Sistemas de Telecomunicações 2 (2004/2005) Cap. 2 Radares. Radares

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1 Sistemas de Telecomunicações 2 (200/2005) Cap. 2 Radares Radares 1. Introdução aos Radares História Aplicações 2. Conceitos gerais 3. Radar Doppler de onda contínua e FM. Radar Doppler de impulso e MTI 2 1

2 1- INTRODUÇÃO Radar RAdio Detection And Ranging meio de recolher informações sobre objectos distantes (ou alvos), enviando ondas electromagnéticas sobre o alvo e analisando os ecos recebidos. O primeiro grande desenvolvimento desta tecnologia foi nos anos anteriores à 2ª guerra mundial, com o intuito de detectar a aproximação da aviação inimiga mesmo quando os aviões não eram visíveis devido ao mau tempo. Animais com radares naturais: morcego, golfinho (sonar) 3 2

3 História 1886: Hertz» mostrou que ondas rádio podem ser reflectidas por metais e dieléctricos 1903: Hülsmeyer» detectou ondas reflectidas nos navios e patenteou um dispositivo detector de obstáculos útil para navegação marítima 1922: Marconi» reconheceu as potencialidades das ondas curtas para detecção de obstáculos permitindo revelar a presença de um navio mesmo com nevoeiro denso 1922: A.H. Taylor e L.C. Young (Naval Research Laboratory)» detectaram barco de madeira usando radar de onda contínua (com emissor separado do receptor) 1925: Breit e Tuve» usam radar de impulso para medir a altura da ionosfera 5 História (2) 1930: L.A. Hyland (Naval Research Laboratory)» primeira detecção de aviões 1932: L.A. Hyland (Naval Research Laboratory)» equipamento detector de aviões até 50 milhas do emissor 193: Naval Research Laboratory» primeiros testes com radar impulso devido às limitações do radar de onda contínua 1936: Naval Research Laboratory» primeiros resultados com radar de impulsos Segunda guerra mundial» grande evolução do radar (aumento da frequência e novos amplificadores com mais potência) 6 3

4 Aplicações Controlo de tráfego aéreo monitorização tráfego + sistemas de aterragem Navegação aérea evitar regiões turbulência e mau tempo evitar elevações de terreno altímetro Segurança navios impede colisões com outros navios detecta bóias de navegação Espaço Aterragem docking estações terrestres detecção de satélites 7 Aplicações (2) Remote sensing Radar Astronomia Satélites meteorológicos mapeamento camadas de gelo marítimo Cumprimento da Lei (Polícia) medir a velocidade de um veículo automóvel detecção de intrusos Aplicações militares vigilância navegação controlo e orientação de armas (mísseis) Outros Medidas de velocidade e distância Explorações de gás e de petróleo Estudos de movimentos de insectos e aves 8

5 Mapa de frequências radar Bandas do radar Espectro electromagnético e frequências do radar 9 PPI e A-scope (a) PPI Alcance vs ângulo (b) A-scope amplitude vs alcance 10 5

6 A-scope Varrimentos sucessivos dum radar MTI num ecrã A-scope (amplitude do eco em função do tempo) Em (f) vemos a sobreposição de muitos varrimentos; as setas indicam a posição de alvos em movimento CONCEITOS GERAIS 12 6

7 Densidade de potência Antena isotrópica ( ) (1.1) Antena directiva (ganho G) O alvo intercepta parte da potência incidente e reflecte em várias direcções ( ) (1.2) σ ( ) (1.3) Densidade de Potência que chega de volta ao radar após ser reflectida no alvo 13 Alcance do radar Potência recebida pela antena do radar ( ) (1.) Alcance máximo do radar ( ) 1 (1.5) Forma fundamental da equação do alcance do radar 1 7

8 Área efectiva duma antena (A e ) 15 Alcance do radar (2) A mesma antena é usada para emissão e recepção ( ) OU 1 1 (1.6) (1.7) 16 8

