der Radarquerschnitt einer Kugel aus dielektrischem Material durch eine zusätzliche Reflexion an der gewölbten Innen grenze verstärkt. Durch Berechnungen kann nachgewiesen werden, dass eine relative dielektrische Konstante des Dielektrikums einer dielektrischen Kugel zum Erreichen von ausreichenden Radarquerschnitten zwischen 2 und 4 liegen sollte. Das Wesen der Erfindung besteht in der Erkenntnis, dass Quarzglas, bei dem es sich um reines Silizi umdioxid mit einer Dichte von etwa 2,2 g/cm3 handelt, eine solche relative Dielektrizitätskonstante für elektromagnetische Wellen im Frequenzspektrum von Ra dar aufweist.
Die elektrischen Eigenschaften für Quarzglas bei 23°C und einer Strahlungsfrequenz von 80 GHz sind dabei wie folgt:
Figure imgf000014_0001
Im Besonderen konnte der Erfinder basierend auf Berechnungen ermitteln, dass sich der Radarquerschnitt einer Quarzglaskugel mit einem Durchmesser größer als die Wellenlänge der einfallenden Radarstrahlung durch folgende Gleichung näherungs weise beschreiben lässt: s = 8,9 FD3 (2)
Dabei ist D der Durchmesser (m) der Quarzglaskugel, F die Frequenz (GHz) der ein fallenden Radarstrahlung und s der RCS-Wert (m2). Wie man erkennt, vergrößert sich der RCS-Wert mit zunehmender Frequenz bzw. zunehmendem Durchmesser. Die Gleichung (2) setzt vernachlässigbare Verluste im Material der Kugel voraus.
Fig. 2 zeigt eine Quarzglaskugel 1, die im Rahmen der Erfindung als Radarreflektor eingesetzt wird. Die Oberfläche der Quarzglaskugel ist mit Bezugszeichen la und de ren Durchmesser mit Bezugszeichen D bezeichnet. In dem Szenario der Fig. 2 werden analog zu Fig. 1 durch eine Radareinrichtung 2 (nicht maßstabsgetreu dargestellt) pa rallele Radarstrahlen erzeugt, die in vertikaler Richtung nach unten auf die Quarzglas kugel 1 fallen. Die Radarstrahlung enthält einen Ring aus Radar strahlen, der sich ent lang der angedeuteten Linie L erstreckt. Ein Radarstrahl dieses Rings ist durch den Pfeil RS wiedergegeben. Nur Radar strahlen, die entlang dieses Rings auf die Oberflä che la fallen, werden durch Brechung und Reflexion an der Oberflächenwölbung entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung als Radarecho zurückgeworfen. Ein solches Radarecho RE ist für den Radarstrahl RS durch einen gestrichelten Pfeil ange deutet.
Wie man erkennt, entsteht das Radarecho RE dadurch, dass der Radarstrahl RS zu nächst an der Außenseite der Kugel 1 gebrochen wird. Der daraus resultierende Ra darstrahl PI breitet sich im Inneren der Kugel aus und wird anschließend am Südpol der Kugel reflektiert, so dass der reflektierte Radarstrahl P2 entsteht. Dieser Radar strahl wird bei seinem Austritt aus der Kugel 1 nochmals gebrochen und führt zu dem Radarecho RE.
Im Unterschied zu der metallischen Kugel G, bei der nur der am Nordpol eintreffende Radarstrahl RS entgegengesetzt zur Einfallsrichtung rückreflektiert wird, erzeugt die Quarzglaskugel 1 einen Ring von Radarstrahlung entsprechend der Linie L entgegen gesetzt und parallel zur Einfallsrichtung. Es wird somit ein wesentlich höherer Radar querschnitt erreicht. Es ist dabei lediglich sicherzustellen, dass die ausgesendete Ra darstrahlung so einfällt, dass ein Radarecho entlang des Rings gemäß der Linie L ent steht. Für eine Quarzglaskugel ergibt sich für die Linie L ein Zenitwinkel qo von 26° am Kugelmittelpunkt M. Demzufolge werden bei der Verwendung einer Quarzglas kugel als Radarreflektor hohe Radarquerschnitte dann erreicht, wenn die Radarstrah- lung entlang des Rings mit dem Öffnungswinkel 2qo (d.h. von 52°) einfällt.
