Lineargeführtes Synthetic Aperture mm-Wellen-Radar
Creators: name: Hasenfratz, Corsin
name: Keller, Thomas
Publisher: name: ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften
Year: 2024
Subjects: 621.3: Elektro-, Kommunikations-, Steuerungs- und Regelungstechnik

description: Industriepartner: RfBeam Microwave GmbH
description: Die vorliegende Bachelorarbeit hat zum Ziel, einen SAR-Demonstrator zu entwickeln, der von einer SAR interessierten Person mittels eines Touchscreens bedient werden kann. Der Demonstrator soll grundlegende SAR-Effekte und Eigenschaften, wie die Winkelauflösung in Abhängigkeit der Apertur, den Einfluss des Antennenabstands auf die Signalintegrität und die Erweiterung der Darstellung des Raumes, mittels Zusammenfügens mehrerer Messungen, aus benachbarten Positionen, aufzeigen. Zu diesem Zweck wird das von der Firma RFbeam Microwave GmbH entwickelte und zur Verfügung gestellte V-MD3-Radarmodul verwendet. Dieses Modul wird mit dem Schrittmotor (MOT-AN-S-060-002-042-L-C-AAAO) gesteuerten Linearschlitten (DL-SLW-0550) wiederholt um den Fahrweg λ/2 (2.5mm) oder λ/4 (1.25mm), mittels der Schrittmotorendstufe (NEMA11/17), verschoben und die Radarsignalausgabe während der Fahrpausen ausgewertet. Die Steuerung und Datenauswertung werden von dem im SAR-Demonstrator-Gehäuse enthaltenen Raspberry Pi 5 übernommen. Die Steuerung erfolgt mittels einer Python-basierten Benutzeroberfläche, über die sich spezifische SAR-Parameter auswählen lassen. 
Im Rahmen der Arbeit wurden Simulationen erstellt, der Schrittmotorfahrweg untersucht und optimiert, der Schrittmotor und das Radarmodul mittels Raspberry PI angesteuert, eine Benutzeroberfläche in einer virtuellen Umgebung erstellt und mit der Kombination aller Punkte ein Demonstrator zusammengebaut, welcher verschiedene SAR-Effekte und Eigenschaften veranschaulicht. 
Mit dem Demonstrator lässt sich zeigen, dass die Winkelauflösung mit Erweiterung der Apertur durch zusätzliche Antennen sich schrittweise verbessert. Bei einem Antennenabstand von λ/4 und einem Zielabstand von 1.25m ist dies bis zu etwa 81 virtuellen Antennen zutreffend. Danach ist durch eine weitere Erhöhung eine Verschlechterung der Winkelauflösung zu verzeichnen, die auf den zurückgelegten Weg und die dadurch resultierende Winkeländerung des Radars auf das Ziel zurückzuführen ist. Mit zunehmender Distanz zum Ziel, kann eine breitere Apertur verwendet werden, bevor die Limitierung dieses Effektes auftritt. Das Zusammenführen mehrerer Messungen unterschiedlichen Ursprungs verbreitert den Messbereich und begünstigt das Erkennen eines hinter einem anderen Objekt verdeckten Objektes und ermöglicht eine Unterscheidung zwischen einem örtlich begrenzten oder kontinuierlichen Objekt wie einer Wand. Die Verwendung von λ/2 als Antennenabstand mit halbierter Anzahl virtueller Antennen im Vergleich zu λ/4 führt zur gleichen räumlichen Auflösung, der Messbereich wird jedoch auf ±30° eingeschränkt und es entsteht Aliasing wodurch erfasste Ziele jeweils um ±90° gespiegelt werden. 
Mit dem Demonstrator konnten Theorie und Simulationen in einer realen Anwendung bestätigt werden. Lediglich das gewünschte Verhalten einer fahrenden Linearachse konnte aus technischen Gründen nicht untersucht werden. Als Ausblick kann das GUI mit einer Multi-Thread-Programmierung, die das GUI und dessen Unterprogramme gleichzeitig überwacht und dem SIMO-Menü erweitert werden.
description: 
The aim of this bachelor thesis is to develop a SAR demonstrator that can be operated by a person interested in SAR by using a touchscreen. The demonstrator is intended to show basic SAR effects and properties, such as the angular resolution as a function of the aperture, the influence of the antenna distance on the signal integrity and the extension of the representation of the space by merging several measurements from neighbouring positions. The V-MD3 radar module developed and provided by RFbeam Microwave GmbH is used for this purpose. This module is repeatedly moved with the stepper motor (MOT-AN-S-060-002-042-L-C-AAAO) controlled linearstage (DL-SLW-0550) by the antenna spacing distance λ/2 (2.5mm) or λ/4 (1.25mm) by using the stepper motor output stage (NEMA11/17). At each stop the radar signal output is saved and subsequently analysed. The Raspberry Pi 5 contained in the SAR demonstrator housing is used for control and data analysis. It is controlled using a Python-based user interface, which allows the selection of specific SAR parameters. 
As part of the work, simulations were created, the stepper motor performance was examined and optimised, the stepper motor and the radar module were controlled using a Raspberry PI, a user interface was created in a virtual environment and through combination of those points a demonstrator was assembled, which illustrates various SAR effects and properties. 
The demonstrator can be used to show that the angular resolution gradually improves as the aperture is extended by additional antennas. With an antenna distance of λ/4 and a target distance of 1.25 m, this is true up to around 81 virtual antennas. After this, a further increase leads to a deterioration in the angular resolution, which can be attributed to the distance travelled and the resulting change in the angle of the radar to the target. As the distance to the target increases, a wider aperture can be used before the limitation of this effect occurs. Merging several measurements of different origins broadens the measurement range and favours the detection of an object hidden behind another object and makes it possible to distinguish between a localised or continuous object such as a wall. Using λ/2 as the antenna spacing with half the number of virtual antennas compared to λ/4 results in the same spatial resolution, but the measurement range is limited to ±30° and aliasing occurs, whereby detected targets are mirrored by ±90°. 
With the demonstrator, theory and simulations could be confirmed in a real application. Only the desired behaviour of a moving linear axis could not be investigated for technical reasons. As an outlook, the GUI can be extended with, multi-thread programming, which monitors the GUI and its sub-programmes simultaneously and the SIMO Menu.