José de Jesús Rúgeles Uribe 6[autor]
Luís Eduardo Quibano Alarcón 6[autor]
Resumen
El desarrollo de este proyecto tiene como finalidad analizar el fenómeno de propagación en un sistema de radar el cual se basa en el efecto Doppler para su funcionamiento. El proyecto pretende además replicar el sistema de radar analógico propuesto por el instituto tecnológico de Massachusetts (MIT) que utiliza la técnica de onda continua modulada (FMCW), la cual permite medir la posición y velocidad de un objeto en movimiento. Una vez implementado el radar análogo, se procederá a construir un radar utilizando radio definido por software (SDR), de modo tal que se puedan establecer diferencias entre estos dos sistemas, como lo es máximo rango, numero de objetos a detectar y máxima velocidad.
Introducción
Las tecnologías de radar son utilizadas en entornos civiles como militares, en aplicaciones como control de tráfico aéreo; medición de velocidad; análisis del clima; imágenes SAR; sistemas de penetración terrestre, etc. El uso de este dispositivo ha evolucionado gracias la integración dada por la electrónica en alta frecuencia y los avances en las técnicas de procesamiento de señales.
En la academia a nivel mundial las tecnologías de radar generalmente hacen parte de una formación especializada donde además de los análisis teóricos se realizan simulaciones y pruebas de laboratorio. En el laboratorio Lincoln del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) cuentan con un curso de radar (Charvat, Fenn & Perry, 2012) donde los estudiantes además de estudiar los diferentes conceptos teóricos, construyen un radar de bajo costo que les permite realizar mediciones y experimentar en diferentes ambientes para posteriormente realizar el análisis de las
6 Programa de Ingeniería en Telecomunicaciones, Semillero de Investigación Maxwell, Universidad Militar Nueva Granada, Bogotá. Correo electrónico: [email protected], [email protected]
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señales en el aula. Los autores de este curso han mostrado que implementando esta metodología incrementa el interés de los estudiantes hacia el área de la teoría electromagnética y sus aplicaciones.
La evolución de la tecnología de radio definido por software ha impulsado el desarrollo de avanzados sistemas de radio a un bajo costo. Un ejemplo claro de es la librería de radar para GNU Radio desarrollada por Stefan Wunsch del Instituto de Tecnología de Karlsruhe en Alemania (Wunsch, 2014).
Marco Teórico
Debido a los costos que se presenta para la implementación de un sistema de radar varias empresas y universidades han creado varios sistemas de radar de bajo costo, con el fin de poder observar y realizar experimentos en ambientes controlados de las técnicas de funcionamiento de este sistema, aquellos sistemas son:
1) Quonset microwave
Esta empresa se encarga de comercializar un kit de demostración de sistemas de radar ideal para un ambiente académico (www.quonsetmicrowave.com, 2015) con el fin de aprender acerca de radares, dispone para configurarlo como radar CW, FMCW y pulso.
2) Novelda Radar
El kit de desarrollo NVA-R661(Novelda, 2015) brinda la posibilidad de implementar un sencillo sistema usando la de API RadarLib con un conector USB que permite la integración de hardware y software, con el apoyo Matlab se pretende realizar pruebas de concepto y demostraciones sobre radar de impulso
3) COM3LAB Course
El kit ofrecido por COM3LAB (Leybold-shop.com, 2015) consta de un sistema monostático la cual permite realizar pruebas en objetos como lo es la distancia, medidas del retardo de la señal, seguimiento de objetos y representación de objetos en movimiento.
4) Naugra TM
El sistema de radar ofrecido por esta empresa permite demostrar los principios del efecto doppler de las señales reflejadas cuando un objeto se encuentra en movimiento, permite la observación y medidas usando el software ofrecido, el sistema de radar opera en la banda X, contiene una antena parabólica la cual garantiza un haz estrecho y reducir el clutter (Educationaldidactictrainers.com, 2015).
5) LabVolt
El sistema de LabVolt (Labvolt.com, 2015) es uno de los más completos kits de radares, una herramienta que pretende mostrar los avances técnicos alcanzados por
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este sistema llevando al estudiante a realizar experimentos en tiempo real para detectar objetos a distancias cortas y en presencia de clutter, la ventaja de este sistema es el manejo de transmisiones de baja potencia, siendo segura para ambientes de práctica.
