http___radartutorial.de_02.basics_S_C3_BCrekli-Dalga_20Radar_C4_B1.tr.html_1.xml
1.1 2.1 3.1 4.1 4.2 5.1 6.1 7.1 7.2 8.1 9.1 9.2 9.3 10.1 11.1 12.1 13.1 14.1 15.1 16.1 17.1 17.2 18.1 18.2 19.1 19.2 19.3 19.4 19.5 19.6 19.7 19.8 19.9 19.10 20.1 21.1 21.2 21.3 22.1 22.2 22.3 22.4 22.5 22.6 22.7 22.8 23.1 24.1 25.1 26.1 27.1 28.1 28.2 28.3 28.4 28.5 29.1 29.2 29.3 29.4 29.5 29.6 29.7 29.8 29.9 30.1 30.2 30.3 31.1 32.1 33.1 34.1 35.1 36.1 37.1 37.2 37.3 38.1 38.2 38.3 38.4 38.5 38.6 39.1 39.2 39.3 39.4 39.5 39.6 39.7 39.8 40.1 41.1 42.1 43.1 44.1 44.2 44.3 44.4 44.5 45.1 45.2 45.3 46.1 47.1 48.1 49.1 49.2 49.3 49.4 50.1 50.2 51.1 51.2 51.3 51.4 51.5
Continuous Wave Radar contains information about the reflecting object Figure 1: The continuous wave radar method often uses separate transmit and receive antennas. These are constructed on a double-sided printed circuit board. contains information about the reflecting object Figure 1: The continuous wave radar method often uses separate transmit and receive antennas. These are constructed on a double-sided printed circuit board. Continuous Wave Radar CW radar sets transmit a high-frequency signal continuously. The echo signal is received and processed permanently. One has to resolve two problems with this principle: - prevent a direct connection of the transmitted energy into the receiver (feedback connection), - assign the received echoes to a time system to be able to do run time measurements. A direct connection of the transmitted energy into the receiver can be prevented by: - spatial separation of the transmitting antenna and the receiving antenna, e.g. the aim is illuminated by a strong transmitter and the receiver is located in the missile flying direction towards the aim; - frequency dependent separation by the Doppler-frequency during the measurement of speeds. A run time measurement isn't necessary for speed gauges, the actual range of the delinquent car doesn't have a consequence. If you need range information, then the time measurement can be realized by a frequency modulation or phase keying of the transmitted power. A CW-radar transmitting a unmodulated power can measure the speed only by using the Doppler- effect. It cannot measure a range and it cannot differ between two or more reflecting objects. When an echo signal is received, then that is the proof that there is an obstacle in the propagation direction of the electromagnetic waves. Specific properties of the obstacle can be concluded on properties of the received echo signal. For example, the echo signal is dependent in its strength of how big is the obstacle. In addition, the strength of the echo signal is an indication whether this obstacle is far away or is close to the radar. (Unfortunately, in this context, a measurement result of the distance is not possible, since the strength of the echo signal depends on many factors.) A change in the frequency spectrum, however, is a more secure characteristic for specific properties. Thus, in the reflection at certain materials may occur even harmonics of the carrier frequency. This is specifically exploited in a so-called “harmonic radar”. Based on these materials, which are incorporated, for example, in protective clothing or shoes, spilled persons can be found in snow avalanches. The most widely used spectral change however, is caused by the Doppler effect. Doppler Radar An unmodulated continuous wave radar transmits a constant frequency with constant amplitude. The received echo signal has either also exactly this frequency, or the echo signal is reflected on a moving with a radial velocity of reflector and is then shifted by the amount of Doppler frequency. CW radar devices that are dedicated to the processing of these Doppler frequency, referred to Doppler radar. A runtime measurement is not required for a speed measurement using a Doppler radar because no distance determination is made. When a runtime measurement is required then it can be made by modulating the transmit signal to get a time reference of the received echoes. This modulation, i.e. the time of the change of the transmit signal in frequency or amplitude may be registered after the runtime in the receiver. Thus, a time measurement is possible. By such a modulation, however, arise other radar classes that use completely different measuring principles (for example, by frequency modulation, CW radar changes to FMCW Radar). Amplitude modulation is likewise conceivable, and would lead to a pulse radar with a modulation depth of 100%. CW-radar which radiates a non-modulated oscillation can only detect the velocity of an object using the Doppler effect. It can not determine distances or distinguish different aims. Amplifier (Audio Processor) Figure 2: Block diagram of a simple radar transceiver using direct downconversion Block diagram of CW radar Direct conversion receiver The structure of a Doppler radar for velocity measurements is very simple. The whole circuit of transmitter and receiver can be made with semiconductor devices on a substrate as an integrated component. This device is usually called transceiver, a portmanteau of the words Transmitter and Receiver. In many cases, this transceiver is already provided with the needed antennae. Mostly these antennas are on a double sided printed circuit board realized patch antennas, or (for larger bandwidths) small horn antennas. In a direct conversion receiver (or referred to homodyne receiver), the echo signal is not converted to an intermediate frequency, but the high frequency generated in the transmitter is also used directly for downconversion. The output of the mixer stage is then located in the baseband, and is therefore free from any carrier frequency. In order to downconvert the echo signal, the used mixers require a local oscillator power of about 7 dBm usually. Thus here the power of the RF generator is set of 10 dBm. Since the power divider has a minimum attenuation of -3 dB, the transmission power of at least 6 dBm is given for the entire module then. Though the output signal is now at baseband, the output is often still referred to as the “IF”, which suggests an intermediate frequency. The Doppler frequency is but mostly in the audible range. Strong fixed target echoes appear at this output as a DC voltage, when this DC voltage is not blocked by, for example, coupling capacitors as a high pass. Usually such circuitry action is carried out also for the prevention of cross-talk from the transmitting antenna to the receiving antenna. The maximum possible radial velocity v shall be calculated for a Doppler radar in K–Band, (λ≈ 12 mm) used as motion detector. How quickly may be moved a reflector in order to process the echo signal with a stereo audio processor a commercial sound card? (fcut= 18 kHz = maximum fD) In radar, the Doppler frequency is calculated according to: This equation converted after v and entered the given values: With this configuration, a maximum of 380 km/h can be measured, which includes most use cases for a simple motion detector. Figure 3: Block diagram of a Doppler radar with heterodyne receiver Figure 3: Block diagram of a Doppler radar with heterodyne receiver (interactive picture) Superheterodyne By direct mixing, the sensitivity is limited. Thus, the flicker noise of