Continugolfradar
bevat informatie over
het spiegelende voorwerp
Figuur 1: Bij continugolfradar worden vaak afzonderlijke zend- en ontvangstantennes gebruikt die op een dubbelzijdige printplaat zijn gemonteerd.
bevat informatie over
het spiegelende voorwerp
Figuur 1: Bij continugolfradar worden vaak afzonderlijke zend- en ontvangstantennes gebruikt die op een dubbelzijdige printplaat zijn gemonteerd.
Continugolfradar
Continugolfradars (Continuous Wave radars, CW-radars) zenden voortdurend een uitgezonden signaal uit. Het echosignaal wordt voortdurend ontvangen en verwerkt.
In principe werkt in een continugolfradarset de zender continu en straalt een antenne dit signaal ook continu uit. Er moeten twee fundamentele problemen worden opgelost:
- Voorkomen van rechtstreekse straling van de zender in de ontvanger (co-coupling);
- Toewijzing van de ontvangen echo's aan een tijdsysteem om vluchttijdmetingen te kunnen verrichten.
Rechtstreekse instraling van zendernergie in de ontvanger kan worden voorkomen door
- ruimtelijke scheiding tussen de zendantenne en de ontvangstantenne, b.v. het vliegtuig wordt verlicht door een krachtige zender op de grond en de ontvanger bevindt zich in de raket die op weg is naar de echo om het vliegtuig te treffen;
- frequentiescheiding door Doppler-frequentie voor snelheidsmetingen.
Wanneer een echosignaal wordt ontvangen, is dit aanvankelijk slechts een bewijs dat er een obstakel is in de voortplantingsrichting van de elektromagnetische golven. Uit bepaalde eigenschappen van het echosignaal kunnen de eigenschappen van het obstakel worden afgeleid. Zo is de sterkte van het echosignaal afhankelijk van de grootte van het obstakel. Evenzo geeft de sterkte van het echosignaal aan of dit obstakel ver weg is of dicht bij de radar. (Helaas kan hieruit echter geen meetresultaat worden afgeleid, omdat de sterkte van het echosignaal van te veel factoren afhankelijk is). Een verandering in het frequentiespectrum daarentegen is een betrouwbaardere indicator van bepaalde eigenschappen. Zo kan bijvoorbeeld reflectie van bepaalde materialen ook harmonischen van de zendfrequentie veroorzaken. Dit wordt specifiek uitgebuit in een zogenaamde „harmonische radar“ om mensen te vinden die onder de sneeuwmassa's in lawinegebieden bedolven zijn op basis van deze materialen, die bijvoorbeeld in beschermende kleding zijn verwerkt. De meest voorkomende veranderingen in het spectrum worden echter veroorzaakt door het Doppler-effect.
Doppler radar
Een ongemoduleerde continugolfradar zendt een constante frequentie met een constante amplitude uit. Het ontvangen echosignaal heeft ofwel ook precies deze frequentie, ofwel is het echosignaal verschoven (voor een reflector die met een radiale snelheid beweegt) met de hoeveelheid van een Doppler-frequentie. CW-radars die gespecialiseerd zijn in deze Doppler-frequentie worden Doppler-radars genoemd.
Een meting van de vluchttijd is bij een dopplerradar voor snelheidsmeting helemaal niet nodig, omdat er geen afstand wordt bepaald. Indien een meting van de doorlooptijd moet worden verricht, kan een tijdreferentie van de ontvangen echo naar het verzonden signaal tot stand worden gebracht door het verzonden signaal te moduleren. Deze modulatie, d.w.z. het tijdstip van de verandering in frequentie of amplitude van het uitgezonden signaal, kan na de transittijd in de ontvanger worden geregistreerd en maakt aldus een tijdmeting mogelijk. Dergelijke modulatie creëert echter andere radarklassen die vervolgens geheel andere meetprincipes gebruiken (bijvoorbeeld frequentiemodulatie: FMCW-radar). Amplitudemodulatie is ook denkbaar en zou leiden tot een pulsradar op 100% modulatieniveau. Een radar die een ongemoduleerde trilling uitzendt, kan de snelheid van een voorwerp alleen detecteren via het dopplereffect. Het is niet mogelijk afstanden te bepalen of onderscheid te maken tussen verschillende doelen.
