Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung eines Raum bereichs mittels Radarwellen.

Radarwellen ermöglichen die Erkennung und Ortung von Objekten auf der Basis elekt romagnetischer Wellen im Kurz- und Mikrowellenbereich. Die Ortung mittels Radar wellen funktioniert auch dann, wenn das Medium zwischen dem Radarsender und dem Radarziel undurchlässig für sichtbares Licht ist (z. B. aufgrund von Nebel, Wolken, Rauch, Dunkelheit und dergleichen). Die Radartechnik wird ständig durch technische Fortschritte in der Entwicklung von Radarsensoren und der Antennentechnik sowie durch neue computergestützte Signalverarbeitungsverfahren verbessert. Es entstehen dabei neue Anwendungen für Radare, insbesondere im Bereich Verkehr (z. B. auto nome und assistierte Fortbewegung) und im Bereich Sicherheit (z. B. Erkennung von Gefahrensituationen). Die Erfassung eines Raumbereichs mittels Radarstrahlung setzt voraus, dass die Ra darwellen aus dem Raumbereich mit ausreichender Signalstärke rückreflektiert wer den. Dies kann mit speziellen Radarreflektoren erreicht werden, die einen hohen Ra darquerschnitt aufweisen. Der Radarquerschnitt ist dabei eine an sich bekannte Größe und spiegelt die Stärke eines Radarziels wider.

Als Radarreflektoren kommen häufig Retroreflektoren zum Einsatz, welche die ein fallenden Radarwellen weitgehend unabhängig von der Einfallsrichtung sowie der Ausrichtung des Reflektors größtenteils in die Richtung reflektieren, aus der sie ge kommen sind. Solche Retroreflektoren sind beispielsweise als Winkelreflektoren aus zwei bzw. drei senkrecht aufeinander stehenden Platten ausgebildet. Eine andere be kannte Gattung von Retroreflektoren ist das sog. Katzenauge (Cat’s Eye). Eine typi sche Ausführungsform ist eine dielektrische Kugel, die als sphärische Linse wirkt und eine Metallisierung auf der Rückseite aufweist. Ebenso kommen als Retroreflektoren sog. Lüneburg-Linsen zum Einsatz. Es handelt sich hierbei um kugelförmige Linsen mit nach innen zunehmendem Brechungsindex, was durch dielektrisches Material mit ortsabhängiger Dielektrizitätskonstante erreicht wird. Lüneburg-Linsen zeichnen sich dadurch aus, dass parallel einfallende Radarstrahlen in einem Reflexionspunkt fokus siert werden und entgegengesetzt zu ihrer Einfallsrichtung zurückgeworfen werden. Lüneburg-Linsen sind durch die Variation ihrer Dielektrizitätskonstanten jedoch schwer zu fertigen. Ferner benötigen Lüneburg-Linsen eine Metallisierung am Refle xionspunkt (sonst keine Reflexion), was ihren Abdeckungsraum signifikant begrenzt.

Die Druckschrift EIS 2018/0081094 Al offenbart ein retroreflektierendes System zur Erkennung von Fahrzeugen im Straßenverkehr. Das System umfasst eine Vielzahl von Retroreflektoren. Die Retroreflektoren können als Glaskugeln ausgestaltet sein, die mit einer reflektierenden Schicht versehen sind.

Das Dokument US 2018/0081058 Al beschreibt ein System zur Detektion eines Fahr zeugs mit einer Vielzahl von Reflektoren. Die Reflektoren können als sphärische Ret roreflektoren aus Glas mit einer reflektierenden Schicht ausgestaltet sein. Das Dokument US 10,014,587 Bl zeigt eine Wolke aus kleinen Retroreflektoren für optische Lichtfrequenzen. Die Retroreflektoren sind auf einer tragenden Fläche befes tigt und können in einer Variante als dielektrische Kugeln mit einer Brechzahl doppelt so groß wie die Brechzahl des umgebenden Mediums ausgestaltet sein.

In der Druckschrift WO 00/34807 Al ist ein Retroreflektor gezeigt, der aus einem Substrat besteht, auf dem beidseitig Arrays aus sphärischen Kalotten angebracht sind. Die Rückseite des Retroreflektors ist als komplett reflektierende Fläche ausgestaltet.

Die Druckschrift GB 2 194 391 A offenbart einen passiven Radarreflektor, der aus einer dielektrischen Kugel mit reflektierender Schicht besteht. Als Material für die Kugel kann z.B. Siliziumdioxid verwendet werden.

Das Dokument EP 0 461 125 Bl offenbart einen passiven Radarreflektor mit einer ersten Linse und einer zweiten Linse, wobei die erste Linse die Energie der Radar strahlung hin zur zweiten Linse fokussiert. Die zweite Linse umfasst eine reflektie rende Fläche. Die Linsen können beispielsweise eine dielektrische Konstante von 3,414 aufweisen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung eines Raumbereichs mittels Radarwellen zu schaffen, in denen einfach aufgebaute Radarre flektoren mit hohem Radarquerschnitt zum Einsatz kommen.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bzw. die Vorrich tung gemäß Patentanspruch 13 bzw. die Verwendung gemäß Patentanspruch 15 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Raumbereich mittels Radar wellen erfasst, indem eine Radar einrichtung Radarwellen in den Raumbereich aussen det und aus dem Raumbereich Radarechos empfängt, welche aus der Rückstreuung der Radarwellen aus dem Raumbereich resultieren. Die Radareinrichtung verarbeitet die empfangenen Radarechos, um Informationen über den Raumbereich zu ermitteln. Entsprechende Verarbeitungsverfahren für Radarechos sind an sich bekannt und wer den nicht weiter im Detail erläutert. Insbesondere können über die empfangenen Ra darechos Objekte im Raumbereich detektiert werden. Dabei werden Informationen zur Position dieser Objekte ermittelt, insbesondere die Richtung, in der sich das Objekt ausgehend von der Radareinrichtung befindet, und/oder die Entfernung des Objekts von der Radareinrichtung. Die Entfernung wird in der Regel über eine Laufzeitmes sung der Radarwellen bestimmt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass in dem zu erfassen den Raumbereich als Radarreflektoren ein oder mehrere homogene Körper aus Poly amid und/oder ein oder mehrere homogene Körper aus Quarzglas installiert sind. Der oder die homogenen Körper, die jeweils aus Polyamid bzw. Quarzglas bestehen, um fassen jeweils eine kugelförmige Oberfläche und sind als eine oder mehrere Kugeln und/oder eine oder mehrere Kugelsegmente ausgestaltet sind. Ein homogener Körper aus Polyamid ist ein Körper aus Kunststoff in der Form von reinem Polyamid mit ver nachlässigbaren Verunreinigungen und konstanter Material dichte. Ein homogener Körper aus Quarzglas ist ein Körper aus reinem Siliziumdioxid mit vernachlässigbaren Verunreinigungen und konstanter Material dichte. Der Begriff der Installation der ho mogenen Körper aus Polyamid bzw. Quarzglas ist derart zu verstehen, dass die Körper dediziert durch Menschen zum Zwecke der Reflexion von Radarstrahlung im Raum bereich positioniert wurden. Im Folgenden werden die homogenen Körper auch als Körper (ohne den Zusatz "homogen") referenziert.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens fällt Radarstrahlung der Radareinrich tung (d.h. zumindest ein Teil der von der Radareinrichtung ausgesendeten Radarwel len) in einer Einfallsrichtung derart auf einen jeweiligen Körper, dass durch Brechung der Radarstrahlung an der kugelförmigen Oberfläche des jeweiligen Körpers bei deren Eintritt in den jeweiligen Körper und Reflexion der eingetretenen Radarstrahlung an der kugelförmigen Oberfläche des jeweiligen Körpers sowie nochmaliger Brechung der reflektierten Radarstrahlung an der kugelförmigen Oberfläche des jeweiligen Kör pers bei deren Austritt aus dem jeweiligen Körper ein Radarecho entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung erzeugt wird und durch die Radareinrichtung empfangen wird. Mit anderen Worten werden die Radareinrichtung sowie die jeweiligen Körper derart angeordnet, dass ein solcher Einfall von Radarstrahlung gewährleistet ist. Über das empfangene Radarecho detektiert die Radareinrichtung den jeweiligen Körper, d.h. es werden Informationen zu dem Körper und vorzugsweise seine Position bzw. Entfernung relativ zur Radareinrichtung ermittelt.

Vorzugsweise bildet das Radarecho entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung einen Ring aus Radarwellen, der aus dem jeweiligen Körper austritt. Mit anderen Wor ten wird sichergestellt, dass alle Radarwellen, die entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung zurückgeworfen werden können, auch aus dem Körper austreten. Das heißt, der Körper weist in keinem Abschnitt des Rings und vorzugsweise auch in kei nem Abschnitt innerhalb und/oder außerhalb des Rings eine Beschichtung auf, die den Austritt von Radarstrahlung verhindert.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass Kugeln bzw. Kugelsegmente aus Poly amid oder Quarzglas überraschenderweise im Frequenzbereich von Radarstrahlung zu einem sehr hohen Radarquerschnitt führen, der mit anderen Materialen nicht erreicht werden kann. Aufgrund der Homogenität des Körpers ist dieser wesentlich einfacher zu fertigen als bekannten Radarreflektoren, wie z. B. Lüneburg-Linsen. Bei der Ver wendung eines Körpers in der Form einer Kugel kann darüber hinaus ein isotroper Radarreflektor geschaffen werden, dessen Radarquerschnitt im Wesentlichen unab hängig von der Richtung der einfallenden Strahlung ist.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Radarstrahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen 1 GHz und 300 GHz, vorzugweise in einem Wellenlängenbereich zwischen 75 GHz und 110 GHz und besonders bevorzugt in einem Wellenlängenbereich zwischen 77 und 81 GHz. Bei dem letztgenannten Wellenlängenbereich handelt es sich um das sog. untere W-Band, welches bevorzugt in Anwendungen im Automobilbereich zum Einsatz kommt.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Durchmesser, der zu der kugelförmigen Oberfläche eines jeweiligen Körpers ge hört, größer als die Wellenlänge der Radarstrahlung, wodurch Welleninterferenzef fekte vermieden werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist eine metallische Reflexionsschicht auf einem Teil der kugelförmigen Oberfläche von zumindest einem Körper in einem Be reich vorgesehen, an dem die in den entsprechenden Körper (d. h. den zumindest einen Körper) eingetretene Radarstrahlung reflektiert wird, aus der das Radarecho entgegen gesetzt und parallel zur Einfallsrichtung der Radarstrahlung resultiert. Durch diese Re flexionsschicht kann der Radarquerschnitt des entsprechenden Körpers weiter erhöht werden.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die kugelförmige Oberfläche zumindest eines Körpers und vorzugsweise jedes Kör pers unbeschichtet. Diese Variante beruht auf der überraschenden Erkenntnis, dass mit Körpern aus Polyamid bzw. Quarzglas selbst ohne das Vorhandensein einer Beschich tung hohe Radarquerschnitte erreicht werden können. Im Gegensatz zu bekannten die lektrischen Radarreflektoren mit reflektierender Schicht wird mit dieser Ausführungs form ferner eine lückenlose Abdeckung des umgebenden Raums erreicht. Auch die Wirkung von bekannten Winkelreflektoren ist auf einen Sektor im Raum beschränkt. Durch eine Anordnung von mehreren Winkelreflektoren, z.B. eine Kombination aus 8 triangulären Winkelreflektoren (s.g. Oktaeder-Radarreflektor), lässt sich die räumliche Abdeckung zwar verbessern. Jedoch vermehrt sich das Gewicht und eine vollständige Abdeckung des umgebenden Raums wird aufgrund des Rückgangs des Radarquer schnitts an den Grenzen zwischen Wirkungsbereichen einzelner Winkelreflektoren trotzdem nicht erreicht. In einer weiteren Ausführungsform umfassen der oder die Körper eine oder mehrere Kugelsegmente, welche jeweils derart ausgestaltet sind, dass der Kugelmittelpunkt der kugelförmigen Oberfläche im jeweiligen Kugelsegment (d. h. nicht außerhalb des Ku gelsegments) liegt und dass das jeweilige Kugelsegment an einer Seite und vorzugs weise an zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils durch eine andere, von der kugelför migen Oberfläche abweichende Fläche begrenzt ist. Beispielsweise kann diese andere Fläche eine Kugelfläche mit einem anderen Radius als die kugelförmige Oberfläche sein. Vorzugsweise ist die andere Fläche jedoch eine nicht-kugelförmige Fläche und vorzugsweise eine ebene Fläche.

In einer bevorzugten Variante der obigen Ausführungsform ist das Kugelsegment an zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils durch eine ebene Fläche begrenzt, wobei die beiden ebenen Flächen parallel zueinander verlaufende Flächen sind. Durch die Ver wendung eines Kugelsegments gemäß den soeben beschriebenen Ausführungsformen wird ein kompakter Radarreflektor geschaffen, der eine Reflexion zurück zur Einfalls richtung der Strahlung aus einer Vielzahl von Richtungen ermöglicht.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen der oder die Körper eine oder mehrere Kugeln, welche jeweils an einer einzelnen Stelle eines Trägers, insbesondere auf einer Spitze eines spitzenförmigen Trägers, gelagert sind. Hierdurch kann ein weitgehend winkelunabhängiger Radarquerschnitt erreicht wer den.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten, insbesondere im Automobilbereich, in der Luftfahrt, in der Schifffahrt, in der Raum fahrt sowie im Bereich Sicherheit und Katastrophenschutz, zum Einsatz kommen. In der detaillierten Beschreibung wird eine Vielzahl von Anwendungsbeispielen genannt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind der oder die Körper an einem oder mehreren Straßenverkehrs-Infrastrukturei ementen, wie z. B. an Leitpfosten am Straßenrand, und/oder an einem oder mehreren Straßenverkehrsteilnehmern im zu erfassenden Raumbereich vorgesehen, zum Beispiel an Kraftfahrzeugen, Motorrädern, Fahrrädern oder auch an Motorradfahrern bzw. Fahrradfahrem. Ebenso können die Körper an Fußgängern angebracht sein. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass die Radarwellen von einer Radareinrichtung ausgesendet werden, die an einem Straßenverkehrs-Infrastrukturelement oder einem Straßenverkehrsteilnehmer ange bracht ist.

