رادارهای FMCW برای تشخیص سرعت (رادار پلیس)

رادارهای FMCW یا رادار پلیس

رادارهای FMCW: رادار سیستم الکترومغناطیسی است که برای تشخیص و تعیین موقعیت و سرعت هدف به کار می‍رود. کلمه رادار اختصار کلمات آشکار‌سازی و بردیابی رادیویی می باشد. رادار یکی از مظاهر شگفت‌انگیز قرن بیستم است اصول اولیه آشکارسازی تقریبا قدمتی برابر قدمت بحث الکترو مغناطیسی دارد. دراین مطلب قصد داریم شما را با رادارهای FMCW و کاربردهای آنها آشنا نماییم.

 

گرچه امروزه توسط رادارهای جدید و پیشرفته از هدف علاوه بر فاصله استخراج می‌شود ولی تعیین فاصله هدف از فرستنده هنوز یکی از مهم‌ترین وظایف این دستگاه است. در پاییز 1922تیلور یانگ از آزمایشگاه تحقیقات دریایی با استفاده از یک موج پیوسته با فرستنده و گیرنده مجزا وجود یک کشتی چوبی را آشکار نمودند.

 

 

بدینترتیب می‌توان گفت که اولین سیستم‌های راداری آزمایشی به صورت موج پیوسته کار می‌کردند و نوع آشکارسازی آن‌ها بستگی به تداخل ایجاد شده بین علائم مهم سیستم دریافت شده از فرستنده علائم انعکاسی ازهدف متحرک با متغیر فرکانس داپلر داشت.

رادار یکی سیستم الکترومغناطیسی است که کاربردهای مختلف می‌تواند داشته باشد اما مهم‌ترین مزیت رادار توانایی آن در محاسبه مسافت و سرعت می‌باشد.

طرز کار رادار

رادار، یک دستگاه رادیویی است که برای مشاهده جسم‌ها و اندازه‌گیری برخی ویژگی‌های آن‌ها بوسیله موج‌های رادیویی بکار می‌رود. کاربرد سنتی رادار و محلّ پیدایش و رشد آن در صنایع نظامی و هوانوردی است. در صنایع نظامی نقش اصلی یک سامانه راداری، نظارت بر یک گستره بزرگ و تشخیص جسم‌های متحرّک، ردیابی هدف‌ها و استخراج مشخّصه‌هایی مانند فاصله، جهت، سرعت، ارتفاع و اندازه هدف می‌باشد.

رادارهای نظامی برای کاربردهای نظارت، ردیابی هدف، هدایت و ناوبری، و دید از پشت موانع ساخته می‌شوند. کاربردهای غیرنظامی رادار در سیستم‌های تصویربرداری ماهواره‌ای، هدایت کشتی و هواپیما، هواشناسی، کنترل ترافیک و اتوموبیل‌های هوشمند است.

کاربردهای رادارهای FMCW

رادار کاربردهای مختلف می‌تواند داشته باشد اما مهم‌ترین مزیت رادار توانایی آن در محاسبه مسافت و سرعت می‌باشد در این فصل با توجه به اهمیت رادار پالسی و کاربرد گسترده آن به بحث پیرامون این سیستم پرداخته میشود و شاخص‌های مهمی که در معادله برد رادار وجود دارد و در رادارهای دیگر نیز به گونه ای این شاخص‌ها اهمیت دارند مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرد.

 

 

فارادی و ماکسول در سال های1845-186 پی بردند که جریان‌های متغیر با زمان باعث ایجاد میدان‌های الکترومغناطیسی متغیر با زمان در فضای آزاد می‌شوند همچنین میدان‌های متغیر با زمان جریان الکتریکی متغیر با زمان تولید می‌کند میدان الکترومغناطیسی به وجود آمده در فضای آزاد با سرعت نورحرکت می‌کند.
 

 سابقه پژوهش در زمینه رادار

هرتز

در سال 1886 هرتز به طور تجربی نظریه‌های ماکسول را مورد مطالعه قرار داد و نشان داد که امواج الکترومغناطیسی در برخورد اجسام منعکس و پراکنده می‌شوند که این مطالعه وی منجر بوجود آمدن ایده رادار شد.

جالب است بدانید آزمایش‌های هرتز در فرکانس‌های بالا طول موج 66 سانتی‌متر انجام شد ولی کارهای بعدی تا سال 1922 در فرکانس‌های پائین ادامه یافت تا آن که بعدا اهمیت استفاده از فرکانس‌های بالا روشن شد.

مارکونی

به علت محدودیت در فناوری آن زمان آشکارسازی امواج در فواصل بیش از یک مایل تا سال 1922مطرح نبود تا اینکه در سال 1922مارکونی ارتباط رادیویی بین قاره ها را مطرح نمود و عنوان کرد که امکان بوجود آمدن دستگاهی که امواج را در جهات مختلف ارسال کند و پس از برخورد پرتوها به یک جسم فلزی نظیر کشتی توسط یک گیرنده این پرتوها دریافت شود وجود دارد که در نتیجه می‌توان در هوای ابری وجود کشتی را آشکار نمود اما وی در به دست آوردن بعضی از ایده هایش از جمله آشکار سازی جسم و انتشار امواج کوتاه در ورای خط دید ناموفق ماند.

 

تیلور

در پاییز 1922تیلور یانگ از آزمایشگاه تحقیقات دریایی با استفاده از یک موج پیوسته با فرستنده و گیرنده مجزا وجود یک کشتی چوبی را آشکار نمودند بدین ترتیب می‌توان گفت که اولین سیستم‌های راداری آزمایشی به صورت موج پیوسته کار می‌کردند و نوع آشکار سازی آن‌ها بستگی به تداخل ایجاد شده بین علائم مهم سیستم دریافت شده از فرستنده علائم انعکاسی ازهدف متحرک با متغیر فرکانس داپلر داشت.

این اثر شبیه لرزش موزونی است که ممکن است در هنگام عبور هواپیما از بالای گیرنده بویژه ایستگاه های ضعیف رخ می‌دهد این نوع رادارها رادار امواج پیوسته تداخل موجی نیز می‌نامند البته این نوع رادارها فقط برای آشکار سازی وجود هدف مفید بودند و استخراج اطلاعات موقعیت هدف از آنها مقدور نبود.

نمونه های رادارهای FMCW

لازم به ذکر است نمونه های رادار در همان سال‌ها در فرکانس32  و 60 مگاهرتز ساخته شد. با توجه به محدودیت‌های استخراج اطلاعات کافی موقعیت از رادارهای موج پیوسته پژوهشگران NRL اولین تجربه را در سال 1934با رادار پالسی در فرکانس 6 مگا هرتز به دست آوردند و با انجام آزمایش‌های متعدد دریافتند که فرکانس های راداری بالا برای این کار مطلوب می‌باشد و با ساخت لامپ‌های پرقدرت باعث تکامل طراحی رادار پالسی در فرکانس 200مگاهرتزی شدند.

پیشرفت‌های اولیه رادار پالسی

پیشرفت‌های اولیه رادار پالسی در رابطه با کاربردهای نظامی بود و در بریتانیا توسعه رادار بعد از آمریکا شروع شد اما به خاطر اینکه پیشرفت فناوری رادار مصادف با جنگ جهانی دوم بود و بریتانیا نزدیک تر به جبهه جنگ بود این کشور کوشش‌های فراوان و بیش‌تری را صرف توسعه رادار نمود.

 

پیشرفت کشورها

توجه بریتانیا به رادار از سال 1935شروع شد و تا اوایل 1940توسعه رادار در بریتانیا و آمریکا مستقلا انجام می‌شد. علاوه بر این دو، رادار در آلمان، فرانسه، روسیه و ایتالیا و ژاپن نیز به طور مستقل در خلال 30سال بعد مورد تحقیق و توسعه قرار گرفت لیکن حدود توسعه و کاربردهای نظامی آن‌ها متفاوت بود.

با توجه به این تاریخچه رادارهای فعلی، با ارسال و دریافت موج‌های رادیویی کار می‌کند. هدف‌هایی که رادار استخراج می‌کند، معمولاً هدف‌های فلزّی یا اجسامی با انعکاس بالای امواج رادیویی هستند.

ویژگی‌های رادارهای FMCW نسبتبه دید چشمی

1. بُرد زیاد
   
2. عدم وابستگی به وجود نور
   
3. عبور موجها از مانع‌ها؛ مانند مه، باران، برف
   
4. امکان اندازه‌گیری دقیق مشخّصه‌هایی مانند فاصله، ارتفاع و سرعت

رادار، ابتدا موج‌های خود را می‌گسیلد و درصورتیکه مانعی مانند یک شیء پرنده در آسمان، مقابل موج‌های گسیلیده قرار داشته باشد، موج‌های ضعیف‌تری را بازمی‌تابانند. اینک اگر رادار، مقداری از این موج‌ها را دریافت کند، می‌تواند با ضرب سرعت موج در مدّت زمان دریافت موج، فاصله شی را محاسبه کند.