Fig. 3 und Fig. 4 zeigen Diagramme, welche auf Berechnungen des Erfinders beruhen und Radarquerschnitte RCS in dBm2 in Abhängigkeit vom Einfallswinkel Q der Ra darstrahlung in Grad (deg.) für unterschiedliche Radarreflektoren umfassend eine Quarzglaskugel wiedergeben. Die Radarquerschnitte sind dabei für eine Radarstrah lung mit der Wellenlänge l = 3,2 cm angegeben. Die Linie LI in Fig. 3 und Fig. 4 entspricht dem Radarquerschnitt einer Quarzglaskugel. Demgegenüber stellt die Linie L2 in Fig. 3 und Fig. 4 den Radarquerschnitt einer metallischen Kugel dar. Für beide Kugeln wurde ein Durchmesser D = 17,9 cm angenommen. Der Kurve Kl in Fig. 3 entspricht dem Radarquerschnitt einer quadratischen metallischen Platte, die eine Länge von 17,9 cm entsprechend dem Kugel durchmesser hat. Demgegenüber ent spricht die Kurve K2 in Fig. 4 dem Radarquerschnitt eines Winkelreflektors aus zwei metallischen quadratischen Platten mit einer Kantenlänge der Platten von 17,9 cm.
Wie man aus den Diagrammen der Fig. 3 und Fig. 4 erkennt, ist der Radarquerschnitt der Quarzglaskugel deutlich höher als der Radarquerschnitt der metallischen Kugel. Im Besonderen liegt der Radarquerschnitt gemäß der Linie LI bei -1,9 dBm2, wohin gegen der Radarquerschnitt der Linie L2 bei -16 dBm2 liegt. Darüber hinaus ist der Radarquerschnitt der Quarzglaskugel isotrop, d. h. die Quarzglaskugel stellt einen richtungsunabhängigen Radarreflektor dar, der Radarwellen immer entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung zurückwirft. Dies ist für eine metallische Platte und einen Winkelreflektor nicht der Fall, wie sich aus den Kurven Kl und K2 der Fig. 3 und Fig. 4 ergibt. Wie man erkennt, ist der Radarquerschnitt einer metallischen Platte gemäß der Kurve Kl stark winkelabhängig und weist eine Vielzahl von Peaks auf. Der höchste Peak liegt dabei in einem Winkelbereich von 4,5°, der durch die beiden Pfeile P' in Fig. 3 angedeutet ist. Auch der Winkelreflektor gemäß der Kurve K2 der Fig. 4 weist eine Winkelabhängigkeit auf. Insbesondere fällt der Radarquerschnitt außerhalb eines Winkelbereichs von 90° stark ab, wie durch den Pfeil P" angedeutet ist, der den Winkelbereich von 90° abdeckt.
In einer bevorzugten Variante wird die Quarzglaskugel aus Fig. 2 zur Reflexion von Radarstrahlung im sog. unteren W-Band verwendet, das einen Frequenzbereich der Radarstrahlung zwischen 77 GHz und 81 GHz abdeckt. Dieser Frequenzbereich kommt bevorzugt in Anwendungen im Automobilbereich (autonomes Fahren, Fahras sistenzsysteme, Fahr Sicherheit und dergleichen) zum Einsatz. Für Kugeln mit einem Durchmesser von 5 cm ergeben sich folgende mittlere Radarquerschnitte in diesem W-Band:
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Wie man erkennt, hat die Quarzglaskugel einen deutlich höheren Radarquerschnitt als Kugeln aus anderen Materialen. Insbesondere reflektiert die Quarzglaskugel ca. 46- mal stärker als eine metallische Kugel. Dieses Verhältnis verstärkt sich mit zunehmen der Frequenz bzw. zunehmendem Durchmesser (siehe Formeln (1) und (2)). Eine Quarzglaskugel ist somit außerordentlich gut zur Verwendung für Radarstrahlung im obigen Frequenzbereich geeignet. Eine Kugel aus Polyamid (relative Dielektrizitäts konstante 3,06; dielektrischer Verlustwinkel 0,01) reflektiert auch deutlich stärker (ca. 3 -mal stärker) als eine metallische Kugel. Kugeln aus anderen Kunststoffen, her kömmlichen Gläsern und Keramiken reflektieren kaum stärker als eine Metallkugel, da bei Radarfrequenzen die relative Dielektrizitätskonstante dieser Stoffe außerhalb des Intervalls zwischen 2 und 4 liegt und/oder die Verluste im Material einfach zu groß sind.
