Radar se stálou vlnou
která obsahuje informace
o odrážejícím objektu.
Obrázek 1. Metody kontinuálního kmitočtového radaru používají samostatné antény pro vysílání a příjem. Jsou postaveny na oboustranné desce s plošnými spoji.
která obsahuje informace
o odrážejícím objektu.
Obrázek 1. Metody kontinuálního kmitočtového radaru používají samostatné antény pro vysílání a příjem. Jsou postaveny na oboustranné desce s plošnými spoji.
Radar se stálou vlnou
Radar se stálou vlnou (Continuous Wave radar, CW-Radar) vysílá vysokofrekvenční signál nepřetržitě. Signál ozvěny je přijímán a zpracováván nepřetržitě. Pro použití této metody je třeba vyřešit dva problémy:
- zabránit přímému průniku energie vysílače do přijímače (zpětná vazba);
- propojení přijímaných signálů s časovým systémem, aby bylo možné měřit dobu zpoždění.
Pronikání signálu z výstupu vysílače do přijímače lze zabránit následujícími opatřeními:
- prostorové oddělení vysílací a přijímací antény, např. v systémech navádění protiletadlových střel, kdy je cíl ozařován výkonným vysílačem a přijímač je umístěn ve střele pohybující se směrem k cíli;
- frekvenční diverzita přijímače a vysílače, např. pomocí Dopplerova frekvenčního posunu v systémech měření rychlosti.
Pokud se objeví ozvěna, znamená to zpočátku pouze to, že se v cestě elektromagnetické vlny nachází překážka. Informace o vlastnostech takové překážky lze získat analýzou určitých charakteristik echo signálu. Například intenzita ozvěny závisí na velikosti překážky. Intenzita echo signálu navíc závisí na tom, zda se překážka nachází blízko nebo daleko od radaru. Bohužel na základě těchto vlastností nelze získat žádné výsledky, protože intenzita echosignálu závisí na příliš mnoha faktorech. Na druhou stranu je variabilita frekvenčního spektra informativní charakteristikou echosignálu. Zejména při rozptylu signálu povrchy určitých materiálů mohou být vybuzeny harmonické složky vysílané frekvence. Tato funkce se používá v takzvaném „nelineárním lokátoru“, který je určen k vyhledávání osob pod sněhovými závějemi pomocí oděvních prvků ze speciálních materiálů. Nejběžnějším způsobem konstrukce radarů s kontinuálním paprskem je však využití změn spektra echa způsobených Dopplerovým jevem.
Dopplerův radar
Spojitý nemodulovaný radarový sondážní signál má konstantní frekvenci a amplitudu. Přijatý echo signál může mít stejnou frekvenci nebo bude jeho frekvence posunuta o velikost Dopplerova posunu (pokud se reflektor pohybuje nenulovou radiální rychlostí). Specializované radary s kontinuálním paprskem určené k měření Dopplerova frekvenčního posunu se nazývají Dopplerovy radary.
Dopplerovské radary pro měření rychlosti neměří dobu zpoždění, protože neměří vzdálenost od rozptylovače. Pokud je však třeba takové měření provést, používá se ke stanovení časového vztahu modulace přijímaného a vysílaného echo signálu. Tuto modulaci, přesněji řečeno okamžik změny jednoho nebo druhého parametru signálu, lze detekovat v přijímači, což umožňuje měření doby zpoždění. Použití modulace vede k jiné třídě radarů, které používají jiné typy modulace (např. frekvenční modulaci - FMCW-radar). Amplitudová modulace při 100% modulaci vede k pulznímu radaru. Radar, který vysílá nemodulované frekvence, je schopen měřit pouze rychlost objektu díky Dopplerovu jevu. Nemůže měřit vzdálenost objektu a nedokáže rozlišit cíle ve stejném směru.
