Radar fali ciągłej z modulacją częstotliwości lub radar FMCW to specjalny rodzaj systemu radarowego, który mierzy zarówno odległość, jak i prędkość poruszających się obiektów. Osiąga się to poprzez ciągłą zmianę częstotliwości nadawanego sygnału za pomocą sygnału modulującego ze znaną szybkością w ustalonym okresie czasu. Różnorodne techniki modulacji częstotliwości, takie jak modulacja piłokształtna, modulacja trójkątna, modulacja sinusoidalna, są najczęściej stosowane do zmiany wzorca częstotliwości emitowanej fali radiowej. Systemy radarowe FMCW mierzą różnicę częstotliwości (Δf, ze względu na czas pracy) między nadawanym i odbieranym sygnałem echa w celu obliczenia odległości, a także mierzą częstotliwość Dopplera (ze względu na efekt Dopplera) w celu obliczenia prędkości obiektu.

.W systemie FMCW antena nadajnika emituje ciągłe fale radiowe o modulowanej częstotliwości, a odbity sygnał od celu jest odbierany przez antenę odbiorczą. Sygnał wyjściowy anteny odbiorczej podawany jest do stopnia mieszającego odbiornika za pośrednictwem przedwzmacniacza. W obwodzie mieszacza część nadawanego sygnału o modulowanej częstotliwości jest mieszana z sygnałem odebranym, tworząc nowy sygnał, który może być wykorzystany do określenia odległości (R) lub prędkości poruszającego się obiektu. Częstotliwość nowego sygnału to różnica między częstotliwością sygnału nadawanego i odbieranego (odbitego). Teraz sygnał z wyjścia miksera przechodzi przez filtr dolnoprzepustowy, w którym odfiltrowywane są sygnały zakłócające (niepożądane sygnały echa z nieruchomych obiektów, takich jak budynki, wzgórza). Na koniec sygnał przechodzi przez wzmacniacz, przetwornik A/D, a następnie jest podawany do komputera w celu przetworzenia w celu obliczenia odległości i prędkości obiektu.

UWAGA. W celu wprowadzenia w tematykę  radarów FMCW proponuje rozpocząć kolejny artykuł z  tej dziedziny od omówienia zastosowania w/w radarów w technice motoryzacyjnej. Zrozumienie fizyki pomiaru parametrów prędkości i odległości miedzy dwoma pojazdami w ruchu  pozwoli na płynne wprowadzenie w technikę pomiarową prędkości wylotowej pocisków, co jest zasadniczym celem przedstawionego  artykułu.

US4348675 FM-CW RADAR SYSTEM FOR USE IN AN AUTOMOTIVE VEHICLE, Honda, Senzaki et al. Przedmiotem patent jest radar dopplerowski do kontroli odległości w odstępach między dwoma pojazdami w celu zapobiegania przypadkowej kolizji, szczególnie podczas jazdy w korkach, który ostrzega kierowcę lub uruchamia hamulec pojazdu.

FIGA.1 jest schematycznym diagramem przedstawiającym zasadę działania ogólnego systemu radarowego typu FM-CW; FIGA.2 jest schematem blokowym pokazującym ogólną budowę konwencjonalnego systemu radarowego typu FM-CW do zastosowania w pojeździe samochodowym. FIGA.3 przedstawia schematyczny widok przedstawiający typowy stan położenia dwóch obiektów przed pojazdem wyposażonym w system radarowy; FIGA.4 jest schematem blokowym przedstawiającym korzystny przykład wykonania niniejszego wynalazku; FIGA.5 jest reprezentacją graficzną pokazującą charakterystykę wyjściową dzielnika kanałów w pierwszym przykładzie wykonania wynalazku; FIGA. 6 jest graficzną ilustracją pokazującą typowe charakterystyki wyjściowe detektora zastosowanego w pierwszym przykładzie wykonania pokazanym na FIG.4; RYS.7,8 są podobnymi reprezentacjami graficznymi pokazującymi charakterystykę wyjściową obwodu regulacji przesunięcia, gdy nie ma obiektu i gdy jest obiekt, odpowiednio, również zawarte w tym samym pierwszym przykładzie wykonania; FIGA.9 jest schematem blokowym pokazującym inny przykład wykonania niniejszego wynalazku; FIGA.10 jest schematem blokowym pokazującym przykładową konstrukcję multifiltra w praktyce według wynalazku; FIGA.11 jest reprezentacją graficzną pokazującą przykładowe osiągi filtrów składowych od 21l do 21n w multifiltrze 20; FIGA.12 jest graficzną reprezentacją pokazującą rozkład częstotliwości z multifiltra w praktyce w wynalazku; FIGA.13 jest reprezentacją graficzną pokazującą zasadę identyfikacji obiektów według wynalazku; FIGA.14 jest również reprezentacją graficzną pokazującą zależność między  charakterystykami wyjścia detekcyjnego a stanem otwartej bramki, zgodnie z praktyką w wynalazku.

