Микромощные импульсные радары

В 1993 году в Lawrence Livermore National Laboratory был разработан микромощ­ный импульсный радар (МИР), который является недорогим бесконтактным де­тектором расстояния до объекта. Принцип действия МИР напоминает принцип действия обычных импульсных радарных систем, но между ними есть несколь­ко существенных отличий. В состав МИР (рис. 7.42) входит генератор белого шума, выходной сигнал которого запускает импульсный генератор. Импульс­ный генератор вырабатывает очень короткие импульсы со средней частотой 2МГц+20%. Каждый импульс имеет фиксированную длительность т, а появля­ются они в произвольные моменты времени. По отношению друг к другу эти импульсы расположены произвольным образом, но в соответствии с гауссовс-ким распределением шума. Интервалы времени между двумя соседними импуль­сами лежат в пределах 200...625 не. Можно сказать, что в МИРе происходит ча­стотно-импульсная модуляция (ЧИМ) сигнала белым шумом с максимальной глубиной модуляции 20%. В свою очередь, прямоугольные импульсы генерато­ра модулируют амплитуду сигнала радиопередатчика. Амплитудная модуляция (AM) сигнала передатчика имеет 100% глубину. Это означает, что радиопередат­чик от импульсов то включается, то выключается. Такая двухступенчатая моду­ляция называется модуляцией ЧИМ-АМ.

Радиопередатчик вырабатывает высокочастотный радиосигнал, состоящий из коротких пачек импульсов, которые через антенну передаются в окружающую среду. Электромагнитные волны отражаются от объекта и возвращаются обратно на радар. Тот же самый импульсный генератор, который модулирует сигнал пере­датчика, управляет и радиоприемником (с определенной задержкой по времени). Таким образом, приемник получает сигнал только в строго заданном интервале времени. Процесс импульсного управления приемником позволяет значительно снизить потребляемую мощность. Принятые отраженные импульсы демодулиру-ются (восстанавливается прямоугольная форма сигнала). После чего определяет­ся временная задержка между переданным и принятым сигналами. Эта времен­ная задержка пропорциональна расстоянию D от антенны до объекта, от которо­го принятые волны отразились: t=2D/c, где с — скорость света.

Рис. 7.42.Блок-схема микромощного радара (А) и его временная диаграмма (Б)

Несущая частота (центральная частота) радиопередатчика обычно равна либо 1.95, либо 6.5 ГГц. Из-за того, что модуляционные импульсы имеют очень корот­кую длительность, частотная полоса излучаемых сигналов очень широкая — поряд­ка 500 МГц (для 1.95 ГГц несущей). Пространственное распределение переданной энергии определяется типом антенны. Для дипольной антенны зона перекрытия составляет почти 360°, но, используя раз­личные типы рупоров, рефлекторов и линз, можно получить практически лю­бую форму области распространения. Благодаря случайной модуляции генера­тора импульсов, широкой полосе про­пускания и низкой спектральной плот­ности передаваемого сигнала, сигналы МИРа практически невозможно пода­вить радиоэлектронными методами, но при этом сам он остается незаметным для других, поскольку его излучение, принятое несинхронизированными при­емниками воспринимается как белый тепловой шум.

Средний рабочий цикл передавае­мых импульсов относительно мал (< 1 %). Поскольку импульсы распределены слу­чайным образом, практически любое ко­личество идентичных МИР могут рабо­тать в одной и той же зоне без разделе­ния частот (т.е. они могут работать на той

же самой несущей частоте внутри одной и той же частотной полосы). Шанс пере­сечения передаваемых сигналов от разных МИР очень мал. Даже если это про­изойдет, схема осреднения значительно снизит уровень помех. Для определения временной задержки, как правило, усредняется порядка 10 000 полученных им­пульсов.

Другим достоинством МИР является их низкая стоимость и очень низкая потребляемая мощность радиоприемника — около 12 мкВт. Потребляемая мощ­ность всей системы обычно составляет 50 мкВт. Две алкалиновых батарейки АА могут питать такой радар в течение нескольких лет.

МИР применяются в измерителях расстояний (рис. 7.43), в детекторах обна­ружения, в датчиках уровня, в автоматизированных системах, роботах, медицин­ских инструментах, системах вооружения и даже в игрушках.

7.7.2. Радар для зондирования грунта

Высокочастотные радары для зондирования грунта (РЗГ) применяются в граж­данском строительстве, археологии, криминалистике и т.д. Принцип действия таких радаров довольно классический: они посылают радиоволны и принимают отраженные сигналы. Временная задержка между переданными и принятыми

(А)

сигналами и есть величина, пропорци­ональная расстоянию до отражающей поверхности. Если радары, работающие в воздушной среде, измеряют расстоя­ния до нескольких тысяч километров, рабочий диапазон РЗГ составляет, в луч­шем случае, несколько сотен метров. Радары для зондирования грунта рабо­тают в интервале частот 500 МГц... 1.5 ГГц (Noggin System, Sensors&Software, Inc, Canada, www.sensoft.ca). Радиоволны не могут проникать глубоко в почву, кам­ни, а также в большинство материалов, сделанных людьми, например, бетон.

(Б)

Рис. 7.44.А — затухание радиоволн в раз­ных материалах. Коэффициент ослабления зависит от типа материала и рабочей часто­ты сигнала. На низких частотах (< 1МГц) за­тухание сигнала, в основном, определяется электропроводностью среды, а на высоких частотах (>1000МГц) — поглощением энер­гии молекулами воды. Б — затухание сигна­ла ограничивает глубину исследования грунта, по мере проникновения вглубь сре­ды мощность потерь увеличивается экспо­ненциально.

Рис. 7.45.А — максимальная глубина проникнове­ния радиосигналов для разных материалов, Б — гра­фическое представление исследуемого слоя, распо­ложенного в мокром песке

Коэффициент экспоненци­ального ослабления сигнала а, как правило, определяется по электропроводности материа­ла. В простых однородных ма­териалах такое затухание сиг­нала является доминирующим фактором. В большинстве ма­териалов энергия сигнала так­же теряется из-за наличия в них неоднородностей разного типа и воды. Влияние воды сказывается двумя путями: во-первых, в ней содержатся ионы, которые меняют объем­ную проводимость среды; во-вторых, молекулы воды на ча­стотах выше 1000 МГц погло­щают электромагнитную энергию. На рис. 7.44 показа­но изменение коэффициента ослабления от частоты возбуж­дающего сигнала и типа мате­риала. В сухих материалах ко­эффициент ослабления наи­меньший и, следовательно, наибольшая глубина проник­новения радиосигнала (рис. 7.45А). На рис. 7.45Б показан пример картинки на монито­ре радара, полученной в процессе исследования грунта.

Снижение частоты позволяет увеличить глубину проникновения в грунт, по­скольку коэффициент ослабление сигнала сильно зависит от частоты. Но при уменьшении частоты всплывают две других особенности ЗГР. Во-первых, сниже­ние частоты приводит к падению разрешающей способности. Во-вторых, при очень низкой частоте электромагнитные поля распространяются, в основном, диффузионным способом, и здесь уже больше подходят методы измерений элек­тромагнитной индукции и вихревых токов.

Поиск по сайту: