Článek ve formátu PDF je možné stáhnout
zde.
Snadno si lze představit situaci, kdy se pomalu, docela pomalu přibližuje vrtulník horské záchranné služby k místu nehody. Krátce předtím volali dva lyžaři o pomoc do centrály horské služby. Jeden z dvou mužů se zranil, a tak již nemohou pokračovat v sestupu. Pilot se opatrně připravuje na přistání. Je to riskantní manévr, protože čerstvě napadaný sníh ztěžuje nalétávání na přistání. Proud vzduchu způsobený otáčením rotoru zvíří kyprý sníh a během několika sekund se kolem vrtulníku vytvoří sněhový zvon. V něm pilot ztrácí výhled a marně hledá jakýkoliv referenční bod. Neví ani, zda stoupá nebo klesá. V budoucnu nebudou tyto obtížné přistávací manévry pro piloty problémem. Odborníci z tří Fraunhoferových ústavů, IAF (pro fyziku pevných látek), IPA (pro výrobní techniku a automatizaci) a IZM (pro spolehlivost a mikrointegraci), totiž společně vyvíjejí radar, který i v oblacích sněhu, prachu nebo mlze bude jako pomoc při přistání poskytovat přesné údaje o výšce a vzdálenosti objektů na zemi. Nový radar pracuje s milimetrovými vlnami v mikrovlnném frekvenčním pásmu 75 až 110 GHz (tzv. pásmo W) a dokáže i při velmi špatné viditelnosti z dálky rozeznat i docela malé objekty. Jeho dosah je až tři kilometry. Na rozdíl od optických senzorů radar pracující s milimetrovými vlnami prosvítí všechny dielektrické, tedy elektricky špatně vodivé nebo nevodivé nekovové a netransparentní látky jako textil, plastové desky, papír, dřevo nebo právě sníh a mlhu. Vidí tedy i to, co zůstává lidskému zraku skryto.
To předurčuje radar pracující v mikrovlnném frekvenčním pásmu k rozmanitému použití, od kontroly a řízení letecké a pozemní dopravy, přes lékařskou techniku až po logistiku a průmyslovou senzoriku. „Všude tam, kde jiné senzory ve výrobních a logistických procesech při vysokých teplotách nebo omezené viditelnosti selhávají, je možné použít mikrovlnný radar. Uplatnění nalezne např. jako snímač hladiny v silech mouky, kde vzniká při plnění sypkou moukou mnoho prachu,“ vysvětluje Dr. Axel Hülsmann, vedoucí projektu ve Fraunhoferově ústavu IAF. Další velkou výhodou přístroje je skutečnost, že je na rozdíl od rentgenových skenerů zdravotně zcela nezávadný, protože pracuje s mikrovlnnými paprsky v milimetrovém pásmu. Jeho vysílací výkon činí asi 10 mW, zatímco vysílací výkon typického mobilního telefonu je přibližně 1 000 mW.
Radar velikosti krabičky cigaret
Dosavadní radarové systémy, založené na keramických substrátech, jsou drahé, rozměrné a jejich hmotnost je 4 až 5 kg. Možnosti jejich použití jsou omezené a soustřeďují se především na vojenské úkoly. Mikrovlnný radar, který vyvíjejí odborníci Fraunhoferovy společnosti, je oproti tomu modulárně rozšiřitelný, cenově výhodný, energeticky účinný, má vysokou rozlišovací schopnost a je univerzálně použitelný. S novou technologií může bez problémů pracovat ve frekvenčním rozsahu zhruba 100 GHz i více.
Díky vlnovým délkám asi 3 mm je mikrovlnný radar velmi kompaktní. Celý systém pracuje na bázi galliumarsenidové polovodičové techniky a není větší než krabička cigaret. Vedle obvodů pro digitální zpracování signálu přístroj obsahuje vysokofrekvenční modul, procesor DSP a také vysílací a přijímací anténu s dielektrickými čočkami (obr. 1). „Protože používáme dielektrickou anténu, je úhel otevření volně volitelný. Můžeme tedy snímat jak velké plochy v blízkém okolí radaru, tak i malé, hodně vzdálené objekty,“ říká Dr. Hülsmann. To umožňuje např. bez problémů monitorovat a střežit plot v hamburském kontejnerovém přístavu dlouhý několik set metrů. „Standardní monitorovací kamery neposkytují při husté mlze, jaká často v přístavu na Labi panuje, obrazy s dostatečnou rozlišovací schopností. Proto při špatném počasí musí pracovníci ostrahy dosud často chodit na obchůzky objektu se psem,“ zdůrazňuje Dr. Hülsmann.
Technika po vzoru netopýra
Jak senzor s milimetrovými vlnami vlastně funguje? „V principu lze náš systém přirovnat k netopýrovi. Ultrazvukové signály, které netopýři vydávají, se odrážejí jako ozvěna od zdí, větví, drátů, komárů a jiného hmyzu. Pomocí těchto ozvěn se netopýři dokážou orientovat a rozlišit kořist od překážky. Není-li nic v cestě, nevrací se žádná ozvěna. Jinými slovy, netopýr vidí pomocí uší,“ vysvětluje Dr. Hülsmann. „Také náš radar vysílá signály, které se od pozorovaných objektů odrážejí. Vysílaný a přijímaný signál jsou porovnávány pomocí numerických algoritmů. Na základě tohoto srovnání je možné vypočítat vzdálenost, velikost, tloušťku a rychlost objektu. Jestliže se objekt nepohybuje, nemění se ani signál. Takto získané měřené hodnoty je možné přenášet prostřednictvím rozhraní USB do PC k dalšímu vyhodnocení. Radar je možné připojit i na jiné již existující počítačové systémy, např. přes rozhraní CAN.“
S prototypem nového radaru seznámili odborníci Fraunhoferovy společnosti odbornou veřejnost poprvé na mezinárodním veletrhu Sensor + Test 2013 v Norimberku. Na příkladu dvou vodních sloupců, v nichž vzniká mlha, demonstrovali funkci mikrovlnného radaru jako čidla k měření výšky hladiny. Zatímco běžný optický senzor se nechá mlhou oklamat a měří pouze k vrstvě mlhy, mikrovlnný radar proniká mlhou a spolehlivě určí aktuální výšku vodní hladiny. Do dvou let má být nový radarový systém uveden na trh již ve vícekanálovém provedení, které umožní vedle vzdálenosti a rychlosti objektů zjišťovat také jejich přesnou polohu.
[Fraunhofer Presseinformation: Kompaktes Radar mit Durchblick. 14. května 2013.]
Ing. Karel Kabeš
Obr. 1. Nový mikrovlnný radar je vybaven širokopásmovou tříkanálovou anténou s dielektrickými čočkami (foto: Fraunhofer IAF)