the mixer is given along with the output signal, ie, the Doppler frequency is superimposed with a random distribution of low-frequency noise. Very weak signals and low Doppler frequencies cannot be evaluated so often. A significant improvement in sensitivity may provide at this point a superheterodyne receiver. The echo signals are converted first in a region which is well above the flicker noise. This flicker noise of the first mixer stage can not pass through the bandpass filter of the intermediate frequency amplifier. Simultaneously, the echo signal is amplified by about 30…40 dB. Only in the second mixer, the echo signal is converted into the baseband. Since the amplified echo signal is now much larger than the flicker noise of the second mixing stage, this noise of the second mixer can be ignored. In this example, only a single antenna for transmission and reception is used. The separation of the transmission energy of the received energy is performed with a circulator. The local oscillator frequency for the superheterodyne receiver is generated here by an upward mixing followed by narrow-band filter. As an evaluation of the velocity, a counter is used herein. So that only a single reflective object may be displayed. (Which is usually the one with the highest amplitude.) If the radar observes a plurality of moving reflectors, then the overlapping Doppler frequencies need to be selected by a bank of filters, or a tunable filter. Nevertheless, several Doppler frequencies are possible to be measured, there is no way to attribute the simultaneously measured values to a particular object without any doubt. Description of the modules in the block diagram Applications of unmodulated continuous wave radar Figure 4: TRAFFIPAX SpeedoPhot, a German speed gauge (© 2000 ROBOT Visual Systems GmbH) - Traffic control radar (Speed gauges) - Speed gauges are very specialized CW-radars. A speed gauge uses the Doppler- frequency for measurement of the speed. Since the value of the Doppler- frequency depends on the wavelength, these radar sets use a very high frequency band. The figure shows the speed gauge „Traffipax Speedophot” produced by ROBOT Visual Systems GmbH. This radar uses a frequency of 24.125 gigahertz. - It can measure the speed of the incoming and the outgoing traffic, from the right or left border of the street. The radar can be mounted in a car or on a tripod. The traffic offence can be circumstantiated by a photo camera with high resolution. - Doppler radar motion sensor Simple and inexpensive Doppler radar sensors with a circuitry as shown in Figure 2 can trigger switching functions such as alarms or simply be used as a door opener or switch for lighting. - Motion monitoring If the output of the mixer stage is DC coupled in Figure 2 (ie: in the mixing stage no inductive transformer or coupling capacitors are used) and the subsequent amplifiers are also all DC coupled, then this non-modulated continuous wave radar can monitors also distances to fixed targets with an accuracy in the order of about λ/16. Here no Doppler frequency is measured, it is compared the phase angle between the transmitted signal and the received signal. The way from the radar to the reflector and the way back is a multiple of the used wavelength. If this distance changes only by fractions of a millimeter, then the phase angle between the two signals also changes. - The measuring range is ambiguous: how many full wavelengths must be additionally added to the measured fraction, this can not be determined. The radar can monitor only a changing to a previous value. - By this measurement method, for example, a non-contact monitoring of heart rate and respiratory activity of intensive care patients can be performed. The radar is aligned on the chest of the patient and monitors the distance to an accuracy of fractions of a millimeter. The changes of the phase angle between the transmitted signal and the received signal is displayed on an oscilloscope as a function of time. A connected to the radar computer counts the periodic changes, and outputs the heart rate of the patient numerically. If no more changes are registered, an alarm is triggered.
