Typy radarových senzorů

Pojem radar nebo také RADAR (zkratka pro RAdio Detection And Ranging – rádiová detekce a určování vzdálenosti) označuje metody pro lokalizaci a určení stavu pohybu nejrůznějších objektů. Radarové metody jsou používány ve velkém množství aplikací. V souladu s tím existují různé radarové funkce, které různými způsoby využívají vlastnosti elektromagnetických vln.

Pulzní radar vysílá krátké impulzy a určuje vzdálenost objektu na základě zpoždění šíření signálu. Podobně jako u Dopplerova radaru lze rychlost určit také měřením rozdílu frekvencí. Pulzní radarová zařízení jsou vhodná pro měření na velké vzdálenosti díky vysokému vyzařovanému výkonu vysílače, ale nejsou vhodná pro měření na krátké vzdálenosti se zvýšeným rozlišením. Vzhledem k tomuto značnému omezení pulzních radarů pro použití v úlohách automatizace jsou podrobná vysvětlení na tomto webu zaměřena výhradně na radary se spojitými vlnami a s frekvenčně modulovanými spojitými vlnami.

Radar s nemodulovanými spojitými vlnami (známý také jako radar CW nebo Dopplerův radar) nepřetržitě vysílá pevně stanovenou frekvenci. Na základě sledování Dopplerovy frekvence jsou detekovány pohybující se objekty v detekčním rozsahu senzoru a je určena jejich ortogonální rychlost. Vypočítat vzdálenost nebo polohu pohybujícího se objektu však není možné, nebo je možné jen se zvýšeným úsilím a s velkými nepřesnostmi.

Pojem radar s frekvenčně modulovanými spojitými vlnami (neboli FMCW) označuje radar, který (na rozdíl od radaru CW) svůj signál během vysílání nepřetržitě frekvenčně moduluje. Tato modulace vysílané frekvence vytváří časový referenční bod, který umožňuje technicky měřit dobu letu. Navíc tato časová konstanta umožňuje detekovat nejen pohybující se, ale i statické objekty.

Elektromagnetické vlny generované a vysílané radarem se spojitými vlnami nebo jejich vlnoplochy dopadají na objekt v pohybu. V důsledku toho dochází k posuvu frekvence, který buď stlačuje, nebo roztahuje odražený signál, a to v závislosti na směru pohybu detekovaného objektu. Odražený signál s posuvem frekvence je v senzoru smíšen s původně vysílaným signálem a vyhodnocen. Tento rozdíl frekvencí signálu lze použít k určení pohybu a rychlosti. Není důležité, zda se pohybuje senzor vzhledem k objektu nebo objekt vzhledem k senzoru, ačkoli pro zjištění absolutní rychlosti objektu je nutné vzít v úvahu úhel pohybu.

Zamýšlený účel

Tento princip představuje nejúčinnější řešení pro detekci pohybujících se objektů. Klasickou oblastí použití jsou detektory pohybu pro sledování oblasti před dveřmi a branami. Společnost Sensotek GmbH, která je dceřinou společností společnosti Pepperl+Fuchs, je kompetentním partnerem, jenž nabízí vysoce specializované portfolio v oblasti „automatizace vstupů“.

Radar s frekvenčně modulovanými spojitými vlnami pracuje na stejném základním principu. Senzor vysílá signál prostřednictvím vysílací antény. Malá část tohoto signálu se odráží od objektu a směřuje zpět k senzoru, který ji zachytí anténou přijímače. Na rozdíl od radaru CW s nemodulovanými spojitými vlnami však radar s frekvenčně modulovanými spojitými vlnami vysílá frekvenčně modulovaný signál. Zpravