www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Noções básicas de radar

Radar de onda contínua

energia transmitida
energia refletida,
contém informações sobre
o objeto refletido
Transmissor
Receptor

Figura 1: O método do radar de ondas contínuas usa frequentemente antenas de transmissão e recepção separadas. Estas são construídas sobre uma placa de circuito impresso frente e verso.

energia transmitida
energia refletida,
contém informações sobre
o objeto refletido
Transmissor
Receptor

Figura 1: O método do radar de ondas contínuas usa frequentemente antenas de transmissão e recepção separadas. Estas são construídas sobre uma placa de circuito impresso frente e verso.

Radar de onda contínua

Os conjuntos de radar de onda contínua (radar CW) transmitem um sinal de alta frequência continuamente. O sinal de eco é recebido e processado permanentemente. É preciso resolver dois problemas com esse princípio:

Uma conexão direta da energia transmitida ao receptor pode ser evitada por:

Uma medição do tempo de execução não é necessária para os medidores de velocidade, o alcance real do carro inadimplente não tem uma conseqüência. Se você precisar de informações sobre a faixa, a medição do tempo poderá ser realizada por modulação de frequência ou codificação de fase da potência transmitida.

Um radar CW que transmite uma potência não modulada pode medir a velocidade apenas usando o efeito Doppler. Ele não pode medir um intervalo e não pode diferenciar entre dois ou mais objetos refletores.

Se um sinal de eco é recebido, isso é apenas uma prova inicial de que existe um obstáculo na direção de propagação das ondas eletromagnéticas. As propriedades do obstáculo podem ser inferidas a partir de certas propriedades do sinal de eco. Por exemplo, a força do sinal de eco depende do tamanho do obstáculo. Da mesma forma, a força do sinal de eco é um sinal de que esse obstáculo está longe ou próximo ao radar. (Infelizmente, nenhum resultado de medição é possível nesse contexto, uma vez que a força do sinal de eco depende de muitos fatores.) Uma mudança no espectro de frequências, por outro lado, é um recurso mais seguro para certas propriedades. Assim, harmônicos da frequência de transmissão também podem ocorrer durante uma reflexão sobre certos materiais. Isso é especificamente explorado no chamado „radar harmônico” para o uso desses materiais, que são incorporados ao vestuário de proteção, por exemplo, para encontrar pessoas enterradas sob as massas de neve nas regiões de avalanche. No entanto, as alterações mais usadas no espectro são causadas pelo efeito Doppler.

Radar Doppler

Um radar de onda contínua não modulado emite uma frequência constante com amplitude constante. O sinal de eco recebido tem exatamente a mesma frequência ou o sinal de eco é deslocado pela frequência Doppler (com um refletor se movendo a uma velocidade radial). Os radares CW especializados em medir essa frequência Doppler são chamados de radares Doppler.

Uma medição de tempo de execução não é necessária com um radar Doppler para medição de velocidade, uma vez que nenhuma determinação de distância é realizada. Se uma medição de tempo de execução deve ser realizada, então uma referência de tempo do eco recebido para o sinal transmitido pode ser estabelecida modulando o sinal transmitido. Esta modulação, isto é, o tempo real no qual o sinal transmitido muda em frequência ou amplitude, pode ser registrado no receptor após o tempo de atraso e, assim, torna possível a medição do tempo. Essa modulação, no entanto, resulta em outras classes de radar, que subsequentemente usam princípios de medição completamente diferentes (por exemplo, modulação de frequência: radar FMCW ). Modulação de amplitude a 100% de modulação também é concebível e levaria a um radar de pulso. Um radar que emite uma oscilação não modulada só pode detectar a velocidade de um objeto através do efeito Doppler. Não é possível determinar distâncias ou distinguir diferentes alvos na mesma direção.

Figura 2: Diferença de fases

Figura 2: Diferença de fases

Função

O radar de onda contínua avalia a diferença de fase φ entre o sinal transmitido e o sinal recebido. A magnitude dessa diferença de fase é a razão entre a distância percorrida pela onda eletromagnética e o comprimento de onda do sinal transmitido, multiplicado pela divisão de graus do círculo completo (2·π). A magnitude dessa diferença de fase é a razão entre o comprimento de onda do sinal transmitido e a distância percorrida. Se a distância do refletor não mudar, é constante e é calculada de acordo com:

φ = −2π 2r onde φ = diferença de fase
r = distância do refletor à antena
λ = comprimento de onda do sinal transmitido
(1)
λ

O fator 2 para a distância r significa que o sinal deve passar por essa distância duas vezes (ida e volta). O sinal de menos é gerado porque ocorre um salto de fase de 180° durante a reflexão. Um cálculo direto de uma distância desta diferença de fase não é possível. Por exemplo, só seria possível se a distância estivesse entre 0 e 2π (≙ φ<360°). A essa distância, surgem ambiguidades devido à periodicidade da onda senoidal.