 

 

فرستنده رادار، مدّت زمانی را به انتشار موج‌ها اختصاص می‌دهد (در رادارهای تپی)؛ و بخش گیرنده رادار عمل نمی‌کند. اگر جسمْ مقابل رادار، چنان نزدیک باشد که در همین مدّت، موج‌های بازتابیده به آنتن رادار برخورند، رادار متوجّه نخواهد شد. اگر جسم چنان دور باشد که دیگر موج‌های بازتابی آن پس از مدّت زمان دریافت به رادار برسند نیز رادار تشخیص نمی‌دهد.

انواع رادار

رادارها دارای انواع مختلفی هستند که در میان آن‌ها می‌توان به:

• رادار پالسی (تپی)
  
• رادار موج پیوسته، مانند سینوسی یا با مدولاسیون FM اشاره کرد.
  
• رادار یکجا، راداری است که آنتن گیرنده و فرستندهاش در یکجا باشند و اغلب آنتن گیرنده و فرستنده در این گونه رادار، یکیست. 
  

کاربرد رادارها

• رادارها دارای کاربردهای مختلفی هستند که در ذیل گوشه‌ای از آن‌ها آورده شده است:
• نظارت و رهگیری هواپیماها و موشک‌ها؛
• نظارت و رهگیری هدف‌های دریایی یا زمینی؛
• نظارت و رهگیری جسم‌های فضایی؛
• هواشناسی؛
• اندازه‌گیری سرعت ترابرها؛
  
• رادار دهانه-ترکیبی برای تصویر دو-بعدی و سه-بعدی؛
• یافتن مین در زمین؛
• فرود (برای نمونه برای هواپیما) دقیق؛
• عکسبرداری از دیگرکُره‌ها با رادار تصویری؛
• پرهیز تصادم؛
• یافتن آب در منطقه‌های شنزار و خشک؛
• نظارت بر هدف‌های جنبنده در زمین؛
• نظارت بر هدف‌های جنبنده در منطقه‌های پُردرخت؛
• نقشه‌برداری؛
• رادارهای تشخیص سرعت ترافیکی.
  

رادار پالس داپلر

رادار داپلر وسیله ایست که با استفاده از اثر داپلر سرعت اجسام در فواصل دور را می‌تواند برای ما به داده تبدیلکند. این وسیله این کار را با فرستادن سیگنال مایکروویو به سمت هدف مورد نظر و دریافت انعکاس آن، انجام می‌دهد.

رادار داپلر تغییرات سیگنال منعکس شده را نسبت به سیگنال اصلی آنالیز می‌کند. تغییرات در فرکانس سیگنال به ما اندازه دقیق و مستقیم سرعت مورد نظر نسبت به منبع رادار و جهت پرتو مایکروویو را می‌دهد.

 

کاربرد رادار داپلر

رادار داپلر در صنعت هوانوردی، ماهواره‌های صوتی، دوربین‌های سرعت سنج اجسام، رادیولوژی و… استفاده می‌شود. اصطلاح رادار داپلر به دلیل استفاده شایع هواشناسان تلویزیون در گزارش وضع هوا، به غلط به معنای نوعی رادار مورد استفاده در هواشناسی به کار می‌رود.

اغلب رادارهای مدرن هواشناسی برای بررسی حرکت بارش از تکنیک پالس–داپلر استفاده می‌کنند، ولی این تنها قسمتی از پردازش داده‌های آن‌ها است. بنابراین در حالی که این رادارها از فرم بسیار تخصصی رادار داپلر استفاده می‌کنند، اصطلاح رادار داپلر معنا و کاربرد بسیار گسترده‌تری دارد.

رادار داپلر راداری است که یکی از خروجی‌هایش اندازه‌گیری سرعت می‌باشد. رادارهای داپلر می‌توانند از نوع پالسی همدوس، موج پیوسته یا مدوله شده فرکانسی باشند. رادارهای داپلر موج پیوسته تنها خروجی سرعت را فراهم می‌کنند.

رادارهای داپلر اولیه

رادارهای داپلر اولیه از نوع CW بودند و سریعا به رادارهای مدوله شده فرکانسی ارتقا یافتند.که از تغییر فرکانس فرستنده برای تعیین و به رمز درآوردن محدوده تغییرات استفاده می‌کنند. رادارهای CW و FM-CW معمولا فقط برای یک هدف می‌توانند پردازش انجام دهند که استفاده از آن‌ها را محدود می‌نماید.

 

با ورود روش‌های دیجیتال، رادارهای داپلر پالسی MTI معرفی شدند و پردازشگرهای داپلر در همین زمان برای رادارهای پالسی همدوس توسعه یافتند.