Aby zapewnić lepsze zrozumienie niniejszego wynalazku, opis patentowy zawiera  ogólne wyjaśnienie podstawowej zasady działania tak zwanego systemu radarowego typu FM-CW, którego przedmiotem jest w/w wynalazek. Według FIG.1,  generowana fala radiowa D1 (emitowana w kierunku obiektu), jest modulowana w sposób piłokształtny tzn. przez wzrost liniowy  do poziomu fo+∆f, a następnie spadek malejący z powrotem do fo w odstępie czasu lub cyklu Tm.  W trakcje odbiorczym  odbitej fali  D2 od obiektu   uzyskuje się przesunięcie fazowe między dwiema falami o czas propagacji tR.  Przy takim przesunięciu fazowym wytwarzana jest częstotliwość dudnień fR, która jest  proporcjonalna do czasu propagacji tR lub odległości X do  obiektu, co zapewnia pośredni pomiar odległości X oraz prędkość Vr ruchu obiektu względem systemu radarowego , według załączonych wzorów : tR=2X/c; fr=(2/Tm)∆ftR; dX/dt = Vr.

Fig.2 przedstawia konwencjonalny system radarowy typu FM-CW specjalnie zaprojektowany do zainstalowania w pojeździe samochodowym, aby mógł działać w celu wykrywania odległości interwałowej i względnej prędkości między tym pojazdem a obiektem zbliżającym się lub towarzyszącemu mu, w celu określenia odpowiedniego  lub bezpiecznego odstęp między nimi poprzez  wysłanie  odpowiednio polecenia koniecznego do ostrzeżenia kierowcy tego pojazdu lub polecenia uruchomienia hamulca pojazdu. Klasyczny system radarowy typu FM-CW stosowany w pojeździe samochodowym Fig.2  emituje  sygnał FM-CW , który powstaje w wyniku  modulowania częstotliwości oscylacyjnej fo z oscylatora 1 na zadaną częstotliwość za pomocą modulatora 2,  z  którego zmodulowany sygnał trafia do  anteny 5 przez sprzęgacz kierunkowy 3 i cyrkulator 4. Odbity sygnał od obiektu z anteny 5 trafia prze cyrkulator 4 do, mieszacza 6,  gdzie w wyniku mieszania z falą transmitowaną rozgałęzioną ze wspomnianego sprzęgacza kierunkowego 3  uzyskiwany jest sygnał dudnień  o częstotliwości fR, , który następnie po wzmocnieniu za pomocą wzmacniacza sygnału wideo 7 do pożądanego poziomu napięcia, jest wysyłany  do licznika częstotliwości 8 w celu odczytania jego  częstotliwości. Odczyt wartości częstotliwości dudnienia  trafia do do procesora sygnału 9 w celu określenia odstępu X  miedzy pojazdami i prędkości względnej Vr na podstawie operacji arytmetycznej zgodnie z w/w wzorami. Jednocześnie, istniejący odpowiedni odstęp dla pojazdu bezpieczeństwa Xs jest określany zgodnie z wcześniej określoną funkcją, w której odpowiedni odstęp dla pojazdu bezpieczeństwa jest wcześniej przechowywany w odniesieniu do istniejącego sygnału prędkości Vs dostarczanego przez prędkościomierz pojazdu lub podobny i obliczoną prędkość względną Vr  w  odniesieniu do obiektu uzyskany w ten sposób odstęp Xs pojazdu bezpieczeństwa jest następnie porównywany z istniejącym rzeczywistym odstępem X, a jeżeli Xs<X, generowane jest ostrzeżenie dla kierowcy pojazdu lub polecenie uruchomienia hamulca pojazdu.

 

Według  przykładu wykonania konstrukcji systemu radarowego typu FM-CW wiązka fal radiowych o częstotliwości j modulowanej FM-CW  jest emitowana z anteny 5, która odbiera równocześnie odbitej do fale powrotne są  od wielu obiektów.  Odebrane fale i fala nadawana są następnie mieszane przez mikser 6 w celu wytworzenia częstotliwości dudnienia. Każda z takich częstotliwości dudnień składa się z fal odbitych przez antenę 5 od różnych obiektów. Ponieważ taki sygnał jest zbyt słaby do dalszego przetwarzania, jest on następnie wzmacniany do pewnego poziomu napięcia wymaganego przez kolejny wzmacniacz wideo 7, a następnie podawany do dekodera kanałów 10, gdzie jest analizowany pod kątem jego częstotliwości składowych za pomocą grupy filtrów mających kanały o stosunkowo wąskich szerokościach pasma częstotliwości, Fig.5

Następnie każdy z tak otrzymanych sygnałów częstotliwości dudnienia jest dostarczany odpowiednio do bramki filtra 11 i detektora 12, gdzie dokonuje się operacji  bramkowania w celu wybrania kanałów w odpowiedzi na polecenia z procesora sygnałowego (CPU) 9′, umożliwiając w ten sposób przechodzenie przez nią tylko wstępnie wybranych wyjść kanałów, aby odczytać ich częstotliwości za pomocą licznika częstotliwości 8  i  podać jego zawartość do procesora sygnałowego (CPU) 9′, który działa tak, aby uzyskać odległość X i prędkość względną  Vr  względem określonego obiektu,  w celu zapewnienia odpowiedniego  odstępu bezpieczeństwa pojazdu Xs  w  świetle prędkości pojazdu Vs w tym momencie  i porównuje w ten sposób uzyskane wartości X i Xs, aby wygenerować ostrzeżenie dla kierowcy tego pojazdu lub polecenie uruchomienia hamulec pojazdu, odpowiednio.  Omawiany system radarowy posiada  obwód ekstrakcji sygnału w dziedzinie częstotliwości  przystosowany do analizowania częstotliwości dudnień, przy czym każdy kanał ma równą szerokość pasma częstotliwości i  zapewnia  selektywne przepuszczania sygnału odbitego przy czym częstotliwości dudnienia generowane przez fale odbite od powierzchni drogi itp. są z góry eliminowane jako szumy w odniesieniu do wyboru kanałów, co zmniejsza  błędy detekcji, a ponadto, możliwe jest znaczne zwiększenie czułości odbiornika dzięki tak korzystnemu tłumieniu  takich odbitych fal, dzięki czemu dolna granica wykrywalnego zasięgu obiektu może być stosunkowo niska. 

Teoretycznie, gdy na drodze nie ma obiektu, w każdym kanale powinien istnieć dany poziom odniesienia, ponieważ nie ma sygnału, ale faktycznie obserwuje się nierównomierność na wyjściach wypadkowych poszczególnych kanałów ze względu na odbite fale od nawierzchni drogi. W związku z tym trudno byłoby prawidłowo wykryć obiekt, jeśli taki istniał. Aby przezwyciężyć ten problem, sygnał wyjściowy z detektora 12 jest następnie przesyłany do obwodu regulacji przesunięcia 13 w celu zapewnienia wstępnej regulacji przesunięcia, tak aby sygnały wyjściowe kanałów okazały się równoważne, jak pokazano na FIG.7,8  gdzie jest reprezentacją graficzną pokazującą każdy sygnał wyjściowy kanału z regulacją przesunięcia, jak opisano powyżej, w przypadku, gdy istnieją dwa obiekty A i B w różnych odpowiednich odległościach, FIG.3, od przedmiotowego pojazdu C. Następnie każdy sygnał wyjściowy z obwód regulacji przesunięcia 13 jest podawany do multipleksera 14, gdzie jest przesuwany w celu próbkowania w kolejności począwszy od pierwszego kanału aż do ostatniego, a następnie przesyłany do konwertera A/C 15 w następnym etapie, gdzie jest konwertowany na sygnał cyfrowy sygnał, następnie przesyłany do procesora sygnałowego (CPU) 9′. Procesor sygnału (CPU) 9  jest przeznaczony do wykrywania kanału odpowiadającego wybranemu obiektowi w stosunku do poziomu wyjściowego w każdym kanale podanego przez przetwornik A/C 15 (kanał 4 z FIG.8) oraz do wysłania polecenia otwarcia bramka filtrująca 11 tak wybranego kanału, aby w ten sposób odbierać tylko sygnały częstotliwości dudnień tak określonego kanału.

