Sicherheit

3D-UMGEBUNGSERFASSUNG MIT MIMO-RADAR-KAMERA

Im Rahmen des EU-Projektes SmokeBot werden am Fraunhofer FHR dreidimensional abbildende Radarkameramodule entwickelt. Die Silizium-Germanium- Technologie ermöglicht dabei hochintegrierte Module auf kleinstem Raum und geringer Leistungsaufnahme.

Der ausgerüstete Roboter im Einsatz (Fotomontage).
© Fraunhofer FHR

Der ausgerüstete Roboter im Einsatz (Fotomontage).

Prototyp des 2 x 8 MIMO-Radarmoduls
© Fraunhofer FHR

Prototyp des 2 x 8 MIMO-Radarmoduls

Gemessene Reflexion zweier punktförmiger Einzelziele.
© Fraunhofer FHR

Gemessene Reflexion zweier punktförmiger Einzelziele.

Multi-Kanal-Radarsysteme für elektronisch schwenkbare Abstrahlung und digitale Bildgebung sind am Fraunhofer FHR ein seit langem etabliertes Feld. Für den Einsatz auf kleinen mobilen Plattformen waren bisherige Systeme aufgrund ihrer Baugröße und ihrer hohen Leistungsaufnahme allerdings schwer einsetzbar. Die zunehmende Integrierbarkeit ganzer Radar-Front-Ends auf Silizium-Germanium-Chips ermöglicht es hochleistungsfähige Radar-Module mit einer Vielzahl von Sende- und Empfangskanälen mit kleinster Baugröße zu realisieren. Im Rahmen des EU-Projektes SmokeBot werden derartige Radarmodule bei 120 GHz entwickelt. Die hohe Frequenz kommt der zunehmenden räumlichen Integration sehr entgegen: Da die erreichte Bildauflösung des Moduls mit der Wellenlänge und der Modulgröße skaliert, kann bei sehr kurzwelligen Radarsignalen die Aperturgröße deutlich reduziert und dennoch eine sehr hohe Auflösung beibehalten werden.

SmokeBot – Integrierte Radar-Module für die Robotik

Ziel des Projektes ist ein Radarmodul mit 32 Sende- und 32 Empfangskanälen. Das fertige Modul enthält nicht nur die analogen Front-Ends, sondern wird auch das Back-End beinhalten. Die gesamten Messdaten werden über eine Standard- Ethernet-Schnittstelle übertragen. Die nachgeschaltete Prozessierung ermöglicht eine Rekonstruktion der aufgenommenen Bildinformation in 3D. Die Bildinformation steht durch Nutzung des verbreiteten Robot Operating System (ROS) dem Gesamtsystem zur Verfügung. Diese Software-Integration vereinfacht die Weiterverarbeitung der Daten deutlich. Für den Systemdesigner sind die aufzubereitenden Informationen nicht von anderen Abbildungssystemen, wie optischen 3D-Kameras zu unterscheiden. Allerdings kann das Radarmodul auch unter schlechten Sichtbedingungen, wie Nebel oder Rauch, einwandfrei arbeiten und sogar dünne Sichtbehinderungen, wie Planen oder Vorwände, durchdringen. Im Rahmen des Projektes werden die Daten des Radarmodules mit optischen Daten überlagert. Es entsteht somit auch bei einem hohen Rauchaufkommenoder Blendeffekten ein Gesamtbild der Umgebung.

Integrierte Silizium-Germanium Chips für hocheffektive Mehrkanalsysteme

Die Umsetzung der Radarkamera basiert auf hochintegrierten Millimeterwellen- Chips, welche am Fraunhofer FHR entworfen und getestet werden. Die verwendete Wafer-Technologie wird im Automobilbereich im großem Umfang zuverlässig eingesetzt. Die Radar-Detektion basiert auf linearer Frequenzmodulation (FMCW). Somit ist die Signalerzeugung in Sende- und Empfangschip sehr ähnlich. Diese basiert auf einem hochstabilen und hochgradig linear modulierten Referenzsignal bei 30 GHz. Ein auf jedem Chip integrierter Frequenzvervierfacher realisiert die Erzeugung der 120 GHz Arbeitsfrequenz. Dabei stehen bis zu 25 GHz Bandbreite zur Verfügung. Die Sende-Chips verfügen über schaltbare Signalausgänge, sodass die einzelnen Sender wechselseitig aktiviert werden können. Zusammen mit einer Vielzahl von Empfangskanälen können so alle Sende und Empfangskonstellationen genutzt werden. Jeder Sendekanal stellt über 10 mW Ausgangsleistung zur Verfügung. Zusammen mit den hochempfindlichen Empfängern ergibt sich eine Dynamik von über 80 dB für jede einzelne Messung. Abhängig von den verwendeten Antennen sind damit Messungen von über 100 m Reichweite möglich. Die Integration gleich mehrerer Kanäle auf einem Chip führt zur Realisierbarkeit einer Vielzahl von Messkanälen auf kleinstem Raum.

Erster hochintegrierter Prototyp

Ein erster Prototyp mit reduziert bestücktem MIMO-Array ist fertiggestellt. Dieses wenige Zentimeter große Modul umfasst zwei Sende- und acht Empfängerelemente bei 120 GHz. Bereits dieser Prototyp vereint analoge Radarsignalverarbeitung und digitale Vorverarbeitung. Die äußeren Schnittstellen beschränken sich auf eine industriell übliche Ethernet-Schnittstelle zur Konfiguration und zum Auslesen der Radardaten, sowie eine Schnittstelle für die Stromversorgung des Modules. Die digitale Back-End-Platine schließt einen FPGA für erste Datenverarbeitungschritte ein. Mit dem Prototyp wurden erfolgreich Messungen durchgeführt. Aus den Daten konnte ein punktförmiges Referenzziel mit 10° Auflösung detektiert werden. Die Weiterführung der Entwicklung hin zur Endausbaustufe soll zum Ende des Projektes Mitte 2018 abgeschlossen sein. Dieses Modul wird mit Auflösungen von unter ein Grad hochperformante Abbildung mit kompakter Bauform vereinen.