مزیت ترکیب پردازش داپلر با رادارهای پالسی فراهم کردن اطلاعات دقیق سرعت است. این سرعت میزان تغییر برد نامیده می‌شود. که توصیف‌کننده نرخی است که هدف به سمت رادار حرکت می‌کند یا از آن دور می‌شود. هدفی بدون نرخ تغییرات برد فرکانسی نزدیک فرکانس فرستنده را بازتاب می‌دهد و نمی‌تواند آشکار گردد.

هدف داپلر صفرکلاسیک

هدف داپلر صفرکلاسیک هدفی است که در جهت مماس بر اشعه آنتن رادار قرار دارد. اصولا هر هدفی که در جهت 90 درجه نسبت
به اشعه آنتن قرار بگیرد نمی‌تواند با سرعتش مشخص گردد. (فقط بوسیله انعکاس متعارف آن جسم) رادارهای FM به طور گسترده‌ای در طی جنگ جهانی دوم برای استفاده در هواپیماهای نیروی دریایی ایالات متحده توسعه یافتند.

اکثر آن‌ها از طیف UHF استفاده می‌کردند و دارای یک آنتن فرستنده یاگی روی بال چپ و یک آنتن گیرنده یاگی روی بال راست بودند. این به آن‌ها امکان می‌داد که با سرعتی بهینه هنگام نزدیک شدن به کشتی‌های هدف پرواز کنند.

سازوکار

بعدا وقتی مگنترون‌ها و امواج ماکروویو در دسترس قرار گرفتند، استفاده از آن‌ها متوقف شد. هنگامی که تبدیل فوریه سریع دیجیتال ایجاد شد، فورا با رادارهای پالسی همدوس که در آنها اطلاعات سرعت استخراج می‌شد مرتبط گشت. مفید بودن این روش در رادارهای آب و هوایی و کنترل ترافیک هوایی سریعا ثابت شد.

اطلاعات سرعت ورودی دیگری را برای پیگیری‌کننده نرم افزاری فراهم آورده و بررسی نرم افزاری را بهبود دادند. به علت فرکانس تکرار ضربان پایین اکثر رادارهای پالسی همدوس که باعث بیشینه شدن محدوده پوشش رادار می‌شود، مقدار پردازش داپلر محدود است.

پردازش‌گرهای داپلر

پردازش‌گرهای داپلر تنها می‌توانند سرعت‌هایی در محدوده مثبت و منفی نصف PRF رادار را پردازش کنند. این موضوع مشکلی برای رادارهای آب و هوایی به حساب نمی‌آید.
رادارهای تخصصی با بوجود آمدن روش‌های دیجیتال به سرعت مکانیزه شدند. رادارهای داپلر پالسی تمام مزایای محدوده عملکرد بالا و سرعت بالا را با هم ترکیب می‌کنند.

رادارهای داپلر پالسی از PRF متوسط یا بالا استفاده می‌کنند. این PRF بالا اجازه می‌دهد تا اجسام با سرعت بالا نیز توسط رادار رویت گردند یا اندازه‌گیری سرعت با دقت و تفکیک پذیری بالایی انجام شود. معمولا یکی از این دو حالت وجود دارد، راداری که برای شناسایی اهدافی با سرعتی بین صفر تا دو ماخ طراحی می‌شود در اندازه‌گیری سرعت تفکیک‌پذیری بالایی ندارد.

تفکیک پذیری بالا در اندازه‌گیری سرعت

در صورتی که راداری که برای تفکیک پذیری بالا در اندازه‌گیری سرعت طراحی می‌شود، محدوده گسترده‌ای برای اندازه‌گیری سرعت ندارد. رادارهای آب و هوایی رادارهایی با تفکیک پذیری سرعت بالا می‌باشند در حالی که رادارهای دفاع هوایی محدوده بزرگی از سرعت اهداف را می‌توانند آشکار سازی کنند اما دقت آن‌ها در سرعت در حدود ده‌ها نات است.

قبل از انجام شدن طراحی‌های ماکروویو، طراحی آنتن‌ها برای CWو FM-CW بر اساس آنتن فرستنده و گیرنده جداگانه صورت می‌گرفت.

رادارهای ترافیک

در اواخر دهه 1960تولید رادارهای ترافیک که از یک آنتن استفاده می‌کردند، آغاز شد. این امر با استفاده از پلاریزاسیون دایره‌ای و یک بخش موج بر مولتی پورت که در باند X کار می‌کرد، ممکن شد. در اواخر دهه 1970 استفاده از پلاریزاسیون خطی و انتشاردهنده‌های فریت در هر دو باند Xو Kجایگزین آن شد.