US7667637, PLEP1735637  SYSTEM AND METHOD FOR RADAR DETECTION OF AN OBJECT  Weibel Scientific A/S, Pedersen et al., Data patent: 23.02.2010. Niniejszy wynalazek dotyczy systemu i sposobu radarowego pomiaru prędkości obiektów. W szczególności wynalazek dotyczy radarowego wykrywania prędkości początkowej pocisków przez równoczesne przesyłanie sygnału radarowego o fali ciągłej CW i sygnału radarowego o fali ciągłej FM-CW o modulowanej częstotliwości lub sygnału radarowego o wielu częstotliwościach MF. System radarowy posiada co najmniej cztery odbiorniki, przy czym pierwszy i drugi odbiornik są ustawione poziomo obok siebie, trzeci i czwarty odbiornik są ustawione poziomo obok siebie, a trzeci i czwarty odbiornik są ustawione pionowo poniżej odpowiednio pierwszego i drugiego odbiornika.

Fig.1a,1b,1c są schematami blokowymi, przedstawiającymi nadajnik i odbiornik połączonego systemu radarowego CW  i  FM-CW, według przykładu wykonania wynalazku; Fig.2 przedstawia odbiornik fali radarowej według przykładu wykonania wynalazku, mający 4 odbiorcze kanały antenowe; Fig.3a,3b są wykresami przedstawiającymi względne widmo częstotliwości nadawanej i odbieranej fali radarowej według przykładu wykonania wynalazku; Fig.4a,4b są wykresami przedstawiającymi zależności pomiędzy falami nadawanymi i odbieranymi przez system radarowe i sygnałami dudnionymi dla celu statycznego i celu poruszającego się, gdy nadawany sygnał jest sygnałem radarowym FM-CW o modulowanym zboczu; Fig.5a,5b są wykresami przedstawiającymi zależności pomiędzy falami 5 nadawanymi i odbieranymi przez system radarowe i sygnałami dudnionymi dla celu statycznego i celu poruszającego się, gdy nadawany sygnał jest sygnałem radarowym FM-CW modulowanym trójkątnie; Fig.6a,6b są schematami blokowymi, przedstawiającymi przetwarzanie odbieranych sygnałów radarowych, wykorzystuje system radarowy z 4 antenami 10 odbiorczymi według przykładu wykonania wynalazku; Fig.7a,7b przedstawiają częstotliwości piku dla odbieranych sygnałów CW i sygnałów FM-CW, uzyskiwanymi poprzez przetwarzanie przedstawione na Fig.6; Fig.8 przedstawia komparator fazy do określania różnic faz elewacji i azymutu z odbieranych sygnałów radarowych, według przykładu wykonania wynalazku; Fig.9 przedstawia tabelę prędkości obiektu, stanowiącą część przetwarzania odbieranych fal radarowych FM-CW dla trójkątnie ukształtowanego kształtu fali FM-CW według przykładu wykonania wynalazku; Fig.10 przedstawia sieć działań programu do określania odległości i prędkości obiektów wykrywanych przez radar dla trójkątnie ukształtowanego przebiegu fali 20 FM-CW według przykładu wykonania wynalazku; Fig.11 jest siecią działań, przedstawiającą procedurę dla uzyskiwania zapisu śladu dla obiektów wykrywanych przez radar, przechowującego informacje o wykrywanych częstotliwościach piku CW i FM-CW i wykrywanych różnicach faz azymutu i elewacji.

Fig.1 to schemat blokowy, przedstawiający nadajnik 110, Fig.1a, i odbiornik 120, Fig.1b, połączonego systemu radarowego CW i FM-CW, według przykładu wykonania wynalazku. Nadajnik 110 ma dwa modulatory, MOD1 i MOD2, sterujące częstotliwością wyjściowa dwóch sterowanych napięciowo oscylatorów, VCO1 i VCO2. Sygnał wyjściowy z pierwszego modulatora, MOD1, jest ustalony i dlatego częstotliwość wyjściowa VCO1  jest również ustalona przy częstotliwości bliskiej 10 GHz. Sygnał wyjściowy z drugiego modulatora, MOD2, jest albo sygnałem o zboczu narastającym, albo sygnałem trójkątnym. Drugi, sterowany napięciowo oscylator VCO2, wyprowadza odpowiadający sygnał modulowany częstotliwościowo bliski 10 GHz, przy czym częstotliwości sygnału wyjściowego przemiatają zakres 1-150 MHz. Częstotliwości wyjściowe z VCO1 i VCO2 są  rozdzielone co najmniej o 1 MHz. Sygnał VCO2 ma czas odczytania lub okres powtarzania zbocza Tr w zakresie 10-100 ms. Modulowany częstotliwościowo sygnał wyjściowy VCO2 może być sygnałem o modulowanym zboczu, sygnałem kształtowanym trójkątnie, mającym równe okresy czasu narastania i opadania zbocza, albo sygnał VCO2 może mieć różne okresy czasu narastania i opadania zbocza. Według pierwszego korzystnego przykładu wykonania, sygnał VCO2 jest sygnałem o modulowanym zboczu, mającym okres powtarzania zbocza Tr równy 20 ms, szerokość pasma BW 50 MHz i częstotliwość środkową 50 MHz. Według drugiego korzystnego przykładu wykonania, sygnał VCO2 jest sygnałem modulowanym trójkątnie, mającym okres narastania zbocza i opadania zbocza Tr równy 20 ms, szerokość pasma BW 50 MHz i częstotliwość środkową 50 MHz.  

