Radar FMCW

Stosuje się m.in. modulację piłokształtną (rampa) oraz trójkątną (rampa „w górę” i „w dół”)^[2]. W przypadku modulacji piłokształtnej składowa Dopplera nie jest jednoznacznie rozdzielana od składowej zasięgowej i może powodować błąd estymacji odległości (jest „dodana” do częstotliwości dudnień)^[2]. Przy modulacji trójkątnej wykorzystuje się dwie rampy o przeciwnym nachyleniu, co umożliwia rozdział składowej zasięgu i prędkości radialnej na podstawie częstotliwości dudnień dla odcinka „w górę” i „w dół”^[6].

Częstotliwość dudnień po wyjściu z mieszacza jest wyznaczana w torze cyfrowym przez analizę widma (np. FFT)^[5]. W praktyce pomiar prędkości radialnej realizuje się przez analizę zmian fazy lub częstotliwości w sekwencji kolejnych chirpów (wielochirpowy pomiar Dopplera)^[7].

W radarach wieloantenowych (np. z układem MIMO) możliwe jest równoczesne estymowanie zasięgu i kąta nadejścia echa poprzez budowę macierzy „zasięg–kąt” i zastosowanie algorytmów estymacji częstotliwości w dwóch wymiarach (np. 2D-FFT)^[3].

Rozdzielczość zasięgu ${\displaystyle \Delta R}$ zależy od szerokości przestrajania częstotliwości (sweep bandwidth) ${\displaystyle B=f_{1}-f_{0}}$: ${\displaystyle \Delta R={\frac {c}{2B}}.}$^[2][3]

W dokumentacji technicznej radarów milimetrowych rozdzielczość zasięgu jest definiowana jako zdolność rozróżniania dwóch obiektów o zbliżonych odległościach, a osiągalne wartości zależą od parametrów sygnału i toru odbiorczego^[8].

Maksymalny zasięg jednoznaczny w praktycznych implementacjach FMCW jest ograniczany przez maksymalną mierzalną częstotliwość dudnień (pasmo toru IF, filtr dolnoprzepustowy i parametry próbkowania przetwornika ADC)^[5].

Radary FMCW są często łączone z koncepcją radaru LPI (low probability of intercept), tj. projektowaniem emisji w sposób utrudniający jej wykrycie i przechwycenie przez pasywny odbiornik przechwytujący^[9]. Autor wyróżnia też pojęcie radaru LPID (low probability of identification) – w tym ujęciu chodzi o utrudnienie nie tylko wykrycia emisji, ale i poprawnej identyfikacji parametrów oraz typu radaru przez odbiornik przechwytujący^[10].

Wśród przykładowych środków przypisywanych w tym ujęciu do wymagań LPI wymieniono m.in. anteny o bardzo niskich listkach bocznych, optymalizację wzorców skanowania (w tym czasów świecenia wiązki), stosowanie emisji CW zamiast impulsowej, sterowanie mocą nadawania oraz wykorzystanie dużych szerokości pasma i zwinności częstotliwości; wskazano też, że użycie wysokich częstotliwości (fale milimetrowe) jest w tym podejściu szczególnie właściwe dla systemów krótkiego zasięgu^[10].

W opisie przebiegów FMCW, obok modulacji piłokształtnej i trójkątnej, wyróżnia się także modulację segmentowaną (segmentowany przebieg liniowy)^[11].

Radar FMCW różni się od radaru impulsowego tym, że sygnał elektromagnetyczny jest nadawany w sposób ciągły, a częstotliwość sygnału jest przestrajana w czasie w pewnym paśmie; informacja o zasięgu i prędkości jest wyznaczana z różnicy częstotliwości pomiędzy sygnałem nadanym i odebranym po ich zmieszaniu w odbiorniku^[12]. W tym ujęciu czas przelotu do obiektu nie jest mierzony bezpośrednio; zamiast tego wykorzystuje się sygnał dudnień w paśmie niskich częstotliwości po mieszaniu (dechirp)^[13].

W implementacjach FMCW spotyka się konfigurację ze wspólną anteną z użyciem cyrkulatora, a także rozwiązania z dwiema oddzielnymi antenami (nadawczą i odbiorczą), dla których istotnym zagadnieniem jest zapewnienie odpowiedniej izolacji pomiędzy torami TX i RX^[14].

W modelu FMCW uwzględnia się opóźnienie dwudrogowe ${\displaystyle t_{d}=2R/c}$ oraz przesunięcie Dopplera (dla składowej radialnej), co powoduje, że częstotliwość sygnału dudnień zależy zarówno od zasięgu, jak i od ruchu celu^[15]. Dla przebiegu trójkątnego (rampa w górę i w dół) można wykorzystać dwie zmierzone częstotliwości dudnień dla narastania i opadania, co pozwala rozdzielić składową zasięgową i dopplerowską; w analizie sygnału wskazano też praktyczne pozyskiwanie tych częstotliwości m.in. metodami widmowymi (np. FFT)^[16].

W ujęciu porównawczym autor wskazuje, że FMCW może osiągać bardzo duże „współczynniki kompresji” w przetwarzaniu zasięgu (rzędu 50 000 w zestawieniu z ok. 1 000 dla radarów chirp-pulse), co wiąże z bardzo wąskimi komórkami zasięgu oraz mniejszą podatnością na zakłócenia od clutter^[17].