Radar de onda continua
contiene información sobre
el objeto reflectante
Figura 1. Los métodos de radar de frecuencia continua utilizan antenas separadas para transmitir y recibir. Se construyen en una placa de circuito impreso de doble cara.
contiene información sobre
el objeto reflectante
Figura 1. Los métodos de radar de frecuencia continua utilizan antenas separadas para transmitir y recibir. Se construyen en una placa de circuito impreso de doble cara.
Radar de onda continua
El radar de onda continua (Continuous Wave radar, CW-Radar) emite continuamente una señal de alta frecuencia. La señal de eco se recibe y procesa continuamente. Para utilizar este método hay que resolver dos problemas:
- evitar que la energía del emisor penetre directamente en el receptor (retroalimentación);
- Vincular las señales recibidas a un sistema de tiempo para poder medir el desfase.
La penetración de la señal desde la salida del transmisor hasta el receptor puede evitarse con las siguientes medidas:
- la separación espacial de las antenas emisoras y receptoras, por ejemplo, en los sistemas de localización de misiles antiaéreos en los que el objetivo es irradiado por un potente emisor y el receptor se encuentra en un misil que se dirige hacia el objetivo;
- la diversidad de frecuencias del receptor y del transmisor, por ejemplo, mediante un desplazamiento de frecuencia Doppler en los sistemas de medición de la velocidad.
No es necesario medir el tiempo de retardo en los medidores de velocidad, ya que el alcance real hasta el vehículo infractor no es especialmente importante. Sin embargo, si se necesita información sobre el alcance, se puede utilizar la modulación de la frecuencia o la manipulación de la fase de la señal emitida para medir el tiempo de retardo.
Un radar de haz continuo con una señal no modulada sólo proporciona mediciones de velocidad basadas en el efecto Doppler. Con un radar de este tipo, no es posible medir el alcance del objetivo y no es posible distinguir entre dos o más objetos reflectantes.
Si se recibe un eco, inicialmente sólo indica que hay un obstáculo en la trayectoria de la onda electromagnética. La información sobre las características de dicho obstáculo puede obtenerse analizando ciertas características de la señal de eco. Por ejemplo, la intensidad del eco depende del tamaño del obstáculo. Además, la intensidad del eco depende de si un obstáculo se encuentra cerca o lejos del radar. Lamentablemente, no es posible obtener ningún resultado basado en estas propiedades porque la intensidad de la señal de eco depende de demasiados factores. Por otro lado, la variación del espectro de frecuencias es una característica informativa de la señal de eco. En particular, los armónicos de la frecuencia emitida pueden excitarse cuando la señal se dispersa por las superficies de ciertos materiales. Esta función se utiliza en el llamado „localizador no lineal“, diseñado para buscar personas bajo las acumulaciones de nieve utilizando elementos de la ropa hechos de materiales especiales. Sin embargo, la forma más común de construir radares de haz continuo es utilizar las variaciones en el espectro de la señal de eco causadas por el efecto Doppler.
Radar Doppler
La señal de sondeo de radar continua no modulada tiene frecuencia y amplitud constantes. La señal de eco recibida puede tener la misma frecuencia o su frecuencia será desplazada por la cantidad de desplazamiento Doppler (si el reflector se mueve a una velocidad radial no nula). Los radares especializados de haz continuo diseñados para medir el desplazamiento de frecuencia Doppler se denominan radares Doppler.
Los radares de medición de la velocidad Doppler no miden el tiempo de retardo, ya que no miden el alcance hasta el dispersor. Sin embargo, si hay que hacer una medición de este tipo, se utiliza una modulación de la señal de eco recibida y de la señal emitida para establecer una relación temporal. Esta modulación, o más exactamente el momento de cambio de uno u otro parámetro de la señal, puede detectarse en el receptor, lo que permite medir el tiempo de retardo. El uso de la modulación da lugar a una clase diferente de radar, que utiliza otros tipos de modulación (por ejemplo, modulación de frecuencia - radar FMCW). La modulación de amplitud al 100% da lugar a un radar de pulsos. Un radar que emite vibraciones no moduladas sólo es capaz de medir la velocidad de un objeto debido al efecto Doppler. No puede medir el alcance de un objeto y no puede resolver objetivos en la misma dirección.