Sygnał wyjściowy pierwszego oscylatora sterowanego napięciowo, VCO1, jest doprowadzany do filtra pasmowo – przepustowego BPF1, dla usunięcia niepożądanych składowych częstotliwości. Sygnał wyjściowy BPF1, LO1, jest sygnałem fali ciągłej, CW, o częstotliwości radarowej, który jest doprowadzany do sumatora 101  i wzmacniany przez wzmacniacz 102, oraz emitowany jako sygnał radarowy CW poprzez antenę 103. Sygnał wyjściowy drugiego oscylatora sterowanego napięciowo, VCO2, jest doprowadzany do filtra pasmowo – przepustowego BPF2, dla usunięcia niepożądanych składowych częstotliwości. Sygnał wyjściowy BPF2, LO2, jest sygnałem fali ciągłej  o modulowanej częstotliwości, FM-CW, o częstotliwości radarowej, który jest doprowadzany do sumatora 101 i wzmacniany przez wzmacniacz 102, oraz emitowany jako sygnał radarowy FM-CW poprzez antenę 103.

Kanał odbiornika 120 zawiera antenę 121 do odbioru odbijanych sygnałów radarowych, z sygnałem wyjściowym anteny doprowadzanym do filtra pasmowo-przepustowego 122, przy czym sygnał wyjściowy filtra 122 jest wzmacniany przez  wzmacniacz 123. Sygnał wyjściowy wzmacniacza 123 jest sygnałem o częstotliwości radarowej, RF, około 10 GHz, który jest doprowadzany do dwóch mieszaczy IQ, IQ MIX1 i IQ MIX2. Tutaj, IQ MIX1 jest mieszaczem nadawanego sygnału CW, LO1, z odbieranym sygnałem RF. Składowe niskiej częstotliwości sygnału wyjściowego zawierają sygnały dudnione, odnoszące się do prędkości obiektów, odbijających sygnał CW.  Inne składowe  częstotliwości są usuwane przez następujące filtry pasmowo-przepustowe 124,125.  IQ MIX2 jest mieszaczem FM-CW,  który miesza nadawany sygnał FM-CW, LO2, z odbieranym sygnałem RF. Składowe niskiej częstotliwości sygnału wyjściowego zawierają sygnały dudnione, odnoszące się do odległości i prędkości obiektów, odbijających sygnał FM-CW. Inne składowe częstotliwości są usuwane przez następujące filtry pasmowo -przepustowe 126, 127.

Każda ze składowych częstotliwości sygnałów na wyjściach I1 i Q1 odpowiada sygnałowi dudnienia wynikającemu z różnicy częstotliwości pomiędzy nadawanym sygnałem CW  i sygnałem odbijanym przez obiekt o prędkości promieniowej v względem  anteny. Ta różnica częstotliwości wynika z efektu Dopplera, wywoływanego przez prędkość obiektu, jako zależność pomiędzy tą prędkością i częstotliwością sygnału dudnienia, daną poprzez:  

gdzie fcw jest częstotliwością sygnału dudnienia (przesunięcie Dopplera), a λcw długością fali nadawanego sygnału CW. 

Analiza widmowa sygnałów na wyjściach I1 i Q1 służy do określenia wielkości i wartości częstotliwości sygnałów dudnionych w nich zawartych. Jest to osiągane w korzystnym przykładzie wykonania wynalazku przez digitalizację sygnałów na wyjściach I1 i Q1, grupowanie ich w (potencjalnie) nakładające się bloki o równej ilości próbek i wykonywanie FFT (Szybkiej transformaty Fouriera) dla każdego bloku próbek. Piki częstotliwości obserwowane w wynikowych, dyskretnych widmach, odpowiadają każdemu z występujących sygnałów dudnień. Każda ze składowych częstotliwości sygnałów na wyjściach I2 i Q2 odpowiada  sygnałowi dudnienia wynikającemu z różnicy częstotliwości pomiędzy nadawanym sygnałem FM-CW i sygnałem odbijanym przez obiekt, o prędkości promieniowej v i odległości R względem anteny.  Ta różnica częstotliwości wynika z liniowej modulacji częstotliwości nadawanego sygnału i efektu Dopplera, wywoływanego przez prędkość obiektu, jako zależność pomiędzy tą prędkością i zasięgiem obiektu oraz częstotliwością sygnału dudnienia, danymi poprzez:

dla modulacji częstotliwości zbocza narastającego.