Se a distância do refletor não for constante, mas mudar, por exemplo, com uma velocidade relativamente constante da antena transmissora, a diferença de fase também mudará em função do tempo:

φ(t) = −4π r(t) (2)
λ

Uma mudança dependente do tempo e constante na diferença de fase entre dois sinais sinusoidais durante o período de medição corresponde novamente a uma curva de sinal sinusoidal. Isso também pode ser medido como uma frequência: a frequência Doppler. Na maioria dos casos, isso está na faixa de frequência de áudio. Em uma frequência de transmissão constante, essa frequência Doppler é proporcional à velocidade radial.

Gerador de RF
Divisor de Potência
Filtro passa-banda
Amplificador RF
Estágio do misturador
Audio-
Amplifier
para a interface do computador
(Processador de áudio)
Potência Transmitida
Antena de
transmissão
Antena receptora

Figura 3: Diagrama de blocos de um transceptor de radar simples usando conversão direta descendente

Gerador de RF
Divisor de Potência
Filtro passa-banda
Amplificador RF
Estágio do misturador
Audio-
Amplifier
para a interface do computador
(Processador de áudio)
Potência Transmitida
Antena de
transmissão
Antena receptora

Figura 3: Diagrama de blocos de um transceptor de radar simples usando conversão direta descendente

Gerador de RF
Divisor de Potência
Filtro passa-banda
Amplificador RF
Estágio do
misturador
Audio-
Amplifier
para a interface do computador
(Processador de áudio)
Potência Transmitida
Antena de
transmissão
Antena receptora
Generator Leistungsteiler Sendeantenne Empfangsantenne LNA Mischstufe TP AMP

Figura 3: Diagrama de blocos de um transceptor de radar simples usando conversão direta descendente (imagem interativa)

Diagrama de blocos do radar CW

Receptor de conversão direta
Um radar Doppler para medições de velocidade é muito simples. Todo o circuito do transmissor e receptor pode ser fabricado com componentes semicondutores em um substrato como componente integrado. Esse componente é geralmente chamado de transceptor (um portmanteau das palavras transmitter e receiver). Em muitos casos, esse transceptor já está equipado com as antenas necessárias. Normalmente, estas são antenas de patch realizadas em uma placa de circuito impresso de dupla face ou (com larguras de banda maiores) radiadores.

Com um receptor usando conversão direta (ou referido a um receptor homodino), o sinal de eco não é convertido em uma frequência intermediária, mas a alta frequência gerada no transmissor também é usada diretamente para a conversão descendente. O sinal de saída do estágio de mixagem fica na banda base, ou seja, é livre de qualquer frequência portadora. Os mixers usados geralmente requerem uma potência do oscilador local de aproximadamente 7 dBm para poder converter o sinal de eco. Assim, a potência do gerador HF também é ajustada em 10 dBm. Como o divisor de potência possui uma atenuação mínima de -3 dB, a potência de transmissão de pelo menos 6 dBm é especificada para todo o módulo. Embora o sinal de saída esteja agora na banda base, essa saída ainda é frequentemente chamada de “IF”, o que sugere uma frequência intermediária. No entanto, a frequência Doppler geralmente está na faixa audível. Se essa tensão DC não for bloqueada pelos capacitores de acoplamento como filtros passa-altos, fortes ecos de alvo fixo ocorrerão nessa saída como tensão DC. Normalmente, essa medida de circuito também é executada para evitar sinais gerados por diafonia da antena transmissora para a antena receptora.

A velocidade radial máxima possível v deve ser calculada para um radar Doppler em banda K (λ≈ 12 mm) usado como detector de movimento. Qual a velocidade com que um refletor pode ser movido para processar o sinal de eco com um processador de áudio estéreo de uma placa de som padrão? (fcut= 18 kHz = fD máximo

No radar, a frequência Doppler é calculada de acordo com:

fD = 2·v   fD = frequência Doppler [Hz]
λ = comprimento de onda da frequência transmitida [m]
v = velocidade radial [m/s]
λ

Esta equação foi convertida de acordo com v e os valores especificados foram inseridos:

v =  λ · fD = 12 mm· 18 kHz = 108 m/s ≈ 380 km/h
22

Com essa configuração, é possível medir no máximo 380 km/h, o que inclui a maioria dos casos de aplicação de um simples detector de movimento.