Obrázek 2: Fázový rozdíl
Princip činnosti
U radaru s kontinuálním vyzařováním se měří fázový rozdíl φ mezi vysílaným a přijímaným signálem. Je zřejmé, že tento rozdíl bude číselně roven fázovému rozdílu, který vysílaný signál získá při šíření k cíli a od cíle ve vzdálenosti r. U sinusového kmitání se velikost fázového rozdílu rovná poměru vzdálenosti, kterou vlna urazila, a vlnové délky vynásobené (2·π). Násobitel (2·π) odpovídá fázovému rozdílu, když vlna urazí vzdálenost rovnou vlnové délce. Pokud se vzdálenost od rozptylovače nemění, zůstává fázový rozdíl konstantní a vypočítá se podle vzorce:
| φ = −2π | 2r | kde | φ = fázový rozdíl; r = vzdálenost mezi anténou a rozptylovačem; λ = vlnová délka vysílaného signálu. |
(1) |
| λ |
Násobitel 2 ve vzdálenosti r znamená, že signál musí tuto vzdálenost urazit dvakrát (tam a zpět). Znaménko minus odpovídá fázovému skoku o 180º, který je výsledkem odrazu. Přímý výpočet vzdálenosti z tohoto fázového rozdílu není možný z důvodu nejednoznačnosti získaného výsledku. Výsledek výpočtu vzdálenosti k rozptylovači z fázového rozdílu je správný pouze tehdy, pokud je rozptylovač ve vzdálenosti, kde je fázový rozdíl mezi 0 a 360° (≙ φ<360°). Pokud je vzdálenost od rozptylovače větší, bude výsledek nejednoznačný.
Pokud se vzdálenost od rozptylovače mění určitou, např. konstantní rychlostí vzhledem k vysílací anténě, pak se v závislosti na čase mění i fázový rozdíl:
| φ(t) = −4π | r(t) | (2) |
| λ |
Časově proměnný fázový rozdíl mezi dvěma sinusovými signály s různými frekvencemi, který je v intervalu měření konstantní, má sinusový charakter. Frekvenci této sinusoidy lze měřit a je rovna Dopplerově frekvenci. Ve většině případů se tato frekvence nachází v nízkém (slyšitelném) frekvenčním pásmu. Při konstantní frekvenci vysílače je tato Dopplerova frekvence úměrná radiální rychlosti rozptylovače.
zesilovač
(zvukový procesor)
Obrázek 3: Blokové schéma jednoduchého radarového vysílače s přímou frekvenční konverzí
vysoká
frekvence
zesilovač
(zvukový procesor)
Obrázek 3: Blokové schéma jednoduchého radarového vysílače s přímou frekvenční konverzí
generátor
filtr
vysoká
frekvence
zesilovač
(zvukový procesor)
Obrázek 3: Blokové schéma jednoduchého radarového vysílače s přímou frekvenční konverzí (interaktivní obrázek)
Schéma radaru s kontinuálním vyzařováním
Radar s kontinuálním paprskem je obvykle konstruován podle jednoho ze dvou schémat:
- s přijímačem s přímou konverzí;
- superheterodynní přijímač.
Schéma přijímače s přímou konverzí
Dopplerovské měření rychlosti radarem je velmi jednoduché. Celý obvod vysílače a přijímače lze navrhnout jako integrovaný modul s použitím polovodičových součástek na substrátu. Takový modul se obvykle nazývá transceiver nebo transceiver (z transceiver = Transmitter + Receiver, = vysílač + přijímač). Ve většině případů je takový modul již vybaven potřebnými anténami. Obvykle se jedná o patch antény realizované na oboustranných deskách plošných spojů nebo o rohové zářiče
V přijímači s přímou konverzí (jiné názvy: homodynní přijímač) se signál ozvěny nepřevádí na mezifrekvenci a vysokofrekvenční kmitání generované vysílačem se rovněž přímo využívá k extrakci fázového rozdílu. Signál na výstupu směšovače je v šířce pásma modulačního kmitání, tj. nemá složku na nosné frekvenci. Běžně používané směšovače pro extrakci rozdílových kmitočtů vyžadují lokální heterodynní výkon přibližně 7 dBm. Proto je výkon vysokofrekvenčního oscilátoru nastaven na 10 dBm. Protože dělič výkonu vnáší do signálu útlum nejméně −3 dB, je výstupní výkon vysílacího modulu nejméně 6 dBm. Ačkoli se výstupní signál nachází v šířce pásma modulačního průběhu, stále se často označuje jako „IF“ (Intermediate Frequency, „mezifrekvence“). Dopplerova frekvence se však obvykle pohybuje v nízkém frekvenčním pásmu. Pokud není konstantní složka blokována oddělovacími kondenzátory používanými jako vysokofrekvenční filtry, silné odrazy od stacionárních cílů se na výstupu směšovače projeví jako konstantní napětí. Obvykle se takové schéma používá také k potlačení signálů vznikajících přeslechem z vysílací antény na přijímací anténu.
