Radar 4D 📖 Wikipedia

Radar 4D (także radar czterowymiarowy) – rodzaj radaru, który wyznacza cztery podstawowe wielkości opisujące cel: odległość, azymut, elewację oraz prędkość radialną^[1]. W praktyce czwarty wymiar oznacza zwykle składową prędkości wyznaczaną z efektu Dopplera, a nie czas; w literaturze dotyczącej radarów samochodowych określenie to bywa też używane jako nazwa rynkowa radarów wysokiej rozdzielczości, które mierzą położenie 3D i prędkość Dopplera^[2]. Termin upowszechnił się przede wszystkim w motoryzacji oraz systemach percepcji otoczenia pojazdu, ale jest stosowany także wobec części nowoczesnych radarów obserwacyjnych i przeciwlotniczych^[3][4].

W literaturze przeglądowej dotyczącej radarowej percepcji dla pojazdów autonomicznych wskazuje się, że określenie „radar 4D” odnosi się do radarów zdolnych do pomiaru położenia 3D oraz prędkości dopplerowskiej, przy czym tradycyjne radary samochodowe zwykle nie zapewniały użytecznej rozdzielczości w elewacji^[2]. W praktyce oznacza to przejście od chmur punktów opisanych głównie przez odległość, azymut i prędkość do danych zawierających również informację o elewacji celu^[1][2].

Rozwój radarów prowadzący do konstrukcji 4D w motoryzacji poprzedziły eksperymentalne radary samochodowe z lat 70. XX wieku; według przeglądu Holgera H. Meinela i Jürgena Dickmanna pierwsze testowe pojazdy z czujnikami 35 GHz pojawiły się na drogach na początku tej dekady, a pierwszym seryjnym produktem z radarem 77 GHz był system Mercedes-Benz DISTRONIC z 1998 roku^[5].

Jednym z najwcześniejszych jawnych użyć nazwy „4-dimensional continuous wave radar system” w tym obszarze był patent Langa Honga z priorytetem z 2013 roku, opisujący system do zastosowań związanych z bezpieczeństwem ruchu drogowego, mierzący odległość, prędkość radialną, azymut i elewację^[6]. W 2018 roku zespół Robert Bosch i Uniwersytetu w Ulm opisał prototypowy „automotive 4D radar” rozwijany z myślą o wysoko zautomatyzowanej jeździe^[7]. W 2021 roku Continental określił sensor ARS 540 jako pierwszy gotowy do produkcji seryjnej radar obrazujący 4D dla motoryzacji^[8].

Równolegle w radarach obserwacyjnych następowała ewolucja od układów 3D do 4D; w przeglądzie trendów radarów morskich opisano przejście od TRS-3D do TRS-4D z czterema stałymi aperturami AESA, zapewniającymi natychmiastową obserwację dookoła platformy^[9].

Do uzyskania informacji o elewacji i wysokiej rozdzielczości kątowej radary 4D wykorzystują zwykle wielokanałowe układy antenowe oraz zaawansowane przetwarzanie sygnału^[3]. W radarach samochodowych szeroko stosuje się architekturę MIMO, która pozwala tworzyć dużą wirtualną aperturę przy mniejszej liczbie fizycznych elementów antenowych niż w pełnej macierzy^[10]. Z tego samego powodu stosowane są macierze planarne oraz układy rzadkie (sparse arrays), które mają poprawiać rozdzielczość w azymucie i elewacji przy ograniczaniu kosztu i złożoności układu^[10].

Przetwarzanie danych z radaru 4D prowadzi do uzyskania m.in. map zasięg–Doppler, tensorów radarowych albo chmur punktów, wykorzystywanych następnie do detekcji, klasyfikacji i śledzenia obiektów^[2][3]. W radarach obserwacyjnych 4D częste są rozwiązania AESA z cyfrowym formowaniem wiązki; przykładami takiej ewolucji są systemy rodziny TRS-4D oraz TRML-4D^[9][4].

Najszerszym cywilnym obszarem zastosowań radarów 4D są systemy percepcji otoczenia pojazdu w motoryzacji, w tym systemy wspomagania kierowcy oraz jazdy zautomatyzowanej^[3][2]. Dzięki informacji o elewacji oraz bezpośredniemu pomiarowi prędkości dopplerowskiej radary 4D służą do dokładniejszej detekcji, klasyfikacji i śledzenia samochodów, pieszych i rowerzystów, a także do rozpoznawania przeszkód i elementów infrastruktury drogowej^[3][8]. W literaturze podkreśla się także ich użyteczność przy słabym oświetleniu i niekorzystnych warunkach pogodowych oraz rolę w fuzji danych z kamerami i lidarami^[3][2].

Radary 4D są też stosowane jako sensory przydrożne w inteligentnych systemach transportowych do monitorowania przepływu ruchu, trajektorii pojazdów i ruchu wielu obiektów jednocześnie^[3]. W przeglądach naukowych wymienia się ponadto zastosowania w robotyce, rozpoznawaniu aktywności człowieka oraz badaniach nad monitoringiem placów budowy^[1].

W zastosowaniach wojskowych radary 4D służą do obserwacji przestrzeni powietrznej, wskazywania celów i wsparcia obrony przeciwlotniczej^[4][9]. Według HENSOLDT radar TRML-4D jest przeznaczony do wykrywania, śledzenia i klasyfikacji małych, szybkich i nisko lecących celów oraz może śledzić równolegle ponad 1500 obiektów^[4].

W 2024 roku PIT-RADWAR publicznie opisał radar TUGA jako polską konstrukcję 4D^[11]. Według producenta TUGA jest radarem 4D z anteną AESA i techniką FMCW, przeznaczonym do wykrywania i śledzenia samolotów, śmigłowców oraz BSP; lokalizuje cele przez pomiar trzech współrzędnych położenia i prędkości radialnej^[11].

Według czasopisma „Polska Zbrojna” radar TUGA był prezentowany jako konstrukcja do wykrywania i śledzenia dronów, w tym bardzo małych BSP; opisano go jako całkowicie cyfrowy półprzewodnikowy radar pasma X o zasięgu do 50 km^[12].