Радиолокатори с непрекъснати вълни
съдържа информация
за отразяващ обект
Изображение 1. Методите на радиолокацията с непрекъснати вълни използват отделни антени за предаване и приемане. Изградени са върху двустранна печатна платка.
съдържа информация
за отразяващ обект
вател
Изображение 1. Методите на радиолокацията с непрекъснати вълни използват отделни антени за предаване и приемане. Изградени са върху двустранна печатна платка.
Радиолокатори с непрекъснати вълни
Радарът с непрекъснати вълни (на английски език: Continuous Wave radar, CW-Radar) излъчва непрекъснато високочестотен сигнал. Ехосигналът се получава и обработва непрекъснато. За да се използва този метод, трябва да се решат две задачи:
- предотвратява директното проникване на енергията на предавателя в приемника (обратна връзка);
- да се свържат приетите сигнали с времева система, за да може да се измери времето на закъснение.
Проникването на сигнала от изхода на предавателя към приемника може да се предотврати чрез следните мерки:
- пространствено разделяне на предавателната и приемната антена,
например в системите за самонасочване на противовъздушни ракети, при които целта се облъчва от мощен предавател, а приемникът се намира в ракета, движеща се към целта; - честотно разнообразие и предавателя, например чрез доплерово изместване на честотата в системите за измерване на скоростта.
Не е необходимо да се измерва времето на забавяне в скоростомерите, тъй като действителното разстояние до автомобила нарушител не е особено важно. Ако обаче е необходима информация за обхвата, за измерване на времето на закъснение може да се използва честотна модулация или фазова манипулация на излъчвания сигнал.
Радар с непрекъснати вълни и немодулиран сигнал осигурява само измерване на скоростта въз основа на ефекта на Доплер. С такъв радар не е възможно да се измери разстоянието до целта и не е възможно да се разграничат два или повече отразяващи се обекта.
Ако се получи ехо, това първоначално означава само, че на пътя на електромагнитната вълна има препятствие. Информация за характеристиките на такова препятствие може да се получи чрез анализ на определени характеристики на ехосигнала. Например интензивността на ехото зависи от размера на препятствието. Освен това интензивността на ехото зависи от това дали препятствието се намира близо или далеч от радара. За съжаление не е възможно да се получат резултати въз основа на тези свойства, тъй като интензивността на ехосигнала зависи от твърде много фактори. От друга страна, промяната на честотния спектър е информативна характеристика на ехосигнала. По-специално, хармоници на излъчваната честота могат да бъдат възбудени, когато сигналът се разсейва от повърхности на определени материали. Тази функция се използва в т.нар. «нелинеен локатор», предназначен за търсене на хора под снежни преспи с помощта на елементи на облеклото, изработени от специални материали. Най-разпространеният начин за изграждане на радари с непрекъснати вълни обаче е да се използват промените в спектъра на ехо-сигнала, причинени от ефекта на Доплер.
Доплеров радар
Едно непрекъснат немодулиран радарен сондиращ сигнал има постоянна честота и амплитуда. Полученият ехосигнал може да има същата честота или честотата му да бъде изместена с размера на доплеровото отместване (ако отражателят се движи с радиална скорост, различна от нула). Специализираните радари с непрекъснати вълни, предназначени за измерване на доплеровото честотно изместване, се наричат доплерови радари.
Доплеровите радари за измерване на скоростта не измерват времето на закъснение, тъй като не измерват разстоянието до разсейвателя. Ако все пак трябва да се направи такова измерване, се използва модулация на приетия ехосигнал и излъчения сигнал, за да се установи времева връзка. Тази модулация, или по-точно моментът на промяна на един или друг параметър на сигнала, може да бъде засечена в приемника, което прави възможно измерването на времето на закъснение. Използването на модулация води до различен клас радари, които използват други видове модулация (например честотна модулация - FMCW-радар). Амплитудната модулация при 100% модулация води до импулсен радар. Радар, който излъчва немодулирани колебания, може да измери само скоростта на обекта поради ефекта на Доплер. Той не може да измерва обсега на обекта и не може да разпознава цели в една и съща посока.
Изображение 2: Фазова разлика
Принцип на работа
При радарите с непрекъснати вълни се измерва фазовата разлика φ между излъчения и приетия сигнал. Очевидно е, че тази разлика ще бъде числено равна на фазовата разлика, която излъченият сигнал ще придобие, когато се разпространява към и от цел на разстояние r. При синусоидално трептене големината на фазовата разлика е равна на отношението на разстоянието, изминато от вълната, към дължината на вълната, умножено по (2·π). Множителят (2·π) съответства на фазовата разлика, когато вълната изминава разстояние, равно на дължината на вълната. Ако разстоянието до разсейвателя не се променя, фазовата разлика остава постоянна и се изчислява по формулата:
| φ = −2π | 2r | където | φ = фазовата разлика; r = разстоянието между антената и разсейвателя; λ = дължина на вълната на излъчвания сигнал. |
(1) |
| λ |
Коефициентът 2 на разстояние r означава, че сигналът трябва да измине това разстояние два пъти (напред и назад). Знакът минус съответства на фазовия скок от 180º в резултат на отражението. Директното изчисляване на разстоянието по тази фазова разлика не е възможно поради нееднозначността на получения резултат. Резултатът от изчисляването на разстоянието до разсейвателя по фазовата разлика е верен само ако разсейвателят се намира на разстояние, при което фазовата разлика е между 0 и 360° (≙ φ<360°). Ако разстоянието до разсейвателя е по-голямо, резултатът ще бъде двусмислен.
Ако разстоянието до разсейвателя се променя с определена, например постоянна, скорост спрямо излъчващата антена, тогава фазовата разлика също се променя като функция на времето:
| φ(t) = −4π | r(t) | (2) |
| λ |
Променящата се във времето фазова разлика между два синусоидални сигнала с различни честоти, която е постоянна през интервала на измерване, има синусоидален характер. Честотата на тази синусоида може да бъде измерена и е равна на доплеровата честота. В повечето случаи тази честота е в ниския (чуваем) честотен диапазон. Ако честотата на излъчване е постоянна, тази доплерова честота е пропорционална на радиалната скорост на разсейвателя.
генератор
висока
честота
усилвател
(аудиопроцесор)
антена
Изображение 3: Блок схема на прост радарен приемо-предавател, използващ директно преобразуване на честотата
генератор
висока
честота
усилвател
(аудиопроцесор)
антена
Изображение 3: Блок схема на прост радарен приемо-предавател, използващ директно преобразуване на честотата
генератор
на мощност
филтър
висока
честота
усилвател
(аудиопроцесор)
антена
Изображение 3: Блок схема на прост радарен приемо-предавател, използващ директно преобразуване на честотата (интерактивно чертане)
Схема на радар с непрекъснати вълни
Радарите с непрекъснат лъч обикновено се изграждат по една от двете схеми:
- с приемник за директно преобразуване;
- суперхетеродинен приемник.
Схема на приемника с директно преобразуване
Доплеровият радар за измерване на скоростта е много прост. Цялата електрическа схема на предавателя и приемника може да бъде проектирана като интегриран модул, използващ полупроводникови компоненти върху подложка. Такъв модул обикновено се нарича приемо-предавател или трансивър (от трансивър = Transmitter and Receiver, предавател + приемник). В повечето случаи такъв модул вече е оборудван с необходимите антени. Обикновено това са пластинчати антени, реализирани върху двустранни платки, или рогови излъчватели (за по-голяма широчина на честотната лента).
