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Forum: HF, Funk und Felder Einfaches Bodenradar


Autor: Ludwig (Gast)
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Hallo Liebe Community ,

Für ein neues Projekt benötige ich eine einfache Variante eines ground 
penetrating Radars.
Es genügt lediglich eine sichere Detection eines Metallkörpers (ca. 
5x5x5cm groß) welcher ca. 20-40cm Tief im Boden vergraben ist.

Vorhandene GPR´s sind ja leider sehr teuer und bieten zeitgleich eine 
viel zu hohe Performance.

Daher habe ich folgenden Einfall gehabt :

Es gibt mittlerweile viele schöne Mikrocontroller auf dem Markt mit 
integrierter RF unit (2,4ghz ala WLan , Zigbee und co) , welche die 
Feldstärke des Empfangenen Signals (RSSI) bestimmen können.
Nutzt man zwei solcher Controller (einer RX der andere TX) in 
Kombination mit einer Starken Richtantenne , so sollte man doch die 
Reflexion des sich im Boden befindenden Objekt anhand der Änderung des 
RSSI Signals erkennen können ?

Etwas bessere RF units könne sogar über Phase Shift noch genauer die 
Empfansqualität bestimmen , jedoch fraglich ob dies bei der Bestimmung 
mittels einer Reflexion auch gut geeignet ist.

Eine Aussage ob ein Objekt vorhanden ist (Stärkere Reflexion -> RSSI) 
oder keines (weniger Reflexion) , würde mir genügen.


Habe ich einen groben Gedankenfehler oder wäre es ein Versuch wert ?

Würde mich über eure Meinung freuen.

Danke !

Viele Grüße,
Ludwig

: Verschoben durch Moderator
Autor: Jürgen Schuhmacher (engineer) Benutzerseite
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Nein, so einfach ist das nicht. Ein richtiges RADAR (lies Dir  mal die 
Übersetzung durch) tut ein bischen mehr, als Feldstärkeabschwächung zu 
messen.
Da gibt es eine Reihe von Mechanismen, um den "Strahl" zu steuern und zu 
interpretieren -> Siehe "beam forming" und "pulse compression".

Inwieweit Du Frequenz, Phase und Amplitude Deines Senders kontrollieren 
kannst, um da -> RADAR zu betreiben, muss bezweifelt werden.

Mehr, als on off und Rückmessung wird da nicht möglich sein,

Für Deinen Zweck böte eine einfache (Doppel-) Spule mit entsprechender 
Ansteuerung und Auswertung viel mehr Optionen. Sowas geht sogar rein 
analog.

Autor: Georg (Gast)
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Mahlzeit. Gleich mal zur Sache:
1. Der Received Signal Strength INDICATOR ist meist eine 
Implementierung, die relative Signalstärken angibt (nach IEEE mit 128 
oder 256 Abstufungen). Damit ist keine absolute Signalstärkenmessung 
möglich. Zudem - und das ist jetzt der Knackpunkt - können viele Geräte 
NICHT gleichzeitig senden und hören (für die RSSI-"Messung").

2. 2,4 GHz hat a) eine geringe Eindringtiefe und b) ist gerade Wasser im 
Frequenzbereich um 2,4 GHz resonant. (Deswegen nutzen das auch 
Mikrowellenöfen zum Erhitzen von Speisen.) Sobald der Boden großflächig 
feucht ist, wirst du eher von dem Erdreich über dem metallischen Objekt 
Reflexionen erhalten.

Wenn du mal einen Überblick über Radar haben willst: radartutorial.eu

Viele Grüße

Autor: Georg (Gast)
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Achja:
3. Wenn ein Gerät sendet und das andere empfängt, wirst du nicht die 
Reflexionen des metallischen Objektes detektierten, sondern das Signal 
des Senders :P

Autor: Alex W. (Gast)
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Georg schrieb:
> ist gerade Wasser im Frequenzbereich um 2,4 GHz resonant

Nein! Das ist 1,42GHz!
2,4GHz nimmt man, weil ISM-Band und somit Störungen vertretbar sind...