In einer weiteren Ausgestaltung sind der oder die Körper an zumindest einem Flugob jekt und/oder an zumindest einem schwimmenden Objekt im zu erfassenden Raumbe reich vorgesehen. Das Flugobjekt kann z. B. ein Flugzeug, ein Helikopter, eine Drohne, ein Satellit und dergleichen sein. Das schwimmende Objekt kann z. B. ein Schiff, eine Boje, ein Schwimmer und dergleichen sein. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass die Radarwellen von einer Radareinrichtung ausgesendet wer den, die an einem Flugobjekt oder einem schwimmenden Objekt angebracht ist.

In einer weiteren Ausführungsform sind der oder die Körper an zumindest einem sich autonom bewegenden Objekt und/oder an zumindest einem Menschen im zu erfassen den Raumbereich vorgesehen. Das sich autonom bewegende Objekt kann beispiels weise ein landwirtschaftliches Fahrzeug (z. B. ein Traktor), ein Roboter im industriel len Bereich, ein Roboter im medizinischen Umfeld oder auch ein Roboter für private Anwendungen sein. Beispielsweise kann der Roboter ein Pflegeroboter, ein Rasen mähroboter, ein Staubsaugerroboter und dergleichen sein. Bei dem Menschen handelt es sich insbesondere um eine Person, die sich in einem gefährlichen Gelände bewegt, wodurch dessen Ortung über Radarstrahlung mittels des bzw. der Körper verbessert wird. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass die Radarwellen von einer Radareinrichtung ausgesendet werden, die an einem sich autonom bewegenden Objekt oder an einem Menschen angebracht ist.

Neben dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erfassung eines Raumbereichs mittels Radarwellen. Die Vorrichtung enthält eine Ra darreinrichtung, welche derart ausgestaltet ist, dass sie im Betrieb Radarwellen in den Raumbereich aussendet und aus dem Raumbereich Radarechos empfängt, welche aus der Rückstreuung der Radarwellen aus dem Raumbereich resultieren, wobei die Ra dareinrichtung ferner dazu eingerichtet ist, die empfangenen Radarechos zu verarbei ten, um Informationen über den Raumbereich zu ermitteln.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst als Radarreflektoren einen oder mehrere homogene Körper aus Polyamid und/oder einen oder mehrere homogene Körper aus Quarzglas, wobei der oder die homogenen Körper, die aus Polyamid bzw. Quarzglas bestehen, in dem Raumbereich installiert sind und jeweils eine kugelförmige Oberflä che umfassen und als eine oder mehrere Kugeln und/oder eine oder mehrere Kugel Seg mente ausgestaltet sind. Die Vorrichtung ist so konfiguriert, dass Radarstrahlung der Radareinrichtung in einer Einfallsrichtung derart auf einen jeweiligen Körper fällt, dass durch Brechung der Radarstrahlung an der kugelförmigen Oberfläche des jewei ligen Körpers bei deren Eintritt in den jeweiligen Körper und Reflexion der eingetre tenen Radarstrahlung an der kugelförmigen Oberfläche des jeweiligen Körpers sowie nochmaliger Brechung der reflektierten Radarstrahlung an der kugelförmigen Ober fläche des jeweiligen Körpers bei deren Austritt aus dem jeweiligen Körper ein Radar echo in Richtung entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung erzeugt wird und durch die Radareinrichtung empfangen wird. Die Radareinrichtung ist dabei derart ausgestaltet, dass sie den jeweiligen Körper über das empfangene Radarecho detek- tiert.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise zur Durchführung einer oder mehrerer bevorzugter Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung die Verwendung von einem oder mehreren ho mogenen Körpern aus Polyamid und/oder von einem oder mehreren homogenen Kör pern aus Quarzglas in der Form von einer oder mehreren Kugeln und/oder in der Form von einem oder mehreren Kugel Segmenten als Radarreflektoren in dem erfindungsge- mäßen Verfahren bzw. in einer oder mehreren bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens oder in der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. in einer oder mehreren bevorzugten Varianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Fi guren detailliert beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Radarreflektors in der Form ei ner Metallkugel gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine Schnittansicht einer Quarzglaskugel, die im erfindungsgemäßen

Verfahren als Radarreflektor verwendet wird;

Fig. 3 und Fig. 4 Diagramme, welche den Radarquerschnitt einer Quarzglaskugel mit anderen Radarreflektoren vergleicht;

Fig. 5 eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines Radarreflektors mit einer Quarzglaskugel;

Fig. 6 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Radarreflek tors mit einem Quarzglaskugelsegment; und

Fig. 7 eine Draufsicht auf den in Fig. 6 im Schnitt gezeigten Radarreflektor.

Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung beruhen auf der erfindungswesentlichen Erkenntnis, dass sich Kugeln aus Polyamid oder Quarzglas bzw. Kugelsegmente aus Polyamid oder Quarzglas sehr gut als Radarreflektoren eig nen, da sie einen hohen Radarquerschnitt aufweisen. Der Radarquerschnitt wird im Folgenden auch als RCS (RCS= Radar Cross Section) bezeichnet und ist eine an sich bekannte Größe. Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Quarzglaskugeln bzw. Quarzglaskugelsegmenten erläutert. Nichtsdestotrotz kann erfindungsgemäß als Ma terial für die Kugeln bzw. Kugelsegmente auch Polyamid genutzt werden.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt eine an sich bekannte metallische Kugel, die sich im Ver gleich zu der weiter unten beschriebenen Quarzglaskugel nur bedingt zur Reflexion von Radarstrahlung eignet. Die metallische Kugel ist in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen G bezeichnet und hat eine metallische Oberfläche la'. Der Durchmesser der Kugel ist mit Bezugszeichen D bezeichnet. Parallele Radarstrahlen fallen von einer schematisch angedeuteten Radareinrichtung 2 (nicht maßstabsgetreu dargestellt) auf die Oberfläche la' der metallischen Kugel G. Beispielhaft sind aus der Reflexion an der Oberfläche la' hervorgerufene Radarechos RE durch gestrichelte Pfeile wiedergegeben. Ferner ist der vertikal nach unten am Nordpol einfallende Radarstrahl RS dargestellt, der zu ei nem Radarecho RE entgegengesetzt zu dem Radarstrahl RS führt. Wie man erkennt, wird nur bei der Reflexion des Radarstrahls am Nordpol ein Radarecho entgegenge setzt zur Einfallsrichtung generiert. Beiträge von anderen Punkten auf der Oberfläche la' der metallischen Kugel G werden zur Seite weg reflektiert. Demzufolge ist der RCS-Wert einer metallischen Kugel mit dem Durchmesser D, der größer als die Wel lenlänge der einfallenden Radarstrahlung ist, verhältnismäßig klein. In an sich bekann ter Weise kann der RCS-Wert s in Abhängigkeit von dem Durchmesser D durch fol gende Formel beschrieben werden: a = D ¹ ! 4 (1)

Im Unterschied zu einer metallischen Kugel ist der Radarquerschnitt einer Kugel aus dielektrischem Material durch eine zusätzliche Reflexion an der gewölbten Innen grenze verstärkt. Durch Berechnungen kann nachgewiesen werden, dass eine relative dielektrische Konstante des Dielektrikums einer dielektrischen Kugel zum Erreichen von ausreichenden Radarquerschnitten zwischen 2 und 4 liegen sollte. Das Wesen der Erfindung besteht in der Erkenntnis, dass Quarzglas, bei dem es sich um reines Silizi umdioxid mit einer Dichte von etwa 2,2 g/cm ³ handelt, eine solche relative Dielektrizitätskonstante für elektromagnetische Wellen im Frequenzspektrum von Ra dar aufweist.

Die elektrischen Eigenschaften für Quarzglas bei 23°C und einer Strahlungsfrequenz von 80 GHz sind dabei wie folgt:

Im Besonderen konnte der Erfinder basierend auf Berechnungen ermitteln, dass sich der Radarquerschnitt einer Quarzglaskugel mit einem Durchmesser größer als die Wellenlänge der einfallenden Radarstrahlung durch folgende Gleichung näherungs weise beschreiben lässt: s = 8,9 FD ³ (2)

Dabei ist D der Durchmesser (m) der Quarzglaskugel, F die Frequenz (GHz) der ein fallenden Radarstrahlung und s der RCS-Wert (m ² ). Wie man erkennt, vergrößert sich der RCS-Wert mit zunehmender Frequenz bzw. zunehmendem Durchmesser. Die Gleichung (2) setzt vernachlässigbare Verluste im Material der Kugel voraus.

Fig. 2 zeigt eine Quarzglaskugel 1, die im Rahmen der Erfindung als Radarreflektor eingesetzt wird. Die Oberfläche der Quarzglaskugel ist mit Bezugszeichen la und de ren Durchmesser mit Bezugszeichen D bezeichnet. In dem Szenario der Fig. 2 werden analog zu Fig. 1 durch eine Radareinrichtung 2 (nicht maßstabsgetreu dargestellt) pa rallele Radarstrahlen erzeugt, die in vertikaler Richtung nach unten auf die Quarzglas kugel 1 fallen. Die Radarstrahlung enthält einen Ring aus Radar strahlen, der sich ent lang der angedeuteten Linie L erstreckt. Ein Radarstrahl dieses Rings ist durch den Pfeil RS wiedergegeben. Nur Radar strahlen, die entlang dieses Rings auf die Oberflä che la fallen, werden durch Brechung und Reflexion an der Oberflächenwölbung entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung als Radarecho zurückgeworfen. Ein solches Radarecho RE ist für den Radarstrahl RS durch einen gestrichelten Pfeil ange deutet.

