Radar z falą ciągłą
zawiera informacje
o obiekt odbijający
Rysunek 1: Radar pracujący na fali ciągłej często wykorzystuje oddzielne anteny nadawcze i odbiorcze zamontowane na dwustronnej płytce drukowanej.
zawiera informacje
o obiekt odbijający
Rysunek 1: Radar pracujący na fali ciągłej często wykorzystuje oddzielne anteny nadawcze i odbiorcze zamontowane na dwustronnej płytce drukowanej.
Radar z falą ciągłą
Radary z falą ciągłą (radary CW, Continuous Wave radar) emitują transmitowany sygnał w sposób ciągły. Sygnał echa jest stale odbierany i przetwarzany.
W zasadzie w zestawie radarowym z falą ciągłą nadajnik pracuje w sposób ciągły, a antena również promieniuje ten sygnał w sposób ciągły. Istnieją dwa podstawowe problemy do rozwiązania:
- Zapobieganie bezpośredniemu promieniowaniu nadajnika do odbiornika (współsprzęganie);
- Przyporządkowanie odebranych ech do układu czasowego w celu umożliwienia wykonania pomiarów czasu przelotu.
Bezpośredniemu napromieniowaniu odbiornika energią nadajnika można zapobiec poprzez
- przestrzenne oddzielenie anteny nadawczej od anteny odbiorczej,
np. samolot jest oświetlany przez potężny nadajnik naziemny, a odbiornik znajduje się w pocisku zmierzającym w kierunku echa, aby zaatakować samolot; - separacja częstotliwości za pomocą częstotliwości Dopplera dla pomiarów prędkości.
Gdy odbierany jest sygnał echa, jest to początkowo tylko dowód na to, że w kierunku rozchodzenia się fal elektromagnetycznych znajduje się przeszkoda. Na podstawie pewnych właściwości sygnału echa można wnioskować o właściwościach przeszkody. Na przykład, siła sygnału echa zależy od wielkości przeszkody. Podobnie siła sygnału echa wskazuje, czy przeszkoda znajduje się daleko czy blisko radaru. (Niestety jednak nie można na tej podstawie uzyskać żadnego wyniku pomiaru, gdyż siła sygnału echa zależy od zbyt wielu czynników). Z drugiej strony, zmiana w widmie częstotliwości jest bardziej wiarygodnym wskaźnikiem pewnych właściwości. Na przykład, odbicie od niektórych materiałów może również wytwarzać harmoniczne częstotliwości transmisji. Jest to szczególnie wykorzystywane w tak zwanym „radarze harmonicznym“ w celu znalezienia osób zasypanych pod masami śniegu w obszarach lawinowych na podstawie tych materiałów, które są wbudowane na przykład w odzież ochronną. Najczęściej jednak zmiany w widmie powodowane są przez efekt Dopplera.
Radar dopplerowski
Niemodulowany radar z falą ciągłą transmituje stałą częstotliwość ze stałą amplitudą. Odebrany sygnał echa albo również ma dokładnie taką częstotliwość, albo sygnał echa jest przesunięty (dla reflektora poruszającego się z prędkością radialną) o wartość częstotliwości dopplerowskiej. Radary CW, które specjalizują się w tej częstotliwości dopplerowskiej nazywane są radarami dopplerowskimi.
Pomiar czasu przelotu nie jest w ogóle konieczny w przypadku radaru dopplerowskiego do pomiaru prędkości, ponieważ nie jest wykonywany pomiar odległości. Jeżeli ma być dokonany pomiar czasu przelotu, to odniesienie czasowe odebranego echa do sygnału nadawanego może być ustalone poprzez modulację sygnału nadawanego. Ta modulacja, tzn. czas zmiany częstotliwości lub amplitudy nadawanego sygnału, może być zarejestrowana w odbiorniku po upływie czasu tranzytu i w ten sposób umożliwia pomiar czasu. Taka modulacja tworzy jednak inne klasy radarów, które następnie wykorzystują zupełnie inne zasady pomiaru (np. modulacja częstotliwości: radar FMCW). Modulacja amplitudy jest również możliwa i prowadziłaby do radaru impulsowego przy 100% poziomie modulacji. Radar, który emituje niemodulowane oscylacje może wykryć prędkość obiektu tylko poprzez efekt Dopplera. Nie jest możliwe określenie odległości ani rozróżnienie różnych celów.
Rysunek 2: Różnica faz
Funkcja, sposób działania
W radarach z falą ciągłą ocenia się różnicę faz φ między sygnałem nadawanym a odbieranym. Wielkość tej różnicy faz jest stosunkiem długości fali nadawanego sygnału do odległości przebytej przez falę elektromagnetyczną, pomnożonej przez podział stopnia pełnego okręgu (2·π). Różnica faz jest stała w stałej odległości od reflektora i wynosi:
| φ = −2π | 2r | mit | φ = różnica faz r = odległość reflektora od anteny λ = długość fali przesyłanego sygnału |
(1) |
| λ |
Współczynnik 2 do odległości r oznacza, że sygnał musi pokonać tę odległość dwukrotnie (droga wychodząca i powrotna). Znak minus pojawia się, ponieważ podczas odbicia następuje skok fazy o 180°. Bezpośrednie obliczenie odległości na podstawie tej różnicy faz nie jest możliwe bez dalszych wyjaśnień. Byłoby to możliwe, na przykład, tylko wtedy, gdyby odległość ta wynosiła od 0 do 2π (≙ φ<360°). Od tej odległości pojawiają się niejasności z powodu okresowości oscylacji sinusoidalnej.
Jeśli odległość do reflektora nie jest stała, ale zmienia się, na przykład, z względnie stałą prędkością do anteny nadawczej, różnica faz w konsekwencji również zmienia się w funkcji czasu:
| φ(t) = −4π | r(t) | (2) |
| λ |
Zależna od czasu i stała zmiana różnicy faz między dwoma sygnałami sinusoidalnymi w okresie pomiarowym ponownie odpowiada krzywej sygnału sinusoidalnego. Może to być również mierzone jako częstotliwość: częstotliwość Dopplera. W większości przypadków dotyczy to zakresu niskich częstotliwości. Przy stałej częstotliwości nadawania ta częstotliwość dopplerowska jest proporcjonalna do prędkości zbliżania się.
wysokiej
częstotliwości
dolnoprzepustowy
wysokiej
częstotliwości
audio
(procesor audio)
Bild 3: Blockschaltbild eines einfachen Radar- Transceivers mit direkter Abwärtsmischung
wysokiej
częstotliwości
dolnoprzepustowy
wysokiej
częstotliwości
audio
(procesor audio)
Rysunek 3: Schemat blokowy prostego transceivera radarowego z bezpośrednią konwersją w dół
wysokiej
częstotliwości
dolnoprzepustowy
wysokiej
częstotliwości
(procesor audio)
Rysunek 3: Schemat blokowy prostego transceivera radarowego z bezpośrednią konwersją w dół (Obraz interaktywny)
Schemat blokowy radaru CW
Odbiornik miksu bezpośredniego
Radar dopplerowski do pomiaru prędkości ma bardzo prostą konstrukcję. Cały obwód nadajnika i odbiornika może być wytwarzany jako element scalony przy użyciu elementów półprzewodnikowych na podłożu. Ten element jest zwykle nazywany transceiverem (portmanteau od terminów nadajnik i odbiornik). W wielu przypadkach transceiver ten jest już wyposażony w wymagane anteny. W większości przypadków są to anteny patch zrealizowane na dwustronnej płytce drukowanej lub (dla większych pasm przenoszenia) radiatory tubowe lub anteny Vivaldi.
W odbiorniku z mieszaniem bezpośrednim (lub odbiorniku homodynowym) sygnał echa nie jest przekształcany na częstotliwość pośrednią, ale wysoka częstotliwość generowana w nadajniku jest również wykorzystywana bezpośrednio do konwersji w dół. Wynik mieszania znajduje się wtedy w paśmie podstawowym, tzn. jest wolny od jakiejkolwiek częstotliwości nośnej. Stosowane mieszacze wymagają zwykle mocy lokalnego oscylatora około 7 dBm, aby móc zniwelować sygnał echa. Dlatego też moc generatora RF wynosząca 10 dBm jest tutaj również stała. Ponieważ dzielnik mocy posiada minimalne tłumienie -3 dB, dla całego modułu określana jest moc nadawania co najmniej 6 dBm. Chociaż sygnał wyjściowy jest teraz w paśmie podstawowym, to nadal jest on często określany jako „IF“, co sugeruje częstotliwość pośrednią. Jednakże częstotliwość dopplerowska jest zazwyczaj w zakresie słyszalnym. Silne echo celu stałego występuje na tym wyjściu jako napięcie stałe, jeśli to napięcie stałe nie jest blokowane np. przez kondensatory sprzęgające jako filtr górnoprzepustowy. Zazwyczaj taki pomiar obwodu jest wykonywany również z powodu przesłuchu z anteny nadawczej do anteny odbiorczej.
Dla radaru dopplerowskiego w paśmie K (λ≈ 12 mm) używanego jako detektor ruchu, należy obliczyć maksymalną możliwą prędkość radialną v, aby móc przetworzyć sygnał echa za pomocą stereofonicznego procesora dźwięku dostępnej w handlu karty dźwiękowej (fg= 18 kHz).
W przypadku radaru częstotliwość dopplerowską oblicza się według:
| fD = | 2·v | fD = częstotliwość dopplerowska [Hz] λ = długość fali przekazywanej częstotliwości [m] v = prędkość radialna [m/s] |
|
| λ |
Przelicza tutaj na v i wpisuje podane wartości:
| v = | λ · fD | = | 12 mm· 18 kHz | = 108 m/s ≈ 380 km/h |
| 2 | 2 |
W tej konfiguracji można mierzyć maksymalnie 380 km/h, co obejmuje większość zastosowań prostego czujnika ruchu.
Rysunek 4: Schemat radaru dopplerowskiego z odbiornikiem heterodynowym
Rysunek 4: Schemat radaru dopplerowskiego z odbiornikiem heterodynowym
Rysunek 4: Schemat radaru dopplerowskiego z odbiornikiem heterodynowym (Obraz interaktywny)
Odbiornik superheterodynowy
Ze względu na bezpośrednie mieszanie, czułość jest ograniczona. Oznacza to, że na częstotliwość dopplerowską nakłada się statystycznie rozłożony szum o niskiej częstotliwości. Dlatego bardzo niskie i słabe częstotliwości dopplerowskie często nie mogą być oceniane.
Odbiornik superheterodynowy może zaoferować znaczną poprawę czułości w tym punkcie. Sygnały echa są przetwarzane tylko na zakres, który jest znacznie powyżej szumu iskrzenia. Filtry pasmowe wzmacniacza pośredniej częstotliwości nie przepuszczają tego iskrzącego szumu. Jednocześnie sygnał echa jest wzmacniany w zakresie 30 … 40 dB. Dopiero w drugim mieszaczu sygnał echa jest konwertowany na pasmo podstawowe. Ponieważ sygnał echa jest teraz znacznie większy niż szum iskrzenia drugiego stopnia miksera, szum ten zwykle nie odgrywa już roli.
W tym przykładzie, tylko jedna antena jest używana do nadawania i odbioru. Cyrkulator jest używany do oddzielenia energii nadawania od energii odbioru. Częstotliwość lokalnego oscylatora dla odbiornika superheterodynowego jest tu generowana przez upkonwersję, po której następuje filtr wąskopasmowy. Licznik jest tutaj używany do oceny. Pozwala to na wyświetlenie tylko jednego obiektu odbicia. (W przypadku kilku ruchomych reflektorów, nakładające się częstotliwości dopplerowskie musiałyby być wybrane przez bank filtrów lub filtr przestrajany. Pomimo tego, że mierzone będą obie częstotliwości dopplerowskie, nie ma możliwości jednoznacznego przypisania jednocześnie mierzonych wartości do konkretnego obiektu.
Opis zespołów na schemacie blokowym
Obliczanie zakresu
Ogólnie rzecz biorąc, podstawowe równanie radarowe może być również stosowane dla radaru z falą ciągłą, ponieważ jest niezależne od rodzaju modulacji.
Należy jednak zauważyć, że straty zawarte w wyrażeniu Lges mogą również zawierać zyski, na przykład dzięki spójnej integracji.
Fizycy zwróciliby teraz uwagę, że dla zasięgu systemu radarowego nie jest decydująca wymieniona we wzorze moc nadawana, lecz nadawana energia. Można to było wcześniej pominąć w wyprowadzeniu równania, ponieważ zakładano, że czas trwania transmitowanego impulsu jest równy czasowi trwania sygnału echa.
Jeśli czas trwania demodulowanego sygnału echa różni się od czasu trwania sygnału nadawanego, czasy te muszą być proporcjonalne i są mnożone jako wzmocnienie z innymi wartościami wyrażenia pod czwartym pierwiastkiem.
Dla radaru z modulacją wewnątrzimpulsową, wzmocnienie to nazywane jest współczynnikiem kompresji impulsu (pulse compression ratio, PCR) i zależy od szerokości transmitowanego pasma. Staje się to jasne, gdy weźmiemy pod uwagę, że ten transmitowany wzór modulacji może być z trudem odtworzony przez losowe impulsy szumu, tak więc filtr kompresji impulsów może również wykrywać cele znajdujące się znacznie poniżej poziomu szumu.
Podobne obliczenia można przeprowadzić również dla radaru z falą ciągłą. Tutaj całkowity czas naświetlania w stosunku do czasu reakcji filtra (czasowa długość impulsu wyjściowego za transformatą Fouriera) może być obliczany jako wzmocnienie całkowania. To wzmocnienie integracyjne może przyjmować wartości do 45 dB.
Zastosowania niemodulowanego radaru dopplerowskiego
Rysunek 5: TRAFFIPAX SpeedoPhot (© 2000 ROBOT Visual Systems GmbH)
- Radar nadzoru ruchu
- Te radary z falą ciągłą są naprawdę wysoce wyspecjalizowane. Do pomiaru prędkości wykorzystują częstotliwość Dopplera. Ponieważ jest to również zależne od długości fali, radary te pracują na bardzo wysokich częstotliwościach w paśmie K. Przykładowo, przedstawiony Traffipax Speedophot, wyprodukowany przez ROBOT Visual Systems GmbH, pracuje na częstotliwości 24,125 GHz.
- Prędkość nadjeżdżającego i/lub odjeżdżającego ruchu może być mierzona z prawej lub lewej strony drogi. System może być zainstalowany w pojeździe pomiarowym lub pracować na specjalnym statywie. Podobnie system SpeedoPhot może być wykorzystywany do monitorowania płynnego ruchu drogowego z dokumentacją fotograficzną wykroczeń drogowych.
- Czujnik ruchu
Proste i tanie radarowe czujniki dopplerowskie z układem jak na rysunku 2 mogą wyzwalać funkcje przełączające, takie jak alarmy lub po prostu być używane jako otwieracze drzwi lub włączniki oświetlenia. - Monitorowanie ruchu
Jeżeli wyjścia stopnia mieszacza z Rys. 2 są sprzężone prądem stałym (tzn.: w stopniu mieszacza nie stosuje się transformatorów indukcyjnych ani kondensatorów sprzęgających), a kolejne wzmacniacze są również wszystkie sprzężone prądem stałym, to taki niemodulowany radar na fali ciągłej może być również użyty do monitorowania odległości do stałych celów z dokładnością rzędu λ /16. Tutaj nie mierzy się częstotliwości Dopplera, ale porównuje się różnicę faz między sygnałem nadawanym a odbieranym. Jeśli odległość zmienia się nawet o ułamek milimetra, zmienia się również pozycja fazowa pomiędzy dwoma sygnałami.
- Zakres pomiarowy nie jest jasny: nie można określić, ile pełnych długości fal dodaje się do mierzonej frakcji. Monitorowana może być tylko zmiana poprzedniej wartości.
- Ta metoda pomiarowa może być stosowana na przykład do bezkontaktowego monitorowania rytmu serca i aktywności oddechowej pacjenta wymagającego intensywnej opieki medycznej. Radar jest skierowany na klatkę piersiową pacjenta i monitoruje odległość do niej z dokładnością do ułamków milimetra. Zmiany w fazie pomiędzy sygnałem nadawanym a odbieranym są wyświetlane na oscyloskopie w funkcji czasu. Podłączony komputer zlicza okresowe zmiany i podaje numerycznie puls pacjenta. Jeśli nie zostaną zarejestrowane żadne inne zmiany, zostanie uruchomiony alarm.
- Brak minimalnej odległości pomiarowej typowej dla radaru impulsowego pozwala na zastosowanie tej zasady działania radaru jako zapalnika radiowego dla rakiet i pocisków. W tym przypadku amplituda sygnału AF wzrasta w miarę zbliżania się do celu, podczas gdy częstotliwość dopplerowska gwałtownie spada na krótko przed przelotem. Po osiągnięciu pasma przepustowego filtra, prowadzi to do odpowiedzi zapalnika radiowego.