Autor: Ludwig (Gast)
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Vielen Dank für die schnellen Antworten !

Wäre auch zu einfach gewesen.

Eine einfache Spule mit passender Analogschaltung wird für meine 
Anwendung leider nicht funktionieren , da ich zwischen Messeinheit und 
Boden ca. 1m Luft habe.

Mich wundert auch , das im Bereich GPR kaum bis keine OpenSource 
Projekte zu finden sind.

Eine komplette Neuentwicklung würde ich mir zwar zutrauen , jedoch fehlt 
mir dazu die Zeit um mich vollständig ein zu arbeiten.

Ein vollwertiger GPR wäre im Grunde auch zuviel für mein Vorhaben.

Welcher Frequenzbereich wäre eigentlich der geeignetste ?

Autor: Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)
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> Eine einfache Spule mit passender Analogschaltung wird für
> meine Anwendung leider nicht funktionieren , da ich zwischen
> Messeinheit und Boden ca. 1m Luft habe.
Ich denke eher, daß der Meter Luft bei einem Radar noch viel mehr stören 
würde. Moderne Systeme können zwar auch von Hubschraubern in geringer 
Höhe aus eingesetzt werden, aber ich glaub das ist kein Bastelprojekt 
für mal eben zwischendurch. Das was ich so an Bodenradarsystemen gesehen 
habe, wird direkt über den Boden geführt (z.B. bei der Suche nach 
illegalen Tunneln unter Grenzen hindurch, die Mexikaner machen das gerne 
Richtung USA zum Drogenschmuggel). Bei einer magnetischen Erkennung ist 
der Meter Luft ziemlich egal, da die Luft keinen Einfluß auf die 
magnetischen Felder hat. Durch die höhere Entfernung sinkt zwar die 
Empfindlichkeit, aber mehr nicht.

> Mich wundert auch , das im Bereich GPR kaum bis keine OpenSource
> Projekte zu finden sind.
Mich wundert das nicht, weil ich das auch für sehr komplex halte, sowas 
zu bauen. Es könnte in vielen Ländern sogar verboten sein, mit so 
starken Sendern rumzuspielen.

> Eine komplette Neuentwicklung würde ich mir zwar zutrauen
Noch. Bald nicht mehr.

> jedoch fehlt mir dazu die Zeit um mich vollständig ein zu arbeiten.
Noch schlechtere Voraussetzungen.

> Welcher Frequenzbereich wäre eigentlich der geeignetste ?
Im feuchten Boden sollten langwellige Signale die höchste Eindringtiefe 
besitzen. Wasser schirmt solche Wellen verdammt gut ab, 
Marinefunkstellen verwenden ELF-Sender (glaube 76 und 82 Hz), um Befehle 
an tief getauchte U-Boote zu senden, und selbst die dringen nur etwa 300 
Meter tief in Wasser ein. Bei Längstwellensendern (z.B. Rauderfehn, 
Cutler oder Grimetown mit 17..25kHz) ist zwischen 20 und 30 Metern 
Wassertiefe Schluss. Aber wenn ich nur ein paar Meter oder Zentimeter in 
die Erde will, geht bestimmt auch deutlich mehr. Denke mal so paar Mhz?

Was ich probieren würde, wenn ich sowas bauen müßte, wäre eine direkt 
auf den Boden gerichtete Sendeantenne (Hornstrahler?) und eine räumlich 
getrennte Empfangsantenne, die die Reflexionen auffängt. Oder ein 
Impulsradar, das dürfte eine hohe Sendeleistung erreichen und einfacher 
zu bauen sein. Wobei, die Signallaufzeit ist verdammt gering, 
möglicherweise wäre die Phasenverschiebung bei einem CW-Ansatz einfacher 
zu messen.

