El radar de onda continua ( radar CW ) es un tipo de sistema de radar en el que se transmite una energía de radio de onda continua de frecuencia estable conocida y luego se recibe de cualquier objeto reflectante. [1] Los objetos individuales se pueden detectar utilizando el efecto Doppler , que hace que la señal recibida tenga una frecuencia diferente de la señal transmitida, lo que permite detectarla filtrando la frecuencia transmitida.
El análisis Doppler de los retornos de radar puede permitir filtrar objetos lentos o inmóviles, ofreciendo así inmunidad a la interferencia de objetos grandes estacionarios y ruidos de movimiento lento . [2] [3] Esto lo hace particularmente útil para buscar objetos contra un reflector de fondo, por ejemplo, permitiendo que una aeronave que vuela alto busque aeronaves que vuelan a baja altitud contra el fondo de la superficie. Debido a que el reflejo muy fuerte de la superficie se puede filtrar, el reflejo mucho más pequeño de un objetivo aún se puede ver.
Los sistemas de radar CW se utilizan en ambos extremos del espectro de alcance.
La principal ventaja de los radares de onda continua es que la energía no es pulsada , por lo que son mucho más sencillos de fabricar y operar. No tienen un alcance mínimo ni máximo, aunque el nivel de potencia de transmisión impone un límite práctico al alcance. Los radares de onda continua maximizan la potencia total sobre un objetivo porque el transmisor transmite de forma continua.
El ejército utiliza un radar de onda continua para guiar misiles aire-aire con radar semiactivo (SARH) , como el AIM-7 Sparrow de EE. UU. y la familia de misiles Standard . El avión de lanzamiento ilumina el objetivo con una señal de radar de onda continua y el misil se dirige hacia las ondas de radio reflejadas . Dado que el misil se mueve a altas velocidades en relación con el avión, hay un fuerte efecto Doppler. La mayoría de los radares de combate aéreo modernos, incluso los equipos Doppler de pulso , tienen una función de onda continua para fines de guía de 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 a distancia en aproximadamente un 20 %. Reducir el ruido total de transmisión FM a la mitad tiene el mismo efecto.
Los receptores de dominio de 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. La cantidad de filtros determina el rendimiento de distancia máxima.
Duplicar la cantidad de filtros del receptor aumenta el rendimiento de distancia en aproximadamente un 20 %. El rendimiento máximo de distancia se logra cuando el tamaño del filtro del receptor es igual al ruido de 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 de alcance.
Se dice que un radar CW está adaptado 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 desplazan de la frecuencia transmitida en función del 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 el golf, el tenis, el béisbol, las 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 lenta que en el vacío) y v la velocidad del objetivo: [4]
La frecuencia Doppler es entonces: [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 causarán un efecto Doppler. Las señales reflejadas de objetos estacionarios y de movimiento lento quedan enmascaradas por la señal de transmisión, que opaca los reflejos de los objetos de movimiento lento durante el funcionamiento normal.
El radar de onda continua modulada en frecuencia (FM-CW), también llamado radar de onda continua modulada en frecuencia (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 " altímetro de radar " para medir la altura exacta durante el procedimiento de aterrizaje de la aeronave. [7] También se utiliza como radar de alerta temprana, radar de onda y sensores de proximidad. El desplazamiento Doppler no siempre es necesario para la detección cuando se utiliza FM. Si bien las primeras implementaciones, como el altímetro de radar APN-1 de la década de 1940, se diseñaron para rangos cortos, los radares Over The Horizon (OTHR), como la Red de radar operacional Jindalee (JORN), están diseñados para inspeccionar distancias intercontinentales de algunos miles de kilómetros.
En este sistema, la señal transmitida de una onda continua de frecuencia estable conocida varía en frecuencia hacia arriba y hacia abajo durante un período fijo de tiempo mediante una señal moduladora. La diferencia de frecuencia entre la señal de recepción y la señal de transmisión aumenta con el retardo y, por lo tanto, con la distancia. Esto difumina o desdibuja la señal Doppler. Los ecos de un objetivo se mezclan luego con la señal transmitida para producir una señal de batido que dará la distancia del objetivo después de la demodulación.
Son posibles diversas modulaciones, la frecuencia del transmisor puede subir y bajar de la siguiente manera:
La demodulación de alcance está limitada a 1/4 de la longitud de onda de la modulación de transmisión. El alcance instrumentado para FM de 100 Hz sería de 500 km. Ese límite depende del tipo de modulación y demodulación. En general, se aplica lo siguiente:
El radar informará una distancia incorrecta en el caso de reflexiones provenientes de distancias que estén más allá del alcance instrumentado, como por ejemplo desde la luna. Las mediciones de alcance FMCW solo son confiables hasta aproximadamente el 60 % del alcance instrumentado, o aproximadamente 300 km para FM de 100 Hz.
La modulación de diente de sierra es la más utilizada en radares FM-CW donde se desea obtener alcance para objetos que carecen de partes giratorias. La información de alcance se mezcla con la velocidad Doppler utilizando esta técnica. La modulación se puede desactivar en exploraciones alternas para identificar la velocidad utilizando el cambio de frecuencia de la portadora no modulada. Esto permite determinar 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 retardada de la forma de onda transmitida (roja). La frecuencia transmitida se utiliza para convertir la señal recibida a banda base , y la cantidad de cambio de frecuencia entre la señal transmitida y la señal reflejada aumenta con el retardo de tiempo (distancia). El retardo de tiempo es, por lo tanto, una medida del rango; una pequeña dispersión de frecuencia se produce por reflexiones cercanas, una dispersión de frecuencia mayor corresponde a un mayor retardo de tiempo y un rango más amplio.
Con la llegada de la electrónica moderna, el procesamiento de señales digitales se utiliza para la mayoría de los procesos de detección. Las señales de batido pasan a través de un convertidor analógico a digital y se realiza un procesamiento digital del resultado. Como se explica en la literatura, la medición de distancias FM-CW para una forma de onda de rampa lineal se da en el siguiente conjunto de ecuaciones: [7]
Luego , reordena de una manera más útil:
Es entonces 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 modulación de frecuencia sinusoidal se utiliza cuando se requieren tanto el alcance como la velocidad simultáneamente para objetos complejos con múltiples partes móviles, como aspas de turbinas, aspas de helicópteros o hélices. Este procesamiento reduce el efecto de la modulación de espectros complejos producida por las partes giratorias que introducen errores en el proceso de medición del alcance.
Esta técnica también tiene la ventaja de que el receptor nunca necesita dejar de procesar señales entrantes porque la forma de onda de modulación es continua sin modulación de impulso.
El receptor elimina la FM sinusoidal en las reflexiones cercanas porque la frecuencia de transmisión será la misma que la frecuencia que se refleja en el receptor. El espectro de los objetos más distantes contendrá más modulación. La cantidad de dispersión del espectro causada por la modulación que circula sobre la señal de recepción es proporcional a la distancia hasta el objeto que refleja.
La fórmula del dominio del tiempo para FM es:
Se introduce un retardo de tiempo en el tránsito entre el radar y el reflector.
El proceso de detección convierte la señal de recepción en una señal de transmisión, lo que elimina la portadora.
La regla de 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 forma similar a la estrategia de demodulación del receptor utilizada con la compresión de pulsos. Esto se lleva a cabo antes del procesamiento de detección CFAR Doppler . Se necesita un índice de modulación grande por razones prácticas.
Los sistemas prácticos introducen FM inversa en la señal de recepción mediante procesamiento de señal digital antes de utilizar el proceso de transformada rápida de Fourier para producir el espectro. Esto se repite con varios valores de demodulación diferentes. El rango 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 utilizadas con el radar de onda continua: radar monoestático y radar biestático .
La antena de recepción del radar está ubicada cerca de la antena de transmisión del radar en el radar monoestático .
Por lo general, se requiere una señal nula de alimentación directa para eliminar la fuga entre el transmisor y el receptor y aumentar la sensibilidad en sistemas prácticos. Esto se suele utilizar con receptores de radar de seguimiento de ángulo de onda continua (CWAT) que son interoperables con sistemas de misiles tierra-aire .
La onda continua interrumpida se puede utilizar para eliminar la filtración entre la antena de transmisión y la de recepción. 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.
En el caso de los radares biestáticos, la antena receptora del radar está situada lejos de la antena transmisora . El transmisor es bastante caro, mientras que el receptor es bastante económico y desechable.
Esto se utiliza normalmente con radares semiactivos, incluidos 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 similar a como lo hace un reflector . La antena transmisora también emite una señal omnidireccional .