Analiza widmowa sygnałów na wyjściach I2 i Q2 służy do określenia wielkości i wartości częstotliwości sygnałów dudnionych w nich zawartych. Jest to osiągane w korzystnym przykładzie wykonania wynalazku przez digitalizację sygnałów na wyjściach I2 i Q2, grupowanie ich w (potencjalnie) nakładające się bloki o równej ilości próbek i wykonywanie FFT (Szybkiej transformaty Fouriera) dla każdego bloku próbek. Piki  częstotliwości obserwowane w wynikowych, dyskretnych widmach, odpowiadają każdemu z występujących sygnałów dudnień.

Należy zauważyć, że nadajnik 110 i odbiornik 120 mogą mieć oddzielne anteny 103, 121, ale mogą one również współdzielić pojedynczą, wspólną antenę. Na Fig.1 pokazano jeden kanał anteny odbiorczej 120, mający antenę odbiorczą 121, ale poprzez posiadanie kilku kanałów anten odbiorczych, z odpowiadającymi im antenami odbiorczymi rozmieszczonymi w tej samej płaszczyźnie, możliwe jest wykrywanie różnic faz pomiędzy odpowiednimi odbitymi sygnałami radarowymi przez różne anteny odbiorcze. 

Należy rozumieć, że przy wykonywaniu radarowego wykrywania obiektu według wynalazku, z zastosowaniem systemu radarowego mającego anteny nadawcze i jedną lub więcej anten odbiorczych rozmieszczonych w tej samej płaszczyźnie i rozmieszczanych względnie blisko siebie, wówczas prędkość obiektu określana poprzez zastosowanie takiego systemu radarowego jest powiązana z prędkością promieniową obiektu. Ponadto, jeżeli system radarowy porusza się, wówczas prędkość obiektu odnosi się do względnej,  promieniowej prędkości obiektu. Promieniowa prędkość obiektu może być dana jako prędkość zasadniczo w kierunku linii biegnącej od środka obiektu do środka układu antenowego.

Fig.3a,3b są wykresami przedstawiającymi względne widmo częstotliwości sygnału radarowego nadawanego przez nadajnik 110  i odbieranego przez odbiornik 120 dla statycznego celu lub obiektu, zobacz Fig.3a, i ruchomego celu lub obiektu, zobacz Fig.3b. Nadawane widmo składa się z dwóch sygnałów, sygnału CW i FM-CW, których częstotliwości środkowe są oznaczone poprzez  f1 i f2 na rysunku. Sygnał CW jest sinusoidą o stałej amplitudzie i częstotliwości. Gdy ten sygnał uderza o poruszający się cel, odbity sygnał zbierany przez odbiornik będzie przesunięty w częstotliwości względem sygnału nadawanego o wielkość fd, zależną od prędkości promieniowej celu względem układu. Jest to wskazane na figurze przez przerywaną linię pokazaną na Fig.3b. Sygnał FM-CW jest sinusoidą o stałej amplitudzie, którego częstotliwość jest modulowana przez sygnał piłokształtny lub trójkątny, jak pokazano na Fig.4,5. Jeżeli iloczyn przedziału częstotliwości odchylania i czasu odchylania jest wystarczająco wysoki, to widmo częstotliwości nadawanego sygnału przybliża podstawę impulsu, którego szerokość jest przedziałem częstotliwości odchylania. Gdy sygnał uderza o poruszający się cel, widmo odbieranego sygnału będzie również przesunięte w częstotliwości o wielkość podobną do tej, która jest doświadczana przez sygnał CW. Na Fig.3b, nadawane widmo FM-CW jest otoczone linią ciągłą, podczas gdy widmo dla odbieranego sygnału jest otoczone linią przerywaną.