fTx
fTx
fTx + fD
fTx + fIF
fIF
fIF + fD
fD

Figura 4: Diagrama de blocos de um radar Doppler com receptor heteródino

fTx
fTx
fTx + fD
fTx + fIF
fIF
fIF + fD
fD

Figura 4: Diagrama de blocos de um radar Doppler com receptor heteródino

fTx
fTx
fTx + fD
fTx + fIF
fIF
fIF + fD
fD

Figura 4: Diagrama de blocos de um radar Doppler com receptor heteródino (imagem interativa)

Superheterodino
Pela mistura direta, a sensibilidade é limitada. Assim, o ruído de cintilação do mixer é fornecido junto com o sinal de saída, ou seja, a frequência Doppler é sobreposta a uma distribuição aleatória do ruído de baixa frequência. Sinais muito fracos e baixas frequências de Doppler não podem ser avaliadas com tanta frequência.

Uma melhoria significativa na sensibilidade pode fornecer neste momento um receptor superheterodino. Os sinais de eco são convertidos primeiro em uma região que está bem acima do ruído de tremulação. Esse ruído de oscilação do primeiro estágio do mixer não pode passar pelo filtro passa-banda do amplificador de frequência intermediária. Simultaneamente, o sinal de eco é amplificado em cerca de 30…40 dB. Somente no segundo mixer, o sinal de eco é convertido na banda base. Como o sinal de eco amplificado agora é muito maior que o ruído de tremulação do segundo estágio de mixagem, esse ruído do segundo misturador pode ser ignorado.

Neste exemplo, só é utilizada uma única antena para transmissão e recepção. A separação da energia de transmissão da energia recebida é feita com um circulador. A freqüência do oscilador local para o receptor superheterodyne é gerada aqui por uma mistura ascendente seguida por um filtro de banda estreita. Como uma avaliação da velocidade, um contador é usado aqui. Para que somente um único objeto refletor possa ser exibido. (que é geralmente o que tem a maior amplitude). Se o radar observar uma pluralidade de reflectores em movimento, então as freqüências Doppler sobrepostas precisam ser selecionadas por um banco de filtros, ou por um filtro sintonizável. No entanto, várias freqüências Doppler são possíveis de serem medidas, não há forma de atribuir os valores medidos simultaneamente a um determinado objecto sem qualquer dúvida.

Descrição dos módulos no diagrama de blocos
Cálculo do alcance do radar

Em geral, a equação básica do radar também pode ser usada para o radar de onda contínua, pois é independente do tipo de modulação.

The range of radar device is equal to the fourth root of the break with the counter the product of the transmitting power (Ps), the square of the antenna gain (G), the square of the wavelength (λ) and the effective reflection area (σ). In the denominator is the product of the reception power (P e min) (bracket up...) 4 π(... bracket too) to the power of three.  

No entanto, deve-se ter em mente que as perdas contidas no termo Lges também podem conter ganhos, por exemplo, por meio de integração coerente.

Os físicos agora apontariam que o fator decisivo para o alcance do radar não é a potência de transmissão declarada na fórmula, mas a energia transmitida. Isso poderia anteriormente ser negligenciado na derivação da equação porque a duração do pulso de transmissão foi assumida como sendo igual à duração do sinal de eco.

Se a duração do sinal de eco demodulado diferir da duração do sinal transmitido, esses tempos deverão ser colocados em relação e multiplicados como ganho pelos valores remanescentes da expressão na quarta raiz.

Die Reichweite eines Radargerätes ist gleich der vierten Wurzel aus dem Bruch mit dem Zähler das Produkt aus der Sendeleistung (Ps), dem Quadrat des Antennengewinns (G),dem Quadrat der Wellenlänge (λ) und der effektiven Reflexionsfläche (σ). Im Nenner steht das Produkt aus der Empfangsleistung (P e min) (Klammer auf...) 4 π(... Klammer zu) hoch drei.  

No radar, com modulação intrapulse, esse ganho é chamado de taxa de compressão de pulso (PCR) e depende da largura de banda transmitida. Isso é ilustrado pelo fato de que esse padrão de modulação transmitida dificilmente pode ser reproduzido por pulsos aleatórios de ruído, de modo que o filtro de compressão de pulso também possa detectar alvos muito abaixo do nível de ruído.

Um cálculo semelhante também pode ser feito para um radar de onda contínua. Aqui, o ganho de integração pode ser calculado com o tempo de espera em relação ao tempo de reação do filtro (radar CW) ou com a largura de banda (radar FMCW).

Aplicações de radar de onda contínua não modulado

Figura 5: TRAFFIPAX SpeedoPhot, um medidor de velocidade alemão (© 2000 ROBOT Visual Systems GmbH)

Figura 5: TRAFFIPAX SpeedoPhot, um medidor de velocidade alemão (© 2000 ROBOT Visual Systems GmbH)