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(Español) Radar Análogo – Digital

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Sistema de Radar análogo y digital experimental de bajo costo para análisis en laboratorio

Para poner en práctica en  el laboratorio las técnicas estudiadas que se requieren en el diseño de un sistema de radar, se pueden encontrar varias opciones en el mercado como kits de radares, sin embargo estos kits no ofrecen la posibilidad de realizar cambios en sus parámetros de diseño de modo que se pueda observar lo que pasa con ellos una vez realizado dichas modificaciones, lo cual solo se enfocan a que la persona realice análisis de las señales obtenidas por estos sistemas.

En el MIT (Instruto Tecnológico de Massachusett) diseñó un curso para implementar en el laboratorio ofreciendo la posibilidad de construir un radar análogo de bajo costo, muy útil para la elaboración de un primer radar  donde cualquier estudiante que esté interesado en el tema pueda aterrizar los conceptos de una manera didáctica, sin embargo a mediano plazo no se ve la utilidad debido a que los componentes pueden dañare o descalibrarse, lo que generaría errores al momento de realizar nuevos experimentos.

Debido a la facilidad que existe implementar cualquier aplicación usando radio definido por software, existen varios documentos donde muestran las bondades de diseñar un sistema de radar en base a sistemas digitales, aunque no existe una guía académica detallando parámetros específicos para la implementación en un laboratorio

OBJETIVO GENERAL

Diseñar un sistema de Radar análogo y digital experimental de bajo costo junto con manual de diseño para su elaboración.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

  • Implementar y evaluar el diseño de radar MIT
  • Implementar un sistema de radar usando radio definido por software.
  • Analizar desempeño de los prototipos en condiciones de campo y realizar comparaciones.

 

Metodología

 

Radar_1

Metodologia

Fig.1 Metodología propuesta para el desarrolo del proyecto

RADAR

Fig.2 Sistema de RADAR
La palabra radar proviene del acrónimo “Radio Dection And Ranging”  es  un sistema de radiofrecuencia que sirve para la detección de objetos, con dicho sistema es posible determinar la distancia (rango), velocidad y dirección del movimiento de aquellos objetos que crucen por su línea de vista.
Este  sistema se basa en el efecto doppler, el cual es un fenómeno producido por la reflexión de la señales cuando chocan un objeto; en el sistema de radar las señales reflejadas (señales eco) sufren una desviación en frecuencia, una vez esta señal llega al radar este compara la señal enviada con la señal recibida para extraer información del objeto ya sea su velocidad o su posición.
Banda de Frecuencias mas comunes en las que se pueden encontrar los sistemas de radar son las siguientes:
L (1 – 2 GHz): Radares de control de trafico aéreo
S (2 – 4 GHz): Radares de vigilancia aeroportuaria, radar de control de clima.
X(8 – 12 GHz):  Aplicaciones militares, radar de apertura sintética, sistemas de guías de misiles.
Un radar puede clasificarse según su forma de onda, la cual dependerá para extraer información de velocidad o posición.
RADAR ONDA CONTINUA:


Fig. 3 Principio del radar de onda continua

Un radar de onda continua (CW) consiste en emitir una señal continua en el tiempo de frecuencia Fo para ser radiada, una vez esta señal choca con un objeto (Avión, Carro, Barco, etc) es reflejada en varios sentidos, parte de la señal que se refleja es devuelta en sentido hacia el sistema de radar, cuando esta señal llega a la antena receptora se realiza un proceso de comparación de las dos señales (Ec.1) y así es posible determinar la velocidad a la cual se encontraba el objeto.

Ec.1     (Ec.1)

Donde:

Fd= Frecuencia Doppler [Hz].
Fo= Frecuencia de Transmisión [Hz].
V= Velocidad del objeto [m/s].
C= Velocidad de la luz (3×10^8  m/s).

Este tipo de radar tiene bastantes aplicaciones, como por ejemplo en los equipos que usa la policía de carretera para determinar cuando un conductor excede los limites de velocidad permitidos dentro de la regulación en una ciudad.

RADAR DE PULSOS:


Fig.4 Representación de radar de pulsos.

Este sistema funciona radiando una serie de pulsos de modo tal que entre pulso y pulso se espera que llegue la señal eco proveniente del objeto, este método funciona únicamente para determinar las posiciones de los objetos ya que al saber el tiempo que existe entre cada pulso transmitido, se determina la diferencia de tiempo entre el pulso transmitido y la señal eco recibida (Ver Ec.2), se caracteriza por alcanzar mayores distancias debido a que la amplitud de la señal transmitida es del orden de los kilo Watts.

  (Ec.2)

Donde:

R= Distancia entre el radar y el objeto [m].
C= Velocidad de la luz (3×10^8  m/s).
Δt= Diferencia entre pulso transmitido y señal eco [s].

PRUEBAS DEL SISTEMA DE RADAR

Antes de iniciar con la elaboración del sistema de radar en SDR y la elaboración del radar del MIT se procederá a realizar varias pruebas gracias al generador de señales RF de Rode & Schwarz SMB100A, las antenas tipo bocina R&S HF907, Osciloscopio Tektronix TDS2012B y el  Analizador de Espectros HAMEG-HMS3010  que se encuentra dentro del laboratorio de la Universidad Militar Nueva Granada.
Prueba basica del sistema de radar dentro del laboratorio.
El generador de señales cuenta con la opción de generar pulsos de diferentes tamaños, en el uso de los sistemas de radar es de gran importancia, debido a que entre más pequeño sea el pulso, la resolución del sistema aumentará, es por esto que se dispone a realizar pruebas con dicho dispositivo y para ello es necesario contar con la librería K23, la cual podrá hacer que el equipo genere los pulsos.
En las configuraciones del generador se observa los diferentes parámetros que se encuentran para generar los diferentes tipos de pulsos.
Pulse Mode: Tipos de pulsos (Sigle, Double) en esta configuración se puede usar una señal de pulso que se repite cada cierto tiempo, o usar dos pulsos, en donde se puede cambiar los parámetros de forma separada y establecer un delay entre los dos pulsos.
Pulse Period: En esta caja se puede determinar el tiempo entre pulso y pulso, el rango es desde 0.04µs hasta 10s
Pulse Width: En esta caja se puede cambiar el ancho del pulso, su rango va desde los 0.01µs hasta 10s

RADAR SDR

A continuación se presentan los diferentes resultados para la generación de señales usando el USRP N210 siendo controlado a través de GNU RADIO 

 

RADAR ONDA CONTINUA

En la elaboración del radar de onda continua se configuro el USRP para que transmitiera a una señal de 1.4GHz y por medio del analizador de espectros se observa la componente de la señal portadora y de la señal eco proveniente del objeto cuando se cruza por la antena transmisora.
En la imagen se observa la señal eco del sistema, para determinar la frecuencia doppler (Ec.1) y con ella poder saber la velocidad a la cual se encontraba el objeto se hace el uso de los marcadores y determinar la diferencia de frecuencia.
Fd= 495Hz
V= (495Hz∗3×10^8m/s) /  2(1.4GHz)
V= 53,03 m/s
V= 190 Km/h

RADAR DE PULSO


Configuración del sistema de radar de pulso

Para la elaboración del sistema de radar de pulsos usando GNU RADIO ,se procede a generar la señal asignándole el ancho de pulso, este pulso depende de la cantidad tasa de muestras (Sample Rate), las pruebas se realizaron con un valor de 5 Mega muestras, se inicia el programa y  por medio del osciloscopio se procede a determinar  el ancho de pulso y el periodo de la señal.

Resultados de la señal de pulso generada por USRP-N210 con GNU RADIO

De acuerdo a los resultados obtenidos por el osciloscopio se proceden a determinar la distancia mínima y máxima a la cual el radar puede detectar un objeto usando (Ec.2)  

Rmin=(3×10^8 m/s)(128ns)  / 2 = 19.2m
Rmax=(3×10^8 m/s)(1.7µs)  / 2 = 255m
El ciclo útil de la señal entregada por el usrp esta dado por la ecuación:
DC= (τ/ T ) * 100% 
DC= ( 128ns / 1.7µs) * 100% 
DC=7.27%
Para comprobar en el espectro que la señal generada por el USRP es correcta, se mide la diferencia en frecuencia entre armónicas, de esta manera, la diferencia de frecuencia es el valor del periodo de la señal cuadrada.
PRF (pulse repetition frequency )= 1/580KHz = 1.724µs
Dependiendo del ancho de pulso al cual se transmite,  varía el ancho de banda que este ocupa, es por esto que en observa el ancho de banda de la señal transmitida es de aproximadamente 32 MHz

Determinando el ancho de banda de la señal pulso y comprobando el periodo de la señal.

