Beschreibung

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

Radarwellen ermöglichen die Erkennung und Ortung von Objekten auf der Basis elektromagnetischer Wellen im Kurz- und Mikrowellenbereich. Die Ortung mittels Radarwellen 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 Antennen technik sowie durch neue computergestützte Signalverarbeitungsverfahren verbes sert. Es entstehen dabei neue Anwendungen für Radare, insbesondere im Bereich Verkehr (z. B. autonome 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 Grö ße 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. Ebenso kommen als Retroreflektoren sog. Lüneburg-Linsen zum Einsatz. Es handelt sich hierbei um kugelförmige Linsen mit nach innen zunehmendem Brechungsindex, was durch die lektrisches Material mit ortsabhängiger Dielektrizitätskonstante erreicht wird. Lüne burg-Linsen zeichnen sich dadurch aus, dass parallel einfallende Radarstrahlen in einem Reflexionspunkt fokussiert werden und entgegengesetzt zu ihrer Einfallsrich tung zurückgeworfen werden. Lüneburg-Linsen sind durch die Variation ihrer Die lektrizitätskonstanten jedoch schwer zu fertigen. Ferner benötigen Lüneburg-Linsen eine Metallisierung am Reflexionspunkt (sonst keine Reflexion), was ihren Abde ckungsraum signifikant begrenzt.

Die Druckschrift DE 199 43 396 B3 beschreibt ein Verfahren zum Schützen von beweglichen Objekten mittels eines entfaltbaren Täuschkörpers, wobei der zusam mengefaltete Täuschkörper von dem zu schützenden Objekt verschossen und wäh rend des Schusses mittels Gasen entfaltet wird. Der Täuschkörper umfasst als radar- reflektierende Objekte Winkelreflektoren.

In dem Dokument DE 20 2006 002 001 Ul ist ein automatischer Seenot- Rettungsballon mit einem internen Radarreflektor zur Markierung für den Seenotfall von Personen, Gegenständen und Rettungsinseln offenbart. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung ei nes Raumbereichs mittels Radarwellen zu schaffen, in denen einfach aufgebaute Ra darreflektoren mit hohem Radarquerschnitt zum Einsatz kommen.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bzw. die Vorrich tung gemäß Patentanspruch 14 bzw. die Verwendung gemäß Patentanspruch 16 ge löst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Raumbereich mittels Ra darwellen erfasst, indem eine Radareinrichtung Radarwellen in einem vorgegebenen Frequenzbereich in den Raumbereich aussendet und aus dem Raumbereich Radar echos empfängt, welche aus der Rückstreuung der Radarwellen aus dem Raumbe reich resultieren. Die Radareinrichtung verarbeitet die empfangenen Radarechos, um Informationen über den Raumbereich zu ermitteln. Entsprechende Verarbeitungsver fahren für Radarechos sind an sich bekannt und werden nicht weiter im Detail erläu tert. Insbesondere können über die empfangenen Radarechos Objekte im Raumbe reich detektiert werden. Dabei werden Informationen zur Position dieser Objekte ermittelt, insbesondere die Richtung, in der sich das Objekt ausgehend von der Rada reinrichtung befindet, und/oder die Entfernung des Objekts von der Radareinrich tung. Die Entfernung wird in der Regel über eine Laufzeitmessung der Radarwellen bestimmt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass in dem zu erfas senden Raumbereich als Radarreflektoren eine oder mehrere Kugeln installiert sind, welche jeweils eine kugelförmige Außenwand umfassen, die für die Radarwellen der Radareinrichtung teilweise transparent und teilweise reflektierend ist. Mit anderen Worten ist die Außenwand derart ausgestaltet, dass beim Auftreffen von darauf fal lender Radarstrahlung ein Teil der Radarstrahlung durchgelassen wird und ein Teil der Radarstrahlung reflektiert wird. Der Begriff der Installation der Kugeln ist derart zu verstehen, dass die Kugeln dediziert durch Menschen zum Zwecke der Reflexion von Radarstrahlung im Raumbereich eingebracht sind. Im Inneren einer jeweiligen Kugel (d.h. jeder Kugel) schließt sich an die Außenwand ein hohler Bereich an, welcher derart groß ist, dass Radarstrahlen von über die Au ßenwand eintretender Radarstrahlung der Radareinrichtung im Inneren der jeweili gen Kugel auftreten, die jeweils zweimal und jeweils dreimal an der Außenwand reflektiert werden und anschließend entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung der eintretenden Radarstrahlung als Radarecho über die Außenwand austreten. Mit anderen Worten ist der hohle Bereich derart groß, dass Strahlengänge jeweiliger Ra darstrahlen, die zweimal und dreimal an der Außenwand reflektiert werden und an schließend entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung aus der Kugel austreten, zugelassen und nicht behindert werden. Beispielsweise kann der hohle Bereich als Kugelschale ausgestaltet sein. Die Radareinrichtung empfängt dieses Radarecho und detektiert über dieses Radarecho die jeweilige Kugel, d.h. es werden Informationen zu der Kugel und vorzugsweise ihre Position bzw. Entfernung relativ zu der Radar einrichtung ermittelt.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Erkenntnis, dass sich teiltransparen te und zumindest teilweise hohle Kugeln sehr gut als Radarreflektoren eignen. Insbe sondere kann mit diesen Kugeln aufgrund von Mehrfachreflexionen an der Innensei te ihrer Außenwand ein deutlich höherer Radarquerschnitt im Vergleich zu solchen Hohl- oder Vollkugeln erreicht werden, welche die gesamte einfallende Radarstrah lung reflektieren und beispielsweise als metallische Kugeln ausgestaltet sind. Dar über hinaus wird durch die kugelförmige Außenwand der teiltransparenten Kugeln gewährleistet, dass der Radarquerschnitt der Kugeln unabhängig von der Einfalls richtung der Radarwellen ist. Durch den teilweise hohlen Innenraum der entspre chenden Kugeln wird ferner eine Gewichtsreduktion erreicht.

