Радіолокатор неперервного випромінювання
містить інформацію про
відбиваючий об’єкт
Рисунок 1. В радіолокаційних методах неперервного випромінювання частот використовуються роздільні антени для випромінювання та приймання. Їх виконують на двосторонній друкованій платі
містить інформацію про
відбиваючий об’єкт
Рисунок 1. В радіолокаційних методах неперервного випромінювання частот використовуються роздільні антени для випромінювання та приймання. Їх виконують на двосторонній друкованій платі
Радіолокатор неперервного випромінювання
Радіолокатор неперервного випромінювання (Continuous Wave Radar, CW-Radar) випромінює високочастотний сигнал постійно. Сигнал відлуння приймається та обробляється неперервно. Для застосування такого методу необхідно вирішити дві проблеми:
- запобігти безпосередньому проникненню енергії передавача в приймач (зворотний зв’язок);
- прив’язати приймані сигнали до системи часу, щоби мати можливість вимірювати час запізнення.
Проникнення сигналу з виходу передавача в приймач можливо запобігти вжиттям таких заходів:
- просторове рознесення передавальної та приймальної антен, наприклад, в системах самонаведення зенітних ракет,
коли ціль опромінюється потужним передавачем, а приймач розташований в ракеті, що рухається у напрямку до цілі;
- частотне рознесення приймача та передавача, наприклад, на величину допплерівського зсуву частоти в системах вимірювання швидкості, призначених для контролю автомобільного руху.
У вимірювачах швидкості немає необхідності вимірювати час запізнення, оскільки фактична дальність до автомобіля-порушника не має особливого значення. Якщо інформація про дальність все ж необхідна, то для вимірювання часу запізнення може використовуватися частотна модуляція або фазова маніпуляція випромінюваного сигналу.
Радіолокатор неперервного випромінювання з немодульованим сигналом забезпечує вимірювання тільки швидкості на основі ефекту Допплера. За допомогою такого радіолокатора неможливо виміряти дальність до цілі та неможливо розрізнити два або більше відбиваючих об’єкти.
Якщо прийнято сигнал відлуння, то початково це говорить тільки про те, що на шляху розповсюдження електромагнітної хвилі знаходиться якась перешкода. Інформація про характеристики такої перешкоди може бути отримана шляхом аналізу певних характеристик сигналу відлуння. Наприклад, інтенсивність сигналу відлуння залежить від розмірів перешкоди. Крім цього, інтенсивність сигналу відлуння залежить від того, близько або далеко від радіолокатора розташована перешкода. Нажаль, на основі цих характеристик неможливо отримати які-небудь результати, оскільки інтенсивність сигналу відлуння залежить від багатьох факторів. З іншого боку, змінення частотного спектру є інформативною характеристикою сигналу відлуння. Зокрема, гармоніки частоти випромінення можуть збуджуватися при розсіюванні сигналу поверхнями з певних матеріалів. Ця особливість використовується в так званому «гармонічному радіолокаторі», призначеному для пошуку людей під сніговими заносами за допомогою елементів одягу, виконаних з спеціальних матеріалів. Однак найчастіше при побудові радіолокаторів неперервного випромінювання використовуються змінення спектру сигналу відлуння, спричинені ефектом Допплера.
Допплерівський радіолокатор
Сигнал радіолокатора неперервного немодульованого випромінювання має постійні частоту та амплітуду. Прийнятий сигнал відлуння може мати ту ж частоту або його частота може бути відрізнятися на величину допплерівського зсуву (якщо відбивач рухається з ненульовою радіальною швидкістю). Спеціалізовані радіолокатори неперервного випромінювання, призначені для вимірювання цього допплерівського зсуву частоти, називаються допплерівськими радіолокаторами.
В допплерівських радіолокаторах вимірювання швидкості не виконується вимірювання часу запізнення сигналу відлуння, оскільки в них не вимірюється дальність до розсіювача. Якщо ж необхідно виконати таке вимірювання, то для встановлення зв’язку в часі прийнятого сигналу відлуння та зондувального сигналу застосовують модуляцію останнього. Ця модуляція, а точніше, момент змінення того чи іншого параметра сигналу, може бути виявлена в приймачі, що робить можливим вимірювання часу запізнення. Застосування модуляції призводить до виникнення радіолокаторів іншого класу, в яких використовуються інші види модуляції (наприклад, частотна модуляція — FMCW-радіолокатор). Амплітудна модуляція у разі 100%-ої глибини модуляції відповідає імпульсному радіолокатору. Радіолокатор, що випромінює немодульовані коливання, здатен вимірювати тільки швидкість об’єкту завдяки ефекту Допплера. За його допомогою неможливо виміряти дальність до об’єкту та розділити цілі, що знаходяться на одному напрямку.
