Radar a onda continua
contenente informazioni
sull’oggetto riflettente
Figura 1. I metodi a onda continua utilizzano antenne separate per la trasmissione e la ricezione. Sono costruiti su un circuito a doppia faccia
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sull’oggetto riflettente
Figura 1. I metodi radar a onda continua utilizzano antenne separate per la trasmissione e la ricezione. Sono costruiti su un circuito a doppia faccia
Radar a onda continua
I radar a onda continua (in inglese: Continuous Wave radar, CW-radar) trasmettono un segnale a microonde senza interruzione. L’eco viene quindi ricevuto ed elaborato continuamente. Questo principio richiede la soluzione dei seguenti due problemi:
- impedire che l’energia trasmessa passi direttamente dal trasmettitore al ricevitore (accoppiamento diretto del segnale)
- per creare delle marcature temporali sugli echi ricevuti al fine di misurare il tempo (e quindi la distanza).
Il passaggio diretto dell’energia trasmessa al ricevitore può essere evitato con:
- distanza fisica tra le antenne di trasmissione e ricezione, per esempio illuminando un bersaglio con un potente trasmettitore mentre il ricevitore è nel missile che vola verso il bersaglio;
- deviazione di frequenza dovuta allo spostamento Doppler quando si misurano le velocità.
La capacità di misurare il tempo non è necessaria per gli autovelox, poiché non importa quanto sia lontano un veicolo che corre. Quando sono necessarie informazioni sulla distanza, si può usare la modulazione di frequenza o la codifica di fase del segnale trasmesso.
Un radar a onda continua che emette un segnale continuo non modulato può solo misurare la velocità di un bersaglio, utilizzando l’effetto Doppler. Non può misurare la distanza o discernere due obiettivi illuminati simultaneamente.
L’eco di ritorno al radar è la prova di un ostacolo nella linea di propagazione dell’onda elettromagnetica. Alcune caratteristiche dell’ostacolo influenzano le caratteristiche dell’eco. Alcuni di essi agiscono di concerto, e per esempio, l’intensità dell’eco dipende dalle dimensioni dell’ostacolo, dalle sue proprietà riflettenti e dalla sua distanza dal radar, ma è impossibile determinare quale influenza ha ognuno di questi fattori sul segnale, poiché la distanza non può essere ottenuta con un’onda continua.
Lo spettro di frequenza è una caratteristica più specifica. Per esempio, la riflessione di certi materiali può dare l’eco armonica della frequenza portante che può poi essere utilizzata dai cosiddetti radar „armonici“. Questa proprietà si trova, per esempio, nei vestiti e negli stivali; una persona sepolta nella neve di una valanga può essere trovata con un tale radar. Tuttavia, è l’uso dello spostamento Doppler-Fizeau che viene utilizzato più spesso con il radar a onda continua.
Radar Doppler
Un radar a onda continua non modulato trasmette una singola frequenza con ampiezza costante. L’eco è esattamente la stessa frequenza per un bersaglio stazionario, o ad una frequenza diversa se il bersaglio è in movimento. In entrambi i casi, la differenza tra la frequenza trasmessa e quella ricevuta è chiamata spostamento Doppler e viene utilizzata per trovare la velocità radiale del bersaglio rispetto al radar. Questo tipo di radar è chiamato radar Doppler perché utilizza l’effetto Doppler-Fizeau. Non c’è misurazione del tempo di andata e ritorno dell’onda poiché l’onda viene emessa continuamente e quindi non si può ottenere la distanza dal bersaglio.
Se l’utente vuole questa distanza, il segnale deve essere modulato in frequenza o in ampiezza. Quando l’onda è generata dal trasmettitore a una frequenza o ampiezza che varia nel tempo, è possibile notare il tempo di andata e ritorno che corrisponde a una data frequenza o ampiezza. Modulando il segnale radar in questo modo, introduciamo un altro tipo di radar con principi di misurazione diversi. Per esempio, la modulazione di frequenza porta al radar a onda continua modulata in frequenza o FMCW. La modulazione di ampiezza del segnale, fino al 100%, dà un altro tipo.
