Whitepaper: Anwendung von bodengestütztem Sicherheitsradar auf Geländeüberwachungssysteme

Technologische Vorteile von Radar und bewährte Verfahren für optimale Leistung

Einführung

Seit dem Höhepunkt des zweiten Weltkriegs hat die Radar-Technologie (Radio Detection And Ranging) die militärischen Konflikte rund um den Globus erheblich mitbestimmt. Erstmals 1934 in den Vereinigten Staaten eingeführt, entwickelte sich diese Funk-basierte Erkennungs- und Tracking-Technologie—auf Grundlage von Mikrowellen, um die Reichweite, den Winkel und die Geschwindigkeit von Objekten zu bestimmen. Sie wurde Mitte der 1930er-Jahre in mehreren Ländern unabhängig voneinander weiterentwickelt—was in den vollständig integrierten Schiffs- und landgestützten Radarsystemen gipfelte, welche die Konflikte nach Kriegsende definierten. Radar wird seitdem in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt, da es in der Lage ist, Bewegungen von Mensch und Fahrzeug dynamisch abzubilden und frühzeitige Warnungen vor Eindringlingen zu liefern. In den letzten Jahren hat die Integration in physische Sicherheitssysteme den Schutz von Anlagen an kritischen Infrastrukturstandorten verbessert.

Sogenannte „Perimeter Intrusion Detection Systems“ (Eindringungserkennung für Gebietssysteme, PIDS) verwenden typischerweise kamerabasierte Lösungen zur Überwachung von Geländen, Gebäuden oder anderen wichtigen Bereichen, aber ungünstige Umgebungs- und Bildgebungsbedingungen können die Leistung herkömmlicher Kamerasensoren beeinträchtigen. Radar bewältigt diese Herausforderungen, erkennt Eindringlinge rund um die Uhr und selbst bei schlechtem Wetter, bei schwachen Lichtverhältnissen oder gar ohne Licht. Durch die Integration eines bodengestützten kommerziellen Radars—beispielsweise der Teledyne FLIR Elara ^™R-Serie—als weiterer wichtiger Sensor innerhalb eines PIDS zur Ergänzung herkömmlicher Videokameras und Wärmebildkameras, maximieren Sicherheitsmanager die Erkennungsabdeckung, erhalten frühzeitige Warnungen vor Bedrohungen und gewinnen Positionsinformationen über Bedrohungen für eine schlüsselfertige End-to-End-Sicherheitslösung.

Grundlegendes über Radar

Ein Radarsystem basiert auf der Übertragung eines hochfrequenten elektromagnetischen Signals in Richtung der Position eines erwarteten Ziels und anschließend der Messung seiner Reflexionsstrahlung. Diese Messungen beinhalten die Verzögerung zwischen übertragener und empfangener Energie proportional zum Bereich, und die Frequenzverschiebung zwischen Übertragung und Empfang (TX und RX) proportional zur relativen Geschwindigkeit sowie den Winkel und die Winkelrate, die durch Antennen- und Gimbalmessungen zur Bestimmung der Position von Fremdkörpern verfügbar sind.

Mit anderen Worten: Während das Radar einen Schnappschuss der Gegend aufnimmt, erfasst es zugleich eine fest definierte Umgebung. Nachdem mehrere Scans aufgezeichnet wurden, vergleicht das Radar das jüngste Bild mit der festgelegten Umgebung und stellt fest, was sich unterscheidet. Beim nächsten Durchgang misst es jede Positionsänderung einer Anomalie, und wenn der Unterschied mindestens ein Kriterium für einen Eindringling erfüllt, wird ein Alarm ausgelöst.

