Doppler-Radar (cw)

Dauerstrichradar, CW-Radar (engl.: Continuous Wave radar) oder (CW) Doppler Radar nutzt ein unmoduliertes Sendesignal und wertet durch Mischen den Phasenunterschied des Echos aus. Nach diesem Prinzip arbeitende Geräte werden eingesetzt zur Geschwindigkeitsmessung anhand des Doppler-Effekts, als Bewegungsmelder und zur hochgenauen Überwachung von Abständen.

Realisierung

Im nebenstehenden Blockschaltbild eines einfachen CW-Radargerätes arbeiten zwei Oszillatoren. Einer erzeugt die Sendefrequenz f_S, die über einen Zirkulator zur Antenne geleitet wird. Diese strahlt die Welle je nach Anwendung mehr oder weniger gerichtet ab und nimmt das Echo auf. Der Zirkulator leitet das Echo zum Empfänger und hält dabei die Sendeleistung fern. Alternativen, eine Übersteuerung des Empfängers zu vermeiden, wären Richtkoppler (einfacher zu realisieren) oder getrennte Antennen (für hohe Reichweiten).

Das Empfangssignal enthält sowohl die Sendefrequenz f_S aus Reflexionen durch Fehlanpassung der Antenne, von deren Abdeckung sowie von der festen Umgebung, als auch die um die Doppler-Frequenz f_D verschobene Sendefrequenz, f_S + f_D.

Dieses Signal wird vom Superheterodynempfänger zunächst in den Bereich der Zwischenfrequenz umgesetzt (im Bild mit ZF bezeichnet). Die dafür nötige Frequenz f_S + f_ZF entsteht durch Mischen von f_S mit der Frequenz f_ZF des zweiten Oszillators. Auf der Zwischenfrequenz lassen sich Störsignale aus anderen Frequenzbändern unterdrücken.

Die weitere Mischung mit f_ZF und Tiefpassfilterung liefert die Doppler-Frequenz f_D sowie einen meist weit überwiegenden Gleichanteil, welcher dem Empfang der Sendefrequenz entspricht und von der letzten Verstärkerstufe (nicht abgebildet) ferngehalten wird. Oft wird dieser Schaltungsteil (ab der Mischung ins Basisband) mit 90° Phasenversatz doppelt ausgeführt, um positive und negative Frequenzen, entsprechend der Doppler-Verschiebung bei Annäherung bzw. Entfernung, unterscheiden zu können.

Die weitere Signalverarbeitung hängt sehr von der Anwendung ab, der einfache Frequenzzähler ist eine störanfällige Lösung.

Anwendung

Auswirkung des Kosinus-Faktors auf die Größe der Änderung der radialen Entfernung Δr (dunkelblau) bei gegebener Verschiebung des Reflektors (grün) um den Betrag Δs für typische Geometrien verschiedener Anwendungen (siehe Text). Die Position der Sende- und Empfangsantenne für die Mikrowelle ist rechts oben. Klicken zur korrekten SVG-Darstellung.

Die von CW-Radargeräten ausgewertete Frequenzdifferenz zwischen gesendetem Signal und Echo ist proportional zur radialen Komponente der Relativgeschwindigkeit zwischen Antenne und Reflektor. Die Umrechnung von der radialen Komponente auf die tatsächliche Geschwindigkeit setzt die Kenntnis des Winkels γ (gamma) zwischen beiden voraus. Nebenstehend sind typische Geometrien für verschiedene Anwendungen dargestellt.

Bewegt sich der Reflektor direkt auf die Antenne zu (oder umgekehrt), so gilt γ = 0°, cos γ = 1 und Δr = Δs. Eine Anwendung mit dieser Geometrie ist die Überwachung von Atmung und Herzschlag von Intensivpatienten. Die Änderung der Entfernung liegt dabei in der Größenordnung einer Wellenlänge λ der Mikrowelle, die Verschiebung der Phase des Echos gegenüber dem Sendesignal beträgt Δφ/2π = 2Δr/λ Perioden (2Δr ist die Änderung der ‘optischen’ Weglänge auf dem Hin- und Rückweg der Mikrowelle), die Entfernungsauflösung liegt bei 0,1 Millimetern. Bei Messungen über größere Entfernungen, etwa an Staumauern, stören hochfrequentes Phasenrauschen des Senders (zwischen Aussenden und Empfang des Echos) und meteorologische Änderungen des Brechungsindex der Luft. Die Unsicherheit der Entfernungsmessung um ein Vielfaches der halben Wellenlänge (durch unbemerkte Phasensprünge um 360°) lässt sich durch sequentielle Messungen bei unterschiedlichen, genau bekannten Frequenzen beheben.

Bei Radarfallen beträgt der Winkel γ meist weniger als 20°, cos γ > 0,95. Der Winkel muss berücksichtigt werden, die Unsicherheit des Winkels von einigen Grad (schon durch die Bewegungsfreiheit der Fahrzeuge in der Spur) hat aber kaum Einfluss auf das Messergebnis: cos 10° und cos 12° unterscheiden sich nur um 0,7 %. Verschieden schnelle Objekte lassen sich gleichzeitig messen, denn sie unterscheiden sich durch ihre Doppler-Frequenzen. Ohne eine Entfernungsmessung, wie bei dem heute für diesen Zweck eingesetzten FMCW-Radar, ist allerdings die Zuordnung problematisch.

An Schienenfahrzeugen dienen Doppler-Radarsensoren der Weg- und Geschwindigkeitsmessung, insbesondere zur Überwachung der Bremskurve im Rahmen der Zugbeeinflussung – gerade beim Bremsen wäre auf eine Geschwindigkeitsmessung allein über die Erfassung der Radumdrehungen kein Verlass. Die Radarsensoren sind unter der Lok montiert und strahlen schräg ins Gleisbett. Typische Winkel γ liegen je nach Hersteller im Bereich 30° bis 60°.