¶ Radar
Einsatz von Radar zur Erfassung der Umgebung in der Landwirtschaft z.B. zur Geschwindigkeits- und Abstandsmessung beim autonomen Fahren, Fernerkundung oder Wetterbestimmung
¶ Beschreibung
Radar (radio detection and ranging) [1] dient zur Informationsgewinnung über die Umgebung eines Radargerätes, welches typischerweise aus einem Sender und Empfänger in einer Einheit besteht. Der Sender emittiert ein Primärsignal, welches von der zu interessierenden Umgebung teils absorbiert, teils gebrochen und teils reflektiert wird. Der Empfänger detektiert den Bereich des reflektierten Anteils in Richtung der Empfangsantenne; dies wird auch als Sekundärsignal bezeichnet. Aus der räumlichen und zeitlichen Analyse lassen sich die Parameter Winkel und Entfernung vom Objekt zum Radargerät bestimmen, sowie aus der empfangenden Signalstärke die Materialeigenschaften der Objekte in der Umgebung ableiten.
¶ Merkmal
Die von Radargeräten verwendete elektromagnetisch Strahlung liegt im Radio- bis Mikrowellenbereich mit Frequenzen von einigen Hundert MHz bis GHz. In diesem Bereich findet eine quasi-optische Ausbreitung statt und die Reflektion ist je nach Flächenquerschnitt, Oberflächenbeschaffenheit und Materialeigenschaft stark ausgeprägt. Damit kann die Umgebung berührungslos gut, d.h. mit hoher räumlicher Auflösung und Trennung zwischen Luft und feste/flüssigen Objekten, abgebildet werden. Die Erzeugung der Radiowellen erfolgt über Magnetrons oder Gunn-Dioden. Während ein Magnetron mit einer Vakuum-Röhre arbeiten und hohe Leistungen von einigen Kilowatt erzielen kann, besteht die Gunn-Diode aus Halbleitermaterial und erreicht nur einige Milliwatt.
Abbildung 1 zeigt das Prinzip der Entfernungsmessung durch Laufzeitenmessung mit einem Pulsradargerät. Wird das Gerät zusätzlich noch gedreht, ist auch eine Winkelmessung möglich, so dass typische Radarbilder wie Fluglotsen nutzen entstehen (Abbildung 2).
Die Richtwirkung der Antenne hängt in erster Linie von dessen Größe ab [3]. Sie kann für noch höhere räumliche Auflösung, wie es z.B. von einem Satelliten aufgrund der hohen Objektentfernung nötig ist, durch ein sogenanntes Synthetic Apertur Radar (SAR) erhöht werden. Hierbei wird eine kleine Antenne relativ zum Untersuchungsobjekt bewegt, was beim erdumkreisenden Satelliten ohnehin der Fall ist und so eine größere Antenne simuliert.
¶ Varianten
Wird das Primärsignal zeitlich konstant ausgesendet – Dauerstrichradar (CW, continuous wave) genannt - ist keine Entfernungsmessung möglich, wohl aber eine Geschwindigkeitsmessung des Untersuchungsobjektes durch den Dopplereffekt, da die Relativbewegung vom Radargerät zum Objekt die Frequenz verschiebt. Beim Impulsradar wird wie in Abbildung 1 skizziert ein kurzer (einige µs) Puls erzeugt, welcher sehr hohe Spitzenleistungen von einigen Megawatt erreicht und somit auch für große Entfernungen eingesetzt wird. Eine Art Kombination beider Verfahren ist das frequenzmodulierte Dauerstrich Radar (FMCW, frequency modulated continuous wave), bei dem sowohl Abstand als auch Geschwindigkeit des Untersuchungsobjektes ermittelt werden kann [2].
Als Sekundärradar wird ein System bezeichnet, bei dem das Untersuchungsobjekt selbst ein aktives Signal aussendet, wenn es von dem Primärsignal des Radargerätes getroffen wird. Es antwortet quasi mit definierten Radarwellen, die z.B. zur Identifikation dienen. Dies wird vor allem im Flugverkehr verwendet (siehe auch Abbildung 2), um objektspezifische Informationen, wie vom Flugzeug gemessene Flughöhe, Fluggeschwindigkeit und Restreichweite auszutauschen. Auch in der Schifffahrt können mit diesem Verfahren Seezeichen – sogenannte Funkbaken bzw. engl. Radio Beacon - auf dem Radarbild eindeutig markiert werden; bei Automobilen findet so die Kommunikation zwischen Fahrzeug und Funkschlüssel statt.