Výpočet maximální možné radiální rychlosti v, kterou lze změřit dopplerovským radarem v pásmu K (λ≈ 12 mm) použitým jako detektor pohybu. Jak rychle se může reflektor pohybovat, aby mohl být signál ozvěny zpracován stereofonním zvukovým procesorem komerční zvukové karty (fcut= 18 kHz = maximální fD)?
V radaru se Dopplerova frekvence vypočítá podle vzorce:
| fD = | 2·v | kde | fD je Dopplerova frekvence [Hz] λ je vlnová délka vysílače [m] v = je radiální rychlost [m/s] |
| λ |
Vyjádřením radiální rychlosti v z tohoto vzorce a dosazením nezpracovaných dat získáme tyto hodnoty Hier nach v umgestellt und die gegebenen Werte eingetragen:
| v = | λ · fD | = | 12 mm· 18 kHz | = 108 m/s ≈ 380 km/h |
| 2 | 2 |
Při této konfiguraci zařízení je tedy maximální rychlost, kterou lze měřit, 380 km/h, což pokrývá většinu případů, které se vyskytují u jednoduchého detektoru pohybu.
Obrázek 4: Schéma dopplerovského radaru se superheterodynním přijímačem
Obrázek 4: Schéma dopplerovského radaru se superheterodynním přijímačem
Obrázek 4: Schéma dopplerovského radaru se superheterodynním přijímačem (interaktivní obrázek)
Schéma se superheterodynním přijímačem
Při přímém směšování je citlivost přijímače omezena. K výstupnímu signálu se přidává blikavý šum ze směšovače, tj. náhodně rozložený nízkofrekvenční šum se překrývá s dopplerovskou frekvencí. Slabé signály odpovídající nízkým dopplerovským frekvencím proto často nelze vyhodnotit.
V takovém případě se citlivost výrazně zvýší, pokud se přijímač sestaví pomocí superheterodynního obvodu. Spektrum ozvěny se nejprve dostane do oblasti, která je výrazně vyšší než frekvence blikavého šumu. Blikavý šum prvního směšovače neprochází pásmovým filtrem mezifrekvenčního zesilovače. Současně je signál ozvěny zesílen přibližně o 30 až 40 dB. Teprve ve druhém směšovači se signál přenáší do hlavního frekvenčního pásma. Protože zesílený signál je nyní mnohem silnější než blikavý šum druhého směšovače, lze tento šum ignorovat.
Příklad na obrázku 4 používá pro vysílání a příjem jednu anténu. Oddělení přijímače a vysílače se provádí pomocí cirkulátoru. Heterodynní frekvence pro superheterodynní přijímač je generována vzestupnou konverzí na směšovači a následně úzkopásmovým filtrem. K odhadu rychlosti rozptylovače se používá čítač frekvence. Najednou lze zobrazit pouze jeden objekt (obvykle ten, jehož odraz má velkou amplitudu). Pokud je v zorném poli radaru mnoho pohyblivých reflektorů, lze překrývající se dopplerovské frekvence extrahovat pomocí sady filtrů nebo jediného laditelného filtru. Ačkoli je možné tímto způsobem měřit více dopplerovských frekvencí, neexistuje způsob, jak naměřené hodnoty jednoznačně přiřadit k určitému objektu.
Popis sestav v blokovém schématu
Výpočet dosahu radaru
Obecně lze rovnici radarového dosahu použít pro výpočet spojitého radaru, protože nezávisí na typu modulace.
Všimněte si však, že Lgesův multiplikátor může zohlednit i vliv koherentní akumulace.
Fyzikové by si měli uvědomit, že rozhodujícím faktorem pro výpočet dosahu radaru je vysílaná energie, nikoliv výkon vysílače, který se objevuje ve vzorci. V případě pulzního radaru lze tuto skutečnost zanedbat, pokud se předpokládá, že doba trvání sondážního a odraženého signálu od cíle je stejná.