Fig. 5 bis Fig. 7 zeigen zwei Ausführungsbeispiele der Verwendung einer Quarzglas kugel bzw. eines Quarzglaskugelsegments als Radarreflektor. In Fig. 5 bis Fig. 7 ist dabei durch eine gestrichelte Linie der Verlauf eines einfallenden Radarstrahls RS und des daraus resultierenden Radarechos RE für eine Einfallsposition angedeutet, bei der das Radarecho entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung des Radarstrahls zu rückgeworfen wird. Die Radarstrahlung stammt von der Radar einrichtung 2, die sche matisch und nicht maßstabsgetreu wiedergegeben ist. Das Bezugszeichen M bezeich net in Fig. 5 und Fig. 6 den Mittelpunkt der Quarzglaskugel bzw. den Mittelpunkt des Quarzgl askugel segments .
Fig. 5 zeigt einen Anwendungsfall, bei dem eine vollkommen richtungsunabhängige Reflexion von einfallender Radarstrahlung erreicht wird. Hierzu wird die Quarzglas kugel 1 auf der Spitze eines spitzenförmigen Trägers 3 gelagert. Fig. 6 zeigt einen Anwendungsfall, bei dem anstatt einer Quarzglaskugel ein Quarzglaskugelsegment 1 verwendet wird. Das Segment ist in der Ausführungsform der Fig. 6 Bestandteil eines Leitpfostens 4, der am Straßenrand angeordnet ist und mit einer Radareinrichtung 2 eines Kraftfahrzeugs detektiert werden kann. Wie man aus Fig. 6 erkennt, ist das Quarzglaskugelsegment zwischen einem oberen Abschnitt 4a und einem unteren Ab schnitt 4b des Leitpfostens angeordnet.
Das Kugelsegment entsteht dadurch, dass die ursprüngliche Quarzglaskugel im glei chen Abstand von einer horizontalen, durch den Mittelpunkt M verlaufenden Ebene E abgeschnitten wird. Es entstehen somit zwei parallele Flächen lc, die das Kugelseg ment oben und unten begrenzen. Dabei ist darauf zu achten, dass der Öffnungswinkel für einfallende Radarstrahlung am Mittelpunkt M so gewählt wird, dass eine Rückre flexion der Radarstrahlung zur Radareinrichtung gewährleistet ist, d. h. der Öffnungs winkel 2qo liegt mindestens bei 52°, wie bereits oben beschrieben wurde. Optional kann ferner eine metallische Reflexionsschicht lb auf der Oberfläche la des Kugelseg ments in einem Bereich vorgesehen sein, an dem die Reflexion der Radarstrahlung an der gewölbten Innengrenze des Kugelsegments erfolgt. Hierdurch wird der Radarquer schnitt erhöht.
Fig. 7 zeigt den Leitpfosten 4 der Fig. 6 nochmals in Draufsicht von oben, wobei ferner nochmals ein Strahlengang eines Radarstrahls verdeutlicht ist. Dabei ist zu beachten, dass der Verlauf der Radarstrahlung in einer Ebene liegt, die durch das Quarzglasku gelsegment verläuft.