Figura 2: Emersione della differenza di fase
Come funziona
Nel radar a onda continua, si valuta la differenza di fase φ tra il segnale trasmesso e il segnale ricevuto. La dimensione di questa differenza di fase è il rapporto tra la lunghezza d’onda del segnale trasmesso e la distanza percorsa dall’onda elettromagnetica, moltiplicato per la divisione in gradi del cerchio completo (2·π). La differenza di fase è costante ad una distanza costante dal riflettore ed è:
| φ = −2π | 2r | con | φ = differenza di fase r = distanza del riflettore dall’antenna λ = lunghezza d’onda del segnale trasmesso |
(1) |
| λ |
Il fattore 2 alla distanza r significa che il segnale deve passare attraverso questa distanza due volte (percorso di andata e ritorno). Il segno meno sorge perché un salto di fase di 180° si verifica durante la riflessione. Un calcolo diretto di una distanza a partire da questa differenza di fase non è possibile senza un ulteriore approfondimento. Sarebbe possibile, per esempio, solo se la distanza fosse tra 0 e 2π (≙ φ<360°). A partire da questa distanza, sorgono ambiguità a causa della periodicità dell’oscillazione sinusoidale.
Se la distanza dal riflettore non è costante, ma cambia, per esempio, con una velocità relativamente costante verso l’antenna trasmittente, la differenza di fase cambia di conseguenza anche in funzione del tempo:
| φ(t) = −4π | r(t) | (2) |
| λ |
Un cambiamento costante e dipendente dal tempo della differenza di fase tra due segnali sinusoidali durante il periodo di misurazione corrisponde nuovamente a una curva di segnale sinusoidale. Questo può anche essere misurato come frequenza: la frequenza Doppler. Nella maggior parte dei casi, questo è nella gamma delle basse frequenze. A una frequenza di trasmissione costante, questa frequenza Doppler è proporzionale alla velocità di avvicinamento.
alta frequenza
ad alta
frequenza
bassa frequenza
(processore audio)
trasmittente
di ricezione
Figura 3: Schema del radar a onda continua con trasmettitore/ricevitore utilizzando un ricevitore a conversione diretta;
alta frequenza
ad alta
frequenza
bassa frequenza
(processore audio)
trasmittente
di ricezione
Figura 3: Schema del radar a onda continua con trasmettitore/ricevitore utilizzando un ricevitore a conversione diretta;
ad alta
frequenza
potenza
ad alta
frequenza
a bassa
frequenza
(processore audio)
Figura 3: Schema del radar a onda continua con trasmettitore/ricevitore utilizzando un ricevitore a conversione diretta; (immagine interattiva)
Diagramma del radar a onda continua
Un radar a onda continua è solitamente costruito in uno dei due modi:
- con un ricevitore a conversione diretta;
- con un ricevitore supereterodina.
Ricevitore a conversione diretta
La struttura di un radar Doppler è semplice. I circuiti trasmettitore e ricevitore possono essere ciascuno un circuito a stato solido su un unico substrato. Questo circuito trasmettitore-ricevitore è chiamato transceiver. Di solito viene fornito con le due antenne necessarie. Il più delle volte questa sarà un’antenna patch a doppia faccia o, per una larghezza di banda più ampia, piccole antenne a tromba.
Nel ricevitore a conversione diretta (la cosiddetta omodina), l’eco non viene convertita in una frequenza intermedia, ma l’alta frequenza di trasmissione viene utilizzata per convertire la frequenza. Il mixer lavora quindi nella frequenza di base e non soffre di interferenze con la frequenza portante. Per eseguire la conversione dell’eco, il mixer ha bisogno di un oscillatore locale con una potenza tipicamente di 7 dBm con un generatore RF di 10 dBm. Poiché il divisore di potenza ha un’attenuazione minima di −3 dB, il segnale trasmesso fornito al mixer ha almeno 6 dBm.