Pokud se doba trvání demodulovaného echo signálu liší od doby trvání vysílaného signálu, je třeba vzít v úvahu poměr těchto dob trvání jako faktor, kterým se násobí výraz pod odmocninou čtvrté mocniny.
U radaru s vnitropulsní modulací se tento faktor nazývá poměr komprese pulzu (pulse compression ratio, PCR). Tento poměr závisí na spektrální šířce vysílaného signálu. Je zřejmé, že je nepravděpodobné, že by modulací vysílaný signál byl reprodukován náhodným šumem, a proto filtr pro kompresi pulzů detekuje cíl, jehož ozvěna je mnohem menší než šum.
Podobný výpočet lze provést pro radar s kontinuálním vyzařováním. Zde lze akumulační faktor vypočítat z doby ozařování v závislosti na době odezvy filtru.
Aplikace nemodulovaných radarů s kontinuálním vyzařováním
Obrázek 5. TRAFFIPAX SpeedoPhot, německý měřič rychlosti (© 2000 ROBOT Visual Systems GmbH)
- Radar pro kontrolu pohybu (měřič rychlosti)
- Rychloměry jsou specializované CW radary, které k měření využívají Dopplerův jev. Hodnota Dopplerova frekvenčního posunu závisí na vlnové délce signálu, proto tyto radary používají velmi vysoké frekvence. Na obrázku 5 je zobrazen radar "Traffipax Speedophot" od společnosti ROBOT Visual Systems GmbH Pracovní frekvence tohoto radaru je 24,125 GHz.
- Měří rychlost přijíždějící a odjíždějící dopravy na pravé a levé straně ulice. Radar lze namontovat do vozidla nebo na stativ. K zaznamenání porušení lze použít kameru s vysokým rozlišením.
- Dopplerův radarový detektor pohybu
Jednoduché a levné dopplerovské radarové snímače, jako je ten na obrázku 2, lze použít ke spuštění poplachových nebo nouzových signálů nebo jednoduše jako otvírač dveří či spínač světla. - Monitorování pohybu
Pokud je konstantní složka na výstupu směšovače na obrázku 2 v signálu zachována (tj. obvod směšovače neobsahuje prvky, jako je indukční transformátor nebo kondenzátor) a následné zesilovače konstantní složku rovněž neodfiltrují, lze takový kontinuální nemodulovaný radar použít ke sledování vzdálenosti ke stacionárním cílům s přesností λ /16. Dopplerův frekvenční posun se neměří, ale odhaduje se fázový rozdíl mezi vysílaným a přijímaným signálem. Na dráze od radaru k reflektoru a zpět se vejde určitý počet vlnových délek. Pokud se délka této dráhy změní jen nepatrně, o zlomky milimetru, změní se i fázový rozdíl mezi signály. Naměřený rozsah nebude jednoznačný, protože není známo, kolik celých vlnových délek je třeba přičíst k hodnotě odpovídající naměřenému fázovému rozdílu. Proto lze takový radar použít ke zjištění skutečnosti, že se změnila předchozí hodnota vzdálenosti k objektu.
- Tuto metodu měření lze použít k bezkontaktnímu monitorování srdeční frekvence a dechové aktivity u pacientů v intenzivní péči.
- Radar je kalibrován na hrudník pacienta a sleduje vzdálenost k pacientovi s přesností na zlomky milimetru. Změna fázového rozdílu mezi vysílaným a přijímaným signálem se zobrazuje na osciloskopu jako funkce času. Výstup z radaru je odeslán do počítače, který zpracuje údaje o změně fáze a vypočítá tepovou frekvenci. Pokud nedojde ke změně fázového rozdílu, spustí se alarm.
- Vzhledem k tomu, že neexistuje žádný minimální dosah pulzního radaru, za kterým by radar nemohl poskytovat měření, lze tento radarový systém použít při konstrukci radarových roznětek pro střely a dělostřelecké granáty. V tomto případě se amplituda nízkofrekvenčního signálu zvyšuje s přibližováním k cíli, zatímco dopplerovská frekvence těsně před průchodem cílem prudce klesá. Jakmile spektrum signálu vstoupí do dolnopropustného filtru, radarová pojistka iniciuje bojovou hlavici.