Radar z falą ciągłą

thumb|Radar dopplerowski (policyjny) jako przykład zastosowania radaru CW do pomiaru prędkości. Radar z falą ciągłą (, ) – typ radaru, w którym nadajnik emituje sygnał elektromagnetyczny w sposób ciągły, a tor odbiorczy pracuje równolegle (jednoczesny odbiór echa), co wymaga rozdzielenia toru nadawczego i odbiorczego oraz ograniczania przecieku sygnału nadawanego do odbiornika. W praktyce uzyskanie wymaganej izolacji nadajnik–odbiornik (TX→RX) bywa realizowane m.in. przez zastosowanie oddzielnych anten nadawczej i odbiorczej, ponieważ duży przeciek może obniżać czułość i zakres dynamiki toru odbiorczego lub prowadzić do nasycania elementów odbiornika. W najprostszym wariancie (niezmodulowanym) radar CW wykorzystuje efekt Dopplera do wykrywania celów ruchomych i pomiaru prędkości radialnej, natomiast pomiar odległości wymaga „oznaczenia” sygnału w osi czasu przez modulację (np. okresową modulację częstotliwości lub fazy).

Zasada działania thumb|Rozebrany cyrkulator ferrytowy (3-portowy element mikrofalowy), stosowany m.in. do separacji toru nadawczego i odbiorczego w układach monostatycznych. W radarach CW sygnał echa jest obecny w odbiorniku w tym samym czasie co sygnał nadawany, dlatego kluczowe jest ograniczanie składowej bezpośredniego sprzężenia nadajnik–odbiornik (przecieku). W układach monostatycznych do współdzielenia anteny przez tor nadawczy i odbiorczy stosuje się m.in. cyrkulator (pełniący rolę ), jednak ograniczona izolacja cyrkulatora oraz odbicia od anteny mogą powodować duży przeciek sygnału TX do RX, co obniża czułość i zakres dynamiki toru odbiorczego lub prowadzi do jego nasycania. Jedną z metod poprawy izolacji jest zastosowanie oddzielnych anten nadawczej i odbiorczej, a w literaturze opisywano także rozwiązania układowe służące aktywnemu tłumieniu przecieku (np. topologie zbalansowane).

W najprostszej postaci (bez modulacji) radar z falą ciągłą wykorzystuje efekt Dopplera do pomiaru prędkości radialnej celu na podstawie przesunięcia częstotliwości echa; w takim wariancie nie wyznacza bezpośrednio odległości, ponieważ sygnał nie jest „oznaczony” w czasie. Dla ruchu wzdłuż linii widzenia zależność częstotliwości Dopplera od prędkości można zapisać:

Wyznaczanie odległości w radarach z falą ciągłą realizuje się przez nałożenie na nośną modulacji (np. częstotliwości lub fazy), co pozwala zakodować informację o opóźnieniu propagacyjnym sygnału i estymować zasięg.

Odmiany i modulacje Niezmodulowany radar CW Niezmodulowany radar CW (często opisywany jako radar dopplerowski) emituje ciągłą falę o stałej częstotliwości; informacja użyteczna jest pozyskiwana z przesunięcia dopplerowskiego, co umożliwia pomiar prędkości radialnej celów ruchomych, natomiast jednoznaczny pomiar odległości nie jest realizowany bez dodatkowego „oznaczenia” sygnału w czasie przez modulację. Ten wariant jest stosowany m.in. w radarach nastawionych na pomiar prędkości, takich jak policyjne radary prędkości czy radary do pomiaru prędkości wylotowej pocisków artyleryjskich.

Radar FMCW thumb|Zasada jednoczesnego pomiaru odległości i prędkości radialnej w radarze FMCW. Radar FMCW ( ) – fala ciągła jest modulowana częstotliwościowo (np. liniowym lub trójkątnym przebiegiem przemiatania częstotliwości). Odległość jest wyznaczana na podstawie różnicy częstotliwości (tzw. beat frequency) po mieszaniu sygnału odebranego z sygnałem odniesienia, a estymacja zasięgu jest realizowana m.in. metodami widmowymi (np. FFT). Wskazywaną cechą tej architektury jest to, że po przetwarzaniu typu dechirp informacja o zasięgu ma postać częstotliwości w paśmie IF, co może upraszczać cyfryzację i przetwarzanie w porównaniu z bezpośrednim próbkowaniem szerokopasmowego sygnału RF. Echo wracające po czasie jest heterodynowane z kopią sygnału nadawanego, co daje sygnał o częstotliwości dudnienia zależnej od opóźnienia, a tym samym od odległości celu; dla przykładowej modulacji trójkątnej zależność można zapisać: Rozdzielczość odległości w radarze FMCW zależy m.in. od efektywnej szerokości pasma przemiatania; w literaturze spotyka się zależność dla transmitowanego pasma . Ruch celu powoduje nałożenie składowej Dopplera na częstotliwość dudnienia, co – bez odpowiedniego przetwarzania – może prowadzić do błędu pomiaru odległości (sprzężenie zasięg–Doppler).

Radar PMCW Radar PMCW ( ) – nośna RF jest modulowana fazowo sekwencją (np. binarną), a estymacja opóźnienia (a więc zasięgu) jest realizowana przez korelację sygnału odebranego z kodem odniesienia (np. w filtrze dopasowanym). W badaniach dotyczących zastosowań motoryzacyjnych wskazywano m.in. brak sprzężenia zasięg–Doppler, lepszą odporność na interferencje oraz większą maksymalną prędkość niejednoznaczną jako cechy PMCW w porównaniu z FMCW. Jednocześnie zwracano uwagę na wyższe wymagania dotyczące toru odbiorczego i ADC (koszt i pobór mocy) wynikające z potrzeby próbkowania sygnału o dużej szerokości pasma bez redukcji pasma przez dechirp.