Anche se il segnale è alla frequenza di base, l’uscita è spesso erroneamente detto di essere alla frequenza intermedia („IF“). Lo spostamento Doppler è quindi nello spettro delle frequenze udibili. Gli echi forti senza movimento appaiono in questa uscita come una tensione costante se non sono bloccati da condensatori che fungono da filtro passa-alto (questi servono per evitare che il segnale forte emesso passi attraverso il ricevitore molto sensibile).
La seguente formula viene utilizzata per calcolare la velocità Doppler in base all’offset:
| fD = | 2·v | fD = spostamento Doppler [Hz] λ = lunghezza d’onda della frequenza trasmessa v = velocità radiale [m/s] |
|
| λ |
Consideriamo un radar che opera in banda K (λ≈ 12 mm) e che dispone di una scheda stereo standard con una frequenza di taglio di fc= 18 kHz = fD massima
| v = | λ · fD | = | 12 mm· 18 kHz | = 108 m/s ≈ 380 km/h |
| 2 | 2 |
380 km/h è quindi la massima velocità radiale che può essere misurata con questo radar, che è sufficiente per la maggior parte dei rilevatori di movimento.
Figura 4: Schema di un radar a onda continua con un ricevitore supereterodina
Figura 4: Schema di un radar a onda continua con un ricevitore supereterodina
Figura 4: Schema di un radar a onda continua con un ricevitore supereterodina (immagine interattiva)
Radar a onda continua con un ricevitore supereterodina
Nella miscelazione diretta, la sensibilità dello strumento è limitata perché il rumore intrinseco del mixer si aggiunge al segnale di uscita. Lo spostamento Doppler è quindi sovrapposto a una bassa frequenza casuale e, nel caso di segnali deboli da bersagli lenti in movimento, può dare solo una velocità indeterminata.
Un importante miglioramento nel radar a onde continue è quindi l’uso di un ricevitore supereterodina. Uno stadio di mixer seguito da un filtro a banda stretta genera la frequenza stabile dell’oscillatore locale aggiungendo la frequenza del trasmettitore con una frequenza intermedia, eliminando il rumore casuale del mixer. L’eco viene poi amplificato da 30 a 40 dB prima di passare attraverso un secondo mixer che riduce la frequenza alla frequenza di base. Nell’uscita risultante, la componente di rumore del secondo mixer è molto piccola e può essere trascurata.
In questo esempio, una sola antenna è utilizzata per la trasmissione e la ricezione. La separazione dell’energia trasmessa e ricevuta è fatta con l’aiuto di un circolatore. La valutazione della velocità radiale è fatta con un contatore e solo un obiettivo può essere valutato alla volta. Se il radar si trova di fronte a più di un bersaglio, l’offset di ogni bersaglio si sovrappone agli altri e una serie di filtri (o un filtro regolabile), ognuno con una gamma di frequenza specifica, deve essere utilizzato per individuare l’offset di ogni bersaglio. In questo modo, le diverse velocità radiali dei bersagli possono essere conosciute, ma non è possibile assegnare a quale bersaglio appartiene una particolare velocità.
Descrizione dei gruppi nello schema a blocchi
Calcolo della copertura
In generale, l’equazione radar di base può essere utilizzata anche per il radar a onda continua, poiché è indipendente dal tipo di modulazione.
Tuttavia, bisogna notare che le perdite contenute nell’espressione Lges possono anche contenere dei guadagni, per esempio attraverso un’integrazione coerente.
I fisici fanno ora notare che per la portata di un sistema radar, non è la potenza trasmessa menzionata nella formula ad essere decisiva, ma l’energia trasmessa. Questo poteva essere precedentemente trascurato nella derivazione dell’equazione perché la durata del tempo dell’impulso trasmesso è stata assunta uguale alla durata del segnale d’eco.
