Микроволновые устройства измерения расстояния до объекта

Для измерения расстояний до объекта широко применяют так называемые микромощные импульсные радары (МИР).

В 1994 году Томас Мак-Ерван из Ливерморской национальной лаборатории (США) разработал миниатюрный радиолокатор MIR (Micropower Impulse Radar – микромощный импульсный радиолокатор) с продолжительностью импульсов 200 пс и пространственной разрешающей способностью 1 см. Интервалы времени между излучениями импульсов являются случайными и задаются генератором шума. А прием отраженных сигналов синхронизируется с моментами излучения. Таким образом достигаются: сведение к минимуму помех, создаваемых несколькими одновременно работающими антеннами; очень высокая селективность отбора "своих" сигналов; а также практически незаметная работа радиолокатора, так как его излучение для постороннего наблюдателя сливается с фоновым шумом. Средняя частота излучения импульсов составляет 1-2 МГц. Усреднение по десяткам тысяч – миллионам импульсов повышает соотношение сигнал/шум. Благодаря очень коротким импульсам и большой скважности средняя мощность излучения MIR радиолокатора в сотни раз меньше, чем у мобильных телефонов. Всю его СВЧ электронику удалось разместить на печатной плате площадью около 4 см².

Миниатюрные MIR радиолокаторы уже используются в автомобилях для предупреждения о возможности столкновения, для срочного приведения в действие воздушных подушек безопасности, для помощи при парковке. Начинается их широкое применение в охранных системах для выявления фактов проникновения и присутствия посторонних лиц или животных, в том числе и за стенами помещения.

Рис. 2.1 Блок – схема микромощного импульсного радара и временная диаграмма его работы.

Радиопередатчик такого устройства вырабатывает высокочастотный радиосигнал, состоящий из коротких пачек импульсов, которые через антенну передаются в окружающую среду. Волны отражаются от объекта и возвращаются обратно на радар. Тот же импульсный генератор с определенной задержкой времени управляет радиоприемником. Поэтому приемник получает сигнал только в строго заданном интервале времени. Процесс импульсного управления приемником позволяет значительно снизить потребляемую мощность. Принятые отраженные сигналы демодулируются, после чего определяется временная задержка между переданным и принятым сигналами, пропорциональная расстоянию до объекта. Шанс наложения передаваемых сигналов от разных МИР очень мал. Даже если это и происходит, то схема значительно снизит уровень помех. Для определения временной задержки, как правило, усредняется порядка 10000 полученных импульсов.

Другими достоинствами МИР является их низкая стоимость, очень малая потребляемая мощность (десятки микроватт).

Устройства данного типа применяются в измерителях расстояний, в детекторах обнаружения, в датчиках уровня, в автоматизированных системах, роботах, медицинских инструментах, системах вооружения и т.п.

СВЧ датчики являются альтернативой другим датчикам, когда требуется контролировать большие площади и работать в широком температурном диапазоне в сильно зашумленных условиях: при ветре, акустических помехах, в тумане, в пыли, влажности и т.д. Принцип действия СВЧ датчиков основан на излучении электромагнитных радиочастотных волн в сторону охраняемой зоны. Самыми распространенными частотами являются частоты 10, 525 ГГц (Х - диапазон) и 24, 125 ГГц (К - диапазон). Мощность излучения должна быть достаточно низкой, чтобы не причинять вред здоровью людей, длина волны должна быть достаточно большой, чтобы свободно проходить сквозь большинство частиц, загрязняющих воздух, и достаточно короткой, чтобы отражаться от больших объектов.

Рис. 2.2 Микроволновые детекторы движения объектов.

Для определения направления движения объекта (навстречу датчику или от него) датчик должен быть оснащен еще одним смесительным диодом. Второй диод располагается в волноводе таким образом, что доплеровские сигналы от двух диодов отличаются по фазе на четверть длины волны или на 90°. Выходные сигналы обоих диодов усиливаются отдельно друг от друга и преобразуются в прямоугольные импульсы, которые далее анализируются в логическом устройстве, представляющем собой цифровой дискриминатор фаз, определяющий направление движения объекта. Такие детекторы в основном применяются в устройствах автоматического открывания дверей и управления транспортными потоками.

, (2.1)

(2.2)

(2.3)

(2.4)

Рис. 2.3 Блок – схема (А) и временные диаграммы (Б) микроволнового допплеровского датчика движения с функцией определения направления перемещения.

На основании микромощного импульсного радара реализуют достаточно эффективные детекторы движения. Достоинством таких датчиков являются низкое потребление мощности и почти полная незаметность для злоумышленников. Такой радар может быть спрятан внутри строительных конструкций и, благодаря своей низкой излучающей мощности, не превышающей мощность естественного теплового шума, его трудно обнаружить при помощи электронных устройств.