Sicherheit

Kleindrohnendetektion mit Millimeterwellen-Radar

Live-Tracking von drei Multicoptern mit dem SSRS im Messbereich von 50 m bis 150 m und die gemessenen Zielparameter.
© Foto Fraunhofer FHR

Live-Tracking von drei Multicoptern mit dem SSRS im Messbereich von 50 m bis 150 m und die gemessenen Zielparameter.

Vierkanaliges MuRPS (Multi Channel Radar for Perimeter Surveillance) mit Quadcopter im Hintergrund. Die Winkelablage erfolgt nach dem Monopulsverfahren.
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Vierkanaliges MuRPS (Multi Channel Radar for Perimeter Surveillance) mit Quadcopter im Hintergrund. Die Winkelablage erfolgt nach dem Monopulsverfahren.

Mechanisch scannendes SSRS (Scanning Surveillance Radar System) mit optischer Kamera. Der rotierende Sensor scannt mit einem Öffnungswinkel von 1,8° in Azimut-Richtung.
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Mechanisch scannendes SSRS (Scanning Surveillance Radar System) mit optischer Kamera. Der rotierende Sensor scannt mit einem Öffnungswinkel von 1,8° in Azimut-Richtung.

Der Einsatz von Kleindrohnen für vielfältige Aufgaben hat in den letzten Jahren zugenommen. Wie jede Technologie ist auch diese ambivalent und es kommt letztlich auf die Anwendung an. Das Aufspüren unerwünschter Drohnen stellt höchste Ansprüche an die Sensorik.

Radare im Millimeterwellenbereich eignen sich hervorragend für Überwachungsaufgaben im direkten Umfeld, insbesondere bei schlechten Sichtbedingungen. Im Vergleich zum optischen und IR-Spektrum, zeigen Millimeterwellen eine gute Durchdringung von Nebel, Rauch oder Staub. Ferner sind Radare als aktive Sensoren unabhängig von externen Beleuchtern und der Tageszeit. Mit großen Bandbreiten ermöglichen sie eine hohe, entfernungsunabhängige Auflösung, so dass neben Detektion und Nachverfolgung von bewegten Objekten auch eine Klassifikation möglich wird. Daher eignen sich die Systeme gut für das Aufspüren von Flugdrohnen: Die Ausrichtung des Sensors himmelwärts und die damit verbundene Reduktion des störenden Clutters machen auch kleinere UAS (Unmanned Aircraft Systems) entdeckbar. Dazu zählen u.a. die Multicopter, deren Palette von den Bi- und Tricoptern mit sehr geringer Traglast über Quadro- und Hexacopter bis zu den Octocoptern mit einer Payload von 10 kg und mehr reicht. Die zunehmende Verbreitung dieser, auch für Privatpersonen kommerziell erhältlichen, Fluggeräte sorgt für wachsende Probleme im Luftverkehr und birgt ein großes Gefahrenpotenzial – kriminelle oder terroristische Verwendungszwecke sind nicht auszuschließen.

Aus Radarsicht lassen sich die Kleindrohnen hinsichtlich ihres Radar-Rückstreuquerschnitts (RCS) charakterisieren. Die Kleinsten, sogenannten Nano-UAS, weisen einen RCS von unter 0,01 m² auf. Sie stellen jedoch keine große Bedrohung dar. Relevanter und mit Radar gut zu detektieren sind Drohnen mit einem RCS ab etwa 0,01 m² bzw. 0,1 m² (bezogen auf eine Referenzfrequenz von 10 GHz), die als Micro- bzw. Mini-UAS bezeichnet werden. Eine hochgenaue Analyse des Dopplerspektrums erlaubt ferner die Unterscheidung nach Anzahl und Art der Rotoren und somit nach Drohnenklassen.

Die Abteilung MHS hat in Testmessungen die Fähigkeiten der bestehenden Millimeterwellen-Radare MuRPS (Multi Channel Radar for Perimeter Surveillance) und SSRS (Scanning Surveillance Radar System) hinsichtlich Detektion und Tracking von Kleindrohnen untersucht; dabei kamen Mini- und Micro-UAS (Quadro- und Hexacopter) zum Einsatz. Beide Sensoren arbeiten nach dem FMCW-Prinzip (Frequency Modulated Continuous Wave) bei einer Mittenfrequenz von 94 GHz und mit einer Ausgangsleistung von 100 mW. Eine Radarbandbreite von bis zu 1 GHz ermöglicht eine Entfernungsauflösung von 15 cm. Die Bauform der Systeme wurde in Bezug auf größtmögliche Mobilität und Flexibilität optimiert. Das gilt im Besonderen für die geringe Leistungsaufnahme; zum Betrieb der Systeme reicht ein 12 V Autoanschluss aus. Die Abb. 2 zeigt das mechanisch starre vierkanalige MuRPS System, bei dem die Winkelablage in Azimut und Elevation nach dem Monopulsverfahren ermittelt wird. Das Frontend hat eine Größe von 200 x 180 x 230 mm3 und eine Masse von ca. 3 kg. Beim SSRS handelt es sich um einen rotierenden Sensor, der mit einem kleinen Öffnungswinkel von 1,8° in Azimut-Richtung scannt. Eine Ablage in Elevation ist derzeit nicht möglich. Das Radarfrontend inklusive einer optischen Kamera ist in Abb. 3 dargestellt. Die Abmessungen betragen 265 x 265 x 100 mm3 bei einer Masse von ca. 4,5 kg. 

Die ursprünglich für den abstandsaktiven Schutz bzw. den Feldlagerschutz konzipierten Sensoren wurden für die neue Messaufgabe nur geringfügig modifiziert. Die Auswertung der Daten ergab, dass die Systeme bestens geeignet sind, mehrere Drohnen beider Typenklassen (Micro-, Mini-UAS) im Nahbereich bis etwa 150 m gleichzeitig zu detektieren und mit guter Präzision zu lokalisieren. Darüber hinaus bietet das SSRS-System die Möglichkeit des Live-Trackings für bis zu vier UAS, da hier die entsprechenden Software-Algorithmen und nötigen Schnittstellen bereits existieren. Die Abb. 1 zeigt eine SSRS-Messung: Dargestellt ist das gleichzeitige Live-Tracking von drei Multicoptern im Messbereich von 50 m bis 150 m samt gemessener Zielparameter.

Die guten Ergebnisse zeigen, dass eine Weiterentwicklung der Sensoren mit dem Ziel Kleindrohnendetektion lohnenswert ist. Insbesondere im Bereich der Signalverarbeitung, z. B. Lokalisation und Klassifikation der Objekte, ist Verbesserungspotenzial vorhanden. Durch eine Steigerung der Ausgangsleistung (auf derzeit realistische 1 W) kann außerdem der Abdeckungsbereich der Radare deutlich erhöht werden. Schließlich ist auch beim SSRS eine Elevationsauflösung unabdingbar.