Introdução ao princípio do radar de onda contínua modulada em frequência (FMCW)

O radar de pulso e o radar de onda contínua modulada em frequência (FMCW) são duas classificações de radar. A seguir, uma análise técnica do princípio de funcionamento do radar de onda contínua modulada em frequência (FMCW). 1. Classificação de radares O radar é dividido em radar de pulso e radar de onda contínua de acordo com o tipo de sinal transmitido. O radar de pulso convencional transmite pulsos periódicos de alta frequência, enquanto o radar de onda contínua transmite sinais de onda contínua. O princípio de funcionamento do radar Doppler de pulso pode ser descrito da seguinte forma: Quando o radar transmite uma onda de pulso de frequência fixa para varrer o ar, se encontrar um alvo em movimento, a frequência do eco e a frequência da onda transmitida apresentam uma diferença de frequência, chamada de frequência Doppler. De acordo com a magnitude da frequência Doppler, a velocidade de movimento radial relativa do alvo em relação ao radar pode ser medida; de acordo com a diferença de tempo entre o pulso transmitido e o recebido, a distância do alvo pode ser medida. Ao mesmo tempo, a linha do espectro de frequência Doppler do alvo é detectada pelo método de filtragem de frequência, e a linha do espectro da interferência é filtrada, permitindo que o radar distinga o sinal do alvo da forte interferência. Portanto, o radar Doppler de pulso possui maior capacidade anti-interferência do que o radar comum e pode detectar alvos móveis ocultos no fundo. O sinal transmitido pelo radar de onda contínua pode ser de onda contínua de frequência única (CW) ou de onda contínua modulada em frequência (FMCW). Entre eles, o radar de onda contínua de frequência única só pode ser usado para medição de velocidade, mas não para medição de distância, enquanto o radar FMCW pode medir tanto distância quanto velocidade, e suas vantagens em medições de curto alcance estão se tornando cada vez mais evidentes. 2. Radar de onda contínua modulada em frequência O sinal transmitido pode ser de onda contínua de frequência única (CW) ou de onda contínua modulada em frequência (FMCW), e existem muitos tipos de métodos de modulação de frequência, como onda triangular, onda dente de serra, modulação por código ou modulação de frequência por ruído. Entre eles, o radar de onda contínua de frequência única só pode ser usado para medição de velocidade, mas não para medição de distância, enquanto o radar FMCW pode medir tanto distância quanto velocidade, e suas vantagens em medições de curto alcance estão se tornando cada vez mais evidentes. 3. Princípio de funcionamento O radar FMCW transmite uma onda contínua cuja frequência varia durante o período de varredura de frequência. O eco refletido pelo objeto apresenta uma certa diferença de frequência em relação ao sinal transmitido. A informação de distância entre o alvo e o radar pode ser obtida medindo-se essa diferença de frequência. A frequência do sinal é relativamente baixa, geralmente em kHz, portanto o processamento de hardware é relativamente simples, adequado para aquisição de dados e processamento digital de sinais. 4. Vantagens e desvantagens do FMCW Ao transmitir e receber simultaneamente, o radar FMCW, em teoria, não apresenta o ponto cego de alcance presente no radar de pulso, e a potência média do sinal transmitido é igual à potência de pico, necessitando apenas de dispositivos de baixa potência, o que reduz a probabilidade de interceptação e interferência. O radar FMCW apresenta vantagens como fácil implementação, estrutura relativamente simples, tamanho reduzido, leveza e baixo custo, sendo amplamente utilizado em aplicações civis e militares. A desvantagem reside no alcance curto, na dificuldade de acoplamento Doppler à distância e no isolamento entre transceptores. 5. Diagrama de blocos do radar FMCW. Se o radar de onda contínua FM for composto por um transceptor e uma unidade de controle com um microprocessador, e se o transceptor utilizar uma única antena para transmissão e recepção simultâneas, o radar FMCW necessitará de um circulador de ferrite para separar os sinais de transmissão e recepção, o que requer maior isolamento. Naturalmente, se for utilizada uma antena de patch com transceptores separados, o custo será relativamente menor. O sinal de alta frequência é gerado por um oscilador controlado por tensão (VCO), parte do qual é amplificada por um divisor de potência e enviada à antena transmissora, enquanto a outra parte é acoplada ao misturador, misturada com o eco recebido e filtrada passa-baixa para obtenção da banda base. O sinal de diferença de frequência é enviado ao microprocessador para processamento após a conversão analógico-digital. 6. Princípio da medição de alcance/velocidade por radar FMCW O princípio da medição de alcance/velocidade por radar é brevemente apresentado tomando como exemplo uma onda contínua modulada em frequência (FMCW) triangular. Como mostrado na figura abaixo, a cor vermelha representa a frequência do sinal transmitido, a cor verde representa a frequência do sinal recebido, o período de varredura de frequência é T e a largura de banda de varredura de frequência é B. O sinal transmitido atravessa o alvo e o sinal de eco apresenta um atraso. Na variação de frequência do triângulo, as medições de distância podem ser feitas tanto na borda de subida quanto na borda de descida. Se não houver efeito Doppler, a diferença de frequência durante a borda de subida é igual à medição durante a borda de descida. Para um alvo em movimento, a diferença de frequência durante a borda de subida/descida é diferente, e podemos medir a distância e a velocidade através dessas duas diferenças de frequência. O sinal de batimento é enviado ao processador de sinal digital após filtragem passa-baixa e amplificação para completar a FFT e a detecção do sinal de batimento. Os dados do alvo são então calculados e enviados ao terminal de controle e exibição. O radar de onda contínua modulada em frequência triangular utiliza inclinações moduladas em frequência positivas e negativas para eliminar o acoplamento entre distância e velocidade, estimando assim a velocidade do alvo.