Signalverarbeitung mit 60-GHz-Radar: Bewegungs- und Azimutdaten in Echtzeit erfassen

Im Feld angewendet, werden mit Radar mehrere reflektierte Signale als Antwort auf ein gesendetes Signal empfangen, da sich andere Objekte um das Ziel herum befinden. Diese zusätzlichen Signale werden als Echos bezeichnet.  

Ein zurückkehrendes Echo ist eine verzögerte Version des gesendeten Signals. Der Mischer führt aufgrund der Zeitverzögerung des Echosignals eine Frequenzdifferenz ein. Die Entfernung kann durch Messung der vom Mischer erzeugten Signalfrequenz bestimmt werden.  

Drei zurückkehrende Signale erreichen den Mischerausgang des Radars.  

Die FFT analysiert den Beitrag jedes zurückkommenden Signals zum untersuchten Signal. Sie identifiziert Beiträge von Sinuskurven unterschiedlicher Frequenzen oberhalb eines bestimmten Schwellenwerts. 

Hier sind die Amplituden der Rx-Signale für eine bestimmte Entfernung dargestellt. Spitzen zeigen an, dass ein Signal in einer bestimmten Entfernung reflektiert wurde. Die FFT ermittelt die Mischausgangsbereiche durch Erkennen der Spitzenfrequenzen. Dadurch erhält man die Schwebungsfrequenzen aller drei Echos und somit die Zielentfernungen. 

Wenn sich das Zielobjekt mit der Geschwindigkeit v bewegt, hat es sich nach einer Chirp-Wiederholungszeit (T_c), also dem Intervall zwischen zwei Chirps, um eine Strecke Δd bewegt. 

Dadurch verschiebt sich auch die Phase der reflektierten Signale. In diesem Fall bleibt die Amplitude praktisch unverändert. Die Geschwindigkeit eines einzelnen Ziels kann durch Beobachtung der Phasenentwicklung im Zeitverlauf berechnet werden. 

Der Winkel des Zielobjekts relativ zum Radar wird mithilfe mehrerer Empfangsantennen (in diesem Fall zwei) berechnet. 

d ist der Abstand zwischen den Antennen. Eine der Antennen, Rx1, wird als Referenzpunkt (0) gewählt. Der Winkel α ist der „Einfallswinkel” der vom Zielobjekt kommenden ebenen Wellenfront. Dieser Winkel wird relativ zur imaginären horizontalen Achse der Antennen bestimmt. Um die zweite Antenne (Rx3) zu erreichen, muss die Welle eine zusätzliche Strecke (∆d) zurücklegen, die gleich d·sin α ist und eine Phasendifferenz impliziert. Diese Phasendifferenz kann zur Berechnung des Winkels α verwendet werden. Bei zwei Antennen kann die Genauigkeit aufgrund von Rauschen gering sein. Bei Verwendung von mehr als vier Antennen kann eine Winkel-Fourier-Transformation (FFT) angewendet werden, um die Phasenentwicklung über die Zeit zu extrahieren und einen genaueren Ankunftswinkel zu berechnen. Zur Winkeleinschätzung wird digitales Beamforming verwendet. Diese Methode ermöglicht es einem Radarsender oder -empfänger, sich auf eine bestimmte Richtung im dreidimensionalen Raum zu konzentrieren. Das „Scannen” von links nach rechts wird gemeinhin als Azimut bezeichnet.