9 Equação do Radar ( ) 1 O projectista do radar só não controla o parâmetro σ Para termos um grande alcance, necessitamos de: Transmitir com potência elevada, com a energia concentrada num feixe estreito (ganho de emissão elevado) Usar uma antena receptora de ganho elevado capaz de captar a energia do eco Usar um receptor sensível a sinais fracos 17 Na prática, a equação anterior é insuficiente para prever o desempenho de um radar real. Por vezes o alcance real do radar pode corresponder a apenas metade do previsto. Isto deve-se a: Natureza estatística do sinal mínimo detectável (geralmente determinado pelo ruído do receptor) Flutuações e incertezas na secção do alvo Perdas existentes num sistema de radar Efeitos de propagação na superfície terrestre na atmosfera Outros efeitos estatísticos: Condições meteorológicas Erro do operador humano 18 9

10 Mínimo sinal detectável A capacidade de um radar detectar um sinal de eco fraco é limitada pelo ruído existente na mesma banda do sinal. O sinal mais fraco que um radar consegue detectar é chamado de sinal mínimo detectável (S min ). Não é fácil de especificar devido à sua natureza estatística e porque o critério para decidir se existe ou não um alvo pode não estar bem definido. 19 Detecção por limiar A detecção baseia-se no estabelecimento de um limiar mínimo à saída do receptor. Se o nível de sinal ultrapassar o limiar, diz-se que existe eco. Envolvente da tensão de saída do receptor em função do tempo 20 10

11 Como definir o limiar? Um erro pode ser causado por: 1. Não reconhecer um alvo que está presente Falha (caso C na figura anterior) 2. Reconhecer um alvo que não existe Falso Alarme (se um pico de ruído ultrapassar o limiar) 21 Diagrama de blocos Radar Diagrama de blocos dum radar de impulsos (versão ultra-simplificada) Diagrama de blocos dum radar de impulsos 22 11

12 Ruído do receptor O ruído do receptor é o principal factor limitativo da sensibilidade do receptor Ruído térmico K T B A figura de ruído (F) é igual ao quociente entre o ruído à saída dum receptor real e o ruído térmico dum receptor ideal à temperatura T 0 (G a ganho disponível) Como KT 0 B N in num receptor ideal F pode ser escrito: 23 Podemos interpretar a figura de ruído como uma medida da degradação da relação sinal-ruído à medida que o sinal passa no receptor Se o valor mínimo de sinal detectável (Smin) for o valor de Sin correspondente à mínima relação sinalruído detectável à saída do amplificador IF então: Substituindo na eq. (1.5) vem: ( ) ( )

13 Probabilidade de falso alarme Queremos especificar uma relação sinal-ruído à saída do amplificador IF de modo a obtermos uma determinada probabilidade de detecção de alvo sem exceder uma determinada probabilidade de falso alarme Parte do receptor de radar: o sinal de eco é detectado e a decisão de detecção é feita 25 O ruído que entra no amplificador IF é gaussiano e pode ser descrito por: "!! onde ψ 0 é a variância da tensão do ruído e p(v)dv é a probabilidade de encontrar a tensão de ruído v entre v e v+dv (valor médio v assume-se zero) A probabilidade de falso alarme é: #! V T limiar de tensão P fa probabilidade de ruído ultrapassar o limiar 26 13

14 Tempo médio entre falsos alarmes O tempo médio entre falsos alarmes (T fa ) é: Escrevendo P fa em função de T fa obtemos: " $ " " Detector de envolvente só com ruído, ilustrando o conceito de falso alarme 27 Probabilidade de falso alarme (2) Tempo médio entre falsos alarmes em função da tensão de limiar V T e da L.B. do receptor B 28 1

15 Processo de detecção por limiar Função densidade de probabilidade para ruído e para ruído+sinal 29 Probabilidade de detecção Probabilidade de detecção de uma onda sinusoidal em função da relação S/N e de P fa 30 15