Der Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, dass für den Radarquerschnitt einer teiltransparenten Kugel hauptsächlich zweimal und dreimal, im Inneren der Kugel reflektierte Strahlen verantwortlich sind. Demzufolge ist es nicht zwangsläufig erfor derlich, dass die Kugel in ihrem gesamten Inneren hohl ist, sondern es kann auch nur ein sich an die Außenwand anschließender Abschnitt hohl ausgestaltet sein, solange der Strahlengang von zweifach und dreifach reflektierten Radarstrahlen nicht behin dert wird. Nichtsdestotrotz ist in einer bevorzugten Ausführungsform zumindest eine Kugel und vorzugsweise jede der einen oder mehreren Kugeln eine Hohlkugel, deren hohler Bereich das gesamte Innere der zumindest einen Kugel umfasst. Hierdurch wird ein Radarreflektor mit besonders geringem Gewicht geschaffen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Durchmesser einer jeweili gen Kugel der einen oder mehreren Kugeln größer und vorzugsweise wenigstens 30- mal größer als die größte Wellenlänge im vorgegebenen Frequenzbereich der Ra darwellen. Auf diese Weise werden besonders hohe Radarquerschnitte für die ent sprechende Kugel erreicht.

Je nach Ausführungsform können Radarwellen in verschiedenen Frequenzbändern in den Raumbereich ausgesendet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform um fasst der vorgegebene Frequenzbereich der ausgesendeten Radarwellen Frequenzen zwischen 1 GHz und 300 GHz. Vorzugsweise liegt der vorgegebene Frequenzbereich im Frequenzband zwischen 8 GHz und 12 GHz (sog. X-Band) oder im Frequenzbe reich von 26,5 GHz und 40 GHz (sog. Ka-Band) oder im Frequenzbereich zwischen 75 GHz bis 110 GHz (sog. W-Band).

Je nach Ausgestaltung können als Außenwand einer jeweiligen Kugel der einen oder mehreren Kugeln verschiedene Materialien verwendet werden. Vorzugsweise besteht die Außenwand einer jeweiligen Kugel aus Gummi oder Polypropylen oder Teflon oder Quarzglas, wobei gegebenenfalls unterschiedliche Materialien für verschiedene Kugeln genutzt werden können. Ferner können auch andere geeignete Materialien für die Kugeln verwendet werden. Unter dem obigen Begriff "Gummi" sind dabei form feste, elastisch verformbare Kunststoffe zu verstehen (sog. Elastomere), sofern sie teiltransparent für Radarwellen sind. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zumindest eine Kugel und insbe sondere jede Kugel der einen oder mehreren Kugel ein schwebender aufgeblasener Gasballon. Das Schweben des Gasballons kann mit einer geeigneten Befüllung des Ballons mit einem Gas geringer Dichte erreicht werden. Der Gasballon kann dabei gefesselt sein, d.h. an einem Objekt über ein Befestigungsmittel (z.B. eine Leine) angebracht sein. Nichtsdestotrotz kann der Gasballon gegebenenfalls auch frei schwebend sein.

Die Verwendung von als Gasballons ausgestalteten Kugeln hat besondere Vorteile. Insbesondere können durch Veränderung des Gasdrucks im Inneren der Kugeln auf einfache Weise deren Größe und damit deren Reflexionseigenschaften variiert wer den. Darüber hinaus können mit Gasballons hohe Kugeldurchmesser erreicht werden, was zu sehr hohen Rückstreuquerschnitten führt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine jeweilige Kugel der einen oder mehreren Kugeln derart ausgestaltet, dass ihr über den vorgegebenen Frequenz bereich der Radarwellen gemittelter Radarquerschnitt zumindest doppelt so groß ist wie derjenige einer Kugel mit dem gleichen Durchmesser wie die jeweilige Kugel und mit einer äußeren Oberfläche, die für Radarwellen im vorgegebenen Frequenz bereich vollreflektierend ist (z.B. eine metallische Kugel). In der detaillierten Be schreibung wird ausführlich beschrieben, wie solche Kugeln realisiert werden kön nen. Vorzugsweise ist der gemittelte Radarquerschnitt der jeweiligen Kugel zumin dest fünfmal oder gegebenenfalls auch zehnmal so groß wie derjenige einer Kugel mit gleichem Durchmesser und vollreflektierender äußeren Oberfläche.

Vorzugsweise ist die Dicke der Außenwand einer jeweiligen Kugel der einen oder mehreren Kugeln 8 mm oder kleiner. In einer Variante des erfindungsgemäßen Ver fahrens liegt der Frequenzbereich der Radarwellen im Frequenzband zwischen 8 GHz und 12 GHz und die Dicke der Außenwand zumindest einer Kugel und vor zugsweise jeder Kugel der einen oder mehreren Kugeln liegt zwischen 4 mm und 8 mm und insbesondere bei 6 mm. In einer anderen Ausgestaltung liegt der Frequenz- bereich der Radarwellen im Frequenzband zwischen 26,5 GHz und 40 GHz und die Dicke der Außenwand zumindest einer Kugel und vorzugsweise jeder Kugel der ei nen oder mehreren Kugeln liegt zwischen 1,5 mm und 2 mm und insbesondere bei 1,7 mm. Der Erfinder konnte durch Berechnungen ermitteln, dass mit den beiden zuletzt genannten Ausführungsformen ein besonders hoher Radarquerschnitt der je weiligen Kugeln erreicht wird, und zwar insbesondere, wenn die Außenwand der jeweiligen Kugel aus Gummi gebildet ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind im Raumbereich mehrere der oben beschriebenen Kugeln installiert, wobei sich die Rückstreueigenschaften der Kugeln unterscheiden, was durch die Verwendung von unterschiedlichen Materialien für die Außenwand und/oder unterschiedlichen Dicken der Außenwand und/oder unterschiedlichen Durchmessern der Kugeln erreicht werden kann. Vorzugsweise sind die mehreren Kugeln derart ausgestaltet, dass aus den Radarechos der mehreren Kugeln ein Radarquerschnitt resultiert, der im Wesentlichen unabhängig von den Frequenzen im vorgegebenen Frequenzbereich der Radarwellen ist.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung macht man sich die Erkenntnis zunutze, dass der Radarquerschnitt der im erfmdungsgemäßen Verfahren verwende ten Kugeln von der Frequenz der verwendeten Radarstrahlung abhängt. Dabei wird mittels der Radareinrichtung im Rahmen der Detektion der jeweiligen Kugeln über das Radarecho der frequenzabhängige Verlauf des Radarquerschnitts im vorgegebe nen Frequenzbereich der Radarwellen erfasst, wobei dieser Verlauf in der Radarein richtung mit einem oder mehreren frequenzabhängigen Verläufen der Radarquer schnitte von einem oder mehreren vorbekannten Radarreflektoren (d.h. Radarreflek toren mit jeweils vorbekanntem konstruktivem Aufbau) im vorgegebenen Frequenz bereich der Radarwellen verglichen wird, um die jeweilige Kugel als einen vorbe kannten Radarreflektor zu identifizieren, d.h. um festzustellen, ob eine jeweilige Ku gel einem vorbekannten Radarreflektor entspricht. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten, insbesondere im Automobilbereich, in der Luftfahrt, in der Schifffahrt, in der Raum fahrt, in der Wehrtechnik sowie im Bereich Sicherheit und Katastrophenschutz, zum Einsatz kommen. In der detaillierten Beschreibung wird eine Vielzahl von Anwen dungsbeispielen genannt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist zu mindest ein Teil der einen oder mehreren Kugeln an einem oder mehreren Straßen- verkehrs-Infrastrukturelementen, wie z. B. an Leitpfosten am Straßenrand, und/oder an einem oder mehreren Straßenverkehrsteilnehmem im zu erfassenden Raumbe reich vorgesehen, zum Beispiel an Kraftfahrzeugen, Motorrädern, Fahrrädern oder auch an Motorradfahrern bzw. Fahrradfahrern. Ebenso können die Kugeln an Fuß gängern angebracht sein. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass die Ra darwellen von einer Radareinrichtung ausgesendet werden, die an einem Straßenver- kehrs-Infrastrukturelement oder einem Straßenverkehrsteilnehmer angebracht ist.

In einer weiteren Ausgestaltung ist zumindest ein Teil der einen oder mehreren Ku geln an zumindest einem Flugobjekt und/oder an zumindest einem schwimmenden Objekt im zu erfassenden Raumbereich 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 derglei chen sein. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass die Radarwellen von einer Radareinrichtung ausgesendet werden, die an einem Flugobjekt oder einem schwimmenden Objekt angebracht ist.

In einer weiteren Ausführungsform werden die Radarwellen von einer Radareinrich tung ausgesendet werden, die an einem sich autonom bewegenden Objekt oder an einem Menschen angebracht ist. Das sich autonom bewegende Objekt kann bei spielsweise ein landwirtschaftliches Fahrzeug (z. B. ein Traktor), ein Roboter im industriellen Bereich, ein Roboter im medizinischen Umfeld oder auch ein Roboter für private Anwendungen sein. Beispielsweise kann der Roboter ein Pflegeroboter, ein Rasenmähroboter, ein Staubsaugerroboter und dergleichen sein. Bei dem Men schen handelt es sich insbesondere um eine Person, die sich in einem gefährlichen Gelände bewegt. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass zumindest ein Teil der einen oder mehreren Kugeln an zumindest einem sich autonom bewegenden Objekt und/oder an zumindest einem Menschen im zu erfassenden Raumbereich vorgesehen ist.

Neben dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erfassung eines Raumbereichs mittels Radarwellen. Die Vorrichtung enthält eine Radarreinrichtung, welche derart ausgestaltet ist, dass sie im Betrieb Radarwellen in einem vorgegebenen Frequenzbereich in den Raumbereich aussendet und aus dem Raumbereich Radarechos empfängt, welche aus der Rückstreuung der Radarwellen aus dem Raumbereich resultieren, wobei die Radareinrichtung ferner dazu eingerich tet ist, die empfangenen Radarechos zu verarbeiten, um Informationen über den Raumbereich zu ermitteln.