Fig.4a,4b są wykresami przedstawiającymi zależności pomiędzy falami nadawanymi i odbieranymi przez system radarowy 110, 120  i  sygnałami dudnionymi dla celu statycznego, zob. Fig.4a i celu poruszającego się, zob. Fig.4b, gdy nadawany sygnał jest sygnałem radarowym FM-CW o modulowanym zboczu.  Dla poruszającego się celu lub obiektu z Fig.4b, występuje częstotliwość Dopplera jak wskazano poprzez fd, a częstotliwość sygnału zdudnionego zbocza narastającego ffm-up, jest zmieniana zgodnie z częstotliwością Dopplera fd.  Na Fig.4a,4b szerokość pasma sygnału FM-CW jest wskazana przez BW, a okres powtarzania jest wskazany przez Tr.

 Fig.6a,6b są schematami blokowymi, przedstawiającymi przetwarzanie odbieranych sygnałów radarowych, stosujące system radarowy z 4 antenami odbiorczymi i 4 odpowiadającymi kanałami odbiorczymi, z 4 antenami rozmieszczonymi jak pokazano na Fig.2. Każdy z sygnałów 4 par sygnałów I1 i Q1 jest cyfrowy przez odpowiednie konwertery A/D, a cyfrowy sygnał Q1 jest doprowadzany do urojonej postaci jQ1 przez odpowiadającą jednostkę mnożenia „x j”. Każda para odpowiadających sobie  cyfrowych sygnałów I1 i jQ1 jest sumowana przez jednostkę sumującą, a na każdym z 4 zsumowanych sygnałów I1 + jQ1 wykonywana jest FFT (szybka transformata Fouriera), by w ten sposób otrzymać 4 odpowiednie sygnały wyjściowe FFT. Te 4 sygnały wyjściowe FFT są sumowane, a zsumowany sygnał FFT, który zawiera informacje o zsumowanych przesunięciach częstotliwości Dopplera CW, jest doprowadzany do  detektora piku. Sygnał wyjściowy z detektora piku, który odpowiada pikom częstotliwości sygnałów dudnień CW, jest przechowywany w jednostce przechowywania. Te 4 sygnały wyjściowe FFT dla sygnałów radarowych CW są dalej podawane do  komparatora fazy, zob. Fig.8, by określić różnice faz azymutu i elewacji z sygnałów radarowych odbieranych przez 4 anteny odbiorcze, odpowiadające wykrytym i zapisanym pikom częstotliwości CW.

Podobnie do przetwarzania sygnału CW, przedstawionego na Fig.6a, przetwarzanie odbieranych sygnałów radarowych FM-CW jest przedstawione na Fig.6b. Na Fig.7a są pokazane częstotliwości piku odpowiadające odbieranym sygnałom CW, podczas gdy na Fig.7b pokazano częstotliwości piku odpowiadające odbieranym sygnałom FM-CW.   Z przetwarzania sygnału przedstawionego na Fg.6a,6b i 8, uzyskiwane są zapisane wartości dla sygnałów piku CW  i odpowiadających prędkości obiektu CW i różnic faz  elewacji i azymutu CW. Zapisane wartości są również uzyskiwane dla sygnałów piku FM-CW   i odpowiadających różnic faz elewacji i azymutu. Jednak konieczne jest nadal określenie zasięgu lub odległości od wykrytych obiektów.  System radarowy, zawierający ponadto środki do, zapisu śladu, utrzymującego informacje o częstotliwości piku  CW i  FM-CW oraz  informacje o pierwszym i drugim kierunku kątowym w funkcji czasu, przewidywania dla obiektu odpowiadającego wybranemu zapisowi śladu, spodziewanych częstotliwości piku CW i pierwszych i drugich informacji kątowych w żądanym czasie, późniejszym od czasu ostatnio zapisanych informacji o częstotliwości piku wybranego zapisu śladu.