Der als Quarzglaskugel bzw. Quarzglaskugelsegment ausgestaltete Radarreflektor kann für eine Vielzahl von Anwendungsgebieten zum Einsatz kommen. Dabei ist es das Ziel, den Radarreflektor mit einer entsprechenden Radareinrichtung zu detektie- ren, um hierdurch Informationen über die Position des Radarreflektors im Bezug zur Radareinrichtung zu erhalten. Ein Anwendungsbereich des als Quarzglaskugel bzw. Quarzglaskugel Segment ausge stalteten Radarreflektors ist der Automobilbereich. Der Radarreflektor kann dabei als Markierung für folgende Zwecke eingesetzt werden:
- Positionsbestimmung von Fahrzeugen auf der Straße, z.B. durch Markierung des Straßenrands (an Leitpfosten) und der Fahrbahn (an der Fahrstreifenmarkierung),
- radargestützte Erkennung von anderen Verkehrsteilnehmern, wie Autos, Radfah rern und Fußgängern, wobei die Quarzglaskugel bzw. das Quarzglaskugelsegment beispielsweise an Stoßstangen und Anhängerkupplungen von Autos, Lenkern bzw. Steuerrohren von Fahrrädern, Radfahrerhelmen, Warnwesten, Schulranzen, Beklei dung und dergleichen angebracht werden kann,
- Erkennung der Außenabmessungen von Fahrzeugen bei Höhenkontrollen vor Brü cken, Unterführungen und Tunneln,
- Positionsbestimmung für autonome Fahrzeuge und Serviceroboter auf privaten, landwirtschaftlichen und betrieblichen Flächen, beispielsweise in Parkhäusern, La gerhallen und dergleichen.
Ein weiteres Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Quarzglaskugeln bzw. Quarzglas kugelsegmente ist die Luftfahrt. Die Quarzglaskugeln bzw. Quarzglaskugelsegmente können z. B. in Flugzeugen, Hubschraubern, Drohnen, Drachen, Gleitschirmen und dergleichen integriert werden. Ebenso können sie zur radarwirksamen Markierung von Windkraftanlagen, Stromtrassen, Hochhäusern, Brücken, Turmkränen, Seilbahnen so wie Start- und Landebahnen an Flughäfen genutzt werden.
Ebenso können die erfindungsgemäßen Quarzglaskugeln bzw. Quarzglaskugel Seg mente in der Schifffahrt eingesetzt werden. Insbesondere können sie dabei für folgende Zwecke genutzt werden:
- Markierung von Schiffen, auch für autonomes Schwimmen,
- Markierung des Fahrwassers (Bojen), - Markierung von Küstenbereichen (Klippen, Riffen) sowie von Gewässern in Ha fenbereichen (Kais, Landezonen, Stege, Piers),
- Höhenkontrolle von Schiffen vor Brücken.
Ein weiterer Anwendungsbereich ist die Raumfahrt. Dabei können die erfindungsge mäßen Quarzglaskugeln bzw. Quarzglaskugelsegmente für folgende Zwecke genutzt werden:
- Verfolgung von Satelliten von Bodenstationen aus,
- Kalibrierung des Orbits von Satelliten,
- Radarentfernungsmessung zwischen Satelliten,
- Positionskontrollen für Satelliten im Formationsflug,
- Markierung von Landungsstellen und Landemodulen, z.B. auf dem Mond, auf As teroiden und Planeten.
Ein weiteres Anwendungsfeld für die erfindungsgemäßen Quarzglaskugeln bzw. Quarzglaskugelsegmente ist Sicherheit und Katastrophenschutz, insbesondere für fol gende Zwecke:
- Erkennung von Personen und Gegenständen (Rettungsboote und Flöße, Rettungs westen, frei schwimmenden Container) im Wasser bei Dunkelheit oder Nebel,
- Navigation von Rettungspersonen, Robotern und autonomen Fahrzeugen in dunk len, verrauchten Räumen,
- drohnengestützte Kontrolle von Pipelines und Deformationen der Erdoberfläche,
- Markierung von gefährlichem Gelände (z.B. Durchgänge in Schnee-, Berg-, und Sumpfgebieten oder in vermintem Terrain).
Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere werden Quarzglaskugeln bzw. Quarzglas kugelsegmente oder Kugeln bzw. Kugelsegmente aus Polyamid in radargestützten Verfahren zur Reflexion von Radarstrahlung genutzt. Quarzglaskugeln bzw. Quarzglaskugelsegmente haben dabei den Vorteil, dass sie einfach und kostengünstig zu fertigen sind und im Frequenzbereich von Radarwellen einen hohen Radarquer schnitt aufweisen. Das Gleiche gilt für Kugeln bzw. Kugelsegmente aus Polyamid. Darüber hinaus sind Quarzglaskugeln bzw. Quarzglaskugelsegmente mechanisch fest und sie haben einen geringen Ausdehnungskoeffizienten und eine hohe Temperatur wechselbeständigkeit. Ferner sind Quarzglaskugeln bzw. Quarzglaskugelsegmente chemisch stabil, da Quarzglas mit Ausnahme von Flusssäure und heißer Phosphor säure von keiner Säure angegriffen wird und sich gegenüber vielen Stoffen neutral verhält. Im Übrigen ist Quarzglas ein umweltfreundliches und wetterbeständiges Ma- terial.

Claims

Patentansprüche
1. 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 Ra darwellen aus dem Raumbereich resultieren, wobei die Radareinrichtung (2) die empfangenen Radarechos (RE) verarbeitet, um Informationen über den Raum bereich zu ermitteln,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Raumbereich als Radarreflektoren ein oder mehrere homogene Körper (1) aus Polyamid und/oder ein oder mehrere homogene Körper (1) aus Quarzglas installiert sind, wobei der oder die homogenen Körper (1) jeweils eine kugelför mige Oberfläche (la) umfassen und als eine oder mehrere Kugeln und/oder eine oder mehrere Kugelsegmente ausgestaltet sind, wobei Radarstrahlung (RS) der Radareinrichtung (2) in einer Einfallsrichtung derart auf einen jeweiligen Körper (1) fällt, dass durch Brechung der Radarstrahlung (RS) an der kugelförmigen Oberfläche (la) des jeweiligen Körpers (1) bei deren Eintritt in den jeweiligen Körper (1) und Reflexion der eingetretenen Radarstrahlung (PI) an der kugel förmigen Oberfläche (la) des jeweiligen Körpers (1) sowie nochmaliger Bre chung der reflektieren Radarstrahlung (P2) an der kugelförmigen Oberfläche (la) des jeweiligen Körpers (1) bei deren Austritt aus dem jeweiligen Körper (1) ein Radarecho (RE) in Richtung entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrich tung erzeugt wird und durch die Radareinrichtung (2) empfangen wird, wobei die Radareinrichtung (2) den jeweiligen Körper (1) über das empfangene Radar echo (RE) detektiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Radarecho (RE) entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung einen Ring aus Radarwellen bildet, der aus dem jeweiligen Körper (1) austritt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Radar strahlung (RS) in einem Wellenlängenbereich zwischen 1 GHz und 300 GHz, vorzugweise in einem Wellenlängenbereich zwischen 75 GHz bis 110 GHz und besonders bevorzugt in einem Wellenlängenbereich zwischen 77 GHz und 81 GHz liegt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (D), der zu der kugelförmigen Oberfläche (la) eines je weiligen Körpers (1) gehört, größer als die Wellenlänge der Radarstrahlung (RS) ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine metallische Reflexionsschicht (lb) auf einem Teil der kugelförmigen Oberfläche (la) von zumindest einem Körper (1) in einem Bereich vorgesehen ist, an dem die in den entsprechenden Körper (1) eingetretene Radarstrahlung (RI) reflektiert wird, aus der das Radarecho (RE) entgegensetzt und parallel zur Einfallsrichtung der Radarstrahlung (RS) resultiert.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kugelförmige Oberfläche (la) zumindest eines Körpers (1) unbeschich tet ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Körper (1) eine oder mehrere Kugel Segmente (1) umfassen, welche jeweils derart ausgestaltet sind, dass der Kugelmittelpunkt (M) der ku gelförmigen Oberfläche (la) im jeweiligen Kugelsegment (1) liegt und das je weilige Kugelsegment (1) an einer Seite und vorzugsweise an zwei gegenüber liegenden Seiten jeweils durch eine andere, von der kugelförmigen Oberfläche (la) abweichende Fläche (lc), vorzugsweise eine nicht-kugelförmige Fläche, be grenzt ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Ku gelsegment (1) an zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils durch eine ebene Flä che (lc) begrenzt ist, wobei die beiden ebenen Flächen (lc) parallel zueinander verlaufende Flächen sind.