www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Principiile Radiolocaţiei

Radar cu unde continue

energie transmisă
energia reflectată,
conține informații
despre obiectul reflectant
Transmițător
Receptor

Ilustrație 1: Radarul cu unde continue utilizează adesea antene de emisie și recepție separate, montate pe o placă de circuite imprimate pe două fețe.

energie transmisă
energia reflectată,
conține informații
despre obiectul reflectant
Transmițător
Receptor

Ilustrație 1: Radarul cu unde continue utilizează adesea antene de emisie și recepție separate, montate pe o placă de circuite imprimate pe două fețe.

Radar cu unde continue

Radarele cu unde continue (radarele CW, Continuous Wave radar) emit un semnal transmis în mod continuu. Semnalul de ecou este recepționat și procesat în mod constant.

În principiu, într-un set radar cu undă continuă, transmițătorul funcționează continuu, iar o antenă radiază, de asemenea, acest semnal continuu. Există două probleme de bază care trebuie rezolvate:

Iradierea directă a energiei transmițătorului în receptor poate fi împiedicată prin

Atunci când se recepționează un semnal de ecou, acesta este inițial doar o dovadă că există un obstacol în direcția de propagare a undelor electromagnetice. Din anumite proprietăți ale semnalului de ecou, se pot deduce proprietățile obstacolului. De exemplu, intensitatea semnalului de ecou depinde de mărimea obstacolului. De asemenea, intensitatea semnalului de ecou indică dacă acest obstacol este departe sau aproape de radar. (Cu toate acestea, din păcate, nu se poate obține niciun rezultat de măsurare, deoarece intensitatea semnalului de ecou depinde de prea mulți factori). Pe de altă parte, o modificare a spectrului de frecvențe este un indicator mai fiabil al anumitor proprietăți. De exemplu, reflexia din anumite materiale poate produce, de asemenea, armonici ale frecvenței de transmisie. Acest lucru este exploatat în mod special într-un așa-numit „radar armonic“ pentru a găsi persoanele îngropate sub masele de zăpadă din zonele de avalanșă pe baza acestor materiale, care sunt încorporate în hainele de protecție, de exemplu. Totuși, cele mai frecvent utilizate modificări ale spectrului sunt cauzate de efectul Doppler.

Radar Doppler

Un radar cu undă continuă nemodulată transmite o frecvență constantă cu amplitudine constantă. Semnalul de ecou recepționat fie are exact această frecvență, fie semnalul de ecou este decalat (pentru un reflector care se deplasează cu o viteză radială) cu valoarea unei frecvențe Doppler. Radarele CW specializate în această frecvență Doppler se numesc radare Doppler.

Măsurarea timpului de zbor nu este deloc necesară cu un radar Doppler pentru măsurarea vitezei, deoarece nu se determină distanța. În cazul în care trebuie efectuată o măsurare a timpului de zbor, atunci se poate stabili o referință temporală a ecoului recepționat la semnalul transmis prin modularea semnalului transmis. Această modulație, adică momentul modificării frecvenței sau amplitudinii semnalului transmis, poate fi înregistrată în receptor după timpul de tranzit, ceea ce face posibilă o măsurare a timpului. Cu toate acestea, o astfel de modulație creează alte clase de radare care utilizează ulterior principii de măsurare complet diferite (de exemplu, modulația de frecvență: radar FMCW). De asemenea, se poate concepe o modulare în amplitudine, care ar duce la un radar cu impulsuri la un nivel de modulare de 100%. Un radar care emite o oscilație nemodulată poate detecta viteza unui obiect doar prin efectul Doppler. Nu este posibil să se determine distanțele sau să se facă distincția între diferite ținte.

Ilustrație 2: Diferența de fază

Ilustrație 2: Diferența de fază

Funcție, mod de funcționare

În cazul radarului cu unde continue, se evaluează diferența de fază φ dintre semnalul transmis și semnalul recepționat. Magnitudinea acestei diferențe de fază este raportul dintre lungimea de undă a semnalului transmis și distanța parcursă de unda electromagnetică, înmulțită cu diviziunea de grad a cercului complet (2·π). Diferența de fază este constantă la o distanță constantă față de reflector și este:

φ = −2π 2r cu φ = diferența de fază
r = distanța dintre reflector și antenă
λ = lungimea de undă a semnalului transmis
(1)
λ

Factorul 2 la distanța r înseamnă că semnalul trebuie să parcurgă această distanță de două ori (drumul de ieșire și drumul de întoarcere). Semnul minus apare pentru că în timpul reflexiei are loc un salt de fază de 180°. Un calcul direct al unei distanțe din această diferență de fază nu este posibil fără a fi nevoie de mai mult timp. Acest lucru ar fi posibil, de exemplu, numai dacă distanța ar fi cuprinsă între 0 și 2π (≙ φ<360°). De la această distanță încolo, apar ambiguități din cauza periodicității oscilației sinusoidale.

