Self-mixing millimetre-wave radar on the basis of multiple surface reflections (MIRADOR)
Final Report Abstract
Im Projekt MIRADOR wurden im Wesentlichen zwei Hardware-Demonstratoren in verschiedenen Frequenzbändern entwickelt, sowie Algorithmik zu 3D Radarbildgebung basierend auf einem neuartigen selbstmischenden Radarprinzip. Nebenschauplätze behandelten Themen wie der Empfängersynchronisierung und breitbandigen Signalgenerierung. Die Demonstratoren sind zudem in ihrer Bauform klein genug, um die Eigenschaften der Bewegungsunabhängigkeit am Beispiel von handgehaltenen Sensoren zu zeigen. Der entwickelte E-Band Demonstrator bestätigt die Funktionsfähigkeit des selbstmischende Radarprinzip, und zeigen die prinzipbedingten Besonderheiten wie die Unabhängigkeit von Bewegungen und der Distanz der Sensoren und die vollständige Entkopplung der Sensoren zueinander auf. Mit unabhängigem Empfänger zeigten sich Probleme auf wie die etwaige Notwendigkeit einer Empfängersynchronisierung und einer maßgeblichen Abhängigkeit der Empfängerperformance von den empfangenen Signalpegeln. Im D-Band wurden drei Schaltungen als SiGe MMICs entworfen und teilweise bereits vermessen. Zwei beziehen sich auf breitbandige Signalgenerierung und Verstärkung. Herzstück eines für das Prinzip nötigen selbstmischenden Empfängers ist ein eigens entworfener spezieller Zwei-Port Mischer. Mit den Schaltungen im D-Band wurde ein Fokus auf Ultra-Breitbandige Schaltungen gesetzt, um die technischen Möglichkeiten für potenziell Bildgebender Radar mit selbstmischenden Empfängern zu untersuchen. In dem Zusammenhang wurde auch die Möglichkeit der Gewinnung von Phaseninformationen für die Detektion von langsamen Bewegungen und der Erweiterung der Auflösung durch Messung bestätigt. Im Zuge der Entwicklungen und Messkampagnen ergaben sich neue Herausforderungen und Fragestellungen. Am Beispiel von Empfänger-Arrays bzw. multi-statischen Radarszenarios zeigt sich gut, dass trotz der Unabhängigkeit der einzelnen Empfänger und dem damit überflüssigen Aufwand LO-Kohärenz zu erreichen, dennoch eine Strategie zur zeitlichen Synchronisation der Empfänger nötig sein kann, um die gewonnenen Daten und Phaseninformationen über einem Array sinnvoll verarbeiten zu können. Zudem wurde in den Labormessungen die signifikante Abhängigkeit der Mischer im Empfänger von der empfangenen Signalleistung deutlich. Diese quadratische Abhängigkeit ist ein Nachteil gegenüber klassischem Radarverfahren, kann jedoch durch geeignete Gegenmaßnahmen wie automatischer Verstärkungsanpassung (AGC) entgegengewirkt werden. Auf Selbstmischung basierende, handgehaltene Sensoren sind zwar intrinsisch unabhängig von Bewegungen und Vibrationen, eine Änderung des Blickwinkels auf ein Ziel jedoch verändert natürlich auch hier die geometrischen Distanzen. Anwendungen wie die Zielverfolgung o.ä. mit bildgebendem Radar könnten beispielsweise durch den Einsatz von Trägheitssensoren mit entsprechenden Algorithmen unterstützt werden. Selbstmischendes Radar ist ein neues Werkzeug, welches die Möglichkeiten von klassischem Radar erweitert. Eine Vielzahl von Anwendungsfällen wie z.B. Füllhöhen- oder Inhaltskontrolle sind denkbar, für welche lediglich die Information von Distanzen zueinander relevant sind. Anwendungen, in denen starke Oberflächenreflektionen auftreten, sind prädestiniert für selbstmischendes Radar, welche in klassischem Radar aufwändig unterdrückt werden müssen oder limitierend wirken. Die im Projekt demonstrierten Bandbreiten von mehreren Duzend GHz in hohen mmW-Radiofrequenzbereichen erzielen Millimeter-genaue Distanzauflösungen. Damit eignet sich selbstmischendes Radar potenziell für Bildgebung. Durch die Unabhängigkeit der Empfänger zum Sender sind große Empfänger-Arrays technisch einfach zu realisieren. Die im Verlauf des Projektes mögliche Konkretisierung des Anwendungsbereichs dieses Selfmixing- Ansatzes in der industriellen Bildgebung gibt Balluff die Möglichkeit, mit den Erkenntnissen über weitere Industrialisierungsschritte nachzudenken. Konkret ermöglicht das Verfahren Konzepte zu verfolgen, bei denen das Referenzobjekt Bestandteil des Testobjektes ist und im Zusammenhang mit Transparenzeigenschaften von zum Beispiel Verpackungen um Produkte herum, diese bewusst komplett ausblenden kann. Außerdem wären die Selfmixing-Ansätze interessant für bildgebende Transmissionsmessungen ohne LO-Verbindung zwischen Sender und Empfänger. Dafür müssten aber die Erkenntnisse dieses Projektes vertieft und konkreter im applikationsnahen Umfeld geprüft werden.
Publications
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Radar imaging based on multiple incoherent antennas. Passive and Active Millimeter-Wave Imaging XXIV, 1. SPIE.
Jandt, Marvin; Eberspächer, Mark & Kallfass, Ingmar
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Design of a Wideband E-band Radar Frontend for a Novel Incoherent Self-Mixing Radar Principle. 2022 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium - IMS 2022, 538-541. IEEE.
Wormann, Janis; Ebeling, Sven; Schoch, Benjamin & Kallfass, Ingmar
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An Ultra-Wideband Two-Port Cascode Self-Mixing Mixer in 130 nm SiGe for Use in Incoherent Radar. In: 2024 European Microwave Conference (EuMC), accepted paper. 2024 European Microwave Conference (EuMC). Paris, France
Wörmann, Janis; Singhal, Prakhar & Kallfass, Ingmar
