Radar de onda contínua
contém informações sobre
o objeto refletido
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.
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o objeto refletido
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:
- impedir uma conexão direta da energia transmitida ao receptor (conexão de realimentação),
- atribua os ecos recebidos a um sistema de tempo para poder fazer medições de tempo de execução.
Uma conexão direta da energia transmitida ao receptor pode ser evitada por:
- a separação espacial da antena transmissora e da antena receptora, exemplo o alvo é iluminado por um transmissor forte e o receptor está localizado no míssil voando diretamente em direção ao objetivo;
- separação dependente da frequência pela frequência Doppler durante a medição das velocidades.
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
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.
passa-banda
misturador
Amplifier
(Processador de áudio)
transmissão
Figura 3: Diagrama de blocos de um transceptor de radar simples usando conversão direta descendente
passa-banda
misturador
Amplifier
(Processador de áudio)
transmissão
Figura 3: Diagrama de blocos de um transceptor de radar simples usando conversão direta descendente
passa-banda
misturador
Amplifier
(Processador de áudio)
transmissão
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 |
| 2 | 2 |
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.
Figura 4: Diagrama de blocos de um radar Doppler com receptor heteródino
Figura 4: Diagrama de blocos de um radar Doppler com receptor heteródino
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.
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.
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)
- Radar de controle de tráfego (medidores de velocidade)
- Os medidores de velocidade são radares CW muito especializados. Um medidor de velocidade usa a frequência Doppler para medir a velocidade. Como o valor da frequência Doppler depende do comprimento de onda, esses conjuntos de radar usam uma banda de frequência muito alta. A figura mostra o medidor de velocidade „Traffipax Speedophot” produzido pela ROBOT Visual Systems GmbH. Este radar usa uma frequência de 24,125 gigahertz.
- Ele pode medir a velocidade do tráfego de entrada e saída, a partir da borda direita ou esquerda da rua. O radar pode ser montado em um carro ou em um tripé. A infração de trânsito pode ser comprovada por uma câmera fotográfica de alta resolução.
- Sensor de movimento por radar Doppler
Sensores de radar Doppler simples e baratos com circuitos, como mostrado na Figura 2, podem acionar funções de comutação como alarmes ou simplesmente ser usados como abridores de portas ou interruptores para iluminação. - Monitoramento de movimento
Se a saída do estágio do misturador estiver acoplada em DC na Figura 2 (ou seja: na etapa de mistura, nenhum transformador indutivo ou capacitor de acoplamento for usado) e os amplificadores subseqüentes também forem todos acoplados em DC, esse radar de onda contínua não modulado também pode monitorar distâncias para alvos fixos com precisão na ordem de λ/16. Aqui nenhuma frequência Doppler é medida, é comparado o ângulo de fase entre o sinal transmitido e o sinal recebido. O caminho do radar para o refletor e o caminho de volta são múltiplos do comprimento de onda usado. Se essa distância mudar apenas por frações de milímetro, o ângulo de fase entre os dois sinais também mudará..
- A faixa de medição é ambígua: quantos comprimentos de onda completos devem ser adicionados adicionalmente à fração medida, isso não pode ser determinado. O radar pode monitorar apenas a alteração para um valor anterior.
- Por esse método de medição, por exemplo, é possível realizar o monitoramento sem contato da frequência cardíaca e da atividade respiratória de pacientes em terapia intensiva. O radar está alinhado no peito do paciente e monitora a distância com precisão de frações de milímetro. As alterações do ângulo de fase entre o sinal transmitido e o sinal recebido são exibidas em um osciloscópio em função do tempo. Um conectado ao computador do radar conta as alterações periódicas e gera a freqüência cardíaca do paciente numericamente. Se não houver mais alterações registradas, um alarme será acionado.
- A ausência da faixa mínima de medição típica para o radar de pulso torna possível usar esse projeto de sistema de radar como um fusível de proximidade por rádio para mísseis e projéteis de artilharia. A amplitude do sinal sonoro aumenta com a aproximação do alvo, enquanto a frequência Doppler diminui pouco antes de passar. Uma vez alcançada a banda passante ou passa-baixa de um filtro, o fusível de proximidade do radar aciona a ogiva.