Die erfmdungsgemäße Vorrichtung umfasst als Radarreflektoren eine oder mehrere Kugeln, welche in dem Raumbereich installiert sind, wobei die eine oder mehreren Kugeln jeweils eine kugelförmige Außenwand umfassen, die für die Radarwellen der Radareinrichtung teilweise transparent und teilweise reflektierend ist. Im Inneren einer jeweiligen Kugel schließt sich an die Außenwand ein hohler Bereich an, der derart groß ist, dass Radarstrahlen von über die Außenwand eintretender Radarstrah lung der Radareinrichtung im Inneren der jeweiligen Kugel auftreten, die jeweils zweimal und jeweils dreimal an der Außenwand reflektiert werden und anschließend entgegengesetzt und parallel zur Einfallsrichtung der eintretenden Radarstrahlung als Radarecho über die Außenwand austreten. Die Radareinrichtung ist derart ausgestal tet, dass sie über dieses Radarecho, das von ihr empfangen wird, die jeweilige Kugel detektiert.

Die erfmdungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise zur Durchführung einer oder mehrerer bevorzugter Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Darüber hinaus betrifft die Erfindung die Verwendung von einer oder mehreren Ku geln mit kugelförmiger Außenwand, die für Radarwellen teilweise transparent und teilweise reflektierend ist, und daran anschließendem hohlen Bereich im Inneren der Kugel als Radarreflektoren in dem erfindungsgemäßen 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 Figuren detailliert beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Radarreflektors in der Form einer metallischen Kugel;

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer Hohlkugel, die in einer Varian- te des erfindungsgemäßen Verfahrens als Radarreflektor verwendet wird;

Fig. 3 ein Diagramm, das den frequenzabhängigen Verlauf des Radarquer schnitts einer Ausgestaltung der Hohlkugel aus Fig. 2 wiedergibt;

Fig. 4 ein Diagramm, das für eine Ausgestaltung einer metallischen Kugel aus Fig. 1 und Varianten von Hohlkugeln aus Fig. 2 mit unterschiedli chen Wanddicken den über die Frequenzen von eingestrahlter Radar strahlung gemittelten Radarquerschnitt in Abhängigkeit von den Durchmessern der Kugeln darstellt;

Fig. 5 eine schematische Schnittansicht einer abgewandelten Ausführungs form der Hohlkugel aus Fig. 2; und Fig. 6 und Fig. 7 schematische Schnittansichten weiterer Ausführungsformen aus Gruppen von mehreren Hohlkugeln.

Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung beruhen auf der Erkenntnis, dass sich Kugeln mit für Radarwellen teiltransparenter Außenwand, an die sich ein ausreichend großer hohler Bereich im Inneren der Kugel anschließt, sehr gut als Radarreflektoren eignen. Dies liegt daran, dass diese Kugeln, die im Folgen den auch als Hohlkugeln bezeichnet werden, einen hohen Radarquerschnitt aufwei sen. Der Radarquerschnitt wird im Folgenden auch als RCS (RCS= Radar Cross Sec- tion) bezeichnet und ist eine an sich bekannte Größe.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt eine an sich bekannte metallische Kugel, die sich im Ver gleich zu den weiter unten beschriebenen Hohlkugeln 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', die vollreflektierend für einfal lende Radarstrahlung ist (d.h. im Wesentlichen die gesamte einfallende Radarstrah lung wird zurückgeworfen). Der Durchmesser der Kugel ist mit Bezugszeichen D bezeichnet. Parallele Radarstrahlen fallen von einer schematisch angedeuteten Rada reinrichtung 2 (nicht maßstabsgetreu dargestellt) auf die Oberfläche la' der metalli schen Kugel G. Beispielhaft sind aus der Reflexion an der Oberfläche la' hervorgeru fene Radarechos RE durch gestrichelte Pfeile wiedergegeben. Ferner ist der vertikal nach unten am Nordpol einfallende Radarstrahl RS dargestellt, der zu einem Radar echo RE entgegengesetzt zu dem Radarstrahl RS führt.

Wie man erkennt, wird nur bei der Reflexion des Radarstrahls am Nordpol ein Ra darecho entgegengesetzt zur Einfallsrichtung generiert. Beiträge von anderen Punk ten 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 Wellenlänge der einfallenden Radarstrahlung ist, verhältnismäßig klein. In an sich bekannter Weise kann der RCS-Wert s in Abhängigkeit von dem Durchmesser D durch folgende Formel beschrieben werden: s = pΌ ² 14 (1)

Eine wesentliche, der Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass hohle, für Radarstrahlung teiltransparente Kugeln viel stärker als gleich große metal lische Kugeln in Richtung zur Radareinrichtung reflektieren. Eine Ausführungsform einer entsprechenden teiltransparenten Hohlkugel ist in Fig. 2 gezeigt. Die Hohlkugel ist mit Bezugszeichen 1 bezeichnet und wird als Radarreflektor für Radarstrahlung genutzt. Die Radarstrahlung wird wiederum über eine Radareinrichtung 2 (nicht maßstabsgetreu dargestellt) erzeugt. Aufgrund des großen Abstands zwischen Radar einrichtung 2 und Kugel 1 fallen parallele Radarstrahlen in vertikaler Richtung nach unten auf die Hohlkugel 1.