Figura 2: Diferencia de fase
Principio de funcionamiento
En el radar de onda continua se mide la diferencia de fase φ entre la señal emitida y la recibida. Obviamente, esta diferencia será numéricamente igual a la diferencia de fase que adquirirá la señal emitida al propagarse hacia y desde un objetivo a la distancia r. Para una oscilación sinusoidal, la magnitud de la diferencia de fase será igual a la relación entre la distancia recorrida por la onda y la longitud de onda multiplicada por (2·π). El multiplicador (2·π) corresponde a la diferencia de fase cuando la onda recorre una distancia igual a la longitud de onda. Si la distancia al dispersor no cambia, la diferencia de fase permanece constante y se calcula mediante la fórmula:
| φ = −2π | 2r | donde | φ = diferencia de fase; r = distancia entre la antena y el dispersor; λ = longitud de onda de la señal emitida. |
(1) |
| λ |
El multiplicador 2 a la distancia r significa que la señal tiene que recorrer esa distancia dos veces (ida y vuelta). El signo menos corresponde al salto de fase de 180º resultante de la reflexión. El cálculo directo de la distancia a partir de esta diferencia de fase no es posible debido a la ambigüedad del resultado obtenido. El resultado de calcular la distancia al dispersor a partir de la diferencia de fase sólo es correcto si el dispersor está a una distancia en la que la diferencia de fase está entre 0 y 360°(≙ φ<360°). Si la distancia al dispersor es mayor, el resultado será ambiguo.
Si la distancia al dispersor cambia con una cierta velocidad, por ejemplo constante, respecto a la antena emisora, entonces la diferencia de fase también cambia en función del tiempo:
| φ(t) = −4π | r(t) | (2) |
| λ |
La diferencia de fase variable en el tiempo entre dos señales sinusoidales con frecuencias diferentes, que es constante a lo largo del intervalo de medición, es de naturaleza sinusoidal. La frecuencia de esta sinusoide se puede medir y es igual a la frecuencia Doppler. En la mayoría de los casos, esta frecuencia estará en la gama de frecuencias bajas (audibles). A una frecuencia constante del transmisor, esta frecuencia Doppler es proporcional a la velocidad radial del dispersor.
de alta
frecuencia
baja frecuencia
(procesador de audio)
Figura 3: Esquema de un transceptor de radar sencillo que utiliza la conversión directa de frecuencia
de alta
frecuencia
baja frecuencia
(procesador de audio)
Figura 3: Esquema de un transceptor de radar sencillo que utiliza la conversión directa de frecuencia
frecuencia
potencia
de alta
frecuencia
baja frecuencia
(procesador de audio)
Figura 3: Esquema de un transceptor de radar sencillo que utiliza la conversión directa de frecuencia (imagen interactiva)
Esquema de un radar de haz continuo
Un radar de haz continuo suele construirse según uno de los dos esquemas:
- con un receptor de conversión directa;
- receptor superheterodino.
Esquema del receptor de conversión directa
El radar de medición de velocidad Doppler es muy sencillo. El circuito completo del transmisor y el receptor puede diseñarse como un módulo integrado que utiliza componentes semiconductores en un sustrato. Un módulo de este tipo suele llamarse transceptor o transmisor-receptor (de transceptor = transmisor + receptor). En la mayoría de los casos, este módulo ya está equipado con las antenas necesarias. Suelen ser antenas de parche implementadas en placas de circuito de doble cara, o radiadores de bocina (para un mayor ancho de banda).
En un receptor de conversión directa (otros nombres: receptor homodino) la señal de eco no se convierte a una frecuencia intermedia y las oscilaciones de alta frecuencia generadas por el transmisor también se utilizan directamente para la extracción de la diferencia de fase. La señal a la salida del mezclador está en el ancho de banda de la oscilación moduladora, es decir, no tiene ningún componente en la frecuencia de la portadora. Los mezcladores utilizados habitualmente para la extracción de frecuencias diferenciales requieren que la potencia heterodina local sea de unos 7 dBm. Por lo tanto, la potencia del oscilador de alta frecuencia se fija en 10 dBm. Como el divisor de potencia introduce una atenuación de al menos −3 dB en la señal, la potencia de salida del módulo transmisor es de al menos 6 dBm. Aunque la señal de salida se encuentra en el ancho de banda de la forma de onda moduladora, se suele denominar „FI“ („frecuencia intermedia“). Sin embargo, la frecuencia Doppler suele estar en la gama de frecuencias bajas. Si la componente constante no se bloquea mediante condensadores de desacoplamiento utilizados como filtros de paso alto, las fuertes reflexiones de los objetivos estacionarios aparecen como una tensión constante en la salida del mezclador. Por lo general, este esquema también se utiliza para suprimir las señales que surgen de la diafonía de la antena transmisora a la antena receptora.