În cazul în care distanța până la reflector nu este constantă, ci se modifică, de exemplu, cu o viteză relativ constantă până la antena de emisie, diferența de fază se modifică, în consecință, și ea în funcție de timp:

φ(t) = −4π r(t) (2)
λ

O modificare constantă și dependentă de timp a diferenței de fază dintre două semnale sinusoidale pe parcursul perioadei de măsurare corespunde din nou unei curbe de semnal sinusoidal. Aceasta poate fi măsurată și ca frecvență: frecvența Doppler. În cele mai multe cazuri, acest lucru se întâmplă în gama de frecvențe joase. La o frecvență de transmisie constantă, această frecvență Doppler este proporțională cu viteza de apropiere.

Generator
de înaltă
frecvență
Divizor
de putere
Filtru
trece-jos
Amplificator
de înaltă
frecvență
Schimbător
de frecvenţă
Amplificator
audio
la interfața computerului
(procesor audio)
Puterea de transmisie
Antena de emisie
Antena de recepție

Ilustrație 3: Schema bloc a unui transmițător-receptor radar simplu cu conversie directă în jos

Generator
de înaltă
frecvență
Divizor
de putere
Filtru
trece-jos
Amplificator
de înaltă
frecvență
Schimbător
de frecvenţă
Amplificator
audio
la interfața computerului
(procesor audio)
Puterea de transmisie
Antena de emisie
Antena de recepție

Ilustrație 3: Schema bloc a unui transmițător-receptor radar simplu cu conversie directă în jos

Generator
de înaltă
frecvență
Divizor
de putere
Filtru
trece-jos
Amplificator
de înaltă
frecvență
Schimbător
de frecvenţă
Amplificator
audio
la interfața computerului
(procesor audio)
Puterea de transmisie
Antena de emisie
Antena de recepție
Generator Leistungsteiler Sendeantenne Empfangsantenne LNA Mischstufe TP AMP

Ilustrație 3: Schema bloc a unui transmițător-receptor radar simplu cu conversie directă în jos (imagine interactiva)

Schema bloc a unui radar CW
Receptor de amestec direct

Un radar Doppler pentru măsurarea vitezei este foarte simplu din punct de vedere constructiv. Întregul circuit al transmițătorului și al receptorului poate fi fabricat ca o componentă integrată folosind componente semiconductoare pe un substrat. Această componentă se numește, de obicei, transceiver (un portmanteau al termenilor Transmitter și Receiver, transmițător și receptor). În multe cazuri, acest transceiver este deja echipat cu antenele necesare. În cele mai multe cazuri, acestea sunt antene patch realizate pe o placă de circuit imprimat cu două fețe sau (pentru lățimi de bandă mai mari) radiatoare cu corn sau antene Vivaldi.

În cazul unui receptor cu mixare directă (sau numit receptor homodyne), semnalul de ecou nu este convertit într-o frecvență intermediară, dar frecvența înaltă generată în transmițător este, de asemenea, utilizată direct pentru mixarea descendentă. Rezultatul amestecului se află apoi în banda de bază, adică este eliberat de orice frecvență purtătoare. Mixerele utilizate necesită de obicei o putere a oscilatorului local de aproximativ 7 dBm pentru a putea mixa semnalul de ecou. Astfel, puterea generatorului RF de 10 dBm este fixată și aici. Deoarece divizorul de putere are o atenuare minimă de −3 dB, se specifică atunci o putere de transmisie de cel puțin 6 dBm pentru întregul modul. Deși semnalul de ieșire se află acum în banda de bază, această ieșire este încă denumită adesea „IF“, ceea ce sugerează o frecvență intermediară. Cu toate acestea, frecvența Doppler este de obicei în domeniul audibil. Ecourile puternice ale țintei fixe apar la această ieșire sub formă de tensiune continuă, în cazul în care această tensiune continuă nu este blocată, de exemplu, de condensatori de cuplare ca filtru trece-înalt. De obicei, o astfel de măsură a circuitului este efectuată și din cauza diafoniei de la antena de emisie la antena de recepție.

Pentru un radar Doppler în banda K (λ≈ 12 mm) utilizat ca detector de mișcare, trebuie calculată viteza radială maximă posibilă v pentru a putea procesa semnalul de ecou cu un procesor audio stereo al unei plăci de sunet disponibile în comerț (fcut= 18 kHz).

