Основи радіолокації

Проект: Побудуй свій власний радіолокатор

Принцип дії

Спочатку має бути побудований радіолокатор неперервного випромінення (CW-радіолокатор), який вже має властивості радіолокатора неперервного випромінення з частотною модуляцією (FMCW-радіолокатор). Оскільки радіолокатор випромінює потужність неперервно, а не імпульсами, то він є безпечним для людини. Потужність передавача буде порядку міліват, що на декілька порядків нижче допустимих значень. Конструкція така, що після успішного тестування функцій CW- та FMCW- радіолокаторів можливе розширення функціоналу. Так, в подальшому можливе розширення до рівня імпульсного радіолокатора з використанням внутрішньоімпульсної модуляції (радіолокатор з ЛЧМ). Між цими двома режимами можливе перемикання за допомогою сигналу керування.

Рисунок 2. Структурна схема радіолокатора з однією антеною та феритовим циркулятором

Рисунок 2. Структурна схема радіолокатора з однією антеною та феритовим циркулятором

Структурна схема

Як правило, використовується передавач, частота якого може змінюватися за допомогою керуючої напруги. Для генерування керуючої напруги використовується невеликий одноплатний комп’ютер Raspberry Pi, з’єднаний з цифро-аналоговим перетворювачем (DAC).

В якості приймача використовується недорогий USB-осцилограф. Оскільки такі осцилографи не мають достатньої чутливості, необхідно передбачити додатковий попередній підсилювач. В прикладі, що розглядається, використана модель ELV-Versand Article-Nr. 68-09 93 35. Верхня частота робочої смуги частот цього осцилографа складає 200 кГц, що є цілком прийнятним. Більш дорогі (і набагато) осцилографи мають верхню частоту порядку кількох мегагерц, а також програмне забезпечення, яке реалізує швидке перетворення Фур’є (ШПФ).

Сигнальний процесор реалізується на тому ж комп’ютері Raspberry Pi. Якщо ж на генерування керуючої напруги витрачаються всі його обчислювальні ресурси, то виконання основних завдань системи (в нашому випадку, оцінювання та відображення сигналів відлуння) має бути забезпечено додатковими заходами. Наприклад, може бути використаний ще один комп’ютер Raspberry Pi.

Антена

Антена — це елемент, на який можливо витратити значну частину загальної суми. Якщо використовується тільки одна антена (як в схемі, показаній на Рисунку 2), то вам буде необхідний феритовий циркулятор. В Інтернеті ціна на нього коливається від 200 до 600 євро, плюс достатньо високі витрати на доставку. Якісна відмінність різних зразків полягає в різній величині розв’язки між передавальним та приймальним трактами. Як правило, значення цієї розв’язки складає від 16 до 23 дБ. Дві роздільні антени можливо придбати значно дешевше, можливо навіть виготовити їх самостійно. Оскільки використовується діапазон Wi-Fi, можливо використовувати будь-які відповідні антени Wi-Fi./p>

Якщо використовується дзеркальна антенна система, то для реалізації роздільних передавальної та приймальної антен будуть потрібні два параболічних рефлектори (наприклад, як показано тут). В іншому випадку доведеться використовувати варіант з феритовим циркулятором, оскільки в фокусі параболічного рефлектора можливо помістити лише один опромінювач. Такі компоненти як феритовий циркулятор та рупорний опромінювач є порівняно дорогими. Однак за необхідності рупорну антену, використовувану в якості опромінювача, можливо виготовити самостійно.

Рисунок 3. Структурна схема передавача для варіанту радіолокатора без феритового циркулятора та з двома антенами

Рисунок 3. Структурна схема передавача для варіанту радіолокатора без феритового циркулятора та з двома антенами

Передавач

Найбільш важливим елементом передавача є генератор, керований напругою (VCO), який забезпечує хитання частоти в потрібному діапазоні. Краще, якщо робоча напруга буде мати значення в діапазоні 5 Вольт, що дасть можливість обмежити кількість необхідних значень напруги живлення. У якості такого елементу може бути використана модель ZX95-2490+, яка доступна на Mini-Circuits за поміркованою ціною близько 45 євро. Однак будьте обережні! Цей генератор не можна підключати до напруги живлення без навантаження, інакше він буде негайно і безповоротно втрачений.

На Рисунку 1 показано вигляд дослідного зразка, який дещо відрізняється від структурної схеми, зображеної на Рисунку 2. Підсилювач високої частоти тут має дуже високий коефіцієнт підсилення. Тому до виходу VCO підключається атенюатор -9 дБ (додатковий захист). На вхідному гнізді гетеродину пониження частоти приймача сума всіх ослаблень та підсилень має бути на рівні близько 7 дБм. Не забувайте враховувати ослаблення на з’єднаннях!

На Рисунку 3 зеленим прямокутником об’єднані елементи, для яких має бути розроблена окрема друкована плата. Це простий пасивний цифро-аналоговий перетворювач (DAC) з резисторною матрицею R/2R. В найпростішому випадку він використовує цифрові виходи (GPIO) комп’ютера Raspberry Pi. Імпульси синхронізації не потрібні. Для формування пилкоподібного імпульсу комп’ютер має лише збільшувати двійковий код на виході. Трикутний імпульс також може бути отримано без проблем. Залежно від того, використовується 8 біт або 12 біт, формований імпульс буде більше або менше ступінчастим. Частотний діапазон має 256 або 4096 дискретних значення частоти. При ширині смуги частот 250 МГц розмір дискрети складає відповідно 1 МГц або 62 кГц. Якщо тривалість пилкоподібного імпульсу дорівнює близько 1 мс, то тактова частота комп’ютера Raspberry Pi має бути близько 4 МГц.

Подальший операційний підсилювач (OPV) формує керуючу напругу з напруг рівня логіки. Це дає можливість повністю використовувати наявний діапазон частот генератора, керованого напругою. Генератор міг би працювати й без цього підсилювача, але в такому випадку значна частина частотного діапазону залишалась би незадіяною.

Звісно, тут може бути використаний і звичайний аналоговий генератор пилкоподібної напруги. Однак, тоді радіолокатор не може бути доопрацьований для роботи в інших режимах (наприклад, в імпульсному).

Приймач

До цих пір ми розглядали в якості приймача невеликий USB-осцилограф. Модель, згадана в розрахунку, досить проста і може обробляти аналогові сигнали до частоти 200 кГц. Насправді ця частота занадто мала і тому даний варіант використовується для тестування функціонування радіолокатора на початковому етапі. В подальшому його слід замінить на більш потужну модель.

У разі незмінної керуючої напруги схема, показана на Рисунку 2, функціонує в режимі неперервного випромінювання. В цьому випадку може бути визначена тільки допплерівська частота сигналу відлуння. Відстань до цілі не може бути виміряно. Можливо розрахувати очікувані значення допплерівської частоти для діапазону, що розглядається — близько 320 Гц для цілі, яка рухається зі швидкістю 30 км/год.

Якщо використовуваний USB-осцилограф не має функції аналізатору спектру, то сигнал відлуння виявити достатньо важко. На екрані осцилографа відображаються синусоїдальні коливання, що несинхронно переміщуються по екрану. Вони бувають схожі на пульсації та можуть бути легко сплутані з ними. Однак якщо при переміщенні металевого об’єкту перед антеною ця пульсація змінюється за амплітудою та частотою, то радіолокатор працює.

Розрахунок вартості

В таблице нижче наведений перелік необхідних компонентів, а також їхня приблизна вартість.

(В даному розрахунку не врахований повноцінний комп’ютер, оскільки, як правило, він вже є у розробника)

Цей розрахунок був зроблений приблизно у 2018 році. Крім того, що ціни рідко змінюються в бік зменшення, слід зазначити, що, на жаль, деякі з вузлів Mini-Circuit більше не виробляються.