В приемника с директно преобразуване (други наименования: хомодинен приемник) ехосигналът не се преобразува в междинна честота и високочестотните трептения, генерирани от предавателя, също се използват директно за извличане на фазовата разлика. Сигналът на изхода на смесителя е в честотната лента на модулиращото трептене, т.е. той няма компонент на носещата честота. Обикновено използваните смесители за извличане на различната честота изискват локалната хетеродинна мощност да бъде около 7 dBm. Поради това мощността на високочестотния генератор е зададена на 10 dBm. Тъй като делителят на мощност въвежда затихване от поне −3 dB в сигнала, изходната мощност на предавателния модул е поне 6 dBm. Въпреки че изходният сигнал е в честотната лента на модулиращата форма на вълната, той все още често се нарича «IF» (Intermediate Frequency «междинна честота»). Честотата на Доплер обаче обикновено е в ниския честотен диапазон. Ако постоянната компонента не се блокира от разединяващи кондензатори, използвани като високочестотни филтри, силните отражения от неподвижни цели се появяват като постоянно напрежение на изхода на смесителя. Обикновено такава схема се използва и за потискане на сигналите, възникващи от пресичане от предавателната към приемната антена.
Изчисляване на максималната възможна радиална скорост v, която може да бъде измерена с доплеров радар в К-обхвата (λ≈ 12 мм), използван като детектор на движение. Колко бързо може да се движи отражателят, така че сигналът от ехото да може да се обработва от стерео аудиопроцесора на търговска аудиокарта (fcut= 18 kHz = максимална fD)?
В радарите доплеровата честота се изчислява по формулата:
| fD = | 2·v | където | fD = честотата на Доплер [Hz] λ = дължината на вълната на предавателя v = радиалната скорост [m/s] |
| λ |
Изразявайки радиалната скорост v по тази формула и замествайки необработените данни, получаваме
| v = | λ · fD | = | 12 mm· 18 kHz | = 108 m/s ≈ 380 km/h |
| 2 | 2 |
Така при тази конфигурация на оборудването максималната скорост, която може да бъде измерена, е 380 км/ч, което покрива повечето случаи, които възникват при обикновен детектор за движение.
Изображение 4: Схема на доплеров радар със суперхетеродинен приемник
Изображение 4: Схема на доплеров радар със суперхетеродинен приемник
Изображение 4: Схема на доплеров радар със суперхетеродинен приемник (интерактивно чертане)
Схематична схема със суперхетеродинен приемник
При директното смесване чувствителността на приемника е ограничена. Към изходния сигнал се добавя трептящ шум от смесителя, т.е. върху доплеровата честота се наслагва произволно разпределен нискочестотен шум. Поради това слабите сигнали, съответстващи на ниски доплерови честоти, често не могат да бъдат оценени.
В такава ситуация значително подобрение на чувствителността се постига чрез изграждане на приемника с помощта на суперхетеродинна схема. Спектърът на ехото първо се въвежда в диапазон, който е значително по-висок от честотите на трептящия шум. Шумът от трептенията на първия смесител не преминава през лентовия филтър на междинния честотен усилвател. В същото време ехо-сигналът се усилва с около 30-40 dB. Едва във втория смесител сигналът се пренася в основния честотен диапазон. Тъй като усиленият сигнал вече е много по-силен от трептящия шум на втория смесител, този шум може да бъде пренебрегнат.
Примерът на фигура 3 използва една антена за предаване и приемане. Разделянето на приемника и предавателя се извършва с помощта на циркулационен модул. Хетеродинната честота за суперхетеродинния приемник се генерира чрез възходящо преобразуване в смесителя, последвано от теснолентов филтър. За оценка на скоростта на разсейвателя се използва честотен брояч. Само един обект (обикновено този, чието отражение има голяма амплитуда) може да бъде показан в даден момент. Ако в зрителното поле на радара има много движещи се рефлектори, припокриващите се доплерови честоти могат да бъдат извлечени с помощта на набор от филтри или един-единствен настройваем филтър. Въпреки че е възможно да се измерят множество доплерови честоти по този начин, няма начин измерените стойности да се отнесат еднозначно към конкретен обект.
Описание на елементите в блок-схемата
Изчисляване на обхвата на радара
Най-общо казано, уравнението за обхвата на радара може да се използва за изчисляване на непрекъснат радар, тъй като не зависи от вида на модулацията.
Трябва да се отбележи обаче, че мултипликаторът на Lges може да отчете и ефекта от кохерентно акумулиране.
Физиците ще отбележат, че определящият фактор за изчисляване на обхвата на радара е излъчваната енергия, а не мощността на предавателя, която фигурира във формулата. При импулсните радари този факт може да се пренебрегне, ако се приеме, че продължителността на сондиращия и отразения от целта сигнал е равна.