16 Integração A análise feita até agora sobre a probabilidade de falso alarme e a probabilidade de detecção aplica-se a apenas um impulso de radar e a um eco recebido desse mesmo impulso. Normalmente vários ecos são recebidos de um alvo e podem ser usados para melhorar a detecção Ao processo de juntar vários ecos para melhorar a detecção chama-se INTEGRAÇÃO ) # % ) & ) # (' % n B nºimpulsos recebidos do alvo θ B largura do feixe (graus) fp freq. Repetição impulsos (Hz) θ S taxa de exploração da antena (graus/seg) W m taxa de exploração da antena (rpm) Valores típicos: n B : 15 ecos, θ B : 1,5 º, fp: 300 Hz, θ S : 30º/s, W m : 5 rpm 31 pré-detecção vs. pós-detecção Se a integração dos vários ecos for feita antes do segundo detector, i.e., no IF, é chamada prédetecção ou integração coerente Caso a integração seja feita após o segundo detector, i.e., no video, é chamada pós-detecção ou integração não coerente 32 16

17 pré-detecção vs. pós-detecção (2) A pré-detecção usa a fase do sinal de eco. O segundo detector destrói a informação de fase, pelo que a pós-detecção não a usa. n impulsos pré-detecção: (S/N) n (S/N) 1 / n. n impulsos pós-detecção : (S/N) n > (S/N) 1 / n. Em resumo: Pré-detecção é mais eficiente Pós-detecção mais fácil de implementar (mais usada) 33 Ganho de integração Factor de melhoria por integração P d probabilidade de detecção n f nº falso alarme 3 17

18 Perdas de integração Perdas de integração em função do nº impulsos, P d e n f 35 De regresso à equação do alcance do radar: Podemos agora escrevê-la: ( ) ( ) Onde (S/N) n corresponde à relação sinal-ruído de cada um dos n impulsos integrados Ver gráfico acetato 32 Substituindo (S/N) n por (S/N) 1 /n E i (n) vem: ( ) ( ) ( ) ( ) * " Ver gráfico acetato

19 Secção do alvo vista pelo radar A secção dum alvo tem grandes variações devido a inúmeros factores: Varia com a incidência (ângulo) Varia com a polarização Varia com a frequência A análise da secção do alvo é muito complexa. O caso mais simples ocorre quando o alvo é uma esfera. O gráfico da página seguinte apresenta a secção de uma esfera de raio a normalizada em função da sua circunferência (medida em comprimentos de onda λ) 37 Secção do alvo vista pelo radar (2) Freq. (MHz) σ (m 2 ) 0,033-2,33 0,098-0,997 0,10-1,05 0,368-1,88 0,95-1,22 variação da secção duma esfera em função da frequência Secção dum homem 38 19

20 Secção do alvo vista pelo radar (3) O radar tem que ser especificado para um determinado tipo de alvo, pois como se pode ver na tabela seguinte, a secção dum alvo varia bastante de alvo para alvo Exemplos de secções de alvos diferentes a frequências micro-ondas 39 Flutuações da secção do alvo O sinal de eco varia com o tempo. Se o alvo estiver em movimento a secção do alvo varia relativamente ao radar e provoca variações no sinal do eco. Uma forma de ter em conta uma área de alvo flutuante quando resolvemos a equação fundamental é seleccionar um limiar inferior, i.e., um determinado valor para a secção que sabemos que vai ser excedido a maior parte do tempo (95% ou 99% do tempo). Para efeitos práticos o valor escolhido é mínimo e o alvo vai apresentar sempre uma área maior do que a escolhida. 0 20

21 Perdas do sistema Existem vários factores para além dos especificados na equação do radar que introduzem perdas Perdas de acoplamento Linha transmissão (1dB) Ligações fracas (0,5dB) Perdas no duplexer (1,5dB) Perdas da antena O ganho que se usa na equação assumiu-se constante mas isto não é sempre válido. Perdas processamento de sinal Perdas colapso Perdas operador Outras perdas Perdas propagação Degradação do equipamento 1 Perdas do sistema (2) Entrando em conta com o factor de perdas do sistema (L s ) na equação do alcance do radar obtemos: * ( ) ( ) " + &