Mechanismus der Wechselwirkung elektromagnetischer Wellen und Einschränkungen der physikalischen Dimensionen
Der Hauptgrund für die geringe Dichte von Millimeterwellenradar-Punktwolken liegt in den grundlegenden physikalischen Gesetzen der Wellenoptik und des Elektromagnetismus. Das Hauptarbeitsfrequenzband von fahrzeugmontierten Millimeterwellenradaren liegt bei 77 GHz bis 79 GHz, und die entsprechende Wellenlänge beträgt etwa 3,8 mm bis 3,9 mm.
Gemäß der Theorie der elektromagnetischen Wellenreflexion bestimmt die relative Rauheit der Objektoberfläche die Eigenschaften des Echos. Wenn die Detektionswellenlänge viel größer ist als die Wellengröße der Objektoberfläche, erscheint die Oberfläche aus der Perspektive elektromagnetischer Wellen als quasi-Spiegeloberfläche, und die resultierende Reflexion folgt dem Snelliusschen Gesetz, d. h. der Einfallswinkel ist gleich dem Reflexionswinkel.
In städtischen Straßenszenen sind die Metalloberflächen von Autos, Glasfassaden von Gebäuden und flache Asphaltbeläge fast alle „Spiegeloberflächen“ für Millimeterwellen mit Wellenlängen nahe 4 mm.
Diese Spiegelreflexion führt dazu, dass sich der größte Teil der elektromagnetischen Energie in einer Richtung weg vom Millimeterwellenradar zerstreut, wobei nur eine sehr kleine Energiemenge durch Beugung am Rand des Objekts, Sekundärreflexion an der Eckreflektorstruktur oder Rückstreuung durch senkrechten Einfall zurück zur Empfangsantenne übertragen wird.
Im Gegensatz dazu liegt die von Lidar verwendete Wellenlänge bei 905 nm oder 1550 nm und ist damit drei Größenordnungen kleiner als Millimeterwellen. Viele Objektoberflächen sind für Laser rau und können eine gleichmäßige diffuse Reflexion erzeugen, wodurch sichergestellt wird, dass alle Teile der Objektoberfläche Echopunkte reflektieren können.
Neben Unterschieden in den Reflexionsmustern beeinflussen auch die Dielektrizitätskonstante und die Leitfähigkeit des Materials selbst die Fülle der Punktwolke. Als guter Leiter weist Metall ein extrem hohes Reflexionsvermögen für Millimeterwellen auf, sodass Fahrzeuge, Leitplanken und andere Objekte relativ stabile Detektionspunkte bilden können. Bei nicht-metallischen Zielen wie Fußgängern, deren Hauptbestandteil Feuchtigkeit ist, ist der Absorptions- und Streumechanismus von Millimeterwellen komplexer.
Obwohl der Kohlenstoffgehalt des menschlichen Körpers ihn im Millimeterwellenband etwas reflektierend macht, wird die Energie leicht in mehrere Richtungen gestreut, da die Oberflächenform des menschlichen Körpers äußerst unregelmäßig ist und keine große Fläche mit planarer oder eckiger Reflexionsstruktur aufweist, was zu starken Schwankungen der Echointensität führt.
Einige Studien haben dazu Experimente durchgeführt. Durch den Einsatz von mit Kohlenstoff-beschichteten menschlichen Körpermodellen können die Reflexionseigenschaften von Fußgängern simuliert werden. Doch selbst dann, wenn die Gliedmaßen des Fußgängers in einem Winkel zum Radarstrahl stehen, werden viele Hochfrequenzsignale abgelenkt statt zurückgegeben. Dies erklärt auch, warum in der Millimeterwellen-Radaransicht die Punktwolke von Fußgängern nicht nur spärlich ist, sondern oft auch Teile fehlen.
Die Einschränkungen der Hardware-Apertur und der Winkelauflösung verschärfen die Diskretisierung der räumlichen Wahrnehmung zusätzlich. Die Fähigkeit des Millimeterwellenradars, benachbarte Ziele zu unterscheiden, wird durch die Winkelauflösung der Antenne begrenzt, die physikalisch durch das Verhältnis der Wellenlänge zur äquivalenten Apertur der Antenne bestimmt wird.
Die physikalische Größe von Millimeterwellen-Radarantennen ist durch den Einbauraum im Fahrzeug begrenzt und kann nicht unbegrenzt erweitert werden. Dies führt dazu, dass die horizontale Winkelauflösung herkömmlicher Millimeterwellenradargeräte nur zwischen 5 und 10 Grad liegt und die meisten von ihnen nicht in der Lage sind, Neigungswinkel wahrzunehmen.
Dies bedeutet, dass das Millimeterwellenradar innerhalb eines breiten Strahlbereichs diese aufgrund unzureichender Auflösung möglicherweise zu einem einzigen Punkt zusammenfügt, selbst wenn mehrere Reflexionszentren vorhanden sind. Diese Ineffizienz auf der Ebene der „räumlichen Abtastung“ schränkt die Anzahl der Punktwolken, die in einem Einheitsraum erzeugt werden können, grundlegend ein und macht es dem Millimeterwellenradar unmöglich, durch dichtes Laserstrahlscannen wie Lidar detaillierte dreidimensionale Modelle zu erstellen.