Cálculo de la máxima velocidad radial posible v, que puede ser medida por un radar Doppler de banda K (λ≈ 12 mm) utilizado como detector de movimiento. ¿A qué velocidad puede moverse el reflector para que la señal de eco pueda ser procesada por el procesador de audio estéreo de una tarjeta de audio comercial (fgrenz= 18 kHz = fD máximo)?
En el radar, la frecuencia Doppler se calcula según la fórmula:
| fD = | 2·v | donde | fD es la frecuencia Doppler [Hz] λ es la longitud de onda del transmisor v es la velocidad radial [m/s] |
| λ |
Expresando la velocidad radial v a partir de esta fórmula y sustituyendo los datos brutos, obtenemos
| v = | λ · fD | = | 12 mm· 18 kHz | = 108 m/s ≈ 380 km/h |
| 2 | 2 |
Así, con esta configuración del equipo, la velocidad máxima que se puede medir es de 380 km/h, lo que cubre la mayoría de los casos que se dan cuando se utiliza un simple detector de movimiento.
Figura 4: Esquema de un radar Doppler con receptor superheterodino
Figura 4: Esquema de un radar Doppler con receptor superheterodino
Figura 4: Esquema de un radar Doppler con receptor superheterodino (imagen interactiva)
Diagrama esquemático con receptor superheterodino
Con la mezcla directa, la sensibilidad del receptor es limitada. El ruido de parpadeo del mezclador se añade a la señal de salida, es decir, el ruido de baja frecuencia distribuido aleatoriamente se superpone a la frecuencia Doppler. Por lo tanto, a menudo no se pueden evaluar las señales débiles correspondientes a frecuencias Doppler bajas.
En esta situación, se consigue una mejora significativa de la sensibilidad construyendo el receptor con un circuito superheterodino. En primer lugar, el espectro del eco se lleva a un rango que es significativamente más alto que las frecuencias del ruido de parpadeo. El ruido de parpadeo del primer mezclador no pasa por el filtro de paso de banda del amplificador de frecuencia intermedia. Al mismo tiempo, la señal de eco se amplifica entre 30 y 40 dB. Sólo en el segundo mezclador se lleva la señal a la banda de frecuencia principal. Como la señal amplificada es ahora mucho más potente que el ruido de parpadeo del segundo mezclador, este ruido puede ignorarse.
El ejemplo de la figura 4 utiliza una sola antena para transmitir y recibir. La separación del receptor y el transmisor se realiza mediante un circulador. La frecuencia heterodina para el receptor superheterodino se genera por conversión ascendente en el mezclador seguida de un filtro de banda estrecha. Se utiliza un contador de frecuencia para estimar la velocidad del dispersor. Sólo se puede mostrar un objeto (normalmente aquel cuyo reflejo tiene una gran amplitud) a la vez. Si hay muchos reflectores en movimiento en el campo de visión del radar, las frecuencias Doppler superpuestas pueden extraerse utilizando un conjunto de filtros o un único filtro sintonizable. Aunque es posible medir múltiples frecuencias Doppler de esta manera, no hay forma de asignar inequívocamente los valores medidos a un objeto concreto.
Descripción de los conjuntos en el diagrama de bloques
Calcular el alcance del radar
En términos generales, la ecuación de alcance del radar puede utilizarse para calcular un radar continuo porque no depende del tipo de modulación.
Sin embargo, hay que tener en cuenta que el multiplicador de Lges también puede dar cuenta del efecto de la acumulación coherente.