El receptor utiliza dos antenas: una antena dirigida al objetivo y otra antena dirigida a la antena de transmisión. La antena de recepción que está dirigida a la antena de transmisión se utiliza para desarrollar el nulo de paso , que permite que el receptor de destino funcione de manera confiable en el haz principal de la antena o cerca de él.
El par de receptor y transmisor FM-CW biestático también puede adoptar la forma de un sistema de reducción de rampa por aire (OTAD). Un transmisor OTAD transmite una señal FM-CW en dos canales de frecuencia diferentes: uno para la sincronización del receptor con el transmisor y el otro para iluminar la escena de medición. Mediante antenas directivas, el receptor OTAD recoge ambas señales simultáneamente y mezcla la señal de sincronización con la señal de eco convertida a la baja de la escena de medición en un proceso conocido como reducción de rampa por aire. La frecuencia de la señal reducida es proporcional al alcance 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 radares FM-CW utilizan una antena transmisora y varias antenas receptoras. Debido a que el transmisor está encendido continuamente a 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 el rastreo de radar semiactivo .
En los sistemas prácticos, la señal de transmisión se filtrará hacia el receptor. Se producirán fugas significativas debido a las reflexiones ambientales cercanas, 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.
Por razones prácticas, se deben utilizar enfoques nulos y de filtro con radares biestáticos, como el rastreo con radar semiactivo , 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, lo que aumenta el costo.
La interrupción se aplica a los sistemas de radar monoestáticos portátiles y económicos (radares policiales y de artículos deportivos). Esto resulta poco práctico para los sistemas biestáticos debido al coste y la complejidad asociados a la coordinación del tiempo con precisión de nanosegundos en dos lugares 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 tiempo en asentarse.
El enfoque nulo toma 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 establecen 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 método de filtrado 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 millas por hora a 100 millas por hora, según el 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 CW, las características de rendimiento son suficientemente similares a los sistemas CW interrumpidos en grupo con radar 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 cada constante de tiempo. La reducción de la fuga 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 momento en que comienza el 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 lo conoce comúnmente como "onda continua interrumpida modulada en frecuencia" o FMICW.
Debido a su simplicidad, los radares de CW son económicos de fabricar, relativamente libres de fallos, económicos de mantener y totalmente automatizados. Algunos son lo suficientemente pequeños como para llevarlos en un bolsillo. Los sistemas de radar de CW más sofisticados pueden lograr detecciones precisas de manera confiable a más de 100 km de distancia y, al mismo tiempo, proporcionar iluminación para misiles.
La rampa FMCW se puede comprimir para proporcionar ganancias adicionales en la relación señal/ruido, de modo que no se necesita la potencia adicional que requeriría un radar de pulsos que no utiliza 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 azimutal, lo que proporciona una relación señal/ruido superior 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 radares de bajo consumo, discretos y económicos.
El rendimiento del CW es similar al del radar Pulse-Doppler por este motivo.
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 a qué medición de velocidad cuando hay más de un objeto en movimiento cerca del receptor, pero la información de amplitud no es útil sin la medición de la distancia 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 opacados por los reflejos que ingresan a los lóbulos laterales de la antena desde objetos grandes ubicados a un lado, por encima o detrás del radar, como árboles con el viento soplando a través de las hojas, pasto alto, superficie del mar, trenes de carga, autobuses, camiones y aviones.
Los sistemas de radar pequeños que carecen de modulación de alcance solo son confiables cuando se utilizan con un objeto en un entorno estéril, libre de vegetación, aeronaves, pájaros, fenómenos meteorológicos 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 de la carretera no observado 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 de la ley, 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 de un 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 es más pequeña que 12 pulgadas (0,3 metros). Los lóbulos laterales significativos de la antena se extienden en todas las 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 la supresión de lóbulos laterales y la modulación de rango FM. No hay forma de saber la dirección de la señal que llega sin la supresión de lóbulos laterales, lo que requiere dos o más antenas, cada una con su propio receptor individual. No hay forma de saber la distancia sin la modulación de rango FM.
Para identificar un objeto individual se necesitan velocidad, dirección y distancia.
Estas limitaciones se deben a las limitaciones bien conocidas de la física básica que no se pueden superar 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)
\right\}\,}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a81f902951e8fadfedd127fca23ac60335717bab)
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