Conclusiones

  • En el marco del desarrollo del proyecto ING-1541 se evalúo el desempeño del sistema de radar MIT con la técnica FMCW y del radar definido por software utilizando la técnica Múltiple CW para validar la teoría de forma experimental detectando el rango y velocidad de un objeto en movimiento.
  • El desarrollo del diseño propuesto por el MIT ayuda a entender los conceptos de cómo puede funcionar un sistema de radar utilizando materiales de bajo costo para su implementación, permitiendo determinar los valores de rango y velocidad usando la técnica FMCW con ayuda del algoritmo de procesamiento utilizado.
  • Los resultados obtenidos por el radar MIT permiten validar los datos procesados agregando una condición de incertidumbre de acuerdo al espectrograma entregado para tener un valor exacto de rango.
  • El uso del toolbox GR-Radar permite la realización de pruebas y validación con enfoques académicos para el entendimiento de los sistemas de radar con técnicas básicas, de modo tal que la persona pueda darse una idea general de cómo pueden llegar a funcionar los radares en aplicaciones militares y comerciales en base al fenómeno físico del efecto doppler.
  • Los resultados obtenidos usando radio definido por software permite validar de manera practica los parámetros de diseño utilizando la técnica Multiple CW
  • La implementación del radar usando SDR presenta mejor rendimiento comparado con el sistema análogo propuesto por el MIT en cuanto a reconfigurabilidad, capacidad de procesamiento, obtención y validación de resultados .

Bibliografia

[1] “Radar Kit Demostration”, [Online]. Disponible:  https://www.quonsetmicrowave.com/QM-RDKIT-p/qm-rdkit.htm

[2]“COM3LAB Course: Radar Technology I”, [Online]. Disponible: https://www.leybold-shop.com/technology/multimedia/com3lab/electrical-engineering/specializations/communications-networks/com3lab-course-radar-technology-i.html

[3] “Radar training systems”, [Online]. Disponible: https://www.labvolt.com/solutions/9_telecommunications/98-8096-00_radar_training_systems

[4] Build a Small Radar System Capable of Sensing Range, Doppler, and Synthetic Aperture Radar Imaging en MIT Open CouseWare. [Online]. Disponible:
https://ocw.mit.edu/resources/res-ll-003-build-a-small-radar-system-capable-of-sensing-range-doppler-and-synthetic-aperture-radar-imaging-january-iap-2011

[5] Skolnik, M. I. (2008). Radar handbook. New York, McGraw-Hill.
[6]Skolnik, M. I. (1980). Introduction to radar systems. New York, McGraw-Hill.

[7]J. Zhang, “Basic gait analysis based on continuous wave radar,” Gait & Posture, vol. 36, pp. 667-671, 9// 2012. .

[8] A. Rahman, “FMCW-radar. Signal processing and parameter estimation,” Swedish Defence Research Agency, FOIFebruary 2002.

[9] Mahafza, B. R. (2000). Radar systems analysis and design using Matlab. Boca Raton, Chapman & Hall/CRC

[10] Unión Internacional de Telecomunicaciones. (Septiembre de 2009). Definiciones de sistema radioeléctrico determinado por programas informáticos ( RDI ) y sistema radioeléctrico cognoscitivo. Informe UIT-R SM.2152. Serie SM Gestión de espectro. Ginebra, Suiza

[11]D. S. Wünsch. (March 04). GNU Radio Radar Toolbox. Available: https://grradar.wordpress.com/

Integrantes

José de Jesús Rúgeles Uribe
Luis Eduardo Quibano Alarcón