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Radar de onda continua

energía radiada
energía reflejada, que
contiene información sobre
el objeto reflectante
Transmisor
Receptor

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.

energía radiada
energía reflejada, que
contiene información sobre
el objeto reflectante
Transmisor
Receptor

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:

La penetración de la señal desde la salida del transmisor hasta el receptor puede evitarse con las siguientes medidas:

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

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.

generador de alta frecuencia
divisor de potencia
filtro de paso bajo
amplificador
de alta
frecuencia
mezclador
amplificador de
baja frecuencia
a la interfaz del computador
(procesador de audio)
potencia emitida
antena transmisora
antena receptora

Figura 3: Esquema de un transceptor de radar sencillo que utiliza la conversión directa de frecuencia

generador de alta frecuencia
divisor de potencia
filtro de paso bajo
amplificador
de alta
frecuencia
mezclador
amplificador de
baja frecuencia
a la interfaz del computador
(procesador de audio)
potencia emitida
antena transmisora
antena receptora

Figura 3: Esquema de un transceptor de radar sencillo que utiliza la conversión directa de frecuencia

generador de alta
frecuencia
divisor de
potencia
filtro de paso bajo
amplificador
de alta
frecuencia
mezclador
amplificador de
baja frecuencia
a la interfaz del computador
(procesador de audio)
potencia emitida
antena transmisora
antena receptora
Generator Leistungsteiler Sendeantenne Empfangsantenne LNA Mischstufe TP AMP

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:

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.

fS
fS
fS + fD
fS + fZF
fZF
fZF + fD
fD

Figura 4: Esquema de un radar Doppler con receptor superheterodino

fS
fS
fS + fD
fS + fZF
fZF
fZF + fD
fD

Figura 4: Esquema de un radar Doppler con receptor superheterodino

fS
fS
fS + fD
fS + fZF
fZF
fZF + fD
fD
Generator Mischstufe Zirkulator

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)

Figura 5. TRAFFIPAX SpeedoPhot, medidor de velocidad alemán (© 2000 ROBOT Visual Systems GmbH)