www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Noções básicas de radar

Radar de pulso

Radar principle:
An electromagnetic pulse travels at the speed of light from an antenna to an airborne target. There the energy is reflected and the echo signal moves back at the same speed and is received by the antenna. The time measurement (in the picture symbolized with stop watches) permits to calculate the distance of airborne target from the run time and the known speed.

Figure 1: Runtime measurement by radar

Transmitir sinal
Sinal de eco

Figura 1: Medição do tempo de execução por radar

Hintergrundbild transparente Animation:
Ein elektromagnetischer Impuls bewegt sich (mit Lichtgeschwindigkeit) von einer Antenne bis zu einem Flugziel. Dort wird die Energie reflektiert und das Echo bewegt sich mit gleicher Geschwindigkeit zurück und wird von der Antenne empfangen. Auf einem Oszilloskop läuft zeitgleich ein Leuchtfleck mit. Zum Zeitpunkt des Empfangs des Echosignales wird dort ein Echoimpuls geschrieben. Der Abstand dieses Echoimpulses zum Sendeimpuls ist proportional zur Zielentfernung.

Figura 1: Medição do tempo de execução por radar

Radar de pulso

transmitir sinal
sinal de eco
τ
Τ

Figura 2: Relações de pulso do radar

transmitir sinal
sinal de eco
τ
Τ

Figura 2: Relações de pulso do radar

O radar de pulso emite pulsos curtos e poderosos, no período silencioso, recebe os sinais de eco. Ao contrário do radar de ondas contínuas, o transmissor é desligado antes da conclusão da medição. Este método é caracterizado pela modulação do pulso de radar com pulsos de transmissão muito curtos (normalmente transmite durações de pulso de τ ≈ 0,1 … 1 µs). Entre os pulsos de transmissão, há pausas de pulso muito grandes Τ >> τ, que são chamadas de tempo de recebimento (normalmente Τ ≈ 1 ms), como mostrado na Figura 2. A distância dos objetos refletores é determinada pela medição do tempo de execução (em um ponto fixo no radar) ou por comparação das alterações características do espectro Doppler com os valores para determinadas distâncias armazenadas em um banco de dados (para radar em uma plataforma de movimento rápido). Os radares de pulso são projetados principalmente para longas distâncias e transmitem uma potência de pulso relativamente alta.

Um recurso distintivo importante para outro método de radar é o controle de tempo necessário de todos os processos dentro do radar de pulso. A borda principal do pulso transmitido é a referência de tempo para a medição do tempo de execução. Termina com a transição da borda ascendente do sinal de eco na parte superior do pulso. Atrasos sistemáticos no processamento do sinal devem ser corrigidos ao calcular a distância. Desvios aleatórios influenciam a precisão do radar de pulso.

Tabela de conteúdos « Radar de pulso »
  1. Transmitir sinal
  2. Sinal de eco
  3. Projeto, diagrama de blocos
  4. Aplicação
Transmitir sinal

A forma de onda do sinal transmitido pode ser descrita matematicamente como:

s(t) = A(t)· sin[2πf(t)·t + φ(t)] (1)

Figura 3: Espectro de frequência de uma sequência de pulsos retangulares nas proximidades da frequência de transmissão ftx

Figura 3: Espectro de frequência de uma sequência de pulsos retangulares nas proximidades da frequência de transmissão ftx

A função A(t) é uma variação da amplitude na função do tempo t - isto é, uma modulação de amplitude. No caso mais simples, o transmissor é ligado por um curto período de tempo (pelo tempo τ) e permanece o resto do tempo na „posição desligada”. A(t) é então no caso de transmissão = 1, caso contrário = 0. A função do tempo é então determinada pela frequência de repetição do pulso e pelo ciclo de trabalho. Como os retornos do radar estão sujeitos a várias perdas, uma modulação de amplitude real faz pouco sentido, exceto apenas essa função de comutação (ativação/desativação). O envelope do espectro de frequências de uma sequência de pulsos retangulares é representado por uma função (sin x)/x. As partes essenciais da potência de transmissão (observe a escala logarítmica da ordenada na Figura 3) estão em uma região BHF = 2/τ na vizinhança da frequência de transmissão ftx.

A frequência de repetição de pulso fPRF e a duração do pulso transmitido τ e o tempo de recebimento (Τ − τ) influenciam o desempenho do radar, exempo a faixa de medição mínima (o pulso de transmissão deve ter saído completamente da antena) e a faixa máxima não ambígua (o sinal de eco deve ser recebido no tempo antes do próximo pulso de transmissão).

A duração do pulso de transmissão τ afeta substancialmente a resolução da faixa ΔR do radar de pulso. A resolução do intervalo é:

ΔR = 0,5·τ·c (2)

Quanto menor o pulso de transmissão, mais próximo dos outros dois refletores pode ser posicionado de modo a ser detectado como dois refletores e não como um objeto grande. A largura de banda do transmissor BHF do radar de pulso aumenta com a diminuição da largura de pulso:

BHF = τ−1 (3)

O encurtamento dos pulsos limita a faixa máxima no caso de modulação simples do pulso. Sob essas condições, a energia de pulso Ep pode ser aumentada apenas pela potência de pulso PS em uma resolução de faixa necessária.