Wenn das Radar in eine anspruchsvolle Managementsoftware integriert ist, zeigt es diese Daten auf einer dynamischen Karte an und liefert Einblicke in Echtzeit für das Sicherheitspersonal, welches das Gerät überwacht; es sendet dann Koordinaten an integrierte Kameras und initiiert die Slew-to-Cue-Funktionalität mithilfe der Kameras zur visuellen Beurteilung von Eindringlingen. Diese Ebenen von Einbrucherkennungssensoren ermöglichen Redundanz und verhindern Fehlalarme durch die Überprüfung von Einbruchereignissen mit zwei Datenpunkten; sie priorisieren auch mehrere Ziele, um Pan-Tilt-Zoom-Kameras (PTZ) mit Logik auszustatten, beispielsweise “möglichst nah folgen” oder “mit Abstand folgen”, wodurch der Bediener entlastet wird und das Personal sich auf die Reaktionsbemühungen konzentrieren kann.

Schwenk-Neige-Zoom-Kameras, wie die der FLIR Triton PT-Produktreihe, sind für die Geländesicherheit von entscheidender Bedeutung. Die Zugabe von Radar sorgt jedoch für eine vollständige Flächenabdeckung unter schwierigen Umgebungsbedingungen.

Von der militärischen zur kommerziellen Anwendung

Viele Jahre wurde Radar hauptsächlich als eine von Behörden eingesetzte militärische Technologie für Bodenüberwachung, Raketenkontrolle, Brandbekämpfung, Flugsicherung (ATC), bewegliche Zielanzeige (MTI), Waffenstandorte und Fahrzeugsuche eingesetzt. Die Teledyne FLIR Government and Defense Unit entwickelte die Ranger-Produktreihe von Kurz-, Mittel- und Langstreckenradaren für die Verteidigungsindustrie. Diese leistungsstarke Suite von Radarsystemen umfasst Geräte mit vertikaler Abdeckung, geringer Mindesterfassungsgeschwindigkeit und Algorithmen zur Überwachung einer Abdeckungsfläche bis zu viermal pro Sekunde und—rund um die Uhr—sowie zur Erkennung und Verfolgung von bis zu 512 Boden- und Luftbedrohungen gleichzeitig in praktisch jedem Klima, bei Tag wie bei Nacht. Diese robusten und zuverlässigen Radargeräte sind darauf ausgelegt, jedem denkbaren Bedarf an militärischer Geländeüberwachung gerecht zu werden.

Da der Einsatz von Radar in andere Anwendungsgebiete wie kommerzielle, industrielle und Reise-Anwendungen sowie in zivile und kritische Infrastruktur expandierte, sah Teledyne FLIR die Notwendigkeit, ihr umfangreiches Portfolio an physischen Sicherheitslösungen durch eine leistungsstarke, kostengünstige Lösung zu ergänzen.

Diese kommerziellen Radargeräte bieten Endnutzern einen unschätzbaren strategischen Vorteil: ein System in der richtigen Größe, das darauf ausgelegt ist, technische Spitzenleistung zu liefern und gleichzeitig die Zugänglichkeit zu einer breiteren Palette kommerzieller Anwendungen zu erhöhen. Zu den wichtigsten Unterschieden zwischen Radargeräten der FLIR Ranger und Elara R-Serien gehören Abdeckung, Klassifizierung und vor allem die Verwendung einer niedrigeren Frequenz- und Signalleistungsausgabe durch die Elara R-Produktreihe. Dies verschlankt den Integrationsprozess und macht ihn zu einer attraktiven Option für Kunden, die zivile Gelände-Überwachungssysteme bauen.

Optimierte Anwendungen

Die Entwicklung der Radartechnologie wird in der gesamten kommerziellen und Sicherheitsbranche, insbesondere bei der kritischen Infrastruktur, zunehmend mit Aufmerksamkeit verfolgt. Um die Anwendungsfelder zu verstehen, in denen Radar gut funktionieren würde, sehen Sie sich bitte diese vier Anwendungsbeispiele an, bei denen Radar einen Mehrwert für den Geländeschutz bietet.