Ако продължителността на демодулирания ехо-сигнал се различава от продължителността на излъчения сигнал, съотношението на тези продължителности трябва да се вземе предвид като фактор, с който се умножава изразът под корен от четвърта степен.
Това се нарича коефициент на компресия на импулса (pulse compression ratio, PCR) за радар с вътрешна импулсна модулация. Това съотношение зависи от спектралната ширина на излъчвания сигнал. Ясно е, че е малко вероятно излъчваният от модулацията сигнал да се възпроизвежда от случаен шум и следователно филтърът за компресиране на импулси ще открие цел, чието ехо е много по-малко от шума.
Подобно изчисление може да се направи и за радар с непрекъснати вълни. Тук коефициентът на натрупване може да се изчисли от времето на облъчване спрямо времето на реакция на филтъра.
Приложения на немодулирани радари с непрекъснати вълни
Изображение 5. TRAFFIPAX SpeedoPhot, немски скоростомер (© 2000 ROBOT Visual Systems GmbH) Bild 5: TRAFFIPAX SpeedoPhot (© 2000 ROBOT Visual Systems GmbH)
- Радар за контрол на движението (измервател на скоростта)
- Скоростомерите са специализирани CW радари, които използват ефекта на Доплер за измерване. Стойността на доплеровото изместване на честотата зависи от дължината на вълната на сигнала, поради което тези радари използват много високи честоти. На фигура 5 е показан радарът «Traffipax Speedophot», произведен от ROBOT Visual Systems GmbH. Работната честота на този радар е 24,125 GHz.
- Той измерва скоростта на входящия и изходящия трафик от дясната и лявата страна на улицата. Радарът може да се монтира в автомобил или на статив. За запис на нарушението може да се използва камера с висока разделителна способност.
- Доплеров радарен детектор за движение
Простите и евтини доплерови радарни сензори, като този, показан на фигура 2, могат да се използват за задействане на аларми или аварийни сигнали, или просто за отваряне на врати или включване на осветление. - Наблюдение на движението
Ако постоянната компонента в изхода на смесителя от фигура 2 се запази в сигнала (т.е. схемата на смесителя не съдържа елементи като индуктивен трансформатор или кондензатор) и последващите усилватели също не филтрират постоянната компонента, такъв непрекъснат немодулиран радар може да се използва за наблюдение на разстоянието до неподвижни цели с точност λ /16. Доплеровото честотно изместване не се измерва, но се оценява фазовата разлика между излъчения и приетия сигнал. Определен брой дължини на вълните се разполагат по пътя от радара до рефлектора и обратно. Ако дължината на този път се промени дори незначително, с части от милиметъра, фазовата разлика между сигналите също се променя. Измереният обхват няма да бъде еднозначен, тъй като не е известно колко пълни дължини на вълната трябва да се добавят към стойността, съответстваща на измерената фазова разлика. Следователно такъв радар може да се използва за откриване на факта, че предишната стойност на разстоянието до даден обект се е променила.
- Този метод на измерване може да се използва за безконтактно наблюдение на сърдечната честота и дихателната активност при пациенти в интензивното отделение. Радарът е калибриран спрямо гърдите на пациента и следи разстоянието до него с точност до части от милиметъра. Промяната във фазовата разлика между предадените и приетите сигнали се показва на осцилоскоп като функция на времето. Изходът от радара се изпраща към компютър, който обработва данните за промяната на фазата и изчислява сърдечната честота. Ако няма промени във фазовата разлика, се задейства аларма.
- Тъй като не съществува минимален обсег на импулсния радар, отвъд който радарът не може да извърши измерване, тази радарна система може да се използва при конструирането на радарни взриватели за ракети и артилерийски снаряди. В този случай амплитудата на нискочестотния сигнал се увеличава с приближаването на целта, докато доплеровата честота рязко намалява непосредствено преди преминаването в близост до целта. Щом спектърът на сигнала попадне в нискочестотния филтър, радарният предпазител задейства бойната глава.