Современные радары: принципы работы и преимущества

Современные радары: принципы работы и преимущества

09.08.2021

Радарные датчики - это современная сенсорная технология, которая имеет все шансы стать ключевой во многих областях нашей жизни.

Что же такое радар и как он работает?

Расскажем о них немного подробнее.

1.1 Что такое радар?

Буквально слово RADAR (Radio Detection And Ranging) означает «радиообнаружение и дальнометрия». Это активный метод передачи и приема данных в микроволновом диапазоне ГГц. Иными словами, радарные датчики используются для бесконтактного обнаружения, отслеживания и позиционирования одного или нескольких объектов с помощью электромагнитных волн.

1.2 Принцип работы радарного обнаружения

Антенна радара излучает сигнал в виде радиолокационных волн, которые движутся со скоростью света и не воспринимаются людьми. Когда волны ударяются об объекты, сигнал изменяется и отражается обратно на датчик, аналогично эху. Сигнал, поступающий на антенну, содержит информацию об обнаруженном объекте. Затем полученный сигнал обрабатывается для идентификации и позиционирования объекта с использованием собранных данных.

1.3 Характеристики радарной технологии

Бесконтактность: принцип измерения радарным обнаружением предполагает полное отсутствие контакта. Датчик не обязательно должен иметь прямой контакт с обнаруживаемым материалом или объектом. Радар надежно измеряет и обнаруживает даже на больших расстояниях от прибора до объекта.

Анонимность: радарные датчики часто используются в промышленности, автомобилестроении и прочих областях. Радар не создает изображение – он просто образует своего рода облако точек, которое дает приблизительное представление о контурах объектов и инфраструктуре окружающей среды. В отличие от снимков камеры видеонаблюдения, людей на радарном отображении невозможно идентифицировать.

Исчерпывающие данные: радарные датчики одинаково эффективно обнаруживают и объекты в движении, и неподвижные объекты. Это могут быть люди, животные, транспортные средства. Доступны такие данные, как направление движения, скорость, расстояние и угловое положение относительно датчика.

Многомерное обнаружение: в зависимости от модуляции, радар собирает обширные данные об окружающей среде. Это позволяет датчикам также регистрировать окружающую среду в трех измерениях, как это делает человеческий глаз.

Широкий диапазон изменения: радиолокационные волны свободно распространяются в атмосфере. В зависимости от технического развития и назначения датчика, при необходимости можно настроить экстремальные диапазоны. Для коммерческого применения диапазон покрытия обычно варьируется от одного сантиметра до нескольких сотен метров.

Проникновение в материал: электромагнитные волны радарных датчиков проникают в различные материалы. В частности, пластмассы очень хорошо подходят для покрытия или конструирования обтекателя - куполообразного защитного кожуха для антенны. Это позволяет незаметно интегрировать датчики в дизайн продукта.

 

1.4 Преимущества радиолокационной техники

Основываясь на свойствах радара, технология предлагает определенные преимущества для соответствующего применения.

Почему радар – лучший выбор для вашего объекта:

  • не зависит от погодных условий
  • переносит сильную жару и холод
  • работает в условиях неравномерного освещения (темно или слишком ярко)
  • не требует обслуживания
  • предлагает большой набор функций (измерение расстояния и скорости, отслеживание, позиционирование объектов, определение ETA, классификация объектов, подсчет людей)
  • подходит для внутреннего и наружного использования
  • может использоваться в разных сферах деятельности.

Радары чаще всего отличаются компактным дизайном и простотой интеграции.

1.5 Отличие радаров от других сенсорных технологий

У разных методов измерения есть свои сильные и слабые стороны. В зависимости от приложения пользователи должны учитывать, какая сенсорная технология предлагает наибольшую стоимость и решает соответствующие задачи. В следующей таблице представлен приблизительный обзор:

Уровень исполнения

Особенности

Радар

ИК

Ультразвук

Лазер

Гибкость приложения

Наилучший

Плохой

Плохой

Плохой

Устойчивость к влаге, грязи и температуре

Наилучший

Плохой

Плохой

Плохой

Скорость обнаружения

Наилучший

Плохой

Хороший

Наилучший

Точность, чувствительность

Наилучший

Плохой

Наилучший

Наилучший

Разрешающая способность

Наилучший

Плохой

Наилучший

Наилучший

Возможность направления

Наилучший

Хороший

Хороший

Плохой

Измерение расстояния

Наилучший

Хороший

Плохой

Наилучший

Проникновение в материалы

Наилучший

Плохой

Плохой

Плохой

Размер решений

Наилучший

Наилучший

Наилучший

Плохой

Цена

Хороший

Наилучший

Наилучший

Плохой

 

2. Параметры радарной технологии

Не все радары одинаковы.

Датчики часто различаются по функциям и свойствам: в зависимости от сферы применения, для проведения желаемого измерения требуются разные конфигурации. Различия между разными типами радаров определяются двумя основными параметрами: используемой полосой частот и модуляцией.

2.1 Диапазон частот

Метод измерения с помощью радара передает и принимает электромагнитные волны в определенном частотном диапазоне. Из-за различных физических свойств диапазон радарных датчиков делится на разные градации. А определенные диапазоны частот помечены буквами, обозначающими диапазон частот. Это название определено такими организациями, как IEEE и НАТО, и признано во всем мире.

Техническая связь с помощью радиолокационных волн обычно регулируется национальными властями и международными ассоциациями. Именно они определяют пределы мощности оборудования и утверждают диапазоны частот.

Типичный спектр действия коммерческих радаров составляет от 10 до 120 ГГц. Разработчики используют разные рабочие диапазоны в зависимости от применения и технических характеристик приборов.  Выбор частоты передачи и приема также влияет на достижимые характеристики радара.

Например, радары 10 ГГц даже проникают сквозь стены, в то время как датчики в диапазоне 60 ГГц или 77 ГГц поддерживают более высокое разрешение из-за более высокой разрешенной полосы пропускания. Зато неоспоримым преимуществом датчиков 24 ГГц является их признание и одобрение во всем мире.

2.2 Модуляция

Часто тип радара также определяется путем указания используемого метода работы радара. На сигнал радара влияет выборочная модуляция частоты передачи. Распространенными типами радаров являются CW, FSK и FMCW.

  • CW означает «непрерывная волна». Датчик передает и принимает сигнал одновременно и непрерывно (фиксированная частота передачи). Этот тип также известен как немодулированный радар непрерывного действия.
  • FSK означает «частотная манипуляция». Это особый тип радаров FMCW, которые попеременно переключаются между двумя частотами.
  • FMCW - это аббревиатура от «частотно-модулированной непрерывной волны». Радиолокаторы непрерывного действия с частотной модуляцией не используют фиксированную частоту передачи, а используют зависящую от времени переменную модуляцию частоты (постоянную, циклическую и криволинейную), также называемую «чирпом».

Выбор типа радара зависит от объекта обнаружения и требуемой информации об объекте.

3. Возможности радарной технологии3.1 Измеримая радиолокационная информация и анализ

Радиолокационное обнаружение может использоваться для обнаружения присутствия или движения объектов, или живых существ. В зависимости от модуляции и конфигурации антенны можно получить следующую информацию:

  • скорость (точные данные о скорости объекта)
  • расстояние (данные о расстоянии до одного или нескольких объектов)
  • направление движения (направление движения объекта)
  • угол (определение угла падения)

С помощью аналогового и цифрового анализа сигналов можно также получить дополнительную информацию из этих базовых значений. Например, интеллектуальные алгоритмы могут использоваться для создания кластеров радаров, которые затем отображают историю движения. И эти объекты тоже можно классифицировать. На основе анализа сигнала радар использует необработанные данные, такие как поперечное сечение радара (RCS), чтобы определить, является ли данный объект человеком или транспортным средством. При наличии справочных значений можно также определить предельные значения, объемы заполнения или время прибытия.

3.2 Точность измерения

Точность измерения зависит от временного интервала, в котором проводится измерение. Чем дольше обнаруживается объект, тем больше показаний получает радар. Чем больше данных доступно для анализа, тем более значимым и надежным будет обнаружение.