Alternativ könnte man auch probieren, die vorhandenen militärischen 
Längstwellensender zu nutzen und aus deren Empfang Rückschlüsse auf die 
Bodenbeschaffenheit zu ziehen. Dadurch bräuchte man "nur" den Empfänger 
zu bauen und müsste sich nicht mit dem Sender herumschlagen. Aber frag 
mich nicht, wie welcher Boden den Empfang eines Längstwellensenders 
genau beeinflusst...

Autor: Wolfgang (Gast)
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Georg schrieb:
> ... und b) ist gerade Wasser im Frequenzbereich um 2,4 GHz resonant.

Wo hast du das her? Hast du dazu (belastbare) Messdaten?

Wieso soll Wasser ausgerechnet bei 2,4GHz resonant sein. Das ist weit 
weg von irgendwelchen molekularen Schwinungsfrequenz bei 1600 und 3700 
1/cm.

Autor: Mikrowilli (Gast)
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Nur mal zur Veranschaulichung: mit solch einer Vorrichtung werden 
metallische Objekte wie z.B. Blindgänger aus dem Weltkrieg (oder 
Splitter davon) gesucht.
Näheres zum Funktionsprinzip ist mir leider nicht bekannt; 
möglicherweise handelt es sich eher um einen klassischen Metalldetektor 
als ein Bodenradar.

Autor: Bernhard S. (gmb)
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Alex W. schrieb:
> Nein! Das ist 1,42GHz!

Fast, das ist die H Eins Linie

https://de.wikipedia.org/wiki/HI-Linie

Die Resonanz von Wasser liegt bei knapp über 22GHz

https://de.wikipedia.org/wiki/Eigenschaften_des_Wa...

Autor: Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)
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@Mikrowilli

Erstens ist das kein Bodenradar sondern nur ein gepimpter 
elektromagnetischer Metalldektor...

... und zweitens, hast Du auch 'ne kleine Nase?

Autor: Flo (Gast)
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Autor: Georg (Gast)
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Habe heute früh nochmal geantwortet, währenddessen ist diese Seite hops 
gegangen ^^
Ja sorry, Wasser ist nicht bei 2,4 GHz resonant. Dennoch absorbiert es 
bei dieser Frequenz, zumindest habe ich das so in Erinnerung.
Wie dem auch sei: Mit "Bodenradar" wird eher ein Rollfeld überwacht oder 
vom Flugzeug aus etwas vermessen. Und mit 2,4 GHz schon mal gar nicht.

Autor: Wolfgang (Gast)
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Georg schrieb:
> Ja sorry, Wasser ist nicht bei 2,4 GHz resonant. Dennoch absorbiert es
> bei dieser Frequenz, zumindest habe ich das so in Erinnerung.

Absorbieren tut es aber nicht nur bei dieser Frequenz, sondern sehr 
breitbandig - nennt sich dielektrische Verluste (eps_r" in Abb. 3).
https://sundoc.bibliothek.uni-halle.de/diss-online...
Darum sieht z.B. ein X-Band Radar (um 10 GHz, i.e. 3 cm Wellenlänge) 
jeden Regenschauer.

Autor: Mikrowilli (Gast)
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@Ben B.:

nein, meine Nase ist okay; aber Du stehst mit Deinem Problem sicher 
nicht allein da ;-)

Autor: bernte (Gast)
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was spricht bei deinen Anforderungen gegen eine klassischen 
metalldetektor
objekt 5*5*5cm 20-40cm im boden

geht locker mit vlf unf pi, zumal die signalauswertung wesentlicher 
einfach ist (leitwertanzeige etc.)

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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https://www.bosch-professional.com/de/de/products/...
das arbeitet soweit ich weiß im 2,4 GHz Band. Die Bodenradars der 
Archäologen eher auf 434 MHz.

Autor: Ludwig (Gast)
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Vielen Dank für die vielen Antworten.

Derweil habe ich einen Sensorhersteller Ausfindig gemacht , der 
komplette Radarlösungen im SMD Package (inkl Antenne) anbietet.
Diese liegen allerdings im 120ghz Bereich , was ja schon verdammt hoch 
ist.
Ist hier eine Erdbodendurchdringung überhaupt noch möglich ?

