El radar de onda continua ( radar CW ) es un tipo de sistema de radar en el que se transmite y luego se recibe energía de radio de onda continua de frecuencia estable conocida desde cualquier objeto reflectante. [1] Los objetos individuales se pueden detectar utilizando el efecto Doppler , que hace que la señal recibida tenga una frecuencia diferente a la señal transmitida, lo que permite detectarla filtrando la frecuencia transmitida.
El análisis Doppler de los retornos del radar puede permitir filtrar objetos lentos o inmóviles, ofreciendo así inmunidad a la interferencia de grandes objetos estacionarios y al desorden de movimiento lento . [2] [3] Esto lo hace particularmente útil para buscar objetos contra un reflector de fondo, por ejemplo, permitiendo que un avión que vuela alto busque aviones que vuelan a bajas altitudes contra el fondo de la superficie. Debido a que el reflejo muy fuerte de la superficie se puede filtrar, aún se puede ver el reflejo mucho más pequeño de un objetivo.
Los sistemas de radar CW se utilizan en ambos extremos del espectro de alcance.
La principal ventaja de los radares CW es que la energía no se pulsa , por lo que son mucho más sencillos de fabricar y operar. No tienen alcance mínimo ni máximo, aunque el nivel de potencia de transmisión impone un límite práctico al alcance. El radar de onda continua maximiza la potencia total sobre un objetivo porque el transmisor transmite continuamente.
El ejército utiliza un radar de onda continua para guiar misiles aire-aire guiados por radar semiactivo (SARH) , como el AIM-7 Sparrow estadounidense y la familia de misiles Standard . El avión de lanzamiento ilumina el objetivo con una señal de radar CW y el misil se centra en las ondas de radio reflejadas . Dado que el misil se mueve a altas velocidades en relación con el avión, se produce un fuerte desplazamiento Doppler. La mayoría de los radares de combate aéreo modernos, incluso los equipos Doppler de pulso , tienen una función CW para guiar misiles.
La distancia máxima en un radar de onda continua está determinada por el ancho de banda general y la potencia del transmisor. Este ancho de banda está determinado por dos factores.
Duplicar la potencia de transmisión aumenta el rendimiento de distancia en aproximadamente un 20%. Reducir a la mitad el ruido total de transmisión de FM tiene el mismo efecto.
Los receptores en el dominio de la frecuencia utilizados para los receptores de radar Doppler de onda continua son muy diferentes de los receptores de radar convencionales. El receptor consta de un banco de filtros, normalmente más de 100. El número de filtros determina el rendimiento de distancia máxima.
Duplicar el número de filtros del receptor aumenta el rendimiento de distancia en aproximadamente un 20%. El rendimiento de distancia máxima se logra cuando el tamaño del filtro del receptor es igual al ruido FM máximo que circula en la señal de transmisión. Reducir el tamaño del filtro del receptor por debajo de la cantidad promedio de ruido de transmisión de FM no mejorará el rendimiento del alcance.
Se dice que un radar CW coincide cuando el tamaño del filtro del receptor coincide con el ancho de banda RMS del ruido FM en la señal de transmisión.
Hay dos tipos de radar de onda continua: de onda continua no modulada y de onda continua modulada .
Este tipo de radar puede costar menos de 10 dólares (2021). Las frecuencias de retorno se alejan de la frecuencia transmitida según el efecto Doppler cuando los objetos se mueven. No hay forma de evaluar la distancia. Este tipo de radar se utiliza normalmente en deportes de competición, como golf, tenis, béisbol, carreras de NASCAR y algunos electrodomésticos inteligentes, como bombillas y sensores de movimiento.
El cambio de frecuencia Doppler depende de la velocidad de la luz en el aire ( c' ≈ c/1.0003 es ligeramente más lento que en el vacío) yv de la velocidad del objetivo: [4]
La frecuencia Doppler es así: [5]
Dado que la variación habitual de la velocidad de los objetivos de un radar es mucho menor que , es posible simplificar con :
El radar de onda continua sin modulación de frecuencia (FM) solo detecta objetivos en movimiento, ya que los objetivos estacionarios (a lo largo de la línea de visión ) no provocarán un desplazamiento Doppler. Las señales reflejadas de objetos estacionarios y de movimiento lento quedan enmascaradas por la señal de transmisión, que anula los reflejos de objetos de movimiento lento durante el funcionamiento normal.