Se la durata temporale del segnale eco demodulato differisce dalla durata temporale del segnale trasmesso, questi tempi devono essere messi in proporzione e sono moltiplicati come guadagno con gli altri valori dell’espressione sotto la quarta radice.
Per un radar con modulazione intrapulsiva, questo guadagno è chiamato rapporto di compressione degli impulsi (pulse compression ratio, PCR) e dipende dalla larghezza di banda trasmessa. Questo diventa chiaro quando si considera che questo modello di modulazione trasmesso può difficilmente essere riprodotto da impulsi di rumore casuale, in modo che il filtro di compressione degli impulsi può anche rilevare obiettivi che sono molto al di sotto del livello di rumore.
Un calcolo simile può essere fatto anche per il radar a onda continua. Qui, sia il tempo di illuminazione totale in relazione al tempo di risposta del filtro può essere utilizzato per calcolare il guadagno di integrazione. Questo guadagno di integrazione può assumere valori fino a 45 dB.
Applicazioni del radar a onda continua non modulata
Figura 5: TRAFFIPAX SpeedoPhot, un radar del traffico tedesco (© 2000 ROBOT Visual Systems GmbH)
- Monitoraggio della velocità su strada (tachimetro)
- Il radar di velocità stradale è un’applicazione speciale di questo tipo di radar. Utilizza lo spostamento Doppler per misurare la velocità dei veicoli sulla strada con una frequenza molto alta che corrisponde alle velocità normalmente possibili. La figura 5 mostra un tale radar di ROBOT Visual Systems GmbH che opera a 24,125 GHz. Installato di fronte al traffico, può misurare con grande precisione la velocità dei veicoli in arrivo e in partenza e fotografarli.
- Sensore di movimento Doppler
I semplici ed economici sensori radar Doppler mostrati nella Figura 2 possono essere utilizzati per attivare l’apertura di una porta o un meccanismo di illuminazione non appena viene rilevato un movimento (ad esempio l’apertura automatica della porta in un supermercato). - Monitoraggio del movimento
Se l’uscita del mixer è accoppiata a una sorgente di corrente continua in figura 2 (per esempio un trasformatore a induzione o dei condensatori) e l’amplificatore che lo segue è accoppiato in modo simile, un radar a onda continua non modulato può monitorare la distanza di un bersaglio fermo con una precisione dell’ordine di λ /16. Lo spostamento Doppler non viene misurato, ma confrontato con la fase dell’angolo tra il segnale trasmesso e l’eco. La portata del radar-bersaglio e la portata di ritorno sono multipli della lunghezza d’onda utilizzata. Se la portata cambia, anche di pochi millimetri, la fase cambia e dà un’indicazione del movimento relativo tra il radar e il bersaglio.
- La misura della portata è ambigua perché il numero di lunghezze d’onda aggiunto all’offset non può essere determinato. Il radar può solo notare il cambiamento rispetto al valore precedente.
- Questo tipo di radar può essere usato come un monitor della frequenza cardiaca senza contatto. Viene puntato sul petto del paziente in terapia intensiva e controlla la distanza entro una frazione di millimetro. Qualsiasi cambiamento di fase nell’angolo tra il segnale trasmesso e l’eco viene poi visualizzato su un oscilloscopio in funzione del tempo. Un computer collegato al radar conta le variazioni periodiche della distanza e calcola l’impulso in modo digitale. Se il movimento della gabbia toracica si ferma e il radar non può misurare un impulso, scatta un allarme.
- L’assenza della distanza minima di misurazione tipica del radar a impulsi permette di utilizzare questo principio radar come una spoletta radio per razzi e proiettili. Qui, l’ampiezza del segnale AF aumenta man mano che il bersaglio si avvicina, mentre la frequenza Doppler diminuisce bruscamente appena prima del fly-by. Dopo aver raggiunto la banda passante di un filtro, questo porta alla risposta del detonatore radio.