رادارهای PDدر یک PRFFبسیار بالا برای استفاده از یک سوئیچ فرستنده گیرنده که از گاز پر شده‌است، کار می‌کنند و اکثرا از دستگاه‌های حالت جامد برای محافظت از تقویت کننده نویز کم گیرنده در هنگامی که فرستنده کار می‌کند، استفاده می‌کنند.

رادارهای سرعت سنج پالس داپلر

رادار همانند سونار و زمین شناسی از پالس انرژی برای تشخیص فاصله استفاده می کند، بدین نحو که بر اساس زمانی که رادار فاصله را می‌پیماید و برمی‌گردد و سرعت موج فاصله را می‌یابد. رادار که در اصل از ارسال موج تابشی با طول موج بسیار کوتاه (موج مایکروویو) از یک آنتن و سپس تشخیص انرژی‌ای که بعد از انعکاس کردن از یک هدف از راه دور بدست می‌آید کار می‌کند.

طول موج مایکروویو، قطبش آن (جهت عمودی یا افقی) و قدرت را می‌توان در منبع کنترل کرد و سپس زمانی که آن موج باز می‌گردد آن را اندازه گرفت. بسیاری از انواع پوشش‌های رایج زمین و مواد روی قطبیت و انعکاس رادار تاثیر دارند، که این مساله در شناسایی آن‌ها تاثیر می‌گذارد.

قاعده استفاده از امواج رادیویی

قاعده استفاده از امواج رادیویی برای شناسایی اشیاء به سال 1902بر می‌گردد، اما سیستم عملی که ما به عنوان رادار می‌شناسیم در اواخر 1930آغاز شد.

مخترعان بریتانیایی، با کمک تحقیقات از کشور های دیگر، اقدام به ایجاد یک سیستم هشداردهنده ابتدایی که می تواند اجسام درحال حرکت به سمت سواحل انگلستان را تشخیص دهد می‌کنند. این سیستم از امواج رادیویی با فرکانس بالا برای تشخیص هواپیماهای آلمانی و محاسبه فاصله خود با هدف استفاده می‌کرد.

فناوری رادار در زمان جنگ جهانی دوم

فناوری رادار از زمان جنگ جهانی دوم به طور قابل ملاحظه ای بهبود یافته است، اما اصول اساسی هنوز هم همان است. محاسبات در مورد سرعت و جهت یک جسم از نتایج حاصل از فرستنده و گیرنده داده‌ها ساخته شده است. هنگامی که یک آنتن رادار تغییراتی در محیط مشاهده کند سریعا با ارسال چندین سیگنال و دریافت سیگنال بازگشتی اقدام به محاسبات می‌کند.

در سیستم های رادار مدرن در حال حاضر

در سیستم های رادار مدرن در حال حاضر، بر خلاف فرکانس رادیویی موج کوتاه استفاده شده توسط مخترعان بریتانیا تا حد زیادی از فرکانس‌های رادیویی در محدوده مایکروویو استفاده می‌شود که در مقابل جمینگ تا حد زیادی مصون است.فرکانس های مایکروویو مورد استفاده در رادار پلیس با توجه به استاندارد FCC به باند های زیر تقسیم‌بندی می‌شوند.

 

 

با توجه به این استاندارد  4 باند فرکانس برای رادار پلیس، ،K Ku ،Xو Ka اختصاص داده شده است. رادارهای پلیس دیگر مانند گذشته که در باند S برای رادار استفاده می شد نیست. البته امروزه سیستم های وایرلس متعددی در باند Sبه کار گرفته می‌شود.

 Xرادارهای باند  

تعداد کمی از مکان‌ها هنوز هم از رادار باند X استفاده می‌کنند. رادار باند X از 1965 وجود داشته و در یک تک بازه فرکانس 50 مگاهرتز عمل می‌کند. رادار در باند Xدارای بهترین عملکرد در شرایط آب و هوایی است و سیگنال کم‌تری را نسبت به سیستم‌های فرکانس بالاتر در Ka ،K ،Ku   و مادون قرمز در آب و هوای بد از دست می‌دهد.

رادارهای باند X دارای پرتوهای کمی گسترده‌تر و آنتن بزرگ‌تر هستند. برخی از کشورهای اروپایی از رادار باند X ترافیک که در باند  9.41 گیگاهرتز یا 9.9 گیگاهرتز کار می‌کند استفاده می‌کنند.

رادار باند KU

رادارهای باند Ku در آمریکا و کشورهای پیشرفته اروپایی استفاده نمی‌شود ولی در بعضی کشورهای شرق اروپا کاربرد دارد.