¶ Anwendungen
Die zivil- und militärischen Radarsysteme z.B. von Flugzeugen, Schiffen, auf Flughäfen und Wasserstraßen arbeiten typischerweise zur Lokalisation der Objekte mit Dauerstrichradar und drehenden Antennen; werden hier aber nicht näher betrachtet.
Für die Nahfelderkundung z.B. beim autonomen Fahren werden FMCW Radargeräte mit Gunn-Dioden eingesetzt. Die Frequenz beträgt typischerweise 24, 77, oder 122 GHz. Es können so im Bereich bis zu mehreren Metern Objekte bis in den Millimeterbereich genau lokalisiert werden mit einer Abtastrate von mehreren Hundert Hertz (diverse Hersteller, z.B. Ondosense [4]).
Einfache Radarsensor zur Fahrzeuggeschwindigkeitsmessung ohne Schlupf sind meist CW Geräte und erreichen eine relative Genauigkeit um 1 %.
Für die Fernerkundung (link machen) werden Frequenzen mit einer hohen Reichweite eingesetzt, welche unterschiedlich weite Eindringtiefen in die Vegetation besitzen, wie in Abbildung 3 illustriert.
¶ Verschiedene Varianten für die Fernerkundung - je nach Trägerplattform und Untersuchungsobjekt:
- Radarmessungen vom Satelliten oder Flugzeug: z.B. Sentinel- 1a, welcher im C-Band arbeitet und somit die Landnutzung und deren Veränderungen erkennen kann. Andere Bänder dringen tiefer in die Vegetation ein und liefern auch Informationen über Vegetationshöhe und Bodenfeuchte. Werden zusätzlich die Signale von mindestens zwei verschiedenen Radargerätpositionen, welche dasselbe Ziel messen, ausgewertet (Phasenunterschiede durch Interferometrie – InSAR), so können geometrische Daten erstellt werden, welche z.B. für digitale Oberflächenmodelle DOM genutzt werden.
- Wetterradar: Hierbei wird ein Radargerät auf der Erde nach oben in die Atmosphäre gerichtet und erkennt aufgrund der Intensität der an den Untersuchungsobjekten zurückgestrahlten Funkwellen (meist im S- oder C-Band) die Zusammensetzung des gerade abgetasteten Volumens nach Regentropfen, Hagel, Schnee und Wolken. Eine Vernetzung mehrerer Geräte auf der Erdoberfläche verteilt, liefert dann die typischen Niederschlagsradarbilder, die zu kurzfristigen Regenprognose der Wetterdienste genutzt werden.
- Bodenradar: Hier wird, wie der Name schon sagt, die Radarantenne auf den Boden gerichtet, um so Informationen über dessen Zusammensetzung, Schichtaufbau und besondere Objekte (archäologische Gegenstände, Minen oder auch Drainagen) zu erhalten. Das Radargerät wird zur Erstellung einer Bodenkarte über den Boden gezogen und arbeitet je nach gewünschter Eindringtiefe und Ortsauflösung im Bereich von 1 MHz bis 2,4 GHz. In gewisser Weise gehört auch das EM38, welches in der Landwirtschaft zur Bodenkartierung eingesetzt wird, auch zu den Bodenradarsystemen, obwohl es mit einer niedrigen Frequenz von 15 kHz nur zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit der oberen Bodenschicht um 1 Meter eingesetzt wird.
¶ Anwendungsbereich
- hier folgen passende Praxisbeispiele von FARMPRAXIS
¶ Quellen
1. Lexikon der Fernerkundung: Radar
3. Synthetic Aperture Radar (SAR), NASA
6. Air Traffic Control USS Washington
¶ Autoren*innen
Eiko Thiessen, Christian-Albrechts-Universität Kiel, Institut für Landwirtschaftliche Verfahrenstechnik, Max-Eyth-Str. 6, 24118 Kiel