Los físicos observarán que el factor determinante para calcular el alcance de un radar es la energía emitida, no la potencia del transmisor, que aparece en la fórmula. En el caso del radar pulsado, este hecho puede despreciarse si se supone que las duraciones de las señales de sondeo y de las señales reflejadas del objetivo son iguales.
Si la duración de la señal de eco demodulada difiere de la duración de la señal emitida, hay que tener en cuenta la relación de estas duraciones como factor por el que se multiplica la expresión bajo la raíz de la cuarta potencia.
Esto se denomina relación de compresión de impulsos (pulse compression ratio, PCR) para el radar de modulación intrapulso. Esta relación depende de la anchura espectral de la señal emitida. Evidentemente, es poco probable que la señal emitida por la modulación sea reproducida por el ruido aleatorio y, por tanto, un filtro de compresión de impulsos detectará un blanco cuyo eco sea mucho más pequeño que el ruido.
Se puede hacer un cálculo similar para el radar de onda continua. En este caso, el factor de acumulación puede calcularse a partir del tiempo de irradiación frente al tiempo de respuesta del filtro.
Aplicaciones de los radares de emisión continua no modulada
Figura 5. TRAFFIPAX SpeedoPhot, medidor de velocidad alemán (© 2000 ROBOT Visual Systems GmbH)
- Radar de control de movimiento (medidor de velocidad)
- Los velocímetros son radares CW especializados que utilizan el efecto Doppler para la medición. El valor del desplazamiento de frecuencia Doppler depende de la longitud de onda de la señal, por lo que estos radares utilizan frecuencias muy altas. La figura 5 muestra el radar Traffipax Speedophot fabricado por ROBOT Visual Systems GmbH La frecuencia de funcionamiento de este radar es de 24,125 GHz.
- Mide la velocidad del tráfico entrante y saliente en los lados derecho e izquierdo de la calle. El radar puede montarse en un vehículo o en un trípode. Se puede utilizar una cámara de alta resolución para grabar la infracción.
- Detector de movimiento por radar Doppler
Los sensores de radar Doppler, sencillos y económicos, como el que se muestra en la figura 2, pueden utilizarse para activar alarmas o señales de emergencia, o simplemente como abrepuertas o interruptor de la luz. - Control del movimiento
Si la componente constante de la salida del mezclador de la figura 2 se mantiene en la señal (es decir, el circuito del mezclador no contiene elementos como un transformador inductivo o un condensador) y los amplificadores posteriores tampoco filtran la componente constante, ese radar continuo no modulado puede utilizarse para controlar la distancia a los objetivos fijos con una precisión de λ /16. No se mide el desplazamiento de frecuencia Doppler, pero se estima la diferencia de fase entre las señales emitidas y recibidas. A lo largo de la trayectoria desde el radar hasta el reflector y de vuelta, se acomoda un determinado número de longitudes de onda. Si la longitud de este camino cambia aunque sea ligeramente, por fracciones de milímetro, la diferencia de fase entre las señales también cambia. El rango medido no será inequívoco porque no se sabe cuántas longitudes de onda completas hay que añadir al valor correspondiente a la diferencia de fase medida. Por lo tanto, un radar de este tipo puede utilizarse para detectar el hecho de que el valor anterior de la distancia a un objeto ha cambiado.
- Este método de medición puede utilizarse para la monitorización sin contacto de la frecuencia cardíaca y la actividad respiratoria en pacientes de cuidados intensivos.
- El radar se calibra en el pecho del paciente y controla la distancia al mismo con una precisión de fracciones de milímetro. El cambio en la diferencia de fase entre las señales transmitidas y recibidas se muestra en un osciloscopio en función del tiempo. La salida del radar se envía a un ordenador que procesa los datos del cambio de fase y calcula la frecuencia cardíaca. Si no hay cambios de diferencia de fase, se activa una alarma.
- Como no hay un alcance mínimo del radar de pulsos más allá del cual el radar no pueda proporcionar una medición, este sistema de radar puede utilizarse en la construcción de espoletas de radar para misiles y proyectiles de artillería. En este caso, la amplitud de la señal de baja frecuencia aumenta a medida que se acerca al objetivo, mientras que la frecuencia Doppler disminuye bruscamente justo antes de pasar cerca del objetivo. En cuanto el espectro de la señal entra en el filtro de paso bajo, el fusible del radar inicia la ojiva.