1.1 2.1 3.1 4.1 5.1 6.1 7.1 8.1 9.1 10.1 11.1 12.1 13.1 14.1 15.1 16.1 17.1 18.1 19.1 20.1 21.1 22.1 23.1 24.1 25.1 26.1 27.1 28.1 29.1 30.1 31.1 32.1 33.1 34.1 35.1 36.1 37.1 38.1 39.1 40.1 41.1 42.1 43.1 44.1 45.1 46.1 47.1 48.1 49.1 50.1 51.1 52.1 53.1 54.1 55.1 56.1
Sürekli-Dalga Radarı (CW-Radar) yansıtıcı nesne hakkında bilgileri içerir Resim 1: Sürekli dalga radarı tekniğinde genellikle ayrı ayrı gönderici- ve alıcı anten kullanılır, bu antenler çift yüzlü baskılı devre üzerine yerleştirilmiştir. yansıtıcı nesne hakkında bilgileri içerir Resim 1: Sürekli dalga radarı tekniğinde genellikle ayrı ayrı gönderici- ve alıcı anten kullanılır, bu antenler çift yüzlü baskılı devre üzerine yerleştirilmiştir. Sürekli-Dalga Radarı (CW-Radar) Sürekli-dalga radarları [CW Radar, Continuous Wave radar] yüksek frekanslı bir sinyali sürekli yayınlarlar. Yansıma sinyali de aynı şekilde sürekli alınır ve işlenir. Burada iki temel problemden bahsetmemiz gerekir: - Göndericinin yolladığı sinyallerin alıcı tarafından bir geri besleme gibi kapılmasının (coupling) önlenmesi. - Alınan yansıma sinyallerinin geçen zaman sürelerinin hesaplanması için bir zaman ölçme sistemine yönlendirilmesi. İlk maddede bahsettiğimiz, gönderilen sinyallerin alıcı tarafından doğrudan kapılmasının önüne geçmek için: - Gönderici anteni ile alıcı antenin farklı yerlere tesisi; örneğin uçak yerden güçlü bir sinyalle ışınır, hedeften yansıyan sinyaller vurucu füzenin üzerinde bulunan alıcıya ulaşır ve füze uçağı vurmak üzere hedefe kitlenir. - Hız ölçümlerinde Doppler frekansı tekniğinin kullanıldığı frekansa dayalı ayırım. Bir yankı sinyalinin alınması elektromanyetik dalgaların yayıldığı o yönde bir engelin bulunduğu gösterir. Yankı sinyalinin özelliklerinden hareketle hedefin özellikleri hakkında bir fikir yürütülebilinir. Örneğinin yankı sinyalinin kuvveti hedefin büyüklüğüne bağlıdır. Yine yankı sinyalinin büyüklüğü hedefin radarın ne kadar yakınında ya da uzağında bulunduğunun bir ölçütüdür. (Ne yazık ki yankı sinyalinin büyüklüğünden yola çıkılarak bir ölçüm sonucuna ulaşılamaz, çünkü yankı sinyallerinin büyüklüğü birçok faktöre bağlıdır.) Buna karşın frekans çizgesinde bir değişiklik hedefin bazı özellikleri için daha güvenilir olmaktadır. Bazı malzemelerden gelen yankılarda gönderim frekansının harmonikleri de bulunabilmektedir. Yansıyan sinyallerde harmonik oluşumuna yol açan bu malzemeler özellikle çığ tehlikesi bulunan bölgelerde karın altında kalan insanların “harmonik radar” ile bulunabilmesi için koruyucu elbise ve ayakkabılarında kullanılmaktadır. En çok izgesel değişim Doppler frekans ile olmaktadır. Doppler radar Bir modüle edilmemiş sürekli dalga radarı sabit genlikli sabit frekanslı sinyaller yollar. Yansıyarak dönen sinyalin frekansı ya tam olarak gönderim frekansı kadardır ya da hareket eden yansıtıcı nesnenin radyal hızına bağlı olarak bir Doppler frekansı kadar kayar. Bu Doppler frekans tekniği ile çalışmak üzere özel imal edilmiş bu SD-radarlarına Doppler radarı denir. Bir Doppler radarında hızın ölçümü için bir süre ölçümü kesinlikle gerekli değildir ve bu nedenle menzil tayini de