Autor: Georg (Gast)
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Sicherlich. Kommt auch auf die Sendeleistung an. Viel hilft viel.

Dennoch sei nochmals radartutorial.eu erwähnenswert. Willst du die 
Entfernung ermitteln? Nur ein Vorhandensein detektieren? Prinzipiell 
gibt es auch THz-Radar. Bspw. um Schichtdicken von Lacken, Oberflächen 
u.s.w. zu ermitteln. Also etwas dringt das schon ein...

Autor: Hp M. (nachtmix)
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Für die Verwendung von HF sollte der Boden generell trocken sein, da 
Wasser stark absorbiert.
Als "trocken" ist aber auch Eis anzusehen, z.B. Gletscher oder 
Permafrost, da dieses ebenfalls geringe dielektrische Verluste aufweist.
Deshalb kann man von Satelliten aus mittels Radar die Dicke der polaren 
Eisschichten messen.

Es gibt ein hübsches Experiment mit dem man die unterschiedlichen 
Verluste von Wasser und Eis demonstrieren kann:
Dazu fertigt man sich einen Eisblock mit vielleicht 10cm Durchmesser und 
10cm Höhe, der in der Mitte ein Sackloch hat, in das man flüssiges 
Wasser gibt (ca. ein Schnapsglas - 20mL).

Wenn man diesen Klotz im Mikrowellenherd bestrahlt, fängt das Wasser in 
der Bohrung nach kurzer Zeit an zu kochen, während das Eis ziemlich 
unbeeindruckt bleibt.

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Ludwig schrieb:
> Vielen Dank für die vielen Antworten.
>
> Derweil habe ich einen Sensorhersteller Ausfindig gemacht , der
> komplette Radarlösungen im SMD Package (inkl Antenne) anbietet.
> Diese liegen allerdings im 120ghz Bereich , was ja schon verdammt hoch
> ist.
> Ist hier eine Erdbodendurchdringung überhaupt noch möglich ?

Mit den Chips von Silicon Radar kannst du das vergessen.

Autor: Ludwig (Gast)
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@bernte : aber auch bei 1m Luftabstand von Messeinhet zum eigentlichen 
Boden ?

@Simon K : kannst du näher darauf eingehen warum ? Ist die Frequenz zu 
hoch bzw sendeleistung zu gering ?
Der Vertrieb von Siliconradar hat zwar keine Referenzmessung , aber es 
auch nicht als unmöglich bezeichnet .... kann natürlich aber auch sein , 
dass die nur ihre Devkits verkaufen wollen.
Zumindest habe ich meine Anwendung geschildert und kein negatives 
Feedback dazu bekommen.


Hat jemand konkrete Erfahrungen gemacht ob man mit einem guten 
Klassischen Metalldetektor Aufbau , auch mit 1m Luftabstand noch 
zuverlässig messen kann ?

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Ludwig schrieb:
> @Simon K : kannst du näher darauf eingehen warum ? Ist die Frequenz zu
> hoch bzw sendeleistung zu gering ?
> Der Vertrieb von Siliconradar hat zwar keine Referenzmessung , aber es
> auch nicht als unmöglich bezeichnet .... kann natürlich aber auch sein ,
> dass die nur ihre Devkits verkaufen wollen.
> Zumindest habe ich meine Anwendung geschildert und kein negatives
> Feedback dazu bekommen.

Bei der Frequenz und Sendeleistung kommst du nicht in den Boden rein. 
Selbst in trockenen Boden nicht.

Autor: Sinus Tangentus (micha_micha)
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Hier ist eine schöne Abhandlung, in der auch Diagramme der 
dielektrischen Verluste des Wassers in Abhängigkeit von Temperatur und 
Frequenz abgebildet sind: 
http://www1.lsbu.ac.uk/water/microwave_water.html

Autor: Ludwig (Gast)
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@Simon k : das habe ich schon vermutet , umso stärker war ich verwundert 
das Siliconradar prinzipiell von ihren Sensoren nicht abgeraten hat.