Frecvența Doppler pentru radar se calculează după cum urmează:

fD = 2·v cu fD = frecvența Doppler [Hz]
λ = lungimea de undă a frecvenței transmise
v = viteza radială [m/s]
λ

Convertit aici în v și introdus valorile date:

v =  λ · fD = 12 mm· 18 kHz = 108 m/s ≈ 380 km/h
2 2

Cu această configurație, poate fi măsurată o viteză maximă de 380 km/h, ceea ce include majoritatea aplicațiilor pentru un detector de mișcare simplu.

fS
fS
fS + fD
fS + fZF
fZF
fZF + fD
fD

Ilustrație 4: Diagrama schematică a unui radar Doppler cu receptor heterodină

fS
fS
fS + fD
fS + fZF
fZF
fZF + fD
fD

Ilustrație 4: Diagrama schematică a unui radar Doppler cu receptor heterodină

fS
fS
fS + fD
fS + fZF
fZF
fZF + fD
fD
Generator Mischstufe Zirkulator

Ilustrație 4: Diagrama schematică a unui radar Doppler cu receptor heterodină (imagine interactiva)

Receptor superheterodină

Din cauza amestecului direct, sensibilitatea este limitată. Aceasta înseamnă că frecvența Doppler este suprapusă cu un zgomot de frecvență joasă distribuit statistic. Prin urmare, frecvențele Doppler foarte joase și slabe nu pot fi adesea evaluate.

Un receptor superheterodină poate oferi o îmbunătățire semnificativă a sensibilității în acest punct. Semnalele de ecou sunt convertite doar într-o gamă care se află cu mult deasupra zgomotului de scânteie. Filtrele trece-banda ale amplificatorului de frecvență intermediară nu permit trecerea acestui zgomot de scânteie. În același timp, semnalul de ecou este amplificat cu 30 … 40 dB. Numai în cel de-al doilea mixer semnal de ecou este convertit în banda de bază. Deoarece semnalul de ecou este acum mult mai mare decât zgomotul de scânteie al celui de-al doilea etaj al mixerului, acest zgomot nu mai joacă de obicei niciun rol.

În acest exemplu, se utilizează o singură antenă pentru emisie și recepție. Un circulator este utilizat pentru a separa energia de emisie de cea de recepție. Frecvența oscilatorului local pentru receptorul superheterodină este generată aici prin conversie ascendentă urmată de un filtru de bandă îngustă. În acest caz, se utilizează un contor pentru evaluare. Acest lucru permite afișarea unui singur obiect reflectorizant. (De obicei, cea cu cea mai mare amplitudine.) În cazul mai multor reflectoare în mișcare, frecvențele Doppler care se suprapun ar trebui să fie selectate de o bancă de filtre sau de un filtru acordabil. În ciuda faptului că ambele frecvențe Doppler trebuie măsurate, nu există posibilitatea de a atribui valorile măsurate simultan unui obiect specific fără nici o îndoială.

Descrierea ansamblurilor din schema bloc
Calcularea distanței maxime de acoperire

În general, ecuația radar poate fi utilizată și pentru radarul cu unde continue, deoarece este independentă de tipul de modulație.

Raza de acțiune a unui radar este egală cu rădăcina a patra a fracției cu numitorul fiind produsul dintre puterea transmisă (Ps), pătratul câștigului antenei (G), pătratul lungimii de undă (λ) și aria efectivă de reflexie (σ). Numitorul este produsul dintre puterea primită (P e min) (deschide paranteza...) 4 π(... închide paranteza) la puterea a trei.  

Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că pierderile conținute în expresia Lges pot conține și câștiguri, de exemplu prin integrare coerentă.

Fizicienii ar sublinia acum că, pentru raza de acțiune a unui sistem radar, nu puterea transmisă menționată în formulă este decisivă, ci energia transmisă. Acest lucru putea fi neglijat anterior în derivarea ecuației, deoarece se presupunea că durata de timp a impulsului transmis este egală cu durata de timp a semnalului de ecou.

În cazul în care durata de timp a semnalului de ecou demodulat diferă de durata de timp a semnalului transmis, aceste timpi trebuie să fie puse în proporție și se înmulțesc ca și câștig cu celelalte valori ale expresiei de sub rădăcina a patra.

Raza de acțiune a unui radar este egală cu rădăcina a patra a fracției cu numitorul fiind produsul dintre puterea transmisă (Ps), pătratul câștigului antenei (G), pătratul lungimii de undă (λ) și aria efectivă de reflexie (σ). Numitorul este produsul dintre puterea primită (P e min) (deschide paranteza...) 4 π(... închide paranteza) la puterea a trei.  

Pentru un radar cu modulație intrapuls, acest câștig se numește raportul de compresie a impulsurilor (pulse compression ratio, PCR) și depinde de lățimea de bandă transmisă. Acest lucru devine clar atunci când se consideră că acest model de modulație transmis poate fi cu greu reprodus de impulsuri de zgomot aleatorii, astfel încât filtrul de compresie a impulsurilor poate detecta și ținte care se află cu mult sub nivelul de zgomot.

Un calcul similar poate fi făcut și pentru radarul cu unde continue. Aici, timpul total de iluminare în raport cu timpul de reacție al filtrului poate fi calculat ca un câștig de integrare. Acest câștig de integrare poate lua valori de până la 45 dB.

Aplicații ale radarului Doppler nemodulat

Ilustrație 5: TRAFFIPAX SpeedoPhot (© 2000 ROBOT Visual Systems GmbH)

Ilustrație 5: TRAFFIPAX SpeedoPhot (© 2000 ROBOT Visual Systems GmbH)