Aktuální vydání

celé číslo

05

2021

Perspektivy automatizace, umělá inteligence v automatizaci; prostředky automatizace v době lockdownu
celé číslo

Mikrovlnný radar pracuje při mlze i v prašném prostředí

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)