Para o alcance máximo do radar de pulso, a energia de pulso é crucial, e não sua potência de pulso:

Ep = Ps· τ = Pav· Τ = Pav Onde Ep = teor de energia do pulso
PS = potência do pulso de transmissão
Pav = potência média
(4)
fPRF

Melhorias significativas nessa situação podem ser alcançadas com a modulação interna do pulso de transmissão (modulação intra-pulso). A relação entre a duração do pulso de transmissão e a duração do pulso recebido é resolvida pela compressão do pulso no receptor. Uma localização de vários refletores e a medição de sua faixa individual também podem ser realizadas dentro da duração do pulso de transmissão.

A função φ(t) na equação (1) é a expressão para uma mudança de fase de todo o sinal. A fase inicial do sinal transmitido pode ser conhecida e previsível (devido à geração de oscilação). Nesse caso, o radar de pulso é atribuível aos radares totalmente coerentes. O ângulo de fase real também pode ser conhecido, mas o estado inicial pode ser imprevisível. Então o radar é um dos radares pseudo-coerentes. Se esta fase inicial for completamente indeterminada (caótica), o radar é um dos radares não coerentes. Somente com uma possível modulação Intra Pulse codificada em fase, essa função ganha mais importância.

Sinal de eco

Geralmente, supõe-se que a duração do pulso transmitido seja igual à duração do pulso de eco refletido. Assim, na razão entre a potência transmitida e a potência recebida (que é usada na equação fundamental da faixa de radar) pode ser dispensada uma especificação de tempo.

Todos juntos: o sinal de eco está sujeito a tantas influências que a forma de onda e a forma do sinal de eco no resultado devem ser consideradas desconhecidas. No entanto, para construir um receptor compatível ideal ou um filtro adaptado, vários canais receptores devem ser configurados em paralelo, levando em consideração todas as possíveis deformações do sinal. Em um circuito de seleção, o sinal de eco com a melhor (maior) relação entre sinal/ruído e interferência (SNIR) é processado posteriormente. A „posição” da chave máxima também é salva como informação importante para a identificação desse sinal de eco.

Em geral, a largura de banda de recebimento é mantida o menor possível, para que não seja recebido muito ruído desnecessário. Portanto, para selecionar a largura de banda apenas com BHF = 1/τ para um radar de pulso simples. A influência do ruído pode ser suprimida no receptor usando a integração de pulsos. Aqui, uma soma de períodos de pulso é formada. O objeto refletido é considerado estacionário durante o tempo desses períodos de pulso. Como o ruído é distribuído aleatoriamente, a soma do ruído não pode alcançar a soma dos sinais de eco. A relação sinal/ruído é aprimorada por essa medida.

Projeto, diagrama de blocos
Antena
Transmissor
Duplexador
Receptor
Modulador
Sincronizador
Indicador

Figura 4: Diagrama de blocos de um radar de pulso monostático

Taktgeber Modulator Sender Duplexer Antenne Empfänger Bildschirm ACPs ACPs

Figura 4: Diagrama de blocos de um radar de pulso monostático (imagem interativa)

A construção de um radar de pulso depende se o transmissor e o receptor estão no mesmo local (radar monostático) ou se os dois componentes são implantados em locais completamente diferentes (radar bistático).

Um radar de pulso monostático, além do design compacto, tem a vantagem de que o importante para dispositivos de temporização de radares de pulso pode ser concentrado em um bloco de sincronização central. Portanto, os tempos de execução internos dos gatilhos do radar podem ser mantidos baixos. Uma antena de radar elaborada pode ser usada por meio de um multiplexador para transmitir e receber.

A desvantagem é que muitas vezes o receptor de radar altamente sensível deve ser desligado por um duplexador para sua própria proteção contra a alta potência de transmissão. Durante esse período, ele não pode receber nada.

Descrição dos módulos no diagrama de blocos

Em um radar de pulso bistático, o receptor está equipado com sua própria antena em um local diferente do transmissor. Isso tem a vantagem de o receptor poder operar sem medidas de proteção significativas contra uma alta potência de transmissão. No caso mais simples, uma rede é construída a partir de locais extras para um radar de pulso monostático existente. Exemplo dado: radar meteorológico Poldirad em Oberpfaffenhofen, Alemanha (perto de Munique). As antenas receptoras não são muito direcionais: elas devem poder receber de várias direções simultaneamente. A desvantagem aqui é a sincronização muito complexa. Simultaneamente aos sinais de eco, o receptor também deve receber o sinal de transmissão direta. A partir desse sinal e da distância conhecida do transmissor, um sinal de sincronização deve ser gerado. A principal aplicação militar das configurações bistáticas são os radares Over-The-Horizon (OTH).

Os radares passivos são uma variante do radar bistático. Eles usam parasiticamente uma variedade de emissões de RF (estações de rádio ou televisão ou radares de pulso externos). O radar passivo calcula a posição dos alvos a partir da diferença entre o tempo do caminho direto do sinal e o tempo de execução adicional do eco refletido. Ambiguidades na medição podem ser excluídas, por um lado, pela descoberta direta de direção envolvendo emissões espúrias do alvo ou pela sincronização de dois radares passivos trabalhando em locais diferentes.

Aplicação

Pulse radars are designed mainly for long distances. The main application is still the military area. Other applications include air traffic control, weather observation (especially precipitation radar) as well as the satellite-based remote sensing of the earth's surface.