Figuur 2: Faseverschil
Functie
Bij continugolfradar wordt het faseverschil φ tussen het uitgezonden signaal en het ontvangen signaal geëvalueerd. De grootte van dit faseverschil is de verhouding tussen de golflengte van het uitgezonden signaal en de door de elektromagnetische golf afgelegde afstand, vermenigvuldigd met de graaddeling van de volledige cirkel (2·π). Het faseverschil is constant op een constante afstand van de reflector en bedraagt:
| φ = −2π | 2r | mit | φ = faseverschil r = afstand van de reflector tot de antenne λ = golflengte van het uitgezonden signaal |
(1) |
| λ |
De factor 2 bij de afstand r betekent dat het signaal deze afstand tweemaal moet passeren (heen- en terugweg). Het minteken ontstaat omdat tijdens de reflectie een fasesprong van 180° optreedt. Een directe berekening van een afstand uit dit faseverschil is niet mogelijk zonder meer. Dat zou bijvoorbeeld alleen mogelijk zijn als de afstand tussen 0 en 2π zou liggen (≙ φ<360°). Vanaf deze afstand ontstaan onduidelijkheden door de periodiciteit van de sinus oscillatie.
Indien de afstand tot de reflector niet constant is, maar bijvoorbeeld met een betrekkelijk constante snelheid tot de zendantenne verandert, verandert het faseverschil dientengevolge ook als functie van de tijd:
| φ(t) = −4π | r(t) | (2) |
| λ |
Een tijdsafhankelijke en constante verandering van het faseverschil tussen twee sinusoïdale signalen gedurende de meetperiode komt weer overeen met een sinusoïdale signaalcurve. Dit kan ook worden gemeten als een frequentie: de Doppler-frequentie. In de meeste gevallen is dit in het lage frequentiegebied. Bij een constante zendfrequentie is deze Dopplerfrequentie evenredig met de naderingssnelheid.
verdeler
filter
versterker
(audioprocessor)
Figuur 3: Blokschema van een eenvoudige radartransceiver met directe down-conversie
verdeler
filter
versterker
(audioprocessor)
Figuur 3: Blokschema van een eenvoudige radartransceiver met directe down-conversie
verdeler
filter
versterker
(audioprocessor)
Figuur 3: Blokschema van een eenvoudige radartransceiver met directe down-conversie (interactief beeld)
Blokschema CW radar
Directe mix ontvanger
Een dopplerradar voor snelheidsmetingen is zeer eenvoudig van opzet. Het volledige schakelsysteem van de zender en de ontvanger kan worden vervaardigd met halfgeleidercomponenten op een substraat als een geïntegreerde component. Dit onderdeel wordt gewoonlijk een transceiver genoemd (een portmanteau van de termen Transmitter en Receiver, zender en ontvanger). In veel gevallen is deze transceiver al uitgerust met de vereiste antennes. In de meeste gevallen gaat het om patch-antennes op een dubbelzijdig bedrukte printplaat of (voor grotere bandbreedtes) om hoorn-radiatoren.
In een directe mix ontvanger (of homodyne-ontvanger) wordt het echosignaal niet omgezet in een middenfrequentie, maar wordt de in de zender opgewekte hoge frequentie ook rechtstreeks gebruikt voor down-conversie. Het mengresultaat bevindt zich dan in de basisband, d.w.z. het is vrij van enige draaggolffrequentie. De gebruikte mixers vereisen gewoonlijk een lokaal oscillatorvermogen van ongeveer 7 dBm om het echosignaal te kunnen afmixen. Het RF-generatorvermogen van 10 dBm is dus ook hier vastgesteld. Aangezien de vermogensverdeler een minimale verzwakking van -3 dB heeft, wordt dan voor de gehele module een zendvermogen van ten minste 6 dBm gespecificeerd. Hoewel het uitgangssignaal nu in de basisband is, wordt deze uitgang vaak nog „IF“ genoemd, wat een middenfrequentie suggereert. De Doppler-frequentie ligt echter meestal in het hoorbare bereik. Sterke echo's van vaste doelen treden aan deze uitgang op als gelijkspanning, indien deze gelijkspanning niet wordt geblokkeerd door bijvoorbeeld koppelcondensatoren als hoogdoorlaatfilter. Gewoonlijk wordt een dergelijke schakeling ook uitgevoerd vanwege de overspraak van de zendantenne naar de ontvangstantenne.