Wie man erkennt, entsteht das Radarecho RE dadurch, dass der Radarstrahl RS zu nächst an der Außenseite der Kugel 1 gebrochen wird. Der daraus resultierende Ra darstrahl PI breitet sich im Inneren der Kugel aus und wird anschließend am Südpol der Kugel reflektiert, so dass der reflektierte Radarstrahl P2 entsteht. Dieser Radar strahl wird bei seinem Austritt aus der Kugel 1 nochmals gebrochen und führt zu dem Radarecho RE.

Im Unterschied zu der metallischen Kugel G, bei der nur der am Nordpol eintreffende Radarstrahl RS entgegengesetzt zur Einfallsrichtung rückreflektiert wird, erzeugt die Quarzglaskugel 1 einen Ring von Radarstrahlung entsprechend der Linie L entgegen gesetzt und parallel zur Einfallsrichtung. Es wird somit ein wesentlich höherer Radar querschnitt erreicht. Es ist dabei lediglich sicherzustellen, dass die ausgesendete Ra darstrahlung so einfällt, dass ein Radarecho entlang des Rings gemäß der Linie L ent steht. Für eine Quarzglaskugel ergibt sich für die Linie L ein Zenitwinkel qo von 26° am Kugelmittelpunkt M. Demzufolge werden bei der Verwendung einer Quarzglas kugel als Radarreflektor hohe Radarquerschnitte dann erreicht, wenn die Radarstrah- lung entlang des Rings mit dem Öffnungswinkel 2qo (d.h. von 52°) einfällt.

Fig. 3 und Fig. 4 zeigen Diagramme, welche auf Berechnungen des Erfinders beruhen und Radarquerschnitte RCS in dBm ² in Abhängigkeit vom Einfallswinkel Q der Ra darstrahlung in Grad (deg.) für unterschiedliche Radarreflektoren umfassend eine Quarzglaskugel wiedergeben. Die Radarquerschnitte sind dabei für eine Radarstrah lung mit der Wellenlänge l = 3,2 cm angegeben. Die Linie LI in Fig. 3 und Fig. 4 entspricht dem Radarquerschnitt einer Quarzglaskugel. Demgegenüber stellt die Linie L2 in Fig. 3 und Fig. 4 den Radarquerschnitt einer metallischen Kugel dar. Für beide Kugeln wurde ein Durchmesser D = 17,9 cm angenommen. Der Kurve Kl in Fig. 3 entspricht dem Radarquerschnitt einer quadratischen metallischen Platte, die eine Länge von 17,9 cm entsprechend dem Kugel durchmesser hat. Demgegenüber ent spricht die Kurve K2 in Fig. 4 dem Radarquerschnitt eines Winkelreflektors aus zwei metallischen quadratischen Platten mit einer Kantenlänge der Platten von 17,9 cm.

Wie man aus den Diagrammen der Fig. 3 und Fig. 4 erkennt, ist der Radarquerschnitt der Quarzglaskugel deutlich höher als der Radarquerschnitt der metallischen Kugel. Im Besonderen liegt der Radarquerschnitt gemäß der Linie LI bei -1,9 dBm ² , wohin gegen der Radarquerschnitt der Linie L2 bei -16 dBm ² liegt. Darüber hinaus ist der Radarquerschnitt der Quarzglaskugel isotrop, d. h. die Quarzglaskugel stellt einen richtungsunabhängigen Radarreflektor dar, der Radarwellen immer entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung zurückwirft. Dies ist für eine metallische Platte und einen Winkelreflektor nicht der Fall, wie sich aus den Kurven Kl und K2 der Fig. 3 und Fig. 4 ergibt. Wie man erkennt, ist der Radarquerschnitt einer metallischen Platte gemäß der Kurve Kl stark winkelabhängig und weist eine Vielzahl von Peaks auf. Der höchste Peak liegt dabei in einem Winkelbereich von 4,5°, der durch die beiden Pfeile P' in Fig. 3 angedeutet ist. Auch der Winkelreflektor gemäß der Kurve K2 der Fig. 4 weist eine Winkelabhängigkeit auf. Insbesondere fällt der Radarquerschnitt außerhalb eines Winkelbereichs von 90° stark ab, wie durch den Pfeil P" angedeutet ist, der den Winkelbereich von 90° abdeckt.