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Körper (1) eine oder mehrere Kugeln (1) umfassen, welche jeweils an einer einzelnen Stelle eines Trägers, insbesondere auf einer Spitze eines spitzenförmigen Trägers (3), gelagert sind.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Körper (1) an einem oder mehreren Straßenverkehrs-Infra- strukturelementen (4) und/oder Straßenverkehrsteilnehmem im Raumbereich vorgesehen sind und/oder die Radarwellen von einer Radareinrichtung (2) aus gesendet werden, die an einem Straßenverkehrs-Infrastrukturelement (4) oder einem Straßenverkehrsteilnehmer angebracht ist.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Körper (1) an zumindest einem Flugobjekt und/oder zumindest einem schwimmenden Objekt im Raumbereich vorgesehen sind und/oder die Radarwellen von einer Radareinrichtung (2) ausgesendet werden, die an einem Flugobjekt oder einem schwimmenden Objekt angebracht ist.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der oder die Körper (1) an zumindest einem sich autonom bewegenden Ob jekt und/oder an zumindest einem Menschen im Raumbereich vorgesehen sind und/oder die Radarwellen von einer Radareinrichtung (2) ausgesendet werden, die an einem sich autonom bewegenden Objekt oder einem Menschen ange bracht ist.
13. Vorrichtung zur Erfassung eines Raumbereichs mittels Radarwellen, umfassend eine Radareinrichtung (2), welche derart ausgestaltet ist, dass sie im Betrieb Ra darwellen in den Raumbereich aussendet und aus dem Raumbereich Radarechos (RE) empfängt, welche aus der Rückstreuung der Radarwellen aus dem Raum bereich resultieren, wobei die Radareinrichtung (2) ferner dazu eingerichtet ist, die empfangenen Radarechos (RE) zu verarbeiten, um Informationen über den Raumbereich zu ermitteln,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung als Radarreflektoren einen oder mehrere homogene Körper (1) aus Polyamid und/oder einen oder mehrere homogene Körper (1) aus Quarzglas umfasst, wobei der oder die homogenen Körper (1) in dem Raumbereich instal liert sind und jeweils eine kugelförmige Oberfläche (la) umfassen und als eine oder mehrere Kugeln und/oder eine oder mehrere Kugel Segmente ausgestaltet sind, wobei die Vorrichtung so konfiguriert ist, dass Radarstrahlung (RS) der Radareinrichtung (2) in einer Einfallsrichtung derart auf einen jeweiligen Körper (1) fällt, dass durch Brechung der Radarstrahlung (RS) an der kugelförmigen Oberfläche (la) des jeweiligen Körpers (1) bei deren Eintritt in den jeweiligen Körper (1) und Reflexion der eingetretenen Radarstrahlung (PI) an der kugel förmigen Oberfläche (la) des jeweiligen Körpers (1) sowie nochmaliger Bre chung der reflektieren Radarstrahlung (P2) an der kugelförmigen Oberfläche (la) des jeweiligen Körpers (1) bei deren Austritt aus dem jeweiligen Körper (1) ein Radarecho (RE) in Richtung entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrich tung erzeugt wird und durch die Radareinrichtung (2) empfangen wird, wobei die Radareinrichtung (2) derart ausgestaltet ist, dass sie den jeweiligen Körper (1) über das empfangene Radarecho detektiert.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 12 einge richtet ist.
15. Verwendung von einem oder mehreren homogenen Körpern (1) aus Polyamid und/oder von einem oder mehreren homogenen Körpern (1) aus Quarzglas in der Form von einer oder mehreren Kugeln und/oder in der Form von einem oder mehreren Kugel Segmenten als Radarreflektoren in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder in einer Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14.
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