Voor een dopplerradar in de K-band (λ≈ 12 mm) die als bewegingsdetector wordt gebruikt, moet de maximaal mogelijke radiale snelheid v worden berekend om het echosignaal te kunnen verwerken met een stereo-audioprocessor van een in de handel verkrijgbare geluidskaart (fgrenz= 18 kHz).
Voor radar wordt de Doppler frequentie berekend volgens:
| fD = | 2·v | fD = Doppler-frequentie [Hz] λ = golflengte van de uitgezonden frequentie [m] v = radiale snelheid [m/s] | |
| λ |
Hier geconverteerd naar v en de gegeven waarden ingevoerd:
| v = | λ · fD | = | 12 mm· 18 kHz | = 108 m/s ≈ 380 km/h |
| 2 | 2 |
Met deze configuratie kan een maximum van 380 km/h worden gemeten, wat de meeste toepassingen voor een eenvoudige bewegingsmelder omvat.
Figuur 4: Schematische afbeelding van een dopplerradar met heterodyne ontvanger
Figuur 4: Schematische afbeelding van een dopplerradar met heterodyne ontvanger
Figuur 4: Schematische afbeelding van een dopplerradar met heterodyne ontvanger (interactief beeld)
Superheterodyne ontvanger
Door de directe mixing is de gevoeligheid beperkt. Dit betekent dat de Doppler-frequentie wordt overlapt met een statistisch verdeelde laagfrequente ruis. Zeer lage en zwakke Doppler-frequenties kunnen daarom vaak niet worden beoordeeld.
Een superheterodyne-ontvanger kan op dit punt een aanzienlijke verbetering van de gevoeligheid bieden. De echosignalen worden alleen omgezet in een bereik dat ver boven de vonkruis ligt. De bandpass filters van de middenfrequent versterker laten deze vonkruis niet door. Tegelijkertijd wordt het echosignaal versterkt met 30 … 40 dB. Pas in de tweede mixer wordt het echosignaal omgezet in de basisband. Aangezien het echosignaal nu veel groter is dan de vonkruis van de tweede mengtrap, speelt deze ruis gewoonlijk geen rol meer.
In dit voorbeeld wordt slechts één antenne gebruikt voor zenden en ontvangen. Een circulator wordt gebruikt om de zendenergie te scheiden van de ontvangenergie. De lokale oscillatorfrequentie voor de superheterodyne ontvanger wordt hier gegenereerd door upconversie gevolgd door een smalbandfilter. Een teller wordt hier gebruikt voor evaluatie. Hierdoor kan slechts één enkel spiegelend object worden weergegeven. (Gewoonlijk degene met de sterkste amplitude.) Bij verscheidene bewegende reflectoren zouden de overlappende Doppler-frequenties moeten worden geselecteerd door een filterbank of een afstembaar filter. Ondanks het feit dat beide Doppler-frequenties moeten worden gemeten, is het niet mogelijk om de gelijktijdig gemeten waarden zonder enige twijfel aan een specifiek object toe te wijzen.
Beschrijving van de assemblages in het blokschema
Berekening van het bereik
In het algemeen kan de radarvergelijking ook worden gebruikt voor continu-golfradar, aangezien zij onafhankelijk is van het modulatietype.
Er zij echter op gewezen dat de verliezen in de uitdrukking Lges ook winsten kunnen inhouden, bijvoorbeeld door coherente integratie.
Fysici zouden er nu op wijzen dat voor het bereik van een radarsysteem niet het in de formule genoemde uitgezonden vermogen doorslaggevend is, maar de uitgezonden energie. Dit kon vroeger in de afleiding van de vergelijking worden verwaarloosd omdat werd aangenomen dat de tijdsduur van de uitgezonden puls gelijk was aan de tijdsduur van het echosignaal.
Indien de tijdsduur van het gedemoduleerde echosignaal verschilt van de tijdsduur van het uitgezonden signaal, moeten deze tijden in verhouding worden gebracht en als versterking worden vermenigvuldigd met de andere waarden van de uitdrukking onder de vierde wortel.