Рисунок 2. Різниця фаз
Принцип дії
В радіолокаторі неперервного випромінювання вимірюється різниця фаз φ між випромінюваним та прийнятим сигналами. Очевидно, що ця різниця чисельно буде дорівнювати набігу фази, якого набуває випромінюваний сигнал під час розповсюдження до цілі, що знаходиться на відстані r, та назад. Для синусоїдального коливання величина різниці фаз буде дорівнювати відношенню пройденої хвилею відстані до довжини хвилі, помноженому на (2·π). Множник (2·π) відповідає набігу фази за час проходження хвилею відстані, яка дорівнює довжині хвилі. Якщо відстань до розсіювача не змінюється, то різниця фаз лишається постійною та розраховується за формулою:
| φ = −2π | 2r | де | φ – різниця фаз; r – відстань між антеною та розсіювачем; λ – довжина хвилі випромінюваного сигналу. |
(1) |
| λ |
Множник 2 при відстані r означає, що сигнал має пройти цю відстань двічі (туди й назад). Знак мінус відповідає стрибку фази на 180º, який виникає під час відбиття. Пряме обчислення відстані до цілі по цій різниці фаз неможливе через неоднозначність отриманого результату. Результат обчислення дальності до розсіювача по різниці фаз буде коректним, тільки якщо розсіювач буде знаходитися на такій дальності, при якій різниця фаз приймає значення від 0 до 360º(≙ φ<360°). Якщо дальність до цілі буде більшою, результат розрахунку буде неоднозначним.
Якщо дальність до розсіювача змінюється з певною, наприклад, постійною, швидкістю відносно антени, яка випромінює, то різниця фаз також змінюється в функції часу:
| φ(t) = −4π | r(t) | (2) |
| λ |
Різниця фаз між двома синусоїдальними сигналами з різними частотами, які є постійними протягом інтервалу вимірювання, змінюється в часі в функції синусоїди. Частота цієї синусоїди може бути виміряна, вона дорівнює частоті Допплера. В більшості випадків ця частота буде знаходитися в діапазоні звукових частот. При постійній частоті випромінювання ця допплерівська частота пропорційна радіальній швидкості цілі.
генератор
високої
частоти
низької частоти
(аудіо-процесору)
антена
антена
Рисунок 3. Структурна схема простого радіолокаційного прийомопередавача, де використовується пряме перетворення частоти
генератор
високої
частоти
низької частоти
(аудіо-процесору)
антена
антена
Рисунок 3. Структурна схема простого радіолокаційного прийомопередавача, де використовується пряме перетворення частоти
генератор
потужності
нижніх частот
високої
частоти
низької частоти
(аудіо-процесору)
Рисунок 3. Структурна схема простого радіолокаційного прийомопередавача, де використовується пряме перетворення частоти (інтерактивний рисунок)
Структурна схема радіолокатора неперервного випромінювання
Радиолокатор непрерывного излучения, как правило, строится по одной из двух схем:
- с приемником прямого преобразования;
- с супергетеродинным приемником.
Схема з приймачем прямого перетворення
Допплерівський радіолокатор вимірювання швидкості за будовою дуже простий. Вся схема передавача та приймача може бути виконана у вигляді інтегрованого модуля з використанням напівпровідникових компонентів. Такий модуль зазвичай називають прийомопередавачем або трансівером (від англійського transiver = transmitter + receiver). У більшості випадків такий модуль вже оснащений необхідними антенами. Як правило, це патч-антени, реалізовані на двосторонніх друкованих платах, або рупорні випромінювачі (при великій смузі пропускання).
В приймачі прямого перетворення (інші назви: гетеродинний приймач, гомодінний приймач) сигнал відлуння не перетворюється на проміжну частоту, а коливання високої частоти, генеровані передавачем, також використовуються безпосередньо для виділення різниці фаз. Сигнал на виході змішувача знаходиться в смузі частот модулюючого коливання, тобто в ньому відсутня складова на несівній частоті. Змішувачі, які зазвичай використовуються для виділення різницевої частоти, потребують, щоби потужність місцевого гетеродину була приблизно 7 дБм. Тому потужність високочастотного генератора встановлюють на рівні 10 дБм. Оскільки подільник потужності вносить в сигнал затухання мінімум −3 дБ, то потужність на виході модуля передавача складає не менше 6 дБм. Хоча вихідний сигнал знаходиться в смузі частот модулюючого коливання, його все ж часто позначають «ПЧ» («проміжна частота»). Однак допплерівська частота зазвичай знаходиться у звуковому діапазоні. Якщо постійна складова не блокується розв’язуючими конденсаторами, які використовуються в якості фільтрів високих частот, то на виході змішувача потужні відбиття від нерухомих цілей проявляються у вигляді постійної напруги. Зазвичай така схема також застосовується для придушення сигналів, що виникають внаслідок перехресних перешкод від передавальної антени в приймальну.