El radar de onda continua de frecuencia modulada (FM-CW), también llamado radar de onda continua de frecuencia modulada (CWFM) [6] , es un conjunto de radar de medición de corto alcance capaz de determinar la distancia. Esto aumenta la confiabilidad al proporcionar medición de distancia junto con medición de velocidad, lo cual es esencial cuando hay más de una fuente de reflexión que llega a la antena del radar. Este tipo de radar se utiliza a menudo como " radar altímetro " para medir la altura exacta durante el procedimiento de aterrizaje de un avión. [7] También se utiliza como radar de alerta temprana, radar de ondas y sensores de proximidad. No siempre se requiere el desplazamiento Doppler para la detección cuando se utiliza FM. Mientras que las primeras implementaciones, como el altímetro radar APN-1 de la década de 1940, fueron diseñadas para alcances cortos, los radares sobre el horizonte (OTHR), como la red de radar operacional Jindalee (JORN), están diseñados para medir distancias intercontinentales de algunos miles de kilómetros. .
En este sistema, la señal transmitida de una onda continua de frecuencia estable conocida varía hacia arriba y hacia abajo en frecuencia durante un período de tiempo fijo mediante una señal moduladora. La diferencia de frecuencia entre la señal de recepción y la señal de transmisión aumenta con el retraso y, por tanto, con la distancia. Esto emborrona o desdibuja la señal Doppler. Luego, los ecos de un objetivo se mezclan con la señal transmitida para producir una señal de ritmo que indicará la distancia del objetivo después de la demodulación.
Es posible una variedad de modulaciones, la frecuencia del transmisor puede subir y bajar de la siguiente manera:
El rango de demodulación está limitado a 1/4 de la longitud de onda de la modulación de transmisión. El alcance instrumentado para 100 Hz FM sería de 500 km. Ese límite depende del tipo de modulación y demodulación. Generalmente se aplica lo siguiente.
El radar informará de una distancia incorrecta para los reflejos desde distancias más allá del alcance instrumentado, como por ejemplo desde la luna. Las mediciones de alcance FMCW sólo son confiables hasta aproximadamente el 60% del alcance instrumentado, o aproximadamente 300 km para 100 Hz FM.
La modulación de diente de sierra es la más utilizada en los radares FM-CW donde se desea alcance para objetos que carecen de partes giratorias. La información del alcance se mezcla con la velocidad Doppler mediante esta técnica. La modulación se puede desactivar en exploraciones alternativas para identificar la velocidad utilizando un cambio de frecuencia portadora no modulada. Esto permite encontrar el alcance y la velocidad con un solo conjunto de radar. La modulación de onda triangular se puede utilizar para lograr el mismo objetivo.
Como se muestra en la figura, la forma de onda recibida (verde) es simplemente una réplica retrasada de la forma de onda transmitida (roja). La frecuencia transmitida se utiliza para convertir la señal de recepción a banda base , y la cantidad de cambio de frecuencia entre la señal de transmisión y la señal reflejada aumenta con el retardo de tiempo (distancia). El retardo de tiempo es, por tanto, una medida del alcance; una pequeña dispersión de frecuencia es producida por reflexiones cercanas, una mayor dispersión de frecuencia corresponde con más retraso de tiempo y un alcance más largo.
Con la llegada de la electrónica moderna, el procesamiento de señales digitales se utiliza para la mayor parte del procesamiento de detección. Las señales de ritmo pasan a través de un convertidor analógico a digital y se realiza un procesamiento digital del resultado. Como se explica en la literatura, el rango FM-CW para una forma de onda de rampa lineal se proporciona en el siguiente conjunto de ecuaciones: [7]
Luego, reorganice a una forma más útil:
Entonces es una cuestión trivial calcular la distancia física unidireccional para un caso típico idealizado como:
Por razones prácticas, las muestras recibidas no se procesan durante un breve período después de que comienza la rampa de modulación porque las reflexiones entrantes tendrán modulación del ciclo de modulación anterior. Esto impone un límite de alcance y limita el rendimiento.