Voor een radar met intrapulsmodulatie wordt deze versterking de pulscompressieverhouding (PCR) genoemd en is deze afhankelijk van de uitgezonden bandbreedte. Dit wordt duidelijk wanneer men bedenkt dat dit uitgezonden modulatiepatroon nauwelijks kan worden gereproduceerd door willekeurige ruispulsen, zodat het pulscompressiefilter ook doelen kan detecteren die ver onder het ruisniveau liggen.
Een soortgelijke berekening kan ook worden gemaakt voor continu-golfradar. Hier kan ofwel de totale belichtingstijd in verhouding tot de filterresponstijd worden gebruikt om de integratieversterking te berekenen. Deze integratieversterking kan waarden tot 45 dB aannemen.
Toepassingen van ongemoduleerde dopplerradar
Figuur 5: TRAFFIPAX SpeedoPhot (© 2000 ROBOT Visual Systems GmbH)
- Radar voor verkeerscontrole
- Deze continu-golf radars zijn echt zeer gespecialiseerd. Ze gebruiken de Doppler frequentie om de snelheid te meten. Aangezien dit ook afhankelijk is van de golflengte, werken deze radars op zeer hoge frequenties in de K-band. De afgebeelde Traffipax Speedophot, gemaakt door ROBOT Visual Systems GmbH, werkt bijvoorbeeld op de frequentie 24,125 GHz.
- De snelheid van inkomend en/of uitgaand verkeer kan worden gemeten vanaf de rechter- of de linkerkant van de weg. Het systeem kan in een meetvoertuig worden geïnstalleerd of op een speciaal statief worden gebruikt. Evenzo kan het SpeedoPhot-systeem worden gebruikt om het verkeer te volgen met fotografische documentatie van verkeersovertredingen.
- Bewegingsdetector
Eenvoudige en goedkope doppler radarsensoren met een schakeling als in figuur 2 kunnen schakelfuncties zoals alarmen activeren of eenvoudig worden gebruikt als deuropeners of schakelaars voor verlichting. - Bewegingsbewaking
Indien de uitgangen van de mengtrap in fig. 2 gelijkstroomgekoppeld zijn (d.w.z.: er worden geen inductieve transformatoren of koppelcondensatoren in de mengtrap gebruikt) en de daaropvolgende versterkers ook alle gelijkstroomgekoppeld zijn, dan kan deze ongemoduleerde continugolfradar ook worden gebruikt om afstanden tot vaste doelen te meten met een nauwkeurigheid in de orde van grootte van ongeveer λ /16. Hier wordt geen dopplerfrequentie gemeten, maar wordt het faseverschil tussen het uitgezonden signaal en het ontvangen signaal vergeleken. Als de afstand ook maar een fractie van een millimeter verandert, verandert ook de fasestand tussen de twee signalen.
- Het meetbereik is niet duidelijk: hoeveel volle golflengten bij de gemeten fractie worden opgeteld, kan niet worden bepaald. Alleen een wijziging ten opzichte van een vorige waarde kan worden bewaakt.
- Deze meetmethode kan bijvoorbeeld worden gebruikt voor het contactloos monitoren van de hartslag en de ademhalingsactiviteit van een intensive care patiënt. De radar is gericht op de borstkas van de patiënt en controleert de afstand tot de borstkas met een nauwkeurigheid van fracties van een millimeter. De faseveranderingen tussen het uitgezonden signaal en het ontvangen signaal worden op een oscilloscoop afgebeeld als functie van de tijd. Een aangesloten computer telt de periodieke veranderingen en geeft de polsslag van de patiënt numeriek weer. Als er geen wijzigingen meer worden geregistreerd, gaat er een alarm af.
- Het ontbreken van de voor pulsradar typische minimum meetafstand maakt het mogelijk dit radarprincipe te gebruiken als radiodetonator voor raketten en projectielen. Hier neemt de amplitude van het AF-signaal toe naarmate het doel nadert, terwijl de Doppler-frequentie kort voor de fly-by sterk afneemt. Nadat de passband van een filter is bereikt, leidt dit tot de respons van de radiodetonator.