Розрахунок максимально можливої радіальної швидкості v, вимірюваної допплерівським радіолокатором
К-діапазону
(λ≈ 12 mm), який використовується як детектор руху.
Як швидко може рухатися відбивач, щоби сигнал відлуння міг бути оброблений стерео аудіопроцесором комерційної аудіокарти
(fcut= 18 кГц = максимальна fD)?
В радіолокаторі частота Допплера розраховується за формулою:
| fD = | 2·v | де | fD – частота Допплера [Гц] λ – довжина хвилі передавача [м]; v – радіальна швидкість [м/с]. |
| λ |
Виразивши з цієї формули радіальну швидкість v та підставивши вихідні дані, отримаємо:
| v = | λ · fD | = | 12 мм· 18 кГц | = 108 м/с ≈ 380 км/ч |
| 2 | 2 |
Таким чином, при такій конфігурації обладнання максимальна швидкість, яка може бути виміряна, складає 380 км/год, що охоплює більшість випадків, що виникають при використанні простого детектора руху.
Рисунок 4. Структурна схема допплерівського радіолокатора із супергетеродинним приймачем
Рисунок 4. Структурна схема допплерівського радіолокатора із супергетеродинним приймачем
Рисунок 4. Структурна схема допплерівського радіолокатора із супергетеродинним приймачем (інтерактивний рисунок)
Схема з супергетеродинним приймачем
При прямому змішуванні чутливість приймача є обмеженою. Фліккер-шум змішувача додається у вихідний сигнал, тобто на частоту Допплера накладається випадково розподілений низькочастотний шум. Тому слабкі сигнали, що відповідають низьким частотам Допплера, часто не можуть бути оцінені.
В такій ситуації значне покращення чутливості забезпечується побудовою приймача за супергетеродинною схемою. Спектр сигналу відлуння спочатку переноситься в діапазон, який значно вище частот флікер-шуму. Флікер-шум першого змішувача не проходить через смуговий фільтр підсилювача проміжної частоти. Одночасно з цим сигнал відлуння підсилюється приблизно на 30 … 40 дБ. Тільки в другому змішувачі сигнал переноситься в основну смугу частот. Оскільки підсилений сигнал тепер набагато потужніше ніж флікер-шум другого змішувача, цей шум можливо не враховувати.
В прикладі, наведеному на Рисунку 4, використовується одна антена для випромінювання і для приймання. Розділення приймача та передавача виконується циркулятором. Гетеродинна частота для супергетеродинного приймача генерується шляхом перетворення з підвищенням на змішувачі, після якого встановлено вузькосмуговий фільтр. Для оцінювання швидкості цілі використовується лічильник частоти. Одночасно може відображатися інформація лише про один об’єкт (як правило, той, відбиття від якого має більшу амплітуду). Якщо в полі зору радіолокатора потрапляє багато рухомих відбивачів, то допплерівські частоти, що перекриваються, можуть бути виділені за допомогою набору фільтрів або одного фільтра, який переналаштовується. Хоча існує можливість вимірювання таким чином кількох допплерівських частот, немає способу однозначно присвоїти виміряні значення якомусь певному об’єкту.
Опис блоків на блок-схемі:
Розрахунок дальності дії радіолокатора
У загальному вигляді рівняння дальності радіолокації може бути використано для розрахунку радіолокатора неперервного випромінювання, оскільки воно не залежить від типу модуляції.
Слід, однак, мати на увазі, що множник Lges може також враховувати виграш за рахунок когерентного накопичення.
Фізики відмітили б, що визначним фактором для розрахунку дальності дії радіолокатора є випромінювана енергія, а не потужність передавача, що фігурує в формулі. Для випадку імпульсного радіолокатора цим фактом можливо знехтувати, якщо припустити, що тривалості зондувального та відбитого від цілі сигналів рівні.
Якщо ж тривалість демодульованого сигналу відлуння відрізняється від тривалості випромінюваного сигналу, то відношення цих тривалостей має враховуватися у вигляді коефіцієнту, на який множиться вираз, що знаходиться під коренем четвертої степені.
В радіолокаторі з внутришньоімпульсною модуляцією цей коефіцієнт називають коефіцієнтом стискання імпульсів (Pulse Compression Ratio, PCR). Цей коефіцієнт залежить від ширини спектру випромінюваного сигналу. Очевидно, що відтворення виду модуляції випромінюваного сигналу випадковим шумом малоймовірно і, таким чином, фільтр стискання імпульсів забезпечує виявлення цілі, сигнал відлуння якої набагато менше шуму.
Аналогічний розрахунок може бути виконаний і для радіолокатора неперервного випромінювання. Тут коефіцієнт накопичення може бути розрахований по часу запізнення по відношенню до часу реакції фільтру (CW-радіолокатор) або по ширині спектру (FMCW-радіолокатор).
Застосування радіолокаторів немодульованого неперервного випромінювання
Рисунок 5. TRAFFIPAX SpeedoPhot, німецький вимірювач швидкості (© 2000 ROBOT Visual Systems GmbH)
- Радіолокатор контролю руху (вимірювач швидкості)
- Вимірювачі швидкості є спеціалізованими CW-радіолокаторами, в яких використовується ефект Допплера для вимірювань. Значення допплерівського зсуву частоти залежить від довжини хвилі сигналу, тому в таких радіолокаторах використовуються дуже високі частоти. На Рисунку 4 показано вимірювач швидкості «Traffipax Speedophot» виробництва компанії ROBOT Visual Systems GmbH. Робоча частота цього радіолокатора 24,125 ГГц.
- Він забезпечує вимірювання швидкості вхідного та вихідного потоків з правого та з лівого боку вулиці. Радіолокатор може встановлюватися в автомобілі або на штативі. Для фіксації порушення може використовуватися фотоапарат з високою роздільною здатністю.
- Допплерівський радіолокаційний датчик руху
Прості та недорогі допплерівські радіолокаційні датчики, виконані, наприклад за схемою, показаною на Рисунку 2, можуть застосовуватися для увімкнення сигналів тривоги або аварійних сигналів або просто в якості пристрою відкривання дверей або увімкнення освітлення. - Моніторинг руху
Якщо в сигналі на виході змішувача на Рисунку 2 зберігається постійна складова (тобто в схемі змішувача відсутні такі елементи як індуктивний трансформатор або конденсатор) і подальші підсилювачі також не відфільтровують постійну складову, то такий радіолокатор неперервного немодульованого випромінювання може використовуватися для контроля відстані до нерухомих об’єктів з точністю порядку λ/16. При цьому не виконується вимірювання допплерівського зсуву частоти, а оцінюється різниця фаз між випромінюваним та прийнятим сигналами. На шляху від радіолокатора до відбивача та назад укладається певна кількість довжин хвилі. Якщо довжина цього шляху змінюється навіть незначно, на долі міліметру, то змінюється й різниця фаз між сигналами. Виміряна дальність не буде однозначною, оскільки невідомо, скільки повних довжин хвилі необхідно додати до значення, відповідного виміряній різниці фаз. Тому такий радіолокатор може використовуватися для виявлення факту змінення попереднього значення відстані до об’єкту.
- За допомогою такого методу вимірювань може виконуватися безконтактний моніторинг частоти серцевих скорочень та дихальної активності у пацієнтів, що знаходяться в реанімації.
- Радіолокатор відкалібрований по грудях пацієнта та контролює відстань до неї з точністю до часток міліметру. Змінення різниці фаз між випромінюваним та прийнятим сигналами відображається на осцилографі в функції часу. Сигнал з виходу радіолокатора поступає на комп’ютер, в якому обробляються дані про змінення різниці фаз та розраховується частота серцевих скорочень. Якщо змінення різниці фаз відсутні, видається сигнал тривоги.
- Відсутність притаманної імпульсним радіолокаторам мінімальної дальності, ближче за яку радіолокатор не забезпечує вимірювання, дає змогу використовувати таку радіолокаційну систему при побудові радіолокаційних підривників для ракет і артилерійських снарядів. В цьому випадку амплітуда низькочастотного сигналу зростає з наближенням до цілі, в той час як допплерівська частота різко зменшується безпосередньо перед прольотом у цілі. Як тільки спектр сигналу входить у смугу фільтру нижніх частот, радіолокаційний підривник ініціює бойову частину.