3.3 Конструкция антенны

Благодаря конструкции антенны разработчики радара определяют дальность действия датчика. Изменение расположения антенны направляет излучение радиолокационных волн. Схема антенны показывает, в каком направлении антенна излучает больше всего энергии. Используя направленные антенны, разработчики проектируют форму и диапазон таким образом, чтобы можно было добиться максимального усиления антенны. Это позволяет сосредоточить энергию на желаемом угле обзора и уменьшить потери энергии.

Область обнаружения может быть узкой и удлиненной, но при этом оставаться широкой. Дизайн зависит от последующего применения. Новый метод заключается в передовой технологии MIMO, которая сочетает в себе использование нескольких передающих и приемных антенн.

3.4 Радиолокационные волны и материалы

Радиолокационные волны свободно распространяются в атмосфере. Когда волны достигают объекта, на сигнал влияет материал, из которого состоит объект. И разные материалы по-разному влияют на радиолокационные волны. Они полностью либо частично поглощаются или отражаются. Лучи радара также проникают через различные вещества.

В отношении радаров 24 ГГц ситуация выглядит следующим образом:

Материал

Поглощение

Отражение

Металл

Нет

Прямой угол падения: полный

Диагональный угол падения: возможно преломление и частичное отражение

Дерево
(в зависимости от влажности)

От среднего к высокому

Низкое

Вода

Очень высокая

В зависимости от угла падения: возможно частичное или полное отражение

Пены
(например, пенополистирол, для крыш)

Низкое

Нет

Пластики

От низкого до высокого (в зависимости от материала и толщины)

От низкого до высокого (в зависимости от материала, толщины и расстояния)

 

3.5 Диапазон

Есть разные варианты: в промышленном, коммерческом и автомобильном секторах радары могут проводить измерения на расстоянии от нескольких сантиметров до нескольких сотен или тысяч метров. То, как далеко может измерять радар, зависит от различных факторов.

Как правило, чем дальше находится объект, тем труднее его обнаружить. Объекты с низким RCS (сечение радара) также труднее обнаружить на расстоянии. В конце концов, сигнал должен пройти длинный путь связи туда и обратно. Это вызывает потери сигнала, например, из-за влияния окружающей среды или мешающих факторов. Чем выше мощность передачи и приема, тем лучше сигнал после прохождения длинного пути отражения.

Дальность действия радара всегда ограничена выбранной полосой частот, которая определяет доступную длину волны и ее частоту, мощность передачи также ограничивается правилами. В то же время мощность приема определяется усилением антенны и ее конструкцией. За счет конструкции направленности антенны (например, сильной фокусировки) и интеграции нескольких антенн разработчики достигают высокой чувствительности. Однако это приводит к увеличению шума, который необходимо подавить с помощью дополнительных технических работ.

При разработке радара достигается оптимальное соотношение между дальностью, зоной покрытия и разрешением для соответствующего применения, а также необходимые технические работы для минимизации нежелательных побочных эффектов.

3.6 Классификация объектов

Одна из дополнительных функций радиолокационных устройств - классификация объектов, которая требует наличия обширной информации об объекте. Это достигается за счет высокого разрешения, поскольку тогда можно обнаружить больше точек измерения объекта. Затем выполняется классификация с использованием интеллектуальных алгоритмов обработки сигналов. Например, в приложениях, связанных с дорожным движением, можно идентифицировать объект как определенный класс транспортного средства на основе длины транспортного средства (насколько далеко объект простирается в пространстве).

Однако такие измерения, как сечение радара (RCS), скорость или информация о шаблонах движения, также помогают отнести объекты к определенному типу. Например, у человека значение RCS отличается от значения RCS для автомобиля. Используя доступные данные и соответствующее программирование, можно делать утверждения о классификации объекта, например, в терминах категорий «человек, транспортное средство, животное или другое».

3.7 Разрешение

Разрешающая способность радара - это способность радиолокационных датчиков и систем различать цели друг от друга (дифференцируемость). В следующем обзоре показаны различные решения для радаров.


1
D-РАДАР (CW)

2D-РАДАР (FSK)


3
D-РАДАР
(
FMCW MIMO)


4
D-РАДАР
(
FMCW MIMO)

Разделение объектов через скорость

Нет разделения объектов с одинаковой скоростью. (определение местоположения объекта невозможно).