Kرادارهای باند

رادارهای باند K از 1976پدید آمدند و بر روی یک تک فرکانس و با پهنای باند 200مگاهرتز کار می‌کنند. این رادارها به طور کلی پرتوهایی باریک‌تر از رادار باند Xو پرتوهای کمی گسترده‌تر از رادارهای باند Kaدارند.

محدودهتشخیص با رطوبت کاهش می‌یابد. گروه با فرکانس مرکزی 22.24گیگاهرتز در این باند وجود دارد که سیگنال در این گروه بوسیله رطوبت در جو جذب می‌شود. این اثر رطوبت در فواصل کم روی این رادار ها تاثیر زیادی می‌گذارد و درنتیجه برد این رادارها کمتر می‌شود.

 

رادارهای باند Ka

از سال 1983 در سراسر جاده‌های آمریکا رادارهای عکسبرداری Ka ظاهر شد. نه سال بعد در سال 1922FCC ، طیف 33.4 تا 36 گیگاهرتز در باند Ka را به طیف رادار پلیس افزود.

رادارهای باند Ka معمولا پرتوهایی باریک‌تر از X و یا گروه k را دارد. محدوده تشخیص نیز به رطوبت وابسته است. بعضی از مدل‌ها پهنای باند 100مگاهرتزی دارند . رادارهای پلیس باند Ka عموما در یک کانال فرکانس عمل می‌کنند، البته در بعضی 2کانال وجود دارد که یک اپراتور می‌تواند انتخاب کند.

رادار پهن باند Ka در یک فرکانس ثابت فعالیت می‌کنند، یا بین یک یا چند فرکانس دیگر تغییر می‌کند. در حالت های فرکانس رادار ساکن برای مدتی بر روی یک فرکانس کار می‌کند و سپس سوئیچ می‌کند. حالت frequency hopping برای حل مشکل آشکارسازهای رادار در نظر گرفته شده است، با این حال به دلیل مشکلات هاپینگ به ندرت استفاده شده است.

بلوک دیاگرام ابتدایی رادار

شکل زیر اصول عملکرد یک مجموعه رادار اولیه را نشان می‌دهد. آنتن رادار هدف را با یک سیگنال مایکروویو مورد اصابت قرار می‌دهد، که پس از آن منعکس شده و توسط یک دستگاه گیرنده را دریافت می‌شود. سیگنال الکتریکی‌ای که توسط آنتن گیرنده گرفته شده است اکو نام دارد.

 

فرستنده

فرستنده رادار به مدت زمان کوتاه پالس RF با قدرت بالا تولید می‌کند که توسط آنتن به فضا گسیل می‌شود.

دوپلکسر

دوپلکسر متناوب سوئیچی بین آنتن فرستنده و گیرنده است به طوری که تنها یک آنتن استفاده شود. این تعویض ضروری است زیرا پالس با قدرت بالا از فرستنده به گیرنده ورود نیابد.

گیرنده

گیرنده شامل تقویت‌کننده و دریافت سیگنال‌های RF است.

آنتن رادار

آنتن انتقال انرژی فرستنده به فضا با توزیع و بهره وری مورد نیاز است.

شاخص

صفحه راداردر این مورد یک نمایش ورودی تولید شده از سیگنال انعکاسی است.

راهکارتولید داپلر

چهار راه تولید اثر داپلر وجود دارد. رادار ممکن است:

1. منسجم پالس
2. رادار پالس داپلر
3. موج پیوسته
4. مدولاسیون فرکانس 

انواع رادارهای FMCW

رادارهای FMCW در دو نوع دستی(ثابت) و متحرک و قابل نصب روی ماشین هستند.

 

چگونگی کار آشکارسازهای رادارهای FMCW

برای درک چگونگی کار آشکارسازهای راداری، ابتدا چگونگی تشخیص در مورد آن‌ها مورد مطالعه قرار میگیرد. مفهوم اندازه‌گیری سرعت خودرو با رادار بسیار ساده است. تفنگ سرعت معمولی فقط یک فرستنده رادیویی و گیرنده دارد. فرستنده رادیویی یک دستگاه است که نوسان جریان الکتریکی را به صورت بالا و پایین رفتن ولتاژ نشان می‌دهد که دارای یک فرکانس خاص است.

