Радиолокатор непрерывного излучения
содержит информация об
отражающем объекте
Рисунок 1. В радиолокационных методах непрерывного излучения частот используются раздельные антенны для передачи и приема. Их строят на двусторонней печатной плате
содержит информация об
отражающем объекте
Рисунок 1. В радиолокационных методах непрерывного излучения частот используются раздельные антенны для передачи и приема. Их строят на двусторонней печатной плате
Радиолокатор непрерывного излучения
Радиолокатор непрерывного излучения (Continuous Wave Radar, CW-Radar) излучает высокочастотный сигнал постоянно. Эхо-сигнал принимается и обрабатывается непрерывно. Для применения такого метода необходимо решить две проблемы:
- предотвратить непосредственное проникновение энергии передатчика в приемник (обратная связь);
- привязать принимаемые сигналы к системе времени, чтобы иметь возможность измерять время запаздывания.
Проникновение сигнала с выхода передатчика в приемник может быть предотвращено такими мерами:
- пространственное разнесение передающей и приемной антенн, например,
в системах самонаведения зенитных ракет, когда цель облучается мощным передатчиком,
а приемник расположен в ракете, движущейся по направлению к цели;
- частотное разнесение приемника и передатчика, например, на величину допплеровского сдвига частоты в системах измерения скорости
В измерителях скорости нет необходимости измерять время запаздывания, поскольку фактическая дальность до автомобиля-нарушителя не имеет особого значения. Если же необходима информация о дальности, то для измерения времени запаздывания может использоваться частотная модуляция или фазовая манипуляция излучаемого сигнала.
Радиолокатор непрерывного излучения с немодулированным сигналом обеспечивает только измерение скорости на основе эффекта Допплера. С помощью такого радиолокатора невозможно измерить дальность до цели и невозможно различить два или больше отражающих объектов.
Если принят эхо-сигнал, то изначально это говорит только о том, что на пути распространения электромагнитной волны находится какое-то препятствие. Информация о характеристиках такого препятствия может быть получена путем анализа определенных характеристик эхо-сигнала. Например, интенсивность эхо-сигнала зависит от размеров препятствия. Кроме этого, интенсивность эхо-сигнала зависит от того, близко или далеко от радиолокатора расположено препятствие. К сожалению, на основе этих свойств невозможно получить какие-либо результаты, поскольку интенсивность эхо-сигнала зависит от слишком многих факторов. С другой стороны, изменение частотного спектра является информативной характеристикой эхо-сигнала. В частности, гармоники излучаемой частоты могут возбуждаться при рассеянии сигнала поверхностями из определенных материалов. Эта особенность используется в так называемом «Нелинейный локатор», предназначенном для поиска людей под снежными завалами при помощи элементов одежды, выполненных из специальных материалов. Однако наиболее часто при построении радиолокаторов непрерывного излучения используются изменения спектра эхо-сигнала, вызванные эффектом Допплера.
Допплеровский радиолокатор
Сигнал радиолокатора непрерывного немодулированного излучения имеет постоянные частоту и амплитуду. Принятый эхо-сигнал может иметь ту же частоту или же его частота будет сдвинута на величину допплеровского смещения (если отражатель двигается с ненулевой радиальной скоростью). Специализированные радиолокаторы непрерывного излучения, предназначенные для измерения допплеровского смещения частоты, называются допплеровскими радиолокаторами.
В допплеровских радиолокаторах измерения скорости не выполняется измерение времени запаздывания, поскольку в них не измеряется дальность до рассеивателя. Если же необходимо выполнить такое измерение, то для установления связи во времени принятого эхо-сигнала и излученного сигнала применяют модуляцию последнего. Эта модуляция, а точнее, момент изменения того или иного параметра сигнала, может быть обнаружена в приемнике, что делает возможным измерение времени запаздывания. Применение модуляции приводит к возникновению радиолокаторов другого класса, в которых используются другие виды модуляции (например, частотная модуляция — FMCW-радиолокатор). Амплитудная модуляция при 100%-й модуляции приводит к импульсному радиолокатору. Радиолокатор, излучающий немодулированные колебания, способен измерять только скорость объекта благодаря эффекту Допплера. С его помощью невозможно измерять дальность до объекта и разрешать цели, находящиеся на одном направлении.