Разделение объектов через скорость и расстояние

Здесь нет разделения объектов с одинаковой скоростью и расстоянием. (Расположение объектов в одномерном окружении, без угловой информации).

Разделение объектов через скорость, расстояние и угол смещения

Разделяются объекты с одинаковой скоростью, расстоянием и угловым положением. Возможно размещение объектов в двухмерной среде.

Разделение объектов через скорость, расстояние и угол (горизонтальный, вертикальный)

Разделяются объекты с одинаковой скоростью, расстоянием и угловым положением. Возможно размещение объектов в трехмерной среде.

CW (непрерывная волна)

Радары широко используются во многих приложениях обнаружения движения.

Радары с частотной манипуляцией (FSK) также разделяют объекты только в зависимости от их скорости, но также имеют преимущество измерения расстояния.

FMCW (частотно-модулированная непрерывная волна)

Радары используются, когда одного измерения скорости недостаточно.

Если радар имеет только 1 канал передачи и приемника, можно измерить расстояние до объекта, но не его угловое смещение.

3D-РАДАР (FMCW MIMO)

Устройства имеют несколько передающих и принимающих антенн. Любой передаваемый сигнал может быть принят любой антенной.

Специальное расположение нескольких антенн улучшает пространственное разрешение и снижает восприимчивость к помехам.

4D-РАДАР (FMCW MIMO)

По сравнению с трехмерным радаром, четырехмерный радар также имеет несколько смещенных антенн по углу места и, таким образом, может разделять обнаружение по углу места.

Это позволяет выполнить локализацию в 3D-среде.

 

4. Структура радара

В дополнение к его входной части (микроволновый компонент с антенной структурой) полный радарный датчик состоит из блоков для преобразования и обработки сигналов. Эти базовые элементы можно дополнить обтекателем, корпусом, линзой и держателем компонентов.

Благодаря конструкции антенны передняя часть играет ключевую роль, поскольку она включает в себя датчик и устанавливает параметры для последующих функций. Обработка анализирует и интерпретирует сигналы, поступающие от внешнего интерфейса. Это необходимо для того, чтобы дать пользователям понятное значение для отдельных необработанных обнаруженных радаров посредством назначения единиц измерения и эталонов.

Внешний интерфейс радара передает и принимает электромагнитные микроволны. Эти результирующие сигналы затем направляются в процессор обработки сигналов. Для защиты антенны и электронных компонентов радар как правило оснащен кожухом. Техники называют крышку антенны обтекателем. Помимо защиты передней части, он также используется для фиксации антенны. Некоторые радары также имеют специальную линзу, используемую для фокусировки луча радара. Другой компонент радара - это интерфейс, необходимый для вывода и передачи радиолокационной информации другим техническим продуктам.

Как выбрать радар, необходимый именно вам?

Мы предлагаем широкий спектр радаров - от простых детекторных радаров до радаров высокого класса. Решения различаются по своему техническому исполнению, функциям и оснащению.

В то время как передняя часть состоит из самого радиолокационного компонента, то есть антенны, датчиков и систем, уже есть дополнительные технические разработки для преобразования и обработки сигналов, которые облегчают использование этой технологии.

Какой уровень продукта подходит для решения ваших задач, во многом зависит от ваших индивидуальных технических знаний, возможностей разработки, последующего использования и сложности измерительной задачи. Наша система поиска продуктов позволяет вам сделать предварительный выбор на основе различных параметров.

Наши технические специалисты смогут ответить на ваши вопросы о радарах и их применении и помогут выбрать подходящее оборудование.


Смотрите также

Для того, чтобы система охраны объектов работала на 100% эффективно, разработаны строгие правила ее установки и эксплуатации. И некоторые из них способны объективно обеспечить владельцу дополнительные расходы и трудности.

Современные тепловизионные комплексы позволяют не только осуществлять непрерывный контроль температуры тела человека без прямого контакта, но и с минимальной погрешностью определять потенциальных носителей инфекции в местах массового скопления людей. Сегодня такие системы измерения температуры успешно используются в борьбе с целым рядом опасных вирусных заболеваний и прежде всего – с COVID-19.



*** Обращаем ваше внимание на то, что данный интернет-сайт носит исключительно информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, определяемой положениями Статьи 437 (2) ГК РФ.