این برق تولید انرژی الکترومغناطیسی می‌کند پس هنگامی که جریان در حال نوسان است، انرژی را از طریق هوا به صورت یک موج الکترومغناطیسی می‌فرستد. فرستنده هم‌چنین دارای یک تقویت کننده است که شدت انرژی الکترومغناطیسی را افزایش می‌دهد و همچنین یک آنتن که موج را در هوا پخش می‌کند. در شکل زیر دو نمونه از اسلحه رادار اولیه مورد استفاده در سال 1950 تا 1970 را مشاهده میکنید.

 

سازوکار گیرنده رادیویی رادارهای FMCW

یک گیرنده رادیویی فقط معکوس فرستنده است: که امواج الکترومغناطیسی را با یک آنتن دریافت کرده و آن‌ها را تبدیل به یک جریان الکتریکی می‌کند. بنابراین اساس کار این است که انتقال امواج الکترومغناطیسی از طریق فضا صورت می‌گیرد.

رادارهای FMCW مورد استفاده برای امواج رادیویی برای شناسایی و نظارت بر اشیاء مختلف است. ساده‌ترین عملکرد رادار این است که فاصله شی را مشخص کند برای این کار، دستگاه رادار امواج رادیویی متمرکز ساطع می‌کند و منتظر انعکاس ها می‌ماند.

در صورتی که یک شی در مسیر امواج رادیویی وجود داشته باشد، مقداری از انرژی الکترومغناطیسی منعکس و به دستگاه برمی‌گردد. امواج رادیویی از طریق هوا حرکت با سرعت ثابت (سرعت نور) حرکت می‌کنند، بنابراین رادار می تواند فاصله را با استفاده از زمانی که بین ارسال و دریافت زول کشیده است محاسبه کند.

 

رادار و اثر دوپلر

رادار همچنین می‌تواند، با توجه به اثر دوپلر برای اندازه گیری سرعت یک شی استفاده شود. مانند امواج صوتی، امواج رادیویی یک فرکانس خاص و تعداد نوسانات در واحد زمان مخصوصی دارندو هنگامی که تفنگ رادار و ماشین ثابت باشند، انعکاسات دارای فرکانس سیگنال اصلی است. چون سیگنال منعکس شده از ماشین به دستگاه می‌رسد.

اما زمانی که ماشین در حال حرکت است، هر بخش از سیگنال های رادیویی است در نقاط مختلف فضا منعکس می‌شود، که باعث تغییرات الگوی موج منعکس شده می‌گردد. زمانی که خودرو در حال دور شدن از تفنگ رادار است، قسمت دوم از سیگنال فاصله بیش‌تری نسبت از قسمت اول برای رسیدن به ماشین طی می‌کند.

تفنگ لیزری

همانطور که شما می‌توانید در نمودار زیر مشاهده می‌کنید، اثر “کشش” موج، و یا کاهش فرکانس آن است. اگر خودرو در حال حرکت به سمت تفنگ رادار باشد، بخش دوم موج مسافتی کوتاه‌تر از بخش اول را تا منعکس شدن طی می‌کند. در نتیجه، فاصله قله‌ها و دره‌ها از موج از هم کاهش می‌یابدکه موجب افزایش فرکانس می‌شود.

مثال

بر اساس مقدار تغییرات فرکانس، تفنگ رادار می تواند محاسبه سرعت یک ماشین که در حال حرکت است را محاسبه کند. اگر تفنگ رادار در داخل یک ماشین پلیس در حال حرکت استفاده می شود، حرکت خودرو نیز باید در نظر گرفته شود. برای مثال، اگر ماشین پلیس که 50مایل در ساعت در حال حرکت است و تفنگ باید تشخیص دهد که هدف 20مایل در ساعت در حال حرکت است و از آن دور می شود ، هدف باید در 70مایل در ساعت باشد.

اگر تفنگ رادار تعیین کند که هدف حرکتی در دور شدن از ماشین پلیس یا نزدیک شدن ندارد پس هدف در حال رانندگی با سرعت دقیقا 50مایل در ساعت است.

 

اخیرا پلیس شروع به استفاده از تفنگ لیزری کرده است، اما آنها بیش از حد غیر پایدار بوده و محدودیت داشته و تأثیرات ناشی از حرارت، و دیگر شرایط در آن ها تاثیر زیادی دارند. عنصر اساسی در یک اسلحه سرعت لیزری، نیز (برای تشخیص نور)، نور متمرکز است که به نام تفنگ LIDAR  شناخته می شود.

آشکارساز رادار اولیه چندان مناسب نیستند مگر اینکه افسر پلیس پشت سر ماشین قرار گرفته باشد و تفنگ رادار پشت سر وسیله باشد.