• Umspannwerke: Wie von CIGRE berichtet, erleben 88 Prozent der Umspannwerke mindestens einen Einbruch pro Jahr. Für Stromversorgungsunternehmen, deren Umspannwerke in ländlichen Gebieten oft kein Vollzeit-Sicherheitspersonal vor Ort haben, ist die frühzeitige Erkennung von Eindringlingen entscheidend für die Kriminalprävention. Radar kann einen Eindringling erkennen, lange bevor er die Zaunlinie erreicht. Ein externer Sicherheitsbeauftragter kann somit den Alarm schnell überprüfen, Bedrohungen durch Überprüfung von Videomaterial abgleichen und die Polizei entsenden, bevor die Situation eskaliert und die Ausrüstung sabotiert wird.
• Rechenzentren: Im Bericht zum Stand von Rechenzentren im Jahr 2020 gaben 50 Prozent der Befragten an, dass das größte Sicherheitsproblem “menschliche Bedrohungen von außen sei.” Typischerweise werden für große Rechenzentrumsstandorte von Unternehmen mehrere Rechenzentren innerhalb eines einzigen Geländes in einer Remote-Umgebung gebaut. Die Integration von Radar in ein PIDS stellt sicher, dass alle kritischen Bereiche überwacht werden, sodass keine Bedrohung unbemerkt bleibt.
• Flughäfen: Für große Flughäfen, deren Gelände mehrere Meilen umfassen, können Sicherheitsmanager Radar einsetzen und vom kombinierten Vorteil einer robusten Erkennungsreichweite und einer großen Flächenabdeckung profitieren. Für Flughäfen, die zu groß für das menschliche oder digitale Auge sind oder bei ununterbrochenen Aktivitäten, bietet Radar einen strategischen Vorteil dadurch, dass sowohl das Gelände als auch die Rollfelder rund um die Uhr überwacht werden können.
• Justizvollzugsanstalten: Eine zentrale Herausforderung, der sich viele Gefängnisse stellen müssen, ist die Leichtigkeit, mit der sich ein Individuum einer Zaunlinie nähern und Schmuggelpakete auf das Gefängnisgelände werfen kann. Radar kann jedoch das Gelände kontinuierlich überwachen und das Sicherheitspersonal in Echtzeit benachrichtigen, wann immer eine Person sich der Zaunlinie nähert.

Technologische Vorteile

Da Sicherheitsradare in verschiedenen Branchen zum Einsatz kommen, sollten Sie berücksichtigen, inwiefern Radar Ihrer spezifischen Anwendung dienlich sein könnte.

Überwachung großer Bereiche

Mit einem weiten Sichtfeld (field of view, FOV) und der Erfassung großer Reichweite bietet Radar einen echten Weitbereichsschutz und eine situative Wahrnehmung weit über die Zaunlinie hinaus. Radar ist darauf ausgelegt, große offene Bereiche effizient zu überwachen. In Szenarien, in denen mehrere Kameras installiert werden müssen, um ein 90°-FOV abzudecken, könnte die Installation von einem einzigen Sicherheitsradar in Verbindung mit thermischen und herkömmlichen Videokameras die gleiche Abdeckung liefern, mit einem Erfassungsbereich, der weit über den einer Videokamera oder einer Wärmebildkamera hinausgeht. Im Fall der neuen Elara R-Produktreihe erkennt das Modell R-290 Fahrzeuge bis auf 400 Meter und Menschen bis auf 200 Meter, während die Modelle R-190 Fahrzeuge bis auf 300 Meter und Menschen bis auf 125 Meter erkennen.

Die FLIR Elara R-Produktreihe ist über einer FLIR Elara DX Multispectral PTZ Wärmebildkamera montiert. Die Radareinheit kann Fahrzeuge bis auf 400 Meter und Menschen bis auf 200 Meter erkennen (Modell R-290).