Radar SFCW Radar SFCW ( ) – fala ciągła jest nadawana kolejno na dyskretnych częstotliwościach (krokach); sygnał po zmieszaniu jest próbkowany dla kolejnych kroków, a profil odległości bywa wyznaczany przez transformację z dziedziny częstotliwości do dziedziny czasu/przestrzeni (np. ). Wskazywaną cechą SFCW jest wysoki współczynnik wypełnienia (do 100%), sprzyjający uzyskaniu wysokiego SNR, przy jednoczesnym ograniczeniu użyteczności dla szybko zmieniających się celów (wymóg quasi-stacjonarności w czasie przemiatania).

Porównanie z radarami impulsowymi W radarze impulsowym energia jest emitowana w postaci impulsów rozdzielonych przerwami bez nadawania; zasięg wyznacza się przez pomiar czasu przelotu impulsu do celu i z powrotem, a przerwy między impulsami umożliwiają odbiór echa bez jednoczesnego obciążenia toru odbiorczego sygnałem nadawanym. W praktyce nadajniki radarów impulsowych muszą generować impulsy o krótkim czasie trwania i odpowiednio dużej energii (wysoka moc szczytowa).

W radarach CW energia jest rozłożona w czasie (ciągłe oświetlenie celu), a w ujęciu energetycznym w literaturze podkreślano, że moc szczytowa w radarze CW jest równa mocy średniej, podczas gdy radar impulsowy wymaga wysokiej mocy szczytowej do uzyskania odpowiedniej mocy średniej w czasie obserwacji. Równoczesna praca nadajnika i odbiornika powoduje jednak, że sprzężenie nadajnik–odbiornik i przeciek stają się dominującym problemem architektury CW, a skuteczność izolacji wpływa na wymagania dotyczące toru odbiorczego (np. zakresu dynamiki).

Zastosowania thumb|Przykładowe moduły czujników CW i FMCW pracujące w paśmie 24 GHz. Niezmodulowane radary CW są stosowane tam, gdzie kluczowy jest pomiar prędkości radialnej na podstawie przesunięcia dopplerowskiego, m.in. w policyjnych radarach prędkości i radarach do pomiaru prędkości wylotowej pocisków. Modulacja częstotliwości w radarach CW jest wykorzystywana m.in. w wysokościomierzach radiowych w nawigacji lotniczej. Radary FMCW i PMCW są stosowane m.in. w radarach samochodowych (systemy wspomagania kierowcy), gdzie FMCW jest rozwiązaniem szeroko rozpowszechnionym, a PMCW jest rozwijany jako alternatywa o odmiennych własnościach przetwarzania i odporności na interferencje.

Zalety i ograniczenia Zalety Ciągła emisja umożliwia rozłożenie energii w czasie; w literaturze wskazywano, że w radarze CW moc szczytowa jest równa mocy średniej (w przeciwieństwie do radarów impulsowych wymagających wysokiej mocy szczytowej). W radarach FMCW transmitowany sygnał ma stałą obwiednię, co upraszcza wymagania wobec wzmacniacza mocy nadajnika. W radarach FMCW po mieszaniu (dechirp) informacja o zasięgu jest przeniesiona do pasma IF, co może ograniczać wymagane pasmo analogowe i częstotliwość próbkowania ADC w porównaniu z podejściami wymagającymi bezpośredniej cyfryzacji szerokopasmowego sygnału RF. W radarach PMCW wskazywano m.in. brak sprzężenia zasięg–Doppler oraz większą odporność na interferencje (m.in. dzięki kodowaniu i korelacji) w porównaniu z FMCW.

Ograniczenia Jednoczesna praca torów TX i RX wymaga wysokiej izolacji TX→RX; przeciek może obniżać czułość, nasycać elementy odbiornika i redukować zakres dynamiki. W monostatycznych radarach FMCW przeciek i odbicia (np. w pobliżu anten, w duplekserze, na osłonach) mogą tworzyć bardzo silny sygnał w najbliższych komórkach zasięgu; szum fazowy oscylatora lokalnego wokół piku przecieku może podnosić poziom szumów i ograniczać dynamikę oraz czułość detekcji (zwłaszcza dla celów bliskich). Niezmodulowany radar CW (Doppler) nie wyznacza jednoznacznie odległości, ponieważ pomiar zasięgu wymaga „oznaczenia” sygnału w czasie przez modulację. Dla FMCW opisywano m.in. sprzężenie zasięg–Doppler oraz niższą odporność na interferencje w porównaniu z PMCW. W PMCW wymagane są szybkie i precyzyjne przetworniki ADC, co zwiększa złożoność i koszt toru odbiorczego (w literaturze rozważano m.in. architektury mieszane ADC jako kompromis). W radarach FMCW z MIMO opartym na ograniczeniu ulega maksymalna niejednoznaczna prędkość wraz ze wzrostem liczby torów nadawczych.

Zobacz też Radar dopplerowski Efekt Dopplera Radar impulsowy Modulacja częstotliwości Modulacja fazy

Przypisy

Kategoria:Radary