Основы радиолокации

Проект: Построй свой собственный радиолокатор

Принцип действия

Изначально должен быть построен радиолокатор непрерывного излучения (CW-радиолокатор), который уже обладает свойствами радиолокатора непрерывного излучения с частотной модуляцией (FMCW-радиолокатор). Поскольку радиолокатор излучает мощность непрерывно, а не импульсами, то он безопасен для человека. Мощность передатчика будет порядка миливатт, что на несколько порядков ниже допустимых значений. Конструкция такова, что после успешного тестирования функций CW и FMCW радиолокаторов возможно расширение функционала. Так, впоследствии возможно расширение до уровня импульсного радиолокатора с использованием внутриимпульсной модуляции (радиолокатор с ЛЧМ). Между этими двумя режимами возможно переключение при помощи сигнала управления.

Рисунок 2. Структурная схема радиолокатора с одной антенной и ферритовым циркулятором

Рисунок 2. Структурная схема радиолокатора с одной антенной и ферритовым циркулятором

Структурная схема

Как правило, используется передатчик, частота которого может изменяться при помощи управляющего напряжения. Для генерирования управляющего напряжения используется небольшой одноплатный компьютер Raspberry Pi, соединенный с цифроаналоговым преобразователем (DAC).

В качестве приемника используется недорогой USB-осциллограф. Поскольку такие осциллографы не обладают дастаточной чувствительнойстью, необходимо предусмотреть дополнительный предварительный усилитель. В рассматриваемом примере использована модель ELV-Versand Article-Nr. 68-09 93 35. Верхняя частота рабочей полосы частот этого осциллографа составляет 200 кГц, что является вполне приемлемым. Более дорогие (и намного) осциллографы имеют верхнюю частоту порядка нескольких мегагерц, а также программное обеспечение, реализующее быстрое преобразование Фурье (БПФ).

Сигнальный процессор реализуется на том же компьютере Raspberry Pi. Если же на генерирование управляющего напряжения уходят все его вычислительные ресурсы, то выполнение основных задач системы (в нашем случае, оценка и отображение эхо-сигналов) должно быть обеспечено дополнительными мерами. Например, может быть использован еще один компьютер Raspberry Pi.

Антенна

Антенна — это элемент, на который можно потратить значительную часть общей суммы. Если используется только одна антенна (как в схеме, показанной на Рисунке 2), то вам будет необходим ферритовый циркулятор. В Интернете цена на него колеблется от 200 до 600 евро, плюс достаточно высокие затраты на доставку. Качественное отличие разных образцов заключается в разной величине развязки между передающим и приемным трактами. Как правило, значение этой развязки составляет от 16 до 23 дБ. Две раздельные антенны можно приобрести значительно дешевле, можно даже изготовить их самостоятельно. Поскольку используется диапазон Wi-Fi, можно использовать любые подходящие антенны Wi-Fi.

Если используется зеркальная антенная система, то для реализации раздельных передающей и приемной антенн потребуется два параболических отражателя (например, как показано здесь). В противном случае придется использовать вариант с ферритовым циркулятором, поскольку в фокусе параболического отражателя можно поместить только один облучатель. Такие компоненты как ферритовый циркулятор и рупорный облучатель сравнительно дороги. Однако при необходимости рупорную антенны, используемую в качестве облучателя, можно изготовить самостоятельно.

Рисунок 3. Структурная схема передатчика для варианта радиолокатора без ферритового циркулятора и с одной антенной

Рисунок 3. Структурная схема передатчика для варианта радиолокатора без ферритового циркулятора и с одной антенной

Передатчик

Наиболее важным элементом передатчика является генератор, управляемый напряжением (VCO), который обеспечивает качание частоты в требуемом диапазоне. Лучше, если рабочее напряжение будет иметь значение в диапазоне 5 Вольт, что даст возможность ограничить количество необходимых напряжений. В качестве такого элемента может быть использована модель ZX95-2490+, которая доступна на Mini-Circuits по разумной цене около 45 евро. Однако будьте осторожны! Этот генератор нельзя подключать к питающему напряжению без нагрузки, иначе он будет немедленно и безвозвратно потерян.

На Рисунке 1 показан вид опытного образца, несколько отличающегося от структурной схемы, изображенной на Рисунке 2. Усилитель высокой частоты здесь имеет очень высокий коэффициент усиления. Поэтому к выходу VCO подключается аттенюатор -9 дБ (дополнительная защита). На входном гнезде гетеродина понижения частоты приемника сумма всех ослаблений и усилений должна быть на уровне около 7 дБм. Не забывайте учитывать ослабление на соединениях!

На Рисунке 3 зеленым прямоугольником объединены элементы, для которых должна быть разработана отдельная печатная плата. Это простой пассивный цифроаналоговый преобразователь (DAC) с резисторной матрицей R/2R. В простейшем случае он использует цифровые выходы (GPIO) компьютера Raspberry Pi. Импульсы синхронизации не требуются. Для формирования пилообразного импульса компьютер должен только увеличивать двоичный код на выходе. Треугольный импульс также может быть получен без проблем. В зависимости от того, используется 8 бит или 12 бит, формируемый импульс будет более или менее ступенчатым. Частотный диапазон имеет 256 либо 4096 дискретных значений частот. При ширине полосы частот 250 МГц размер дискреты составляет соответственно 1 МГц или 62 кГц. Если длительность пилообразного импульса равна около 1 мс, то тактовая частота компьютера Raspberry Pi должна быть около 4 МГц.

Последующий операционный усилитель (OPV) формирует управляющее напряжение из напряжения уровня логики. Это дает возможность полностью использовать располагаемый диапазон частот генератора, управляемого напряжением. Генератор мог бы работать и без этого усилителя, но в таком случае значительная часть частотного диапазона оставалась бы незадействованной.

Конечно, здесь может быть использован и обычный аналоговый генератор пилообразного напряжения. Однако, тогда радиолокатор не может быть доработан для работы в других режимах (например, в импульсном).

Приемник

До сих пор мы рассматривали в качестве приемника небольшой USB-осциллограф. Модель, упомянутая в расчете, чрезвычайно проста и может обрабатывать аналоговые сигналы до частоты 200 кГц. На самом деле эта частота слишком мала и поэтому данный вариант используется для тестирования функционирования радиолокатора на начальном этапе. Впоследствии его следует заменить на более мощную модель.

При неизменном управляющем напряжении схема, показанная на Рисунке 2, фукнционирует в режиме непрерывного излучения. В этом случае может быть определена только допплеровская частота эхо-сигнала. Расстояние до цели не может быть измерено. Можно рассчитать ожидаемые значения допплеровской частоты для рассматриваемого диапазона — около 320 Гц для цели, движущейся со скоростью 30 км/ч.

Если используемый USB-осциллограф не обладает функцией анализатора спектра, то эхо-сигнал обнаружить достаточно трудно. На экране осциллографа отображаются синусоидальные колебания, несинхронно перемещающиеся по экрану. Они бывают похожи на пульсации и могут быть легко спутаны с ними. Однако если при перемещении металлического объекта перед антенной эта пульсация изменяется по амплитуде и частоте, то радиолокатор работает.

Расчет стоимости

В таблице ниже преведен перечень необходимых компонентов, а также их приблизительная стоимость.

(В данном расчете не учтен полноценный компьютер, поскольку, как правило, он уже имеется у разработчика.)

Этот расчет был сделан примерно в 2018 году. Помимо того, что цены редко меняются в сторону уменьшения, следует отмептить, что, к сожалению, некоторые узлы Mini-Circuit уже не производятся.