Um eine breitflächige Überwachung zu erreichen, entscheiden sich einige Sicherheitskunden dafür, die Anzahl der vor Ort installierten Kameras mit breitem FOV zu erhöhen. Daraus ergeben sich mehrere Herausforderungen. Kameras mit Weitwinkel-Objektiven haben deutlich weniger Reichweite, wodurch sich die anschließenden Alarmvorlaufzeiten reduzieren. Im Gegensatz dazu bieten Kameras mit engem FOV einen besseren Erfassungsbereich, liefern aber weniger Abdeckung. Aus diesen Gründen ist ein Radar, das ein vollständiges FOV bis zu 10 Mal pro Sekunde scannen kann, zur schnelleren Zielerkennung eine effektive Option. Das Ergebnis sind reduzierte Infrastrukturkosten und Frühwarnungen vor den sich nähernden Bedrohungen.

Radar ist auch darauf ausgelegt, die Erkennungsgenauigkeit zu verbessern und die Einschränkungen anderer Sensoren zu überwinden. Zum Beispiel können Regen, starker Nebel, Schnee und Rauch die Leistung von Kameras erheblich beeinträchtigen, was zu kontrastarmen Bildern führt, welche die Leistung der Videoanalytik verringern. Radar ist jedoch für alle Wetterbedingungen konzipiert und wird nicht von Schatten und Lichtreflexionen beeinflusst, die falsche Warnungen auf herkömmlichen Videokamera-Systemen auslösen. Wenn Sicherheitsbetreiber Radar einsetzen, um die Erkennungsgenauigkeit zu erhöhen, erhalten sie Einblicke in Echtzeit, die es ihnen ermöglichen, ihre Einrichtung, Ausrüstung und Mitarbeiter zu schützen.

Zielverfolgung

Wenn sich Eindringlinge einem Gelände aus mehreren Richtungen nähern, kann eine verzögerte Erkennung oder fehlende Sicht die Fähigkeit eines Bedieners, potenzielle Bedrohungen abzufangen, stark einschränken. Radar wurde speziell zur Erkennung, Verfolgung und Kartierung von Bewegungen von Menschen oder Fahrzeugen zur überlegenen Nachverfolgung von Bedrohungen entwickelt. Es bietet eine kontinuierliche Zielverfolgung mit einem Zielgenauigkeitsabstand, der innerhalb von einem Prozent liegt. Darüber hinaus wird die Zeit von der ersten Erkennung bis zum Abfangen des Eindringlings mit einem Radar drastisch verbessert, was eine schnellere, effizientere Reaktion ermöglicht. In einigen Fällen reagiert ein Radar, das einen Menschen am nebligen Tag erkennt, bis zu 60 Sekunden schneller als eine Wärmebildkamera, um den Eindringling in seiner Sichtlinie auszumachen.

Ein PIDS-System, das sich ausschließlich auf PTZ-Kameras für die Zielverfolgung verlässt, erfordert oft mehrere Übergaben, um einem Ziel über einen großen Bereich effektiv folgen zu können. Die Fähigkeit eines Radars, die Geolokalisierung eines Eindringlings mit extremer Genauigkeit zu bestimmen, verbessert jedoch die Reaktionsfähigkeit des gesamten PIDS. Das Radar informiert jeden integrierten PTZ genau, wohin er zielen soll, garantiert weniger Übergaben von einem Ziel-Tracking-Sensor zum anderen und eliminiert die Gefahr eines verlorengegangenen visuellen Ziels. Bei der Verwendung eines Radars wie der Elara R-Produktreihe können Sicherheitsmanager 32 Ziele gleichzeitig verfolgen und eine Vogelperspektive mit überlagerten Maskierungszonen, Alarmbereichen, Zielen, Reichweiten und Zielspuren für eine erweiterte Situationswahrnehmung anzeigen. Endnutzer, die mehrere Radar-FOVs überschneiden, gewinnen eine unterbrechungsfreie Abdeckung. Intelligentes GPS mit Zeitstempel-CHIRP-Slots sorgt dafür, dass Radare der Elara R-Produktreihe sich nicht gegenseitig stören. Die Zielkonsolidierungsfunktion hilft, Verwirrung und unerwünschte Mehrfach-Alarme zu beseitigen, da ein Ziel innerhalb des Abdeckungsbereichs von sich überlappenden Radarstrahlen nur als ein einziges Ziel angezeigt wird.

