Radar de onda continua con modulaci´on en frecuencia (LFMCW, Linear Fre-

Wave)

Seg´un su forma de onda, los sistemas radar se dividen en sistemas de onda continua o pulsados:

Marco te´orico 14

Radar de onda continua:

Un radar de onda continua transmite una se˜nal de alta frecuencia constante y recibe y procesa ecos de forma continua. Las principales ventajas de este tipo de sistemas son niveles bajos de potencia transmitida y muy buena resoluci´on distancia [14]. En un radar de onda continua la potencia media en transmisi´on coincide con la potencia de pico, y es necesario resolver princi- palmente dos problem´aticas [18]:

Evitar una conexi´on directa de energ´ıa transmitida en el receptor. Puede ser evitada me- diante:

– Una separaci´on espacial entre las antenas transmisora y receptora.

– Una separaci´on en frecuencia dependiente de la frecuencia Doppler durante la medida. Asignar los ecos recibidos a un sistema de tiempos capaz de realizar medidas precisas del tiempo de ejecuci´on.

El esquema b´asico de un radar de onda continua es el mostrado en la figura 3.7 [14]. Presenta dos antenas diferenciadas, una para transmisi´on y otra para recepci´on:

Figura 3.7: Diagrama de bloques de un radar de onda continua

Un radar de onda continua puede presentar o no modulaci´on:

No modulados: Son capaces de medir ´unicamente la velocidad de los blancos mediante la observaci´on del desplazamiento Doppler de las se˜nales reflejadas por blancos m´oviles. Al no existir referencias temporales en la se˜nal no es posible determinar la distancia de los blancos ni distinguir entre dos blancos distintos.

Modulados: Se utilizan en aplicaciones en las que se requiere estimar tanto la velocidad como la distancia del blanco, por lo que es preciso introducir modulaci´on en la se˜nal transmitida. En un sistema de onda continua la amplitud de la se˜nal es constante, y la modulaci´on utilizada es habitualmente de frecuencia lineal.

Los radares de onda continua no modulados no pueden medir distancia, ya que no transmiten pulsos en los que medir el tiempo. Para corregir esta problem´atica, se utiliza modulaci´on lineal en frecuencia para transmitir una se˜nal de radio de forma continua, pero variando linealmente la frecuencia con el objetivo de determinar cu´ando se transmiti´o la se˜nal correspondiente a un eco recibido, lo que permite estimar distancias.

De esta forma, el sistema considerado en este proyecto es un radar de onda continua que presen- ta modulaci´on lineal en frecuencia (LFMCW, Linear Frequency Modulated Continuous Wave radar), por lo que ahondaremos en el principio de funcionamiento de este tipo de mo-

Marco te´orico 15

Figura 3.8: Principio de funcionamiento del sistema, medida del rango

Un radar de onda continua con modulaci´on lineal en frecuencia transmite una se˜nal continua en el tiempo cuya frecuencia var´ıa linealmente entre dos valores de frecuencia predeter- minados, retornando a la frecuencia inicial al final del ciclo correspondiente a cadatrigger. La

frecuencia transmitida se compara posteriormente con una referencia fija para detectar objetos estacionarios, ya que una vez transmitida la se˜nal la frecuencia de ´esta no var´ıa. Cuanto m´as lejos est´e el blanco considerado, mayor ser´a la diferencia entre la frecuencia del eco recibido y la frecuencia que usa el transmisor en el momento de la transmisi´on. Conociendo en qu´e momento del pasado se envi´o esa frecuencia en particular, es posible calcular el rango de una forma similar a c´omo se proceder´ıa si se tratase de un pulso.

Puesto que es complejo realizar un transmisor que transmita a frecuencias distintas de forma aleatoria, estos sistemas utilizan una “rampa” de frecuencias que aumentan y disminuyen, como puede apreciarse en la figura [19]:

Figura 3.9:FMCW Radar

Secuencia temporal del proceso:

Tras el inicio del barrido de frecuencia, los ecos de los distintos blancos se detectan en el receptor como copias de la se˜nal emitida retrasadas un tiempo proporcional a la distancia del blanco. Al final del proceso de barrido, se produce un retrazado. Durante ´este, la se˜nal vuelve a la frecuencia inicial del barrido. Los datos ´utiles al radar son los obtenidos en la zona sombreada de la figura 3.10. Dentro de ´esta, la diferencia de frecuencias entre cada eco y la frecuencia transmitida en cada instante es proporcional a la distancia del blanco.

Marco te´orico 16

Figura 3.10:Datos ´utiles radar.

Tras obtener la se˜nal del receptor en el dominio de la frecuencia, se aplica a la se˜nal la Transfor- mada de Fourier mediante un procesado del tipo FFT (Fast Fourier Transform), para obtener

un espectro en el que cada blanco aparece representado mediante un tono y cada frecuencia se corresponde con una distancia, como puede observarse en3.11.

Figura 3.11:FFT

Detecci´on de blancos

Realizamos una comparativa de las caracter´ısticas de ambos tipos de sistema:

Caracter´ıstica FMCW Pulsado

Detecci´on en corto alcance Mejor Peor Detecci´on en largo alcance Peor Mejor Visibilidad de cercan´ıa en los blancos Mejor Peor

Resoluci´on en azimut Igual Igual Resoluci´on en rango Mejor Peor Potencia requerida Menor Mayor Requiere periodo de standby No S´ı

Vulnerabilidad a interferencias Dif´ıcil de solucionar F´acil de solucionar

Tabla 3.3:Comparativa caracter´ısticas de FMCW y pulsado [19]

Laventaja principal de los radares pulsados radica en que s´olo necesitan una antena

frente a dos de los radares de onda continua. Aunque la potencia transmitida en un radar de onda continua es mucho menor que en uno pulsado, la potencia media emitida puede llegar a ser similar permitiendo alcances comparables a los sistemas pulsados.

Sin embargo, puesto que los radares de onda continua presentan una mejor capacidad de detecci´on en corto alcance, mejor visibilidad de cercan´ıa en los blancos y una mejor resoluci´on en azimut, estos sistemas ofrecen un mejor funcionamiento general en el contexto de la aplicaci´on considerada en este proyecto, que precisa un posicionamiento exacto de los distintos blancos en el entorno cercano a ´este.