www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Основы радиолокации

Радиолокатор непрерывного излучения с частотной модуляцией и прерываниями

Переключатель
на pin-диодах

Figure 1: FMiCW radar uses an additional PIN diode switch to turn off the transmitter power.

sägezahn VCO BF -3dB PowerAmp TxAnt RxAnt LNA Mix TP PIN switch control out
Переключатель
на pin-диодах

Рисунок 1. В FMiCW-радиолокаторе используется дополнительный переключатель на pin-диодах для выключения излучения мощности (интерактивный рисунок)

Радиолокатор непрерывного излучения с частотной модуляцией и прерываниями

PIN-Dioden-
Schalter

Figure 1: FMICW radar uses an additional PIN diode switch to turn off the transmitter power during the measuement.

Радиолокатор непрерывного излучения с частотной модуляцией и прерываниями (Frequency Modulated interrupted Continuous Wave, FMiCW - Radar или iFMCW- Radar) занимает особое место в ряду разнообразных радиолокационных технологий. Принцип его действия заключается в том, что во время процесса измерения излучение сигнала выключается на некоторое время. Таким образом, формально такой радиолокатор является импульсным радиолокатором. Во время отключения передающей антенны генерация колебаний в передатчике не прекращается и в приемник поступает опорное колебание, необходимое для преобразования частоты принятого сигнала. Процесс измерения для определения дальности заключается в измерении разности между текущей частотой излучаемого сигнала и частотой эхо-сигнала, как и в FMCW-радиолокаторе. То есть это не измерение времени запаздывания эхо-сигнала, подобное выполняемому в импульсном радиолокаторе с внутриимпульсной модуляцией.

Импульсная амплитудная модуляция излучаемого сигнала
генерируемая пилообразная частота
управляющее напряжение для переключателя на pin-диодах
излучаемая частота
эхо-сигнал (с запаздыванием)

Рисунок 2. Осциллограммы для структурной схемы

генерируемая пилообразная частота
управляющее напряжение для переключателя на pin-диодах
излучаемая частота
эхо-сигнал (с запаздыванием)

Рисунок 2. Осциллограммы для структурной схемы

генерируемая пилообразная частота
управляющее напряжение для переключателя на
pin-диодах
излучаемая частота
эхо-сигнал (с запаздыванием)

Рисунок 2. Осциллограммы для структурной схемы

В сравнении с чистым FMCW-радиолокатором радиолокатор FMiCW имеет достоинства и недостатки. Обычно в FMCW-радиолокаторе излучаемый сигнал непосредственно проникает в приемник. В FMiCW-радиолокаторе развязка между передатчиком и приемником улучшается за счет временного выключения излучения мощности. В интервале времени, когда антенна не излучает, можно повышать чувствительность приемника. Кроме этого, такая развязка позволяет увеличить мощность передатчика. За счет этих двух шагов может быть увеличена максимальная дальность действия радиолокатора.

Однако отключение приемника во время излучения (например, с помощью инверсного управляющего напряжения для pin-диодов) уменьшает интервал времени, в течение которого может быть принят эхо-сигнал. Любые эхо-сигналы (синий канал на Рисунке 2) могут приниматься только если управляющее напряжение имеет низкий уровень (красный канал на Рисунке 2). На Рисунке 2 интервал времени между эхо-сигналом и низким уровнем управляющего напряжения закрашен серым цветом. Часто этот интервал длится очень короткое время. Это означает, что возможность некогерентного накопления сигнала ухудшается. Может быть принята только небольшая часть эхо-сигнала. Это уменьшает энергию принятого сигнала и, следовательно, максимальную дальность действия радиолокатора. При этом эхо-сигналы, полученные с малых дальностей, более подвержены этому уменьшению энергии. Такой эффект схож с действием временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ или STC, sensitive time control) в импульсных радиолокаторах.

Такой тип FMiCW-радиолокатора используется, например, в современных автомобильных радиолокаторах (адаптивный круиз-контроль) в полосе частот 76 … 77 ГГц. Для определения азимута угол, под которым излучается конкретный субимпульс сигнала, может несколько отличаться за счет изменения точек питания полосковой антенны.

Применение FMiCW-радиолокатора для увеличения измеряемой дальности
генерируемая пилообразная частота
управляющее напряжение для переключателя на pin-диодах
излучаемая частота
эхо-сигнал (с запаздыванием)

Рисунок 3. Осциллограммы для структурной схемы

генерируемая пилообразная частота
Control voltage for PIN diode switch
излучаемая частота
эхо-сигнал (с запаздыванием)

Рисунок 3. Осциллограммы для структурной схемы

генерируемая пилообразная частота
управляющее напряжение для
переключателя на pin-диодах
излучаемая частота
неизлучаемые частоты
эхо-сигнал
(с запаздыванием)

Рисунок 3. Осциллограммы для структурной схемы

В качестве еще одного решения данная методология может применяться для более эффективного использования допустимой ширины полосы излучаемых частот. Более высокая крутизна изменения частоты обеспечивает более высокое разрешение по дальности при сохранении максимально возможной дальности действия.

В диапазоне ISM (Industrial, Scientific and Medical Band, для промышленности, науки и медицины) 24 ГГц передатчик должен работать только в полосе от 24,0 до 24,25 ГГц. Требуется найти компромисс между разрешением и дальностью действия радиолокатора при работе в этом диапазоне частот. При использовании метода FMiCW крутизна изменения частоты может быть отрегулирована, например, таким образом, что полоса частот передатчика будет вдвое больше допустимой, то есть от 24,0 до 24,5 ГГц. При достижении частотой сигнала верхней границы диапазона ISM (24,25 ГГц) сигнал передатчика отключается от антенны и, таким образом, излучаться будет только сигнал в разрешенном диапазоне частот. Интервал возможного времени запаздывания эхо-сигнала будет значительно больше длительности излученного сигнала. Как видно по Рисунку 3 измерение разности частот, в данном случае, выполняется по отношению к частотам, принадлежащим гораздо большему возможному интервалу частот (пунктирная линия).