Redundanz

Die Integration von Radar mit mehreren PTZ-Kameras hilft, eine ausfallsichere Lösung zu schaffen. Wenn beispielsweise eine Kamera ein Ziel aufgrund von visueller Behinderung oder Störung durch schlechte Beleuchtung, schlechtes Wetter, blendendes Sonnenlicht, Schatten, Lichtreflexionen usw. verlieren würde, könnte ein Radar die Geolokalisierung eines Eindringlings an die anderen PTZ-Kameras weitergeben und weiterhin verfolgen. Mit anderen Worten: Durch die Integration von Radar in Ihr PIDS ist es weit weniger wahrscheinlich, dass das System sein Ziel aus den Augen verliert.

Überlegungen zum geeigneten Standort und zur Installation

Wenn es um die Installation geht, können Radarhöhe, -position und -neigung die Effektivität eines Radars innerhalb eines PIDS messbar beeinflussen. Es ist wichtig, dass Systemintegratoren und Endnutzer sich einiger bewährter Verfahren zur Installation zwecks Optimierung der Radarleistung bewusst sind. Das Erreichen einer genauen und dauerhaften Lokalisierung mehrerer Bedrohungen mit optimalen Reichweiten bei allen Wetter- und Lichtverhältnissen ist nur dann möglich, wenn jedes erdenkbare Szenario berücksichtigt wird, das sowohl die Kamerasensoren als auch die Radarsysteme beeinträchtigen könnte. Nachfolgend einige zu vermeidende Installationsfehler sowie empfehlenswerte Einsatzstrategien:

Radar-Cluttering

Radar-Cluttering bezieht sich auf Echos oder Reflexionen, die für die Funktion eines Radars nicht wichtig sind und seine Empfindlichkeit und Leistung beeinträchtigen. Beispiele sind große oder nahegelegene Metallobjekte wie Lastkraftwagen, Gebäude und Maschendrahtzäune. Bäume und Sträucher können ebenfalls Radarenergie absorbieren, wodurch ihre Reichweite und Wirksamkeit abnimmt.

Auch Störsignale können ein potenzielles Problem darstellen. Das Gesamtsignal, das mit der Zielrückgabe konkurriert—seien es elektronische oder externe Umgebungsbedingungen oder beides—besteht aus Cluttering und Störsignalen. Das Signal-Störsignal-Verhältnis vergleicht dann das Niveau des gewünschten Signals mit dem Niveau des Hintergrundrauschens, sodass ein Verhältnis von mehr als 1:1 (größer als 0 dB) mehr Signal als Störsignal anzeigt. Die Installation eines Radars an einem Ort, an dem dieses Verhältnis mehr Signal als Störsignal garantiert, ist die Grundvoraussetzung dieser bewährten Praxis.

Ein optimaler Einbauort für jedes Radarsystem basiert auf der Sichtlinie zum überwachten Bereich. Die Sichtlinie eines Radars kann durch das Vorhandensein von Gebäuden, Lastwagen, Flugzeugen oder anderen großen metallischen Objekten unterbrochen werden; gleiches gilt für unbebaute Flächen mit Anhöhen, Bäumen und Büschen, die in einigen Fällen als saisonaler Faktor betrachtet werden, und die Grashöhe sowie -dichte. Somit umfasst eine Lösung dieser Probleme Installationsstrategien, die jeden Umstand berücksichtigen. Für spezifische Empfehlungen wenden Sie sich bitte an Ihren lokalen Vertriebsmitarbeiter von Teledyne FLIR. Ihr Team von technischen Vertriebsmitarbeitern bietet Unterstützung bei der Standortanalyse und der Standortgestaltung, um sicherzustellen, dass Ihr System bei der Inbetriebnahme gut funktioniert.

Gelände mit Bodenwellen

Unterschiede in der Bodenhöhe gehören zu den häufigsten Problemen für den Radareinsatz. Ganz gleich, ob der Boden hügelig, geneigt oder ungleichmäßig ist—Selbst, wenn sich ein Radarstrahl über einen bestimmten Bereich—erstreckt, ist nicht garantiert, dass sein Strahl jede Zone innerhalb dieses Bereichs auch erreicht. Eine Kombination aus strategischer Höhe, Neigung und Ebenen des Radars können diese Bedingungen relativieren, indem sie den Clutter-Effekt durch den Boden minimieren und tote Winkel unter dem Radar abdecken.

Wird ein Radar beispielsweise zu hoch platziert, werden große Ziele erkannt, während bodennahe Zonen unbeaufsichtigt bleiben. Eine falsche Neigung verringert auch die Empfindlichkeit des Radars, indem beim Abprall von der Erde eine Störung der Bodenrückführung erzeugt wird. Somit berücksichtigen die perfekte Höhe und Neigung sowohl die Neigung der abgedeckten Fläche als auch die Höhe und Lage des gewünschten Erfassungsbereichs.

Integration von Radargeräten

Eine weitere wichtige Strategie, die keine Zone unbeaufsichtigt lässt, umfasst einen mehrschichtigen Ansatz, wobei sich mehrere Radarstrahlen unter Verwendung unterschiedlicher Höhen überlappen oder, falls erforderlich, geneigt werden, um dem Videomanagementsystem (VMS) eine Vielzahl von Sensordaten bereitzustellen, die jede Zone innerhalb desselben Bereichs abdecken. Die Planung einer Radar-Installation mit einem niedrigen Winkel für den Graswuchs und eines Radars mit höherem bzw. nach oben geneigtem Winkel, sorgt für eine maximale Abdeckung derselben Fläche. Systemintegratoren können auch die Höhe eines Radars angeben, um die Erkennung verschiedener Arten von Eindringlingen zu maximieren. Die empfohlene Höhe für Sicherheitsanwendungen beträgt drei bis fünf Meter, was dazu beiträgt, das Risiko einer Behinderung zu reduzieren, wodurch mehr Reichweite erreicht wird und gleichzeitig die Clutter-Werte sinken.

Kompatibilität mit VMS

Wenn es schließlich darum geht, Radar für Sicherheitsinstallationen einzusetzen, ist es wichtig, ein Radar zu wählen, das sich zwecks einfacher Handhabung und vollständiger Kontrolle in Ihr bevorzugtes VMS integriert. Ohne eine engmaschige Integration werden Sicherheitsbetreiber nicht in der Lage sein, auf die vollen Vorteile des Radars zuzugreifen oder diese zu nutzen, wie z. B. das dynamische Mapping von mehreren Zielen gleichzeitig. Logikbasierte Zielverfolgung, Übergabe, überlappende Abdeckung über Fusionsmodus und Datenvisualisierung erfordern alle ein Radar, das in Übereinstimmung mit seiner VMS-Komponente arbeitet.

Wichtigste Erkenntnisse

Mit zuverlässiger Leistung bei allen Wetterbedingungen, gleichzeitiger Verfolgung mehrerer Ziele und Geolokation-Fähigkeiten bieten bodengestützte Sicherheitsradare eine kritische Möglichkeit der Eindringungserkennung für Gebietssysteme. Radargeräte, die mit PTZ-Kameras gekoppelt sind, können Alarme aktivieren und diese Kameras für eine optimierte Zielverfolgung, visuelle Überprüfung von Bedrohungen und schnellere Reaktionszeiten leiten. Durch die Umsetzung bewährter Verfahren bei der Installation liefert das Radar konsistente Ergebnisse bei minimaler Wartung, was eine optimale Kapitalrendite bedeutet.