yapılmaz. Eğer bir süre ölçümü yapılacaksa gönderim sinyali yansıyan sinyalden bir zaman referansı elde etmek üzere modüle edilir. Bu modülasyon, yani gönderim sinyalinin frekansında ya da genliğindeki değişim anı işleyiş süresi sonunda alıcıda kaydedilebilir ve ancak böylece bir zaman ölçümü yapılabilir. Bununla beraber bu tür bir modülasyon bütünüyle farklı ölçme prensiplerinin kullanıldığı diğer radar türlerinde (örneğin FMSD-radarı) görülür. Benzeri şekilde bir genlik modülasyonu düşünülebilir ve bu da modülasyon derinliği %100 ü bulan bir darbe radarı demektir. Modüle edilmemiş dalgalar yayan bir radar bir nesnenin hızını ancak Doppler etkisi ile algılayabilir. Bu yöntemle bir hedefin menzilinin tayini ve iki farklı hedefin birbirinden ayırt edilebilmesi mümkün değildir. Filtre amplifikatör Amplifikatör (Ses işlemci) Resim 2: Frekans bandını doğrudan düşüren bir basit radar alıcı-vericisi (etkileşimli resim) Filtre amplifikatör Amplifikatör (Ses işlemci) Resim 2: Frekans bandını doğrudan düşüren bir basit radar alıcı-vericisi (etkileşimli resim) (Etkileşimli resim) SD-radarı blok şeması Doğrudan karıştırıcı alıcı Hız ölçümlerinde kullanılan Doppler radarın yapısı çok basittir. Yarı iletkenlerden oluşan alıcı ve gönderici devrelerinin tamamı bir tümleşik modülde toplanmıştır. Bu modüle genellikle alıcı-verici (transceiver) denilir. Çoğu kez bu alıcı-verici modülü anteniyle birliktedir. Bu antenler genellikle çift yüzlü baskılı devrelerde yama anten gibi gerçekleştirilir veya (daha büyük bant genişliklerinde) boynuz ışıyıcıdır. Doğrudan karıştırıcı alıcılarda (homodiner alıcı olarakta adlandırılır) yankı sinyali bir ara frekansa indirilmez, daha ziyade göndericide üretilen yüksek frekans doğrudan aşağı indirme işleminde kullanılır. Çıkış frekansı temel banttadır ve dolayısıyla herhangi bir taşıyıcı frekanstan da bağımsızdır. Kullanılan karıştırıcı yankı sinyalinin frekansını aşağı indirmek için genellikle 7 dBm gibi bir yerel osilatör gücüne ihtiyaç duyar. Bu nedenle burada YF- frekans üretecinin gücü 10 dBm ye sabitlenmiştir. Güç bölücünün zayıflatma oranı en az –3 dB olduğundan tüm modülün gönderim gücü en az 6 dBm dir. Çıkış sinyalinin sadece temel bantta olmasına rağmen bu çıkış sıkça ara frekansı çağrıştıran „IF“ (Intermediate Frequency) olarakta adlandırılır. Doppler frekans genellikle ses bandı bölgesinde bulunur. Örneğin, eğer yüksek frekansları geçiren DC kondansatörleri ile bloke edilmemişse kuvvetli yerden yansıma parazitleri bu çıkış sinyalinde DC bileşen olarak yer alır. Genellikle bu tür bir devre gönderici antenden alıcı antenine sinyal bulaşmasını (cross-talk) önlemek için kullanılır. Bir hareket algılayıcısı olarak kullanılan K–bandı (λ≈ 12 mm) Doppler radarında hesaplanabilen en büyük v radyal hız değeri bu radarda kullanılan piyasada satılan ses kartının (fsınır= 18 kHz) Doppler frekansı bandına bağlıdır. Radarda Doppler frekansı aşağıdaki formülle hesaplanır: Formül v için yeniden düzenlenir ve verilen değerler girilirse: Bu duruma göre ölçülebilecek en büyük radyal hız 380 km/saat dir ve bu değer çoğu uygulamalar için yeterli olmaktadır. Resim 3: Bir sürekli-dalga radarının blok şeması Resim 3: Bir sürekli-dalga radarının blok şeması (Etkileşimli resim) Süperheterodin alıcı Doğrudan karıştırma tekniğinde hassasiyet kısıtlıdır. Bu nedenle karıştırma katının kırpışma gürültüsü (flicker noise) çıkış sinyali ile birliktedir, yani Doppler sinyali bir rasgele dağılmış düşük frekanslı gürültü bileşenleri ile binişmiştir. Bunun bir sonucu olarak çok küçük ve zayıf Doppler frekansları genellikle değerlendirilemez. Bu noktada hassasiyetin iyileştirilmesinde süperheterodin alıcı