Ich vermute die 24ghz ist dann genau so wenig geeignet?

Kennt jemand vergleichbare Lösungen (dev Kits , Module oder integrierte 
packages) die besser geeignet wären ?

@micha_micha : Danke für den Link !

Autor: Ludwig (Gast)
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Nach einigen Recherchen im Internet bin ich nun noch auf folgende Idee 
gekommen.
Könnte man nicht ein Leistungsstarkes SDR verwenden , um eine "einfache" 
Radar Applikation zu realisieren.
SDR´s wie z.b. das bladerf können gleichzeitig Senden und Empfangen.
Frequenzbänder reichen von wenigen MHz bis hin zu einigen Ghz.
Natürlich ist die Sendeleitung eher bescheiden , aber für eine 
Bodendurchdringung von einigen Zentimetern sollte es doch genügen.
Passende Antennen müssen natürlich auch her.

Was sagt ihr dazu ?

Autor: Ludwig (Gast)
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So langsam reift die Idee weiter.
Nachdem ich mir einige FMCW Radar Projekte angeschaut habe und auf 
diesen interessant Blog gestoßen bin : 
http://hforsten.com/6-ghz-frequency-modulated-radar.html
ist mir einiges deutlich klarer geworden.

Für meine Anwendung wäre ein Radar im Frequenzbereich von 100-500mhz 
interessant , je nach Tiefe und Größe der Objekte.

Problematisch und gleichzeitig komplex ist die Laufzeit Messung , da wir 
hier ja von Lichtgeschwindigkeit reden.
Im oben verlinkten Blog wird der Typische Aufbau für eine Solche 
Laufzeitbestimmung gut beschrieben.

Nach einigen Recherchen bin ich jedoch auf eine vermutlich einfachere 
Lösung (zumindest für mein Vorhaben) gestoßen.
AMS bietet ein Time to Digital converter an , welcher im Nanosekunden 
Bereich messen kann (der TDC-GP22).

Folgender Aufbau schwebt mir nun vor :

Ein Transmitter Aufbau angesteuert über einen DAC zur waveform 
Erzeugung.
Natürlich mit entsprechender Frequenz und Sendeleistung.
Zeitgleich wird der DAC Output als Start Trigger für die Laufzeitmessung 
des TDC-GP22 genutzt.
Am Empfänger mit LNA dann der passende Trigger Ausgang als Stop für die 
Laufzeitmessung.

Dadurch würde im vergleich zum Typischen Radar Aufbau einiges an 
HF/Mixer/Filter Komponenten wegfallen , weil kein Differenzsignal zur 
Laufzeitmessung erzeugt werden muss.

Was meint ihr , ist das dich richtige Herangehensweise ... oder ist es 
eher ab zu raten in diese Richtung weiter Zeit zu investieren ?

Natürlich habe ich mich auch über klassische Metalldetektoren und deren 
Aufbau Erkundigt , aber ich bin mir mittlerweile 100% sicher das hier 
eine Überbrückung von 1m Luft nicht möglich ist.

Autor: Georg (Gast)
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Was für eine Sendeleistung hast du da zur Verfügung? Evtl wäre ein 
UHF-RFID-Transceiver eine gute alternative. Mit ~860 MHz und 2 Watt EIRP 
bewegt man sich noch im zugelassenen Bereich dess ISM-Bandes. Noch ne 
ordentliche Richtantenne dazu und dein Aufbau...

Autor: Ludwig (Gast)
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Hallo Georg

Ich habe derzeit keine Amateurfunk Lizenz , also muss ich mich bei der 
Sendeleistung an die freien Frequenzen halten bzw mit eingeschränkter 
Sendeleistung.

Speziell im Radar Bereich habe ich aber gelesen , das es nochmal 
Unterschiede bei der zugelassenen Sendeleistung gibt wenn es ein 
Aufsetzeadar ist.
Das trifft bei mir aber nicht zu.

Zu deinem Vorschlag:
Meinst du das in Kombination mit dem von mir zuletzt beschriebenen 
Aufbau ?