Рисунок 2. Разность фаз
Принцип действия
В радиолокаторе непрерывного излучения измеряется разность фаз φ между излученным и принятым сигналом. Очевидно, что эта разность численно будет равна набегу фазы, который приобретет излучаемый сигнал при распространении до цели, находящейся на расстоянии r, и обратно. Для синусоидального колебания величина разности фаз будет равна отношению пройденного волной расстояния к длине волны, умноженному на (2·π). Множитель (2·π) соответствует набегу фазы при прохождении волной расстояния, равного длине волны. Если расстояние до рассеивателя не меняется, то разность фаз остается постоянной и рассчитывается по формуле:
| φ = −2π | 2r | где | φ = разность фаз; r = расстояние между антенной и рассеивателем; λ = длина волны излучаемого сигнала. |
(1) |
| λ |
Множитель 2 при расстоянии r означает, что сигнал должен пройти это расстояние дважды (туда и обратно). Знак минус соответствует скачку фазы на 180º, возникающему при отражении. Прямое вычисление расстояния по этой разности фаз невозможно из-за неоднозначности полученного результата. Результат вычисления дальности до рассеивателя по разности фаз будет корректным, только если рассеиватель будет находиться на такой дальности, при которой разность фаз принимает значение от 0 до 360º(≙ φ<360°). Если дальность до рассеивателя будет большей, результат расчета будет неоднозначным.
Если дальность до рассеивателя меняется с некоторой, например, постоянной, скоростью относительно излучающей антенны, то разность фаз также меняется в функции времени:
| φ(t) = −4π | r(t) | (2) |
| λ |
Изменяющаяся во времени разность фаз между двумя синусоидальными сигналами с разными частотами, которая является постоянной в течение интервала измерения, имеет характер синусоиды. Частота этой синусоиды может быть измерена, она равна частоте Допплера. В большинстве случаев эта частота будет находиться в диапазоне низких (звуковых) частот. При постоянной частоте излучения эта допплеровская частота пропорциональна радиальной скорости рассеивателя.
высокой
частоты
низкой частоты
(аудио-процессора)
антенна
антенна
Рисунок 3. Структурная схема простого радиолокационного приемопередатчика, использующего прямое преобразование частоты
высокой
частоты
низкой частоты
(аудио-процессора)
антенна
антенна
Рисунок 3. Структурная схема простого радиолокационного приемопередатчика, использующего прямое преобразование частоты
генератор
мощности
нижних частот
высокой
частоты
низкой частоты
(аудио-процессора)
Рисунок 3. Структурная схема простого радиолокационного приемопередатчика, использующего прямое преобразование частоты (интерактивный рисунок)
Структурная схема радиолокатора непрерывного излучения
Радиолокатор непрерывного излучения, как правило, строится по одной из двух схем:
- с приемником прямого преобразования;
- с супергетеродинным приемником.
Схема с приемником прямого преобразования
Допплеровский радиолокатор измерения скорости очень прост. Вся схема передатчика и приемника может быть выполнена в виде интегрированного модуля с использованием полупроводниковых компонентов на подложке. Такой модуль обычно называют приемопередатчиком или трансивером (от английского transceiver = Передатчик + Приемник). В большинстве случаев такой модуль уже оснащен необходимыми антеннами. Обычно это патч-антенны, реализованные на двусторонних печатных платах, или рупорные излучатели (при большей полосе пропускания).
В приемнике прямого преобразования (другие названия: гетеродинный приемник, гомодинный приемник) эхо-сигнал не преобразуется на промежуточную частоту, а колебания высокой частоты, генерируемые передатчиком, также используются непосредственно для выделения разности фаз. Сигнал на выходе смесителя находится в полосе частот модулирующего колебания, то есть в нем отсутствует составляющая на несущей частоте. Применяемые обычно смесители для выделения разностной частоты требуют, чтобы мощность местного гетеродина была примерно 7 дБм. Поэтому мощность высокочастотного генератора устанавливают на уровне 10 дБм. Поскольку делитель мощности вносит в сигнал затухание минимум -3 дБ, то мощность на выходе модуля передатчика составляет не менее 6 дБм. Хотя выходной сигнал находится в полосе частот модулирующего колебания, его все еще часто обозначают «ПЧ» («промежуточная частота»). Однако допплеровская частота обычно находится в низкочастотном диапазоне. Если постоянная составляющая не блокируется развязывающими конденсаторами, используемыми в качестве фильтров высоких частот, то на выходе смесителя мощные отражения от неподвижных целей проявляются в виде постоянного напряжения. Обычно такая схема также применяется для подавления сигналов, возникающих вследствие перекрестных помех от передающей антенны в приемную.
Расчет максимально возможной радиальной скорости v,
которую можно измерить допплеровским радиолокатором
К-диапазона
(λ≈ 12 mm), используемым в качестве детектора движения.
Как быстро может двигаться отражатель, чтобы эхо-сигнал мог быть обработан стерео аудиопроцессором коммерческой аудиокарты
(fcut= 18 кГц = максимальная fD)?
В радиолокаторе частота Допплера рассчитывается в соответствии с формулой:
| fD = | 2·v | где | fD — частота Допплера [Гц] λ — длина волны передатчика [м]; v — радиальная скорость [м/с]. |
| λ |
Выразив из этой формулы радиальную скорость v и подставив исходные данные, получим:
| v = | λ · fD | = | 12 мм· 18 кГц | = 108 м/с ≈ 380 км/ч |
| 2 | 2 |
Таким образом, при такой конфигурации оборудования максимальная скорость, которая может быть измерена, составляет 380 км/ч, что охватывает большинство случаев, возникающих при использовании простого детектора движения.
Рисунок 4. Структурная схема допплеровского радиолокатора с супергетеродинным приемником
Рисунок 4. Структурная схема допплеровского радиолокатора с супергетеродинным приемником
Рисунок 4. Структурная схема допплеровского радиолокатора с супергетеродинным приемником (интерактивный рисунок)(интерактивный рисунок)
Схема с супергетеродинным приемником
При прямом смешении чувствительность приемника ограничена. Фликкер-шум смесителя добавляется в выходной сигнал, то есть на частоту Допплера накладывается случайно распределенный низкочастотный шум. Поэтому слабые сигналы, соответствующие низким частотам Допплера, часто не могут быть оценены.
В такой ситуации значительное улучшение чувствительности обеспечивается построением приемника по супергетеродинной схеме. Спектр эхо-сигнала сначала переносится в диапазон, который значительно выше частот фликкер-шума. Фликкер-шум первого смесителя не проходит через полосовой фильтр усилителя промежуточной частоты. Одновременно с этим эхо-сигнал усиливается примерно на 30 … 40 дБ. Только во втором смесителе сигнал переносится в основную полосу частот. Поскольку усиленный сигнал теперь намного мощнее, чем фликкер-шум второго смесителя, этот шум можно не учитывать.
В примере, приведенном на Рисунке 4, используется одна антенна для передачи и приема. Разделение приемника и передатчика выполняется циркулятором. Гетеродинная частота для супергетеродинного приемника генерируется путем преобразования с повышением на смесителе, после которого установлен узкополосный фильтр. Для оценки скорости рассеивателя используется счетчик частоты. Одновременно может отображаться информация только об одном объекте (как правило, это тот, отражение от которого имеет большую амплитуду). Если в поле зрения радиолокатора попадает множество движущихся отражателей, то перекрывающиеся допплеровские частоты могут быть выделены при помощи набора фильтров или одного перестраиваемого фильтра. Хотя существует возможность измерения таким образом нескольких допплеровских частот, не существует способа однозначно присвоить измеренные значения какому-то определенному объекту.
Описание блоков на блок-схеме:
Расчет дальности действия радиолокатора
В общем виде уравнение дальности радиолокации может быть использовано для расчета радиолокатора непрерывного излучения, поскольку оно не зависит от типа модуляции.
Следует, однако, иметь в виду, что множитель Lges может также учитывать эффект от когерентного накопления.
Физики отметили бы, что определяющим фактором для расчета дальности действия радиолокатора является излучаемая энергия, а не мощность передатчика, фигурирующая в формуле. Для случая импульсного радиолокатора этим фактом можно пренебречь, если предполагать, что длительности зондирующего и отраженного от цели сигналов равны.
Если же длительность демодулированного эхо-сигнала отличается от длительности излучаемого сигнала, то отношение этих длительностей должно учитываться в виде коэффициента, на который домножается выражение, находящееся под корнем четвертой степени.
В радиолокаторе с внутриимпульсной модуляцией этот коэффициент называют коэффициентом сжатия импульсов (Pulse Compression Ratio, PCR). Этот коэффициент зависит от ширины спектра излучаемого сигнала. Очевидно, что воспроизведение вида модуляции излучаемого сигнала случайным шумом маловероятно и, таким образом, фильтр сжатия импульсов обеспечивает обнаружение цели, эхо-сигнал которой намного меньше уровня шума.
Аналогичный расчет может быть выполнен и для радиолокатора непрерывного излучения. Здесь коэффициент накопления может быть рассчитан по времени облучения по отношению ко времени реакции фильтра (CW-радиолокатор) или по ширине спектра (FMCW-радиолокатор).
Применения радиолокаторов немодулированного непрерывного излучения
Рисунок 5. TRAFFIPAX SpeedoPhot, немецкий измеритель скорости (© 2000 ROBOT Visual Systems GmbH)
- Радиолокатор контроля движения (измеритель скорости)
- Измерители скорости являются специализированными CW-радиолокаторами, использующим эффект Допплера для измерений. Значение допплеровского сдвига частоты зависит от длины волны сигнала, поэтому в таких радиолокаторах используются очень высокие частоты. На Рисунке 5 показан измеритель скорости «Traffipax Speedophot» производства компании ROBOT Visual Systems GmbH. Рабочая частота этого радиолокатора 24,125 ГГц.
- Он обеспечивает измерение скорости входящего и исходящего потока с правой и с левой сторон улицы. Радиолокатор может устанавливаться в автомобиле или на штативе. Для фиксации нарушения может использоваться фотоаппарат с высоким разрешением.
- Допплеровский радиолокационный датчик движения
Простые и недорогие допплеровские радиолокационные датчики, выполненные, например, по схеме, показанной на Рисунке 2, могут применяться для включения сигналов тревоги или аварийных сигналов или просто в качестве устройства открывания дверей или включения освещения. - Мониторинг движения
Если в сигнале на выходе смесителя на Рисунке 2 сохраняется постоянная составляющая (то есть в схеме смесителя отсутствуют такие элементы как индуктивный трансформатор или конденсатор) и последующие усилители также не отфильтровывают постоянную составляющую, то такой радиолокатор непрерывного немодулированного излучения может использоваться для контроля расстояния до неподвижных целей с точностью порядка λ/16. При этом не выполняется измерения допплеровского сдвига частоты, а оценивается разность фаз между излучаемым и принятым сигналами. На пути от радиолокатора до отражателя и обратно укладывается определенное количество длин волн. Если длина этого пути изменяется даже незначительно, на доли миллиметра, то изменяется и разность фаз между сигналами. Измеренная дальность не будет однозначной, поскольку неизвестно, сколько полных длин волн необходимо добавить к значению, соответствующему измеренной разности фаз. Поэтому такой радиолокатор может использоваться для обнаружения факта изменения предыдущего значения расстояния до объекта.
- С помощью такого измерительного метода может выполняться бесконтактный мониторинг частоты сердечных сокращений и дыхательной активности у пациентов, находящихся в реанимации.
- Радиолокатор откалиброван по груди пациента и контролирует расстояние до нее с точностью до долей миллиметра. Изменение разности фаз между излученным и принятым сигналами отображается на осциллографе в функции времени. Сигнал с выхода радиолокатора поступает на компьютер, в котором обрабатываются данные об изменении разности фаз и рассчитывается частота сердечных сокращений. Если изменения разности фаз отсутствуют, выдается сигнал тревоги.
- Отсутствие присущей импульсным радиолокаторам минимальной дальности, ближе которой радиолокатор не обеспечивает измерения, позволяет использовать такую радиолокационную систему при построении радиолокационных взрывателей для ракет и артиллерийских снарядов. В этом случае амплитуда низкочастотного сигнала возрастает по мере приближения к цели, в то время как допплеровская частота резко уменьшается непосредственно перед пролетом у цели. Как только спектр сигнала входит в фильтр нижних частот, радиолокационный взрыватель инициирует боевую часть.