La FM sinusoidal se utiliza cuando se requieren alcance y velocidad simultáneamente para objetos complejos con múltiples partes móviles, como aspas de ventiladores de turbinas, aspas de helicópteros o hélices. Este procesamiento reduce el efecto de la compleja modulación de espectros producida por piezas giratorias que introducen errores en el proceso de medición de rango.
Esta técnica también tiene la ventaja de que el receptor nunca necesita dejar de procesar las señales entrantes porque la forma de onda de modulación es continua sin modulación de impulso.
El receptor elimina la FM sinusoidal para reflexiones cercanas porque la frecuencia de transmisión será la misma que la frecuencia que se refleja de regreso al receptor. El espectro de objetos más distantes contendrá más modulación. La cantidad de dispersión del espectro causada por la modulación que se aplica a la señal de recepción es proporcional a la distancia al objeto reflectante.
La fórmula en el dominio del tiempo para FM es:
Se introduce un retraso en el tránsito entre el radar y el reflector.
El proceso de detección convierte la señal de recepción utilizando la señal de transmisión. Esto elimina al transportista.
La regla del ancho de banda de Carson se puede ver en esta ecuación, y es una aproximación cercana para identificar la cantidad de dispersión colocada en el espectro de recepción:
La demodulación del receptor se utiliza con FMCW de manera similar a la estrategia de demodulación del receptor utilizada con compresión de pulsos. Esto tiene lugar antes del procesamiento de detección Doppler CFAR . Por razones prácticas, se necesita un índice de modulación grande.
Los sistemas prácticos introducen FM inversa en la señal de recepción mediante procesamiento de señal digital antes de utilizar el proceso rápido de transformada de Fourier para producir el espectro. Esto se repite con varios valores de demodulación diferentes. El alcance se encuentra identificando el espectro de recepción donde el ancho es mínimo.
Los sistemas prácticos también procesan muestras recibidas durante varios ciclos del FM para reducir la influencia de los artefactos de muestreo.
Hay dos configuraciones de antena diferentes que se utilizan con el radar de onda continua: radar monoestático y radar biestático .
La antena receptora del radar está ubicada cerca de la antena transmisora del radar en el radar monoestático .
Por lo general, se requiere alimentación nula para eliminar el traspaso entre el transmisor y el receptor para aumentar la sensibilidad en sistemas prácticos. Esto se utiliza normalmente con receptores de radar de seguimiento de ángulo de onda continua (CWAT) que son interoperables con sistemas de misiles tierra-aire .
Se puede utilizar onda continua interrumpida para eliminar el sangrado entre la antena transmisora y receptora. Este tipo de sistema normalmente toma una muestra entre cada par de pulsos de transmisión y la frecuencia de muestreo suele ser de 30 kHz o más. Esta técnica se utiliza con los tipos de radar más económicos, como los que se utilizan para la vigilancia del tráfico y los deportes.
Los radares FM-CW se pueden construir con una antena utilizando un circulador o polarización circular.
La antena receptora del radar está ubicada lejos de la antena transmisora del radar en el radar biestático . El transmisor es bastante caro, mientras que el receptor es bastante económico y desechable.
Esto se utiliza normalmente con la localización por radar semiactiva, incluida la mayoría de los sistemas de misiles tierra-aire . El radar de transmisión suele estar situado cerca del lanzador de misiles. El receptor está situado en el misil.
La antena transmisora ilumina el objetivo de forma muy parecida a una luz de búsqueda . La antena transmisora también emite una muestra omnidireccional .
El receptor utiliza dos antenas: una antena dirigida al objetivo y otra antena dirigida a la antena transmisora. La antena receptora que está dirigida a la antena transmisora se utiliza para desarrollar el nulo de paso , lo que permite que el receptor objetivo funcione de manera confiable en o cerca del haz principal de la antena.
El par biestático de receptor y transmisor FM-CW también puede adoptar la forma de un sistema de desaceleración inalámbrica (OTAD). Un transmisor OTAD transmite una señal FM-CW en dos canales de frecuencia diferentes; uno para sincronizar el receptor con el transmisor, el otro para iluminar la escena de medición. Utilizando antenas directivas, el receptor OTAD recopila ambas señales simultáneamente y mezcla la señal de sincronización con la señal de eco convertida desde la escena de medición en un proceso conocido como desaceleración inalámbrica. La frecuencia de la señal desramificada es proporcional al rango biestático hasta el objetivo menos la distancia de referencia entre el transmisor OTAD y el receptor OTAD. [8]
La mayoría de los sistemas modernos de radar FM-CW utilizan una antena transmisora y varias antenas receptoras. Debido a que el transmisor está encendido continuamente en la misma frecuencia que el receptor, se debe tener especial cuidado para evitar sobrecargar las etapas del receptor.
Las antenas monopulso producen mediciones angulares sin pulsos ni otra modulación. Esta técnica se utiliza en la localización por radar semiactivo .
En sistemas prácticos, la señal de transmisión se filtrará al receptor. Se producirán fugas importantes debido a reflejos ambientales cercanos incluso si los componentes de la antena son perfectos. Se requieren hasta 120 dB de rechazo de fugas para lograr un rendimiento aceptable.
Se pueden utilizar tres enfoques para producir un sistema práctico que funcione correctamente.
Las aproximaciones nulas y de filtro deben usarse con radar biestático, como el radar semiactivo , por razones prácticas porque los lóbulos laterales del radar de iluminación iluminarán el entorno además de la iluminación del lóbulo principal del objetivo. Se aplican restricciones similares al radar CW terrestre. Esto agrega costo.
La interrupción se aplica a los sistemas de radar monoestáticos portátiles y baratos (radares de policía y artículos deportivos). Esto no es práctico para los sistemas biestáticos debido al costo y la complejidad asociados con la coordinación del tiempo con precisión nuclear en dos ubicaciones diferentes.
La restricción de diseño que impulsa este requisito es la limitación del rango dinámico de los componentes prácticos del receptor que incluyen filtros de paso de banda que tardan en establecerse.
El enfoque nulo requiere dos señales:
La señal de transmisión real se gira 180 grados, se atenúa y se envía al receptor. El cambio de fase y la atenuación se configuran utilizando la retroalimentación obtenida del receptor para cancelar la mayor parte de la fuga. La mejora típica es del orden de 30 dB a 70 dB.
El enfoque del filtro se basa en el uso de un filtro de rechazo de banda muy estrecha que eliminará las señales de baja velocidad de los reflectores cercanos. El área de rechazo de banda abarca de 10 a 100 millas por hora, dependiendo del entorno previsto. La mejora típica es del orden de 30 dB a 70 dB.
Si bien los sistemas de portadora interrumpida no se consideran sistemas de CW, las características de rendimiento son suficientemente similares a los sistemas de CW interrumpidos en grupo con radar de CW puro porque la frecuencia del pulso es lo suficientemente alta como para que las mediciones de alcance no se puedan realizar sin modulación de frecuencia (FM).
Esta técnica apaga el transmisor durante un período antes de que comience el muestreo del receptor. La interferencia del receptor disminuye aproximadamente 8,7 dB por constante de tiempo. La reducción de fugas de 120 dB requiere 14 constantes de tiempo de recuperación del ancho de banda entre el momento en que se apaga el transmisor y el inicio del muestreo del receptor.
El concepto de interrupción se utiliza ampliamente, especialmente en aplicaciones de radar de largo alcance donde la sensibilidad del receptor es muy importante. Se conoce comúnmente como "onda continua interrumpida modulada en frecuencia", o FMICW.
