Введение в принцип работы радара с частотной модуляцией непрерывной волны (FMCW).

Импульсные радары и радары с частотной модуляцией непрерывной волны (FMCW) — это две классификации радаров. Ниже приведён технический анализ принципа работы радара с частотной модуляцией непрерывной волны (FMCW). 1. Классификация радаров. Радары делятся на импульсные и радары непрерывной волны в зависимости от типа передаваемого сигнала. Обычные импульсные радары передают периодические высокочастотные импульсы, а радары непрерывной волны — сигналы непрерывной волны. Принцип работы импульсного доплеровского радара можно описать следующим образом: когда радар передает импульсную волну фиксированной частоты для сканирования воздуха, и сталкивается с движущейся целью, возникает разница частот между эхом и частотой переданной волны, которая называется доплеровской частотой. По величине доплеровской частоты можно измерить относительную радиальную скорость движения цели относительно радара; по разнице во времени между переданным импульсом и принятым импульсом можно измерить расстояние до цели. В то же время, с помощью метода частотной фильтрации регистрируется спектральная линия доплеровского сигнала цели, а спектральная линия помех отфильтровывается, что позволяет радару отличать сигнал цели от сильных помех. Таким образом, импульсно-доплеровский радар обладает большей помехоустойчивостью, чем обычный радар, и может обнаруживать движущиеся цели, скрытые на фоне. Сигнал, передаваемый радаром непрерывного действия, может быть одночастотным непрерывным сигналом (CW) или частотно-модулированным непрерывным сигналом (FMCW). Среди них одночастотный радар непрерывного действия может использоваться только для измерения скорости, но не может измерять расстояние, в то время как радар FMCW может измерять как расстояние, так и скорость, и его преимущества в измерениях на малых расстояниях становятся все более очевидными. 2. Радар непрерывного действия с частотной модуляцией. Передаваемый сигнал может быть одночастотным непрерывным сигналом (CW) или частотно-модулированным непрерывным сигналом (FMCW), и существует множество методов частотной модуляции, таких как треугольная волна, пилообразная волна, кодовая модуляция или шумовая частотная модуляция. Среди них одночастотный радар непрерывного излучения может использоваться только для измерения скорости, но не может измерять расстояние, в то время как радар с частотной модуляцией (FMCW) может измерять как расстояние, так и скорость, и его преимущества в измерениях на малых расстояниях становятся все более очевидными. 3. Принцип работы. Радар FMCW излучает непрерывную волну, частота которой изменяется в течение периода частотной развертки. Эхо, отраженное от объекта, имеет определенную разницу частот с передаваемым сигналом. Информация о расстоянии между целью и радаром может быть получена путем измерения разницы частот. Частота частотного сигнала относительно низкая, обычно кГц, поэтому аппаратная обработка относительно проста, подходит для сбора данных и цифровой обработки сигналов. 4. Преимущества и недостатки FMCW. При передаче и приеме сигнала радаром FMCW теоретически отсутствует слепая зона, которая существует у импульсных радаров, а средняя мощность передаваемого сигнала равна пиковой мощности, поэтому требуются только маломощные устройства, что снижает вероятность перехвата и помех. Радар с частотной модуляцией непрерывного излучения (FMCW) обладает преимуществами простоты реализации, относительно простой конструкции, малых размеров, малого веса и низкой стоимости, и широко используется в гражданской и военной сферах. Недостатком является малая дальность действия, сложность доплеровской связи и изоляции приемопередатчика. 5. Блок-схема радара FMCW. Если радар с частотной модуляцией непрерывного излучения состоит из приемопередатчика и блока управления с микропроцессором, и если приемопередатчик использует одну антенну для одновременной передачи и приема, то для разделения сигналов передачи и приема требуется ферритовый циркулятор, что требует более высокой изоляции. Конечно, если используется патч-антенна с отдельными приемопередатчиками, стоимость будет относительно ниже. Высокочастотный сигнал генерируется управляемым напряжением генератором (VCO), часть которого дополнительно усиливается делителем мощности и подается на передающую антенну, а другая часть поступает в смеситель, смешивается с принятым эхо-сигналом и фильтруется низкочастотным фильтром для получения основной полосы частот. Разностный частотный сигнал после аналого-цифрового преобразования передается в микропроцессор для обработки. 6. Принцип измерения дальности/скорости с помощью FMCW-радара. Принцип измерения дальности/скорости с помощью радара кратко представлен на примере треугольной волновой частотно-модулированной непрерывной волны. Как показано на рисунке ниже, красным цветом обозначена частота передаваемого сигнала, зеленым — частота принимаемого сигнала, период частотной развертки — T, а ширина полосы частотной развертки — B. Передаваемый сигнал проходит через цель, и эхо-сигнал будет иметь задержку. При изменении частоты треугольника можно производить измерения расстояния как на восходящем, так и на нисходящем фронтах. Если отсутствует доплеровская частота, разность частот во время восходящего фронта равна измерению во время нисходящего фронта. Для движущейся цели разность частот во время восходящего и нисходящего фронтов различна, и мы можем измерить расстояние и скорость по этим двум разностям частот. Сигнал биений после низкочастотной фильтрации и усиления передается в цифровой сигнальный процессор для выполнения БПФ и обнаружения сигнала биений, после чего вычисляются данные о цели и передаются на дисплей и управляющий терминал для отображения. Радар с треугольной частотной модуляцией непрерывного излучения использует положительные и отрицательные частотные модуляционные склоны для устранения связи между расстоянием и скоростью, а затем оценивает скорость цели.