In einer bevorzugten Variante wird die Quarzglaskugel aus Fig. 2 zur Reflexion von Radarstrahlung im sog. unteren W-Band verwendet, das einen Frequenzbereich der Radarstrahlung zwischen 77 GHz und 81 GHz abdeckt. Dieser Frequenzbereich kommt bevorzugt in Anwendungen im Automobilbereich (autonomes Fahren, Fahras sistenzsysteme, Fahr Sicherheit und dergleichen) zum Einsatz. Für Kugeln mit einem Durchmesser von 5 cm ergeben sich folgende mittlere Radarquerschnitte in diesem W-Band:

Wie man erkennt, hat die Quarzglaskugel einen deutlich höheren Radarquerschnitt als Kugeln aus anderen Materialen. Insbesondere reflektiert die Quarzglaskugel ca. 46- mal stärker als eine metallische Kugel. Dieses Verhältnis verstärkt sich mit zunehmen der Frequenz bzw. zunehmendem Durchmesser (siehe Formeln (1) und (2)). Eine Quarzglaskugel ist somit außerordentlich gut zur Verwendung für Radarstrahlung im obigen Frequenzbereich geeignet. Eine Kugel aus Polyamid (relative Dielektrizitäts konstante 3,06; dielektrischer Verlustwinkel 0,01) reflektiert auch deutlich stärker (ca. 3 -mal stärker) als eine metallische Kugel. Kugeln aus anderen Kunststoffen, her kömmlichen Gläsern und Keramiken reflektieren kaum stärker als eine Metallkugel, da bei Radarfrequenzen die relative Dielektrizitätskonstante dieser Stoffe außerhalb des Intervalls zwischen 2 und 4 liegt und/oder die Verluste im Material einfach zu groß sind.

Fig. 5 bis Fig. 7 zeigen zwei Ausführungsbeispiele der Verwendung einer Quarzglas kugel bzw. eines Quarzglaskugelsegments als Radarreflektor. In Fig. 5 bis Fig. 7 ist dabei durch eine gestrichelte Linie der Verlauf eines einfallenden Radarstrahls RS und des daraus resultierenden Radarechos RE für eine Einfallsposition angedeutet, bei der das Radarecho entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung des Radarstrahls zu rückgeworfen wird. Die Radarstrahlung stammt von der Radar einrichtung 2, die sche matisch und nicht maßstabsgetreu wiedergegeben ist. Das Bezugszeichen M bezeich net in Fig. 5 und Fig. 6 den Mittelpunkt der Quarzglaskugel bzw. den Mittelpunkt des Quarzgl askugel segments .

Fig. 5 zeigt einen Anwendungsfall, bei dem eine vollkommen richtungsunabhängige Reflexion von einfallender Radarstrahlung erreicht wird. Hierzu wird die Quarzglas kugel 1 auf der Spitze eines spitzenförmigen Trägers 3 gelagert. Fig. 6 zeigt einen Anwendungsfall, bei dem anstatt einer Quarzglaskugel ein Quarzglaskugelsegment 1 verwendet wird. Das Segment ist in der Ausführungsform der Fig. 6 Bestandteil eines Leitpfostens 4, der am Straßenrand angeordnet ist und mit einer Radareinrichtung 2 eines Kraftfahrzeugs detektiert werden kann. Wie man aus Fig. 6 erkennt, ist das Quarzglaskugelsegment zwischen einem oberen Abschnitt 4a und einem unteren Ab schnitt 4b des Leitpfostens angeordnet.

Das Kugelsegment entsteht dadurch, dass die ursprüngliche Quarzglaskugel im glei chen Abstand von einer horizontalen, durch den Mittelpunkt M verlaufenden Ebene E abgeschnitten wird. Es entstehen somit zwei parallele Flächen lc, die das Kugelseg ment oben und unten begrenzen. Dabei ist darauf zu achten, dass der Öffnungswinkel für einfallende Radarstrahlung am Mittelpunkt M so gewählt wird, dass eine Rückre flexion der Radarstrahlung zur Radareinrichtung gewährleistet ist, d. h. der Öffnungs winkel 2qo liegt mindestens bei 52°, wie bereits oben beschrieben wurde. Optional kann ferner eine metallische Reflexionsschicht lb auf der Oberfläche la des Kugelseg ments in einem Bereich vorgesehen sein, an dem die Reflexion der Radarstrahlung an der gewölbten Innengrenze des Kugelsegments erfolgt. Hierdurch wird der Radarquer schnitt erhöht.

Fig. 7 zeigt den Leitpfosten 4 der Fig. 6 nochmals in Draufsicht von oben, wobei ferner nochmals ein Strahlengang eines Radarstrahls verdeutlicht ist. Dabei ist zu beachten, dass der Verlauf der Radarstrahlung in einer Ebene liegt, die durch das Quarzglasku gelsegment verläuft.

Der als Quarzglaskugel bzw. Quarzglaskugelsegment ausgestaltete Radarreflektor kann für eine Vielzahl von Anwendungsgebieten zum Einsatz kommen. Dabei ist es das Ziel, den Radarreflektor mit einer entsprechenden Radareinrichtung zu detektie- ren, um hierdurch Informationen über die Position des Radarreflektors im Bezug zur Radareinrichtung zu erhalten. Ein Anwendungsbereich des als Quarzglaskugel bzw. Quarzglaskugel Segment ausge stalteten Radarreflektors ist der Automobilbereich. Der Radarreflektor kann dabei als Markierung für folgende Zwecke eingesetzt werden:

- Positionsbestimmung von Fahrzeugen auf der Straße, z.B. durch Markierung des Straßenrands (an Leitpfosten) und der Fahrbahn (an der Fahrstreifenmarkierung),

- radargestützte Erkennung von anderen Verkehrsteilnehmern, wie Autos, Radfah rern und Fußgängern, wobei die Quarzglaskugel bzw. das Quarzglaskugelsegment beispielsweise an Stoßstangen und Anhängerkupplungen von Autos, Lenkern bzw. Steuerrohren von Fahrrädern, Radfahrerhelmen, Warnwesten, Schulranzen, Beklei dung und dergleichen angebracht werden kann,

- Erkennung der Außenabmessungen von Fahrzeugen bei Höhenkontrollen vor Brü cken, Unterführungen und Tunneln,

- Positionsbestimmung für autonome Fahrzeuge und Serviceroboter auf privaten, landwirtschaftlichen und betrieblichen Flächen, beispielsweise in Parkhäusern, La gerhallen und dergleichen.

Ein weiteres Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Quarzglaskugeln bzw. Quarzglas kugelsegmente ist die Luftfahrt. Die Quarzglaskugeln bzw. Quarzglaskugelsegmente können z. B. in Flugzeugen, Hubschraubern, Drohnen, Drachen, Gleitschirmen und dergleichen integriert werden. Ebenso können sie zur radarwirksamen Markierung von Windkraftanlagen, Stromtrassen, Hochhäusern, Brücken, Turmkränen, Seilbahnen so wie Start- und Landebahnen an Flughäfen genutzt werden.

Ebenso können die erfindungsgemäßen Quarzglaskugeln bzw. Quarzglaskugel Seg mente in der Schifffahrt eingesetzt werden. Insbesondere können sie dabei für folgende Zwecke genutzt werden:

- Markierung von Schiffen, auch für autonomes Schwimmen,

- Markierung des Fahrwassers (Bojen), - Markierung von Küstenbereichen (Klippen, Riffen) sowie von Gewässern in Ha fenbereichen (Kais, Landezonen, Stege, Piers),

- Höhenkontrolle von Schiffen vor Brücken.

Ein weiterer Anwendungsbereich ist die Raumfahrt. Dabei können die erfindungsge mäßen Quarzglaskugeln bzw. Quarzglaskugelsegmente für folgende Zwecke genutzt werden:

- Verfolgung von Satelliten von Bodenstationen aus,

- Kalibrierung des Orbits von Satelliten,

- Radarentfernungsmessung zwischen Satelliten,

- Positionskontrollen für Satelliten im Formationsflug,

- Markierung von Landungsstellen und Landemodulen, z.B. auf dem Mond, auf As teroiden und Planeten.

Ein weiteres Anwendungsfeld für die erfindungsgemäßen Quarzglaskugeln bzw. Quarzglaskugelsegmente ist Sicherheit und Katastrophenschutz, insbesondere für fol gende Zwecke:

- Erkennung von Personen und Gegenständen (Rettungsboote und Flöße, Rettungs westen, frei schwimmenden Container) im Wasser bei Dunkelheit oder Nebel,

- Navigation von Rettungspersonen, Robotern und autonomen Fahrzeugen in dunk len, verrauchten Räumen,

- drohnengestützte Kontrolle von Pipelines und Deformationen der Erdoberfläche,

- Markierung von gefährlichem Gelände (z.B. Durchgänge in Schnee-, Berg-, und Sumpfgebieten oder in vermintem Terrain).

Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere werden Quarzglaskugeln bzw. Quarzglas kugelsegmente oder Kugeln bzw. Kugelsegmente aus Polyamid in radargestützten Verfahren zur Reflexion von Radarstrahlung genutzt. Quarzglaskugeln bzw. Quarzglaskugelsegmente haben dabei den Vorteil, dass sie einfach und kostengünstig zu fertigen sind und im Frequenzbereich von Radarwellen einen hohen Radarquer schnitt aufweisen. Das Gleiche gilt für Kugeln bzw. Kugelsegmente aus Polyamid. Darüber hinaus sind Quarzglaskugeln bzw. Quarzglaskugelsegmente mechanisch fest und sie haben einen geringen Ausdehnungskoeffizienten und eine hohe Temperatur wechselbeständigkeit. Ferner sind Quarzglaskugeln bzw. Quarzglaskugelsegmente chemisch stabil, da Quarzglas mit Ausnahme von Flusssäure und heißer Phosphor säure von keiner Säure angegriffen wird und sich gegenüber vielen Stoffen neutral verhält. Im Übrigen ist Quarzglas ein umweltfreundliches und wetterbeständiges Ma- terial.