WNIOSKI

Zgodnie z teorią radiolokacji, każdy radar impulsowy jest wykrywany przez systemy rozpoznania radiolokacyjnego przeciwnika z odległości większej o ponad 25% niż zasięg tego radaru.  A  to oznacza, że mając odbiornik sygnałów radiolokacyjnych można ławo niszczyć posterunki radarowe lub je skutecznie omijać starając się znajdować jedynie w bezpiecznej strefie poza zasięgiem radaru. Korzystają z tego statki powietrzne i okręty w czasie działań bojowych (systemy walki elektronicznej), ale coraz częściej również wszyscy ci, którzy w czasie pokoju chcą uniknąć kontaktu z przedstawicielami władzy (np. przemytnicy i piraci). Chcąc temu zaradzić, od lat 90. XX wieku w radiolokacji zaczęto intensywnie pracować nad techniką FMCW (ang. Frequency Modulated Continuous Wave – częstotliwościowa modulacja fali ciągłej), która pomimo drastycznie zmniejszonej mocy promieniowania nadajnika (poniżej 1W), pozwala zachować zalety radaru impulsowego z możliwością uzyskania bardzo wysokich rozdzielczości (ograniczeniem jest jedynie maksymalna dewiacja nadajnika i parametry obróbki sygnałowej). Ze względu na swoje właściwości, radary pracujące w technice FMCW zaczęto klasyfikować do grupy trudno wykrywalnych (LPI – Low Probability of Intercept), co jest zaletą taktyczną uwidaczniającą się szczególnie w warunkach ciszy radiolokacyjnej. Z tego powodu stały się one idealnym rozwiązaniem wszędzie tam, gdzie dba się o ukrycie samego faktu pracy stacji radiolokacyjnej, a więc na okrętach podwodnych, okrętach wykonanych w technice stealth oraz na mobilnych brzegowych posterunkach obserwacji technicznej. Technologie radarów FMCW mogą być również wykorzystane w radarach rozpoznania pola walki, obserwacji płyty lotniska oraz ochrony szczególnych stref i obiektów.

 „Konwencjonalne” radary pracują na zasadzie wysyłania w przestrzeń impulsów elektromagnetycznych wysokiej częstotliwości i odbiorze tych samych impulsów odbitych od napotkanych obiektów. Mierząc czas pomiędzy wysłaniem i odbiorem sygnału określa się odległość do celu, natomiast korzystając z odpowiednio ukształtowanej wiązki antenowej, która określa kierunek i kąt elewacji (a więc wysokość).  Dla zachowania odpowiedniej rozdzielczości odległościowej stosuje się bardzo krótkie impulsy, co jednak dla uzyskania wymaganego zasięgu zmusza do zastosowania wysokiego poziomu mocy (zdolność wykrywania celów zależy od energii sygnału – im więcej energii odbije się od obiektu, tym większe jest prawdopodobieństwo jego wykrycia na tle szumów). Dlatego sygnały emitowane przez nadajniki radarów impulsowych są stosunkowo łatwo wykrywane przez urządzenia rozpoznania elektronicznego. O ile w radarach FMCW również wykorzystuje się odpowiednio ukształtowaną wiązkę antenową do określania namiaru na wykryty obiekt, o tyle odległość oblicza się już nie przez pomiar czasu jak w radarach impulsowych, ale przez pomiar częstotliwości odebranego sygnału. W tym celu nadajnik radaru FMCW emituje falę elektromagnetyczną zmodulowaną w częstotliwości przebiegiem piłokształtnym (w czasie jednego okresu modulacji częstotliwość nadawanego sygnału sinusoidalnego narasta liniowo, by następnie w bardzo krótkim czasie powrócić do wartości początkowej). Cykl narastania i „opadnięcia” częstotliwości jest tym, co w „konwencjonalnych” radarach określa się jako okres sondowania. Przyjęcie takiego sposobu pracy spowodowało, że moc średnia nadajnika pracującego na fali ciągłej jest równa jego mocy szczytowej. Zapewnia to pracę z bardzo niskimi poziomami mocy bez pogorszenia zdolności detekcji celów. Dodatkowe możliwości obniżania mocy nadajnika wynikają ze specyficznych dla FMCW technik obróbki sygnałowej, które ograniczają efektywne pasmo szumowe toru odbiornika do około 1 kHz oraz umożliwiają implementację zaawansowanych algorytmów automatycznej identyfikacji celów. Pomiar odległości do celu odbywa się poprzez porównanie częstotliwości odebranego sygnału z częstotliwością początkową. Im dalej znajduje się obiekt, tym ta różnica jest większa. Okres powtarzania sondowań jest stały i nie zależy od zakresu odległości wprowadzonego w radarze. Od ustawionego zakresu zależy jedynie dewiacja sygnału (czyli różnica pomiędzy minimalną a maksymalną częstotliwością). Jak więc widać, praktycznie cała informacja o wykrytych obiektach jest zawarta w dziedzinie częstotliwości. Amplituda składowej widma odwzorowuje powierzchnię skuteczną odbicia celu. Jej częstotliwość odpowiada odległości, przy czym zgodnie z opisaną powyżej zasadą im ona jest wyższa, tym większa jest odległość do celu. Odebrany sygnał pośredniej częstotliwości (sygnał wizyjny) jest sumą odbitego sygnału sondującego i szumu.

Muzzle velocity radar system (MVRS-700SC) () (z-lib.org)

http://essay.utwente.nl/70986/1/Suleymanov_MA_EWI.pdf