Sicherheit

Kleinste MIMO-Sensoren für dreidimensionalen Durchblick bei schwierigen Umweltbedingungen

Mit einer erfolgreichen Demonstration im Brandhaus der Feuerwehr Dortmund wurde im Juni 2018 das Europäische Horizon2020-Forschungsprojekt SmokeBot abgeschlossen. Das Fraunhofer FHR erwies sich dabei als zuverlässiger Partner im Bereich integrierter MIMO-Radarmodule.

1:25 cm großes MIMO Radarmodul mit 24 Sende- und 24 Empfangskanälen.
© Fraunhofer FHR

1:25 cm großes MIMO Radarmodul mit 24 Sende- und 24 Empfangskanälen.

MIMO-Radarbild einer einzelnen Person.
© Fraunhofer FHR

MIMO-Radarbild einer einzelnen Person.

Aufnahme eines Erzlagers mit MIMO-Radar.
© Fraunhofer FHR

Aufnahme eines Erzlagers mit MIMO-Radar.

Sensor-Suite für die Erkundung verrauchter Gebäude

Das Projekt hat neue Wege in der Sensorik aufgezeigt, um auch in komplett rauchverhangenen Gebäudeteilen Robotern eine sichere Orientierung zu ermöglichen, Karten zu erstellen und damit Menschleben zu retten. Koordiniert wurde das Projekt von Achim Lilienthal, Professor an der schwedischen Universität Örebru. Im Rahmen von SmokeBot stattete das Projektteam einen Roboter der österreichischen Firma TAUROB mit einer Vielzahl an umgebungserkundenden Sensoren aus. Diese Sensor-Suite enthielt neben Lasermesstechnik, Infrarotkameras und Gassensoren auch ein hochintegriertes MIMO-Radar des Fraunhofer FHR.

 

Technologischer Vorsprung durch Silizium-Germanium Integration

Die Entwicklung am Fraunhofer FHR startete dabei bereits auf der Chipebene. Die Forscher entwickelten ein komplettes MIMO-Chipset bei 120 GHz. Jeder Chip umfasst dabei entweder 4 Sende- oder 4 Empfangskanäle auf einer Gesamtgröße von weniger als 2x2 Millimetern. Diese Technologie erlaubte es dem Forscherteam bei einer Gesamtmodulgröße von nur 25 Zentimetern 24 Sende- und 24 Empfangskanäle zu realisieren und damit 576 Kombinationen für die winkelaufgelöste Bildgebung zur Verfügung zu stellen. Die auf linearen Frequenzchirps basierenden Einzelpulse wurden so optimiert, dass eine Sequenz aller 24 Sendepulse innerhalb von weniger als drei tausendstel Sekunden möglich wird.

Sowohl die Hochfrequenzelektronik als auch die Datenerfassung wurde dank des Einsatzes kompakter Digitalschaltungselektronik in den Modulen untergebracht. Des Weiteren wurden eigene Konzepte zur Synchronisation aller 24 Empfangskanäle erarbeitet. Die Antennenelemente konnten direkt in das Gehäuse integriert werden.

Die entwickelten Module sind so trotz ihrer intern sehr hohen Komplexität leicht in Messsysteme zu integrieren. Eine einzige Versorgungsspannung und eine Standard-Netzwerkschnittstelle sind vom System dazu zur Verfügung zu stellen.

 

3D-Hinderniserkennung dank digitaler Bildrekonstruktionsalgorithmen

Jeder Messdatensatz wird mit Hilfe der am Fraunhofer FHR entwickelten 3D-Nahfeld-Rekonstruktionsalgorithmen zu einem dreidimensionalen Bild verrechnet. So lassen sich selbst durch Rauch, Nebel oder Gegenlicht Gegenstände, Türen oder Wände sicher lokalisieren. Die Bildqualität hängt dabei wesentlich von der Antennenanordnung ab. Ein kleines Antennenarray mit hoher Dichte an Sende- und Empfangselementen liefert eine sehr hohe Bilddynamik, während eine Verteilung der Antennen über eine größere Fläche eine höhere Bildauflösung zum Preis einer geringeren Bildauflösung ermöglicht. Das SmokeBot-Team am Fraunhofer FHR entschied sich für eine für das Projekt eigens entwickelte halbkreisförmige Verteilung der Antennenelemente. So können selbst mit nur 24x24 Kanälen Bildauflösungen von unter einem Grad über einen Winkelbereich von 45° in alle Richtungen erreicht werden. Die spezielle Antennenanordnung verteilt die durch die ausgedünnte Apertur verursachten Abbildungsartefakte dabei möglichst gleichmäßig über den gesamten Winkelbereich. Es werden damit 17dB Abbildungsdynamik erzielt. Eine derartige Bildqualität wird derzeit weltweit von keinem vergleichbaren Modul erreicht.

 

Zahlreiche Applikationen von der Menschdetektion bis hin zur Oberflächenrekonstruktion

Was dies hinsichtlich der Bildqualität bedeutet, ist in Abbildung 2 zu erkennen. Es wurde eine Person durch eine einzige Messung des Radars aufgenommen. Die Konturen des stehenden Menschen sind dank der hohen Auflösung klar zu erkennen. Um die Person herum tauchen jedoch Bildartefakte auf, die das ausgedünnte Antennenarray zur Ursache haben. Dennoch kann die Person deutlich erkannt werden. Durch die kurze Messdauer ist die Verfolgung von Bewegungen eine Möglichkeit, eine Vielzahl an Informationen aus den Daten zu gewinnen. Eine andere Applikation besteht in der ausgezeichneten Eignung der Radartechnologie raue Oberflächen zu erfassen. Abbildung 3 zeigt die dreidimensionale Erfassung eines Erzlagers. Gerade dunkle Oberflächen im Außenbereich sind mit optischen Technologien nur schwer zu erfassen. Eine radarbasierte Lösung bietet hier eine deutlich höhere Zuverlässigkeit. Die Möglichkeiten der neu entwickelten Technologie erweisen sich als vielfältig und werden noch zahlreiche weitere Forschungs- und Anwendungsfelder erschließen.

 

Erfolgreiche Demonstration selbst bei Null-Sicht-Bedingungen

Das Gesamtsystem wurde anlässlich des Final Review Meetings Ende Juni 2018 im Brandhaus der Feuerwehr demonstriert. Dabei konnte das MIMO-Radar des Fraunhofer FHR seine volle Leistungsfähigkeit zur Schau stellen. Selbst bei kompletter Verrauchung des Gebäudes, als die LIDAR-Sensoren und die installierten Kameras vkein auswertbares Signal mehr lieferten, sicherte die Radartechnologie des Fraunhofer FHR die Funktionsfähigkeit des Gesamtsystems.