6) Radar MIT
El instituto tecnológico de Massachusetts junto con el laboratorio Lincoln decidieron crear un curso (Build a Small Radar System Capable of Sensing Range & OpenCourseWare, 2015)en el cual su objetivo era poder diseñar un sistema de radar de bajo costo, las características principales de este sistema es el funcionamiento como radar FMCW trabajando en la banda S (2-4GHz) y realizando el procesamiento de la señal con ayuda de Matlab® adquiriendo las señales y grabándolas como archivos de audio .wav, también presenta 3 modos de operación que para obtener graficas de rango, velocidad y radar de apertura sintética. En la Figura.1 se puede apreciar como es el montaje de dicho sistema listo para realizar pruebas experimentales (Charvat, Fenn & Perry, 2012) con el fin de aplicar los conceptos aprendidos durante el curso.
Figura.1 Diseño Propuesto de radar de bajo costo por el MIT. La imagen fue recuperada del sitio web http://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/
7) Radares Experimentales con USRP
Gracias al avance de los sistemas con FPGA se han ido creando sistemas de radar definidos por software, en donde el manejo de filtros, mezcladores, amplificadores, etc. son programados por este medio, implementando la teoría sobre estos sistemas de radar de una manera mucho más rápida y más versátil, debido a que cualquier cambio que requiera hacer para variar el funcionamiento del radar dependerá de la configuración que se le dé a nivel software.
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Es por esto que varias investigaciones con USRP (Universal Software Radio Peripheral) para poder realizar sistemas de radar se han venido haciendo, por ejemplo se encuentra un trabajo de tesis de la universidad de California (Fernández, 2012) en el 2012 en la implementación de un sistema de radar usando Matlab y la USRP, donde se pretende demostrar que se pueden enviar y recibir señales de radar calculando el rango de un objetivo, así como crear un sistema de falsa alarma dentro de un ambiente de alto ruido, en el Instituto tecnológico de Beijín, Hu Weidong; Sun Houjun; Lv Xin Y Li Shiyong (Weidong, Houjun, Xin & Li Shiyong, 2006) presentan una arquitectura en SDR para realizar medidas de radar a partir de los cambios de anchos de banda; Prabaswara A, Munir A y Suksmono A.B., dan a conocer un artículo sobre de una conferencia internacional donde muestra el uso de GNU radio usando la técnica de FMCW para la aplicación de monitoreo del clima por instituto tecnológico de Bandung , Indonesia (Prabaswara, Munir & Suksmono, 2011) donde el prototipo trabaja con una frecuencia de 2.1GHz y concluyen con la detección de uno a tres objetivos sin especificar cuáles fueron los objetos de estudio, sin embargo el sistema presenta algunas limitaciones pero se presenta como una base para futuros desarrollos.
En una conferencia internacional realizada en Shanghái, China sobre radar de penetración terrestre (Ralston & Hargrave, 2012) y Ralston, J y Hargrave, C., hablan sobre el diseño de un prototipo de GPR explotando las bondades que ofrece SDR y así crear un dispositivo funcional.
Metodología Empleada
El proyecto se realizará bajo un enfoque metodológico planteado alrededor de la investigación descriptiva y experimental. Inicialmente se realiza una fundamentación teórica de los conceptos de radares donde se hace una revisión de los modelos analíticos existentes sobre el efecto doppler. Se analizan las características técnicas de los componentes requeridos para el diseño del radar análogo en el laboratorio de comunicaciones del programa de Ingeniería de Telecomunicaciones. Posteriormente se realiza el diseño e implementación del prototipo hardware y se desarrollan las pruebas en un escenario dentro y fuera del laboratorio. Se realizan las mediciones necesarias finalizando con una etapa de análisis de resultados mediante el software Matlab.
Para su desarrollo se definen las siguientes fases:
a. Revisión de conceptos de sistemas de radar: Radar Onda continua, Radar onda continua modulada y radar de pulsos.