mükemmel bir çözümdür. Bir bölgede yankı sinyalleri kırpışma gürültüsünün çok daha üzerinde dönüştürülür. Ara frekans yükseltecinin bant süzgeci bu kırpışma gürültülerini geçirmez. Yankı sinyalinin frekansı eşzamanlı 30...40 dB gibi yükseltilir. Yankı sinyali ilk defa ikinci karıştırıcıda temel banda indirilir. Yankı sinyalinin ikinci karıştırıcı katın kırpışma gürültüsünden hayli büyük olması nedeniyle artık bu gürültü ihmal edilebilir. Bu örnekte sinyalin gönderilmesinde ve alımında aynı anten kullanılmaktadır. Gönderilen ve alınan enerji bir sirkülatör vasıtasıyla ayrıştırılır. Burada süperheterodin alıcının yerel osilatörü bir sonraki dar bantlı süzgeci takiben yukarı doğru karıştırılır. Değerlendirme için burada bir sayıcı kullanılır. Böylece ekranda sadece bir yansıtıcı nesne görüntülenir (genellikle en büyük genlikli olanı). Eğer hareket eden yansıtıcı nesneler birden daha fazla sayıda ise birbiri ile binişen Doppler frekanslar bir süzgeç grubu ya da ayarlanabilir seçici süzgeç ile seçilir. Buna rağmen eğer her iki Doppler frekansını da ölçmek gerekiyorsa ölçülen değerin hangi hedefe ait olduğunu bilmek mümkün olmaz. Blok diyagramında modüllerin açıklaması Modüle edilmemiş Doppler radar uygulamaları Resim 4: TRAFFIPAX SpeedoPhot (© 2000 ROBOT Visual Systems GmbH) - Trafik Gözetim Radarı - Hız ölçüm aygıtları çok özel bir sürekli-dalga radarıdır. Hız ölçüm aygıtı, hızı Doppler frekansını kullanarak ölçer. Doppler frekans değeri dalga boyuna bağlı olduğundan, bu radarlar çok yüksek frekanstaki K- bandında çalışırlar. Resimde ROBOT Visual Systems GmbH firmasınca geliştirilen „Traffipax Speedophot” model bir hız ölçme aygıtı görülmektedir. Bu radar 24,125 GHz frekansında çalışmaktadır. - Bu aygıt, yolun sol veya sağ kenarından ve gelen ya da giden yönde trafikte seyreden araçların hızını ölçebilir. Bu radar bir aracın içine ya da üçayaklı bir sehpaya monte edilebilir. Sistemde ayrıca kural ihlallerini belgeleyebilmek için bir de yüksek çözünürlüklü kamera bulunmaktadır. - Hareket algılayıcısı Devresi Resim.2 de verilen basit ve ucuz Doppler radar algılayıcıları alarm vermekte ya da kapı açma veya kapamada, aydınlatma devresini açma gibi basit uygulamalarda kullanılabilir. - Hareket gözlemleme Eğer Resim.2 deki karıştırıcı katın çıkışı DC bloke edilmişse (yani karıştırıcı katında endüktif transformatör ya da kuplaj kondansatörü kullanılmamışsa) keza takip eden yükselteç katların tamamı DC bloke edilebilir, böylece bu modüle edilmemiş sürekli dalga radarıyla sabit hedeflerin uzaklıklarını yaklaşık λ /16 gibi bir hassasiyetle gözlemleyebilir. Burada hiçbir Doppler frekans ölçülemez, sadece gönderilen sinyal ile alınan sinyal arasındaki faz farkı karşılaştırılabilir. Radardan yansıtıcı nesneye ve tekrardan radara olan yol kullanılan dalga boyunun katlarıdır. Eğer bu mesafe milimetrenin bir kesri (fraction) mertebesinde değişirse her iki sinyal arasındaki faz farkı da keza değişir. - Ölçüm bölgesi çok net değildir: Daha kaç adet tam dalga boyunun ölçülen bu kesre eklenmesi gerektiği belli değildir. Radar ancak bir önceki değere göre değişikliği gözlemleyebilir. - Bu ölçüm yöntemleri yoğun bakımdaki hastaların kalp atışlarını ve nefes alıp verişlerini gözlemlemekte de kullanılabilir. Radar hastanın göğüs kafesine doğru yönlendirilir ve böylece hareket milimetrenin kesrine kadar bir hassasiyetle izlenebilir. Gönderilen ve alınan sinyaller arasında faz farkı değişimi zamanın bir fonksiyonu olarak bir osiloskopta görüntülenebilir. Bir bilgisayara bağlantı yapılarak hastadaki periyodik değişimler sayılır ve hastanın kalp atışı sayısal görüntülenebilir. Eğer bir değişiklik olmuyorsa alarm verilir.