تفنگ راداری یک آنتن مخروطی یا رفلکتوری دارد که سیگنال را متمرکز می‌کند ولی امواج الکترومغناطیسی در فضا به سرعت گسترش می‌یابد. تفنگ رادار تنظیم شده اند به طوری که تنها بر سرعت یک هدف خاص نظارت کند، بنابراین این احتمال وجود دارد که سیگنال‌های دیگر هم به آنتن وارد شود ولی تحلیل نشوند.

 

آشکارساز رادار معمولی

آشکارساز رادار معمولی که به شکل اسلحه سرعت پلیس است با استفاده از یک گیرنده رادیویی ساده و یک دستگاه کاملا منفعل است. آشکارسازهای پیچیده تر در واقع دارای مدار فعال هستند. علاوه بر این به گیرنده اصلی، این دستگاه دارای فرستنده رادیویی است که سیگنال جمینگ را حذف می‌کند. اساسا، سیگنال ورودی دستگاه سیگنال اصلی از تفنگ رادار پلیس به همراه نویز محیط است.

نویز محیط و رادار

با داشتن اطلاعاتی در مورد نویز محیط گیرنده رادار می تواند یک سیگنال اکو را تشخیص بدهد. محصولات راداری پلیس دارای سه استاندارد F9 ، 6F2و DRS3هستند.

Multanova یک شرکت مستقر در سوئیس است که در اجرای سیستم‌های ترافیک تخصص دارد. آن‌ها بسیاری از محصولات متنوع را دارند که مهم‌ترین آن‌ها Multanova 6F-2و F9 هستند. هر دو سیستم مبتنی بر رادار است که می‌تواند در هر مورد و به هر شیوه‌ای که می‌توانید تصور کنید نصب شود. از جمله روی جعبه نصب شده، تلفن همراه، روی وسیله نقلیه و بسیاری مکان‌های دیگر. این دو محصول Multanova در رادار باند Ka کار می‌کنند.

سیستم 6F2 

سیستم 6F2 قبل از عکس‌برداری 4 یا 5 سرعت را پک می‌کند و می‌تواند با استفاده از یک سیستم دوربین درایو موتور سریع سه عکس در ثانیه بیاندازد. سیستم F9 این قابلیت را گسترش داده و قادر به تعیین انواع خودرو به صورتکامیون یا اتومبیل‌های سواری است.

آن‌ها کوچک هستند و از جلو مانند راکت‌انداز مینیاتوری دیده می‌شوند. آن‌ها برای جلوگیری از امواج خارجی دارای شیلد محافظ هستند.

مقایسه ميان رادار پالس داپلر و ليزری و رادارهای FMCW

رادارهای مایکروویو پلیس و رادارهای FMCW نیازی به اینکه دقیقا روی یک وسیله نقلیه خاص تنظیم شود ندارد و تنها جهت به طور کلی به اضافه یا منهای نیم پهنای پرتو باشد کافیست. این رادارها در نور موثرترند و برای برد در محدوده کوتاه هستند. بسیاری از رادارهای مایکروویو می‌توانند در یک وسیله نقلیه در حال حرکت استفاده شوند.

در رادار لیزری پلیس باید دقیقا علامت ضربدر روی هدف باشد. این رادارها برد کوتاه دارند و در ترافیک کم موثر است. مقایسه‌ای از این دو نمونه رادار را در جدول زیر می‌بینید.

نتیجه گیری در مورد رادارهای FMCW

رادارهای FMCW که از یک توپولوژی تبدیل مستقیم تشکیل شده‌اند. با استفاده از برد تست و ADF4159 که برای تولید مداوم مثلثی رمپ سیگنال مدوله با فرکانس مرکزی 12 گیگاهرتز و پهنای باند 311 مگاهرتز است موجی را به ورودی یک ضرب‌کننده داده شد. با ضرب فرکانس مرکزی به 24 گیگاهرتز، پهنای باند به 111 مگاهرتز افزایش یافته است.

پس از آن، سیگنال با یک تقویت‌کننده قدرت تقویت شد تا برد رادار افزایش یابد. سپس، همان سیگنال به LO از طریق یک کوپلر برایdown convertion افزوده شد. در گیرنده سیگنال توسط دو LNAs تقویت می شود. جبرانسازی در باند با طراحی دقیق و کامل چند سری فیلتر به‌دست آمد. سپس از ADC با نرخ نمونه‌برداری بالا استفاده شد.

هماهنگ‌سازی و مرجع مشترک کلاک در FPGA ایجاد شد. رادارهای FMCW پیشنهاد شده در بازه فرکانسی به خوبی کار می‌کنند و دارای spur کمی هستنو و حساسیت و وضوح بالایی دارند.