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b. Estudio de información técnica de los componentes requeridos para la implementación: Componentes para la elaboración del radar MIT, uso de radio definido por software.
c. Compra de materiales requeridos: Compra de los componentes necesarios para la elaboración del radar MIT.
d. Diseño e implementación del prototipo de pruebas: Realización del radar MIT, y diseño del radar usando radio definido por software.
e. Programación en Matlab / GNU / Labview: Establecer cuáles de estos programas ofrecen mejores resultados.
f. Medición en laboratorio: Realizar simulaciones y pruebas básicas para comprobar del desempeño del sistema.
g. Pruebas de campo: Una vez realizadas las pruebas de laboratorio, implementarlas en espacio abierto (Instalaciones de la universidad).
h. Análisis de resultados: Comparar los dos sistemas y determinar cuáles son las ventajas y desventajas de cada uno.
i. Informe final: Presentación de Artículos y manuales para la elaboración del radar en radio definido por software.
Resultados y Conclusiones
Una vez implementado el sistema de radar análogo y digital, se procede a realizar diferentes experimentos, uno de ellos consistió en que una persona se desplazaba por el radar de tal manera que se alejaba y acercaba, los dos radares tienen la característica de poder guardar el resultado del experimento en un archivo de tipo .wav y de texto para luego ser procesados utilizando Matlab.
Para la realización de la prueba utilizando el prototipo de Radar MIT se ejecutaron dos experimentos, uno que me permitiera medir la velocidad cuando una persona corría y el otro experimento mide posición cuando una persona se encontraba caminando. En la figura.2 se puede apreciar el resultado del experimento, donde la máxima velocidad cuando la persona se encontraba corriendo es de aproximadamente 2.76m/s lo que es equivalente a 9.94Km/h; la máxima posición cuando la persona se encontraba caminando fue de 15.13m, de esta manera se pudo comprobar el funcionamiento del radar propuesto por el MIT elaborado en la Universidad Militar Nueva Granada.
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Figura.2 Graficas de velocidad y posicion del objeto en movimiento. La imagen fue elaborada por los autores.
La implementación del radar usando radio definido por software (SDR) se elaboró usando Linux en su versión MINT 17.1 con GNU-RADIO 3.7.4 y con ayuda de la librería GR-RADAR creada por Stefan Wunsch (Wunsch, 2014). Se pudo replicar el sistema análogo en SDR, y al igual que en el radar MIT se realizó un experimento en el cual una persona caminaba alejándose y acercándose, todo el experimento puede ser guardado en un archivo de texto. Se creó un algoritmo en Matlab de tal manera que se pueda graficar los puntos de velocidad y rango vs tiempo.
En la figura.3 se observa el resultado de la prueba cuando la persona se encontraba caminando. Para comprobar la velocidad entregada por el sistema se apoyó de la gráfica rango vs tiempo. Primero se ubica instantes donde la velocidad es constante y se observa la distancia en ese mismo intervalo, se procede a calcular la pendiente y determinar la diferencia entre la velocidad experimental y calculada (Ver Tabla.1) donde el porcentaje de error entre las medidas del radar y las calculadas es del 2%.
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Tabla.1 Registro de Posición y Velocidad en Persona Caminando. La tabla fue elaborada por los autores. Intervalo
S
t
1 tZ
St S
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1 m
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mR m
s
m
v
cal
s
m
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exp % Error 72.04 75.07 3.03 1.937 5.757 3.82 1.206 1.168 3.150% B 82.08 86.05 3.97 5.701 10.451 4.75 1.196 1.168 2.341% C 96.02 99.06 3.04 19.93 21.67 1.74 0.5723 0.5839 2.026%En el marco de desarrollo del proyecto ING-1541SITPROTCOM - SDR (Signal Processing Tools in Communications Systems Using Software Defined Radio). 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.
La manera de observar los resultados obtenidos por el radar MIT permiten validar los datos procesados agregando una condición de incertidumbre ya que el gráfico de espectrograma entregado no permite tener un valor exacto de posición y/o velocidad.
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 permiten validar de manera práctica los parámetros de diseño utilizando la técnica Multiple CW.
Por último, 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.
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Referencias
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