Debido a su simplicidad, los radares CW son económicos de fabricar, relativamente libres de fallas, baratos de mantener y completamente automatizados. Algunos son lo suficientemente pequeños como para llevarlos en un bolsillo. Los sistemas de radar CW más sofisticados pueden lograr detecciones precisas de manera confiable a más de 100 km de distancia y al mismo tiempo proporcionar iluminación de misiles.
La rampa FMCW se puede comprimir proporcionando ganancias adicionales de señal a ruido, de modo que no se necesita la potencia adicional que necesitaría un radar de pulso sin modulación FM. Esto, combinado con el hecho de que es coherente, significa que se puede utilizar la integración de Fourier en lugar de la integración de azimut, lo que proporciona una señal superior al ruido y una medición Doppler.
El procesamiento Doppler permite la integración de señales entre muestras sucesivas del receptor. Esto significa que se puede aumentar el número de muestras para ampliar el rango de detección sin aumentar la potencia de transmisión. Esa técnica se puede utilizar para producir un radar sigiloso y económico de baja potencia.
Por este motivo, el rendimiento de CW es similar al rendimiento del radar Pulse-Doppler .
El radar de onda continua no modulada no puede medir distancias. La amplitud de la señal proporciona la única manera de determinar qué objeto corresponde con qué medición de velocidad cuando hay más de un objeto en movimiento cerca del receptor, pero la información de amplitud no es útil sin una medición de rango para evaluar el tamaño del objetivo. Los objetos en movimiento incluyen pájaros que vuelan cerca de objetos frente a la antena. Los reflejos de objetos pequeños directamente frente al receptor pueden verse superados por reflejos que ingresan a los lóbulos laterales de la antena desde objetos grandes ubicados al costado, encima o detrás del radar, como árboles con viento soplando entre las hojas, hierba alta, superficie del mar. , trenes de mercancías, autobuses, camiones y aviones.
Los sistemas de radar pequeños que carecen de modulación de alcance solo son confiables cuando se usan con un objeto en un ambiente estéril libre de vegetación, aviones, aves, fenómenos climáticos y otros vehículos cercanos.
Con lóbulos laterales de antena de 20 dB , un camión o un árbol con 1000 pies cuadrados de superficie reflectante detrás de la antena puede producir una señal tan fuerte como la de un automóvil con 10 pies cuadrados de superficie reflectante frente a una pequeña antena portátil. Se requiere un estudio del área para determinar si los dispositivos portátiles funcionarán de manera confiable porque el tráfico no observado en la carretera y los árboles detrás del operador pueden interferir con las observaciones realizadas frente al operador.
Este es un problema típico con los radares de velocidad utilizados por los agentes del orden, los eventos de NASCAR y los deportes como el béisbol, el golf y el tenis. La interferencia de un segundo radar, el encendido de un automóvil, otros objetos en movimiento, las aspas del ventilador en movimiento sobre el objetivo previsto y otras fuentes de radiofrecuencia corromperán las mediciones. Estos sistemas están limitados por la longitud de onda, que es de 0,02 metros en la banda Ku , por lo que la dispersión del haz supera los 45 grados si la antena mide menos de 12 pulgadas (0,3 metros). Importantes lóbulos laterales de la antena se extienden en todas direcciones, a menos que la antena sea más grande que el vehículo en el que está montado el radar. [9]
Para un funcionamiento fiable se requiere supresión de lóbulos laterales y modulación de rango de FM. No hay manera de saber la dirección de la señal que llega sin la supresión de los lóbulos laterales, lo que requiere dos o más antenas, cada una con su propio receptor individual. No hay forma de saber la distancia sin modulación de rango FM.
Se requieren velocidad, dirección y distancia para seleccionar un objeto individual.
Estas limitaciones se deben a las bien conocidas limitaciones de la física básica que no pueden superarse mediante el diseño.
![{\displaystyle y(t)=\cos \left\{2\pi [f_{c}+\mathrm {B} \cos \left(2\pi f_{m}t\right)]t\right\} \,}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/20a17a89ddb7ead804135633080c560c5afc6337)
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