Ich habe nur kurz nach UHF-RFID-Transceiver geschaut , die bestehen aber 
alle aus wesentlich mehr als nur der tx/rx Einheit.
Meistens haben Sie gleich diverse Protokoll Erkenungen mit integriert.
Ich bräuchte jedoch den reinen analogen Ausgang des Empfängers , damit 
ich das Signal entsprechend der Laufzeit verarbeiten kann.

Evtl. Habe ich aber deinen Vorschlag noch nicht korrekt verstanden.

Grüße

Autor: Günter Lenz (Gast)
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Ludwig schrieb:
>Es genügt lediglich eine sichere Detection eines Metallkörpers (ca.
>5x5x5cm groß) welcher ca. 20-40cm Tief im Boden vergraben ist.

Dazu reicht ein einfacher Metalldetektor (Prinzip Minensuchgerät) aus.
Zwei Oszillatoren so etwa 1MHz, einen festen mit Quarz und einen
der die Suchspule (Durchmesser etwa 30cm) als Schwingkreisspule
nutzt. Die beiden Frequenzen werden gemischt und die Differenz
mit einem Kopfhörer abgehört. Der Metallkörper verstimmt die
Frequenz des Oszillators und dadurch ändert sich die Tonfrequenz
im Kopfhörer.

Autor: Ludwig (Gast)
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Günter Lenz schrieb:
> Ludwig schrieb:
> Es genügt lediglich eine sichere Detection eines Metallkörpers (ca.
>>5x5x5cm groß) welcher ca. 20-40cm Tief im Boden vergraben ist.
>
> Dazu reicht ein einfacher Metalldetektor (Prinzip Minensuchgerät) aus.
> Zwei Oszillatoren so etwa 1MHz, einen festen mit Quarz und einen
> der die Suchspule (Durchmesser etwa 30cm) als Schwingkreisspule
> nutzt. Die beiden Frequenzen werden gemischt und die Differenz
> mit einem Kopfhörer abgehört. Der Metallkörper verstimmt die
> Frequenz des Oszillators und dadurch ändert sich die Tonfrequenz
> im Kopfhörer.

Nicht ganz , da ich zwischen Messeinheit und Boden noch ca. 1 Meter Luft 
habe.
Nachdem was ich so recherchiert habe , schafft das ein Handelsübliches 
Metalldetektor Aufbau nicht.

Oder liege ich falsch ?

Autor: micha (Gast)
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Ludwig schrieb:
> Nachdem was ich so recherchiert habe , schafft das ein Handelsübliches
> Metalldetektor Aufbau nicht.
>
> Oder liege ich falsch ?

Na ja, wird halt schwieriger bzw. die Spule muss größer werden. Je nach 
Bodenverhältnissen wird ein einfacher BFO-Metalldetektor nicht gehen 
bzw. einer mit Pulseinduktion (PI) wäre schon besser.

Autor: bernte (Gast)
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Hallo Ludwig,

am besten du stöberst mal meine kanal durch, da wirst du schon ein 
Projekt finden
https://www.youtube.com/user/BernteOne

Autor: Ludwig (Gast)
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bernte schrieb:
> Hallo Ludwig,
>
> am besten du stöberst mal meine kanal durch, da wirst du schon ein
> Projekt finden
> https://www.youtube.com/user/BernteOne

Das sieht super aus !
Hast du nähere Infos zu deinen Pulsinduktions Metalldetektor bzw eine 
gute Seite wo man sich Tipps für einen Eigenbau holen kann ?

Autor: bernte (Gast)
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deutschsprachig
Detektorforum.de  und dort im Werkstattbereich/ Eigenbau

ansonsten im englischsprachigen Partnerforum  geotech1.com/Forums
zutritt allerdings nur nach Registrierung, Niveau ist sehr gut, viele 
technisch versierte Leute aus aller Welt

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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http://www.friese-electronic.de/ortungstechnik/lf-vlf-tf/
der veröffentlicht oft im "Funkamateur", immer 
Niederfrequenzschaltungen.

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