Die Kugel 1 ist im Inneren komplett hohl, d.h. das Innere der Kugel bildet einen Hohlraum lb. Dieser Hohlraum ist von einer Außenwand la mit der Dicke d umge ben. Die Außenwand la ist aus einem Material gebildet, welches die einfallende Ra darstrahlung teilweise durchlässt und teilweise reflektiert. Beispielhaft sind von der Radarstrahlung zwei einfallende Radarstrahlen RS und RS' angedeutet. Der Anteil des Radarstrahls RS, der in das Innere der Hohlkugel 1 über deren Außenwand la eintritt, wird dabei zweimal an der Innenseite der Hohlkugel reflektiert, wie durch den Strahlverlauf entsprechend den gestrichelten Pfeilen P angedeutet ist. Im Unter schied hierzu wird der Anteil des Radarstrahls RS', der in das Innere der Hohlkugel 1 eintritt, dreimal an deren Innenseite reflektiert, wie durch den Strahlverlauf entspre chend den gestrichelten Pfeilen P' angedeutet ist. Aus dem Radarstrahl RS resultiert ein aus der Hohlkugel austretender Radarstrahl RE und aus dem Radarstrahl RS' ein aus der Hohlkugel austretender Radarstrahl RE'. Diese Radarstrahlen sind Radar echos, die anschließend von der Radareinrichtung 2 erfasst und ausgewertet werden, um die entsprechende Hohlkugel zu detektieren. Dabei ist zu beachten, dass bei jeder Reflexion der Radarstrahlen RS und RS' und beim Austretern der entsprechenden Radarechos RE und RE' aus der Hohlkugel aufgrund der Teiltransparenz der Au ßenwand la Verluste auftreten.

Der RCS-Wert der Hohlkugel 1 ist wesentlich größer als der RCS-Wert einer ver gleichbaren metallischen Kugel, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist. Dies liegt daran, dass zusätzliche Reflexionen der Radarstrahlen im Inneren der Kugel an deren gewölbten Innenfläche auftreten und hin zur Radareinrichtung zurückgeworfen werden. Die Anzahl der auftretenden inneren Reflexionen jeweiliger Radarstrahlen ist theoretisch unbegrenzt. Die Hauptbeiträge zum Radarquerschnitt kommen jedoch von zwei- und dreifach reflektierten Strahlen, wie sie aus den Strahlen RS und RS' in Fig. 2 resultie ren. Die in Richtung zur Radareinrichtung 2 zurückgeworfenen Radarechos über schneiden die Außenwand la der Kugel 1 entlang von Ringen, deren Durchmesser durch die Anzahl der Reflexionen M der entsprechenden Radarstrahlen auf der In nenseite der Außenwand la sowie dem Durchmesser D der Kugel bestimmt ist. Für sehr dünne Kugelschalen hat der Ring für M = 2 (d.h. zwei Reflexionen) einen Durchmesser von D/V2 und für M = 3 (d.h. drei Reflexionen) einen Durchmesser von y[3D/2.

Das insgesamt von der Hohlkugel 1 zurückgestreute Feld resultiert aus der Überlage rung von Radarstrahlen, die sich in der Anzahl der Reflexionen unterscheiden. Die dominierenden Radarstrahlen mit zwei und drei Reflexionen haben ungefähr die gleichen Amplituden, aber unterschiedliche optische Wege, die von der Frequenz der eingestrahlten Radarstrahlung, dem Durchmesser D der Kugel und der Dicke d der Außenwand abhängig sind. Daher zeigt der Radarquerschnitt einer Hohlkugel eine starke Abhängigkeit von den oben genannten Parametern.

Der Erfinder hat mittels einer Simulation basierend auf einer bekannten exakten ana lytischen Berechnung die frequenzabhängigen Radarquerschnitte für unterschiedli che Materialien von Außenwänden la der Hohlkugel 1 ermittelt. Insbesondere wur den dabei die in der folgenden Tabelle 1 genannten Materialien, nämlich ein Gummi aus Naturkautschuk, Polypropylen, Teflon und Quarzglas, analysiert. Tabelle 1:

In der obigen Tabelle 1 bezeichnen die Werte e und e _G " Größen, die für eine Ra darstrahlung von 10 GHz gelten und aus denen sich die relative Permittivität e _G wie folgt ergibt:

£ _r — £ _r — JE _r (2)

Fig. 3 zeigt ein Diagramm, welches das Ergebnis der Berechnungen des Erfinders für eine Hohlkugel 1 aus dem Gummi der Tabelle 1 mit einem Durchmesser D von 3 m und einer Wanddicke d von 6 mm wiedergibt. In diesem Diagramm sind entlang der Abszisse die Radarfrequenzen im X-Band zwischen 8 GHz und 12 GHz wiedergege ben. Demgegenüber ist entlang der Ordinate der Radarquerschnitt RCS in Quadrat metern aufgetragen, der aufgrund der Kugelform richtungsunabhängig ist. Wie be reits oben erwähnt, ergibt sich eine starke Frequenzabhängigkeit des RCS-Werts für eine solche Hohlkugel. Eine ähnliche Frequenzabhängigkeit ergibt sich auch für Hohlkugeln aus den anderen, in der obigen Tabelle 1 genannten Materialien. Zwar sind gemäß Fig. 3 die Radarquerschnitte für bestimmte Frequenzen sehr gering, je doch kann durch geeignete Wahl einer Radarfrequenz bei einem Peak der Fig. 1 si chergestellt werden, dass ein ausreichend großer Radarquerschnitt vorliegt. Ferner kann durch die Verwendung eines ausreichend breiten Frequenzbereichs der einge strahlten Radarstrahlung ein hoher Radarquerschnitt sichergestellt werden. Um hohe RCS-Werte für die Hohlkugel 1 aus Fig. 2 zu erreichen, ist der Durchmes ser D der Hohlkugel in der Regel wesentlich größer als die Wellenlänge der einfal lenden Radarwellen. Vorzugsweise ist der Durchmesser 30-mal größer als die längste Wellenlänge im entsprechenden Frequenzspektrum der eingestrahlten Radarstrah lung. Hieraus ergeben sich je nach verwendetem Frequenzspektrum der Radarstrah lung Hohlkugeln mit Durchmessern von einigen Zentimetern bis zu mehreren Me tern. Große Gasballons können z.B. einen Durchmesser von 60 m aufweisen.

Beispielhaft sind in der nachfolgenden Tabelle 2 vom Erfinder berechnete RCS- Werte im X-Band von 8 GHz bis 12 GHz für eine hohle Kugel aus dem Gummi in Tabelle 1 mit einer Außenwandstärke von 6 mm in Abhängigkeit von deren Durch messer D wiedergegeben. Im Folgenden bezieht sich der Begriff der Gummikugel immer auf eine Hohlkugel aus dem Gummimaterial der Tabelle 1.

Tabelle 2:

In der ersten Spalte der Tabelle 2 sind verschiedene Durchmesser D von Gummiku geln in Metern angegeben. Die zweite Spalte der Tabelle 2 gibt als Vergleichswert einen RCS-Wert so in Quadratmetern für eine metallische Kugel gemäß Fig. 1 mit dem entsprechenden Durchmesser D wieder. Für eine metallische Kugel ist dieser Wert richtungs- und frequenzunabhängig. Die dritte Spalte der obigen Tabelle gibt den maximalen Radarquerschnitt maxa der entsprechenden Gummikugel in Quad ratmetern innerhalb des X-Bands an. Demgegenüber ist in der vierten Spalte der Ta belle der Minimalwert hήhs in Quadratmetern angegeben. In der fünften Spalte der Tabelle ist der über die Frequenzen des X-Bands gemittelte RCS-Wert (s) (d.h. der Medianwert) in Quadratmetern angegeben. Die sechste Spalte der Tabelle gibt den Median- bzw. Mittelwert (Ds) der Schwankungen des RCS-Werts um den Median wert in Quadratmetern an. In der siebten Spalte ist der Quotient ( Ds)/(s ) der Werte aus der sechsten und fünften Spalte wiedergegeben. Das Gewicht der entsprechenden hohlen Gummikugel ist in der letzten Spalte der Tabelle enthalten.

Wie man aus der zweiten und fünften Spalte der Tabelle 2 erkennt, sind die mittleren RCS-Werte ( s ) deutlich größer als für eine vergleichbare metallische Kugel. Die obige Tabelle 2 zeigt auch, dass die Maximal- und Medianwerte des Radarquer schnitts einer Hohlkugel deutlich größer als diese einer gleich großen metallischen Kugel sind. Sie nehmen schnell mit dem zunehmenden Durchmesser zu. Diese Werte kann man in an sich bekannter Weise mit folgenden Formeln abschätzen: ma xa = C ₂ D ³ (3)

<s> = C ₃ D ³ (4)

Die Faktoren C ₂ und C ₃ hängen von der Beschaffenheit der Außenwand der Hohlku gel und dem Frequenzbereich der eingestrahlten Radarstrahlung, jedoch nicht von dem Durchmesser der Hohlkugel ab. In der nachfolgenden Tabelle 3 sind Werte der Faktoren C ₂ und C ₃ für hohle Gummikugeln unterschiedlicher Wandstärke d im X- Band wiedergegeben. Wie man erkennt, sind die Faktoren bei einer Wandstärkte von 6 mm besonders hoch, was wiederum zu sehr großen RCS-Werten führt.

Tabelle 3: Das Diagramm der Fig. 4 veranschaulicht nochmals den mittleren RCS-Wert (Ds) für Gummikugeln mit unterschiedlichen Wandstärken d in Abhängigkeit vom Durchmesser D der Hohlkugeln. Ferner ist als Vergleichswert der entsprechende RCS-Wert einer metallischen Kugel aufgetragen. Die Kurve LO der Fig. 4 zeigt den Verlauf des RCS-Werts für die metallische Kugel. Die Linie LI bezieht sich auf eine Hohlkugel mit einer Wanddicke d = 2 mm, die Linie L2 auf eine Hohlkugel mit einer Wanddicke von d = 4 mm, die Linie L3 auf eine Hohlkugel mit einer Wanddicke von d = 6 mm und die Linie L4 auf eine Hohlkugel mit einer Wanddicke von d = 8 mm. Wie man erkennt, werden die größten RCS-Werte in der Tat für eine Hohlkugel mit der Wanddicke von 6 mm erreicht. Nichtsdestotrotz sind die RCS-Werte auch für die anderen Wanddicken deutlich größer als für eine entsprechende metallische Kugel.

Die RCS-Minimalwerte gemäß der obigen Tabelle 2 bleiben sogar bei großen Ku geln niedrig. Die Frequenzen, die den Minimalstellen entsprechen, sind durch die Durchmesser der Hohlkugel und die Wandbeschaffenheit der Außenwand der Hohl kugel bestimmt. Um bei der Reflexion der Radarstrahlen möglichst hohe RCS-Werte durchgehend über den Frequenzbereich der Strahlung zu erreichen, können in einer weiteren Ausführungsform mehrere Hohlkugeln mit unterschiedlichen Durchmessern und/oder Wandstärken im durch die Radarstrahlung erfassten Raumbereich vorgese hen sein. Die Durchmesser und Wandstärken der Hohlkugeln können dabei derart abgestimmt sein, dass sich die Minimal- und Maximalstellen der frequenzabhängigen Verläufe der RCS-Werte der einzelnen Hohlkugeln so überlagern, dass ein ausgegli chener Frequenzverlauf des aus allen Hohlkugeln resultierenden Radarquerschnitts erreicht wird. Geeignete Durchmesser und Wandstärken kann ein Fachmann basie rend auf entsprechenden analytischen Berechnungen ermitteln.

Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform einer Hohlkugel, die in einer Vari ante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Reflexion von Radarstrahlen eingesetzt wird. Die in Fig. 5 dargestellten Strahlverläufe von über die Radareinrichtung 2 aus gesendeten Radarstrahlen entsprechen den Strahlverläufen der Fig. 2 und werden deshalb nicht nochmals erläutert. Der einzige Unterschied zwischen Fig. 2 und Fig. 5 besteht darin, dass im Inneren lb der Hohlkugel 1 eine weitere Kugel 3 aus metalli schem Material vorgesehen ist. Der Durchmesser dieser Kugel 3 ist derart gewählt, dass der Strahlengang von Radarstrahlen mit zwei und auch einer größeren Anzahl von Reflexionen an der Innenseite der Außenwand la der Hohlkugel 1 nicht durch die metallische Kugel 3 behindert wird. Man macht sich bei dieser Ausführungsform die Erkenntnis zunutze, dass im Wesentlichen Radarstrahlen mit zwei und drei Re flexionen an der Innenseite der Außenwand zum Radarquerschnitt der Hohlkugel beitragen.

Der Erfinder konnte mit entsprechenden analytischen Berechnungen auch nachwei- sen, dass der mittlere Radarquerschnitt der Hohlkugel aus Fig. 5 nur gering von der inneren metallischen Kugel 3 beeinflusst wird, solange der Strahlverlauf P für zwei fach reflektierte Strahlen im Inneren der Hohlkugel nicht behindert wird. Nähe rungsweise sollte der Durchmesser der inneren metallischen Kugel 70 % des Durch messers D der Hohlkugel 1 nicht überschreiten.

In einer Ausgestaltung wird als Hohlkugel zur Reflexion von Radarstrahlung ein aufblasbarer Gasballon verwendet, der mit einem elektrisch neutralen Gas gefüllt ist, das eine geringere Dichte als Luft aufweist, so dass der Ballon frei schwebend posi tioniert werden kann. Der Ballon kann dabei mittels einer Leine gefesselt sein oder auch freischwebend ohne Sicherung positioniert sein. Durch Veränderung des Gas drucks des Ballons können seine Rückstreueigenschaften auf einfache Weise verän dert werden. Ein Gasballon, der einige Meter an Durchmesser aufweist, hat in der Regel sehr hohe RCS-Werte, und zwar sogar bei niedrigen Radarfrequenzen, wie z.B. im X-Band oder auch anderen Bändern mit noch niedrigeren Frequenzen, solan ge der Durchmesser des Ballons größer als ca. 30 Wellenlängen der längsten Wellen länge der eingestrahlten Radarstrahlung ist. Gasballons können in Kombination mit der Erfassung ihres Radarquerschnitts über Radarstrahlen z.B. als Wetterballons zum Vermessen von Windgeschwindigkeiten in größeren Höhen genutzt werden. Fig. 6 und Fig. 7 zeigen nochmals im Schnitt modifizierte Ausführungsformen, die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden können. In Fig. 6 ist dabei eine Gruppe von drei Hohlkugeln 1 mit unterschiedlichen Durchmessern in horizontaler Richtung nebeneinander angeordnet. Diese Hohlkugeln sind aufgeblase ne Gasballons, die mit Gas mit einer geringeren Dichte als die umgebende Luft be- füllt sind und über entsprechende Leinen 4 oder gegebenenfalls auch Stangen in Po sition gehalten werden. Dabei ist durch konzentrische Linien im oberen linken Teil der Fig. 6 die eingestrahlte Radarstrahlung angedeutet. Wie bereits oben erwähnt, kann mittels einer derartigen Anordnung von verschiedenen Hohlkugeln mit unter schiedlichen Radarquerschnitten erreicht werden, dass ein über den Frequenzbereich der eingestrahlten Radarstrahlung im Wesentlichen konstanter Verlauf des Radar querschnitts der Gruppe von Hohlkugeln erreicht wird. Die Hohlkugeln der Fig. 6 müssen nicht zwangsläufig als Gasballons realisiert sein. Beispielsweise können die Kugeln auch unverformbar sein. In diesem Fall besteht deren Außenwand aus einem nicht flexiblen Material.

Fig. 7 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform der Fig. 6. Diese Abwandlung unterscheidet sich gegenüber Fig. 6 lediglich darin, dass die Hohlkugeln nicht hori zontal nebeneinander, sondern vertikal übereinander angeordnet sind, Die Kugeln sind wiederum über entsprechende Leinen 4 bzw. gegebenenfalls auch Stangen mit einander und mit dem Boden verbunden. Für beide Ausführungsformen der Fig. 6 und Fig. 7 ist darauf zu achten, dass die Anordnung der Kugeln zueinander derart ist, dass sie sich nicht gegenseitig abdecken und aus der Position der Radareinrichtung sichtbar bleiben.

Wie bereits erwähnt, werden hohe RCS-Werte für eine Hohlkugel auch dann er reicht, wenn sich im Inneren der Hohlkugel ein Gegenstand mit ausreichend kleinem Durchmesser befindet, so dass der Strahlengang von zwei- bzw. mehrfach reflektier ten Radarstrahlen im Inneren der Hohlkugel nicht behindert wird. Demzufolge kann in einer Ausführungsform der Erfindung auch ein ausreichend kleiner Innenraum eines Gasballons als „Frachtraum“ genutzt werden. Wie oben erwähnt, kann die Größe des Raums in etwa bis zu 70 % des Ballondurchmessers betragen. In diesem Raum können z.B. Fracht, Personen oder ein weiterer Radarreflektor (Winkelreflek tor) angeordnet sein. Dabei dient die Außenwand des Gasballons nicht nur als Radar reflektor, sondern auch als schützendes Radom. Wie bereits erläutert, kann anstatt eines Gasballons auch eine Hohlkugel mit fester Kugelschale genutzt werden, wobei auch in diesem Fall optional in der Mitte der Hohlkugel ein Nutzraum vorgesehen sein kann. Die Hohlkugel kann z.B. auf einer Spitze eines spitzenförmigen Trägers gelagert sein.

Die im Vorangegangenen beschriebenen Hohlkugeln können als Radarreflektoren zur Rückstreuung von eingestrahlter Radarstrahlung in einer Vielzahl von Anwen dungsgebieten eingesetzt werden. Insbesondere kann dabei eine wirksame, schnelle und von der Position der Radareinrichtung unabhängige Markierung von Gegenstän den und Geländeflächen erreicht werden. Entsprechende Hohlkugeln können auch als starke und individuell erkennbare Radarziele, wie z.B. als Täuschziele, dienen. Unter anderem gibt es folgende Anwendungen für als Radarreflektoren genutzte Hohlkugeln:

- Wehrtechnik: aufblasbare Täuschkörper zum Ablenken von anfliegenden radarge lenkten Flugkörpern;

- Sicherheit und Katastrophenschutz: als Markierung zur Erkennung von Gegen ständen (Rettungsbooten und Flößen, frei schwimmenden Containern und derglei chen) im Wasser, insbesondere bei Dunkelheit oder Nebel, wobei in diesen Fällen vorzugsweise Hohlkugeln in der Form von gefesselten, aufblasbaren und hoch schwebenden Gasballons genutzt werden; zur Navigation von Rettungspersonal, Robotern und autonomen Fahrzeugen, z.B. in dunklen verrauchten Räumen; Mar kierung von gefährlichen Geländen (z.B. Durchgängen in Schnee-, Berg- und Sumpf-Geländen oder in vermintem Terrain);

- Luftfahrt: Markierung von Windkraftanlagen, Stromtrassen, Hochhäusern, Brü cken, Turmkränen, Seilbahnen sowie Start- und Landebahnen von Flughäfen;

- Schifffahrt: Markierung des Fahrwassers, auch von Küsten- und Hafenbereichen; - Straßenverkehr: Positionsbestimmung von Fahrzeugen auf der Straße, z.B. durch Markierung des Straßenrands oder Markierung von Baustellen über Hohlkugeln, vorzugsweise über feste Hohlkugeln (autonomes Fahren, Fahr Sicherheit);

- Radartechnik: als Kalibrierkörper zur Kalibrierung von Radaren unterschiedlicher Art (boden-, luft-, weltraumgestützt) in unterschiedlichen Frequenzbändern (z.B. vom L- bis zum W-Band);

- Meteorologie und Ozeanographie: als Wetterballons zum Vermessen von Wind geschwindigkeit in größeren Höhen; als Teil von Messbojen zur Ermittlung von Eisschollenbewegungen und Ozeanströmungen.

Das im Vorangegangenen beschriebene erfindungsgemäße Konzept der Verwendung von teiltransparenten Hohlkugeln als Radarreflektoren weist eine Reihe von Vortei len auf. Durch die Kugelsymmetrie der Hohlkugel ist eine völlige Unabhängigkeit des Radarquerschnitts von der Richtung der eingestrahlten Radarstrahlung gegeben. Im Unterschied hierzu gewährleisten Platten-, Winkel- und Lüneburg-Reflektoren eine Richtungsunabhängigkeit des Radarquerschnitts nur für bestimmte Raumberei che.

Mit den Hohlkugeln können sehr hohe RCS-Werte erreicht werden, die deutlich hö her als für metallische Kugeln und die meisten dielektrischen Kugeln gleicher Größe sind. Hohlkugeln haben ferner im Vergleich zu Vollkugeln ein wesentlich geringeres Gewicht. Demzufolge können sie gegebenenfalls auch sehr große Durchmesser auf weisen, so dass sehr hohe RCS-Werte gewährleistet werden können.

Die ausgeprägte Frequenzabhängigkeit des Radarquerschnitts von teiltransparenten Hohlkugeln kann als individuelles Merkmal zur Erkennung der Hohlkugeln genutzt werden. Auf diese Weise können einzelne Radarreflektoren über die Auswertung des frequenzabhängigen Verlaufs des Radarquerschnitts identifiziert werden und von anderen Radarreflektoren unterschieden werden. Teiltransparente Hohlkugeln können einfach realisiert und hergestellt werden. Deren Radarquerschnitt kann einfach simuliert werden, da eine exakte Lösung für diesen Radarquerschnitt bekannt ist. Auf diese Weise können gewünschte frequenzabhängi ge Verläufe von Radarquerschnitten realisiert werden, indem über Simulationen ge- eignete Materialen und Wanddicken für die Außenwand der Hohlkugeln sowie ge eignete Kugeldurchmesser festgelegt werden.

Teiltransparente Hohlkugeln können aufgrund der Richtungsunabhängigkeit ihres Radarquerschnitts einfach ohne besondere Anforderungen an ihre Position installiert werden. Bei der Ausgestaltung als Gasballons können die Hohlkugeln auf einfache Weise an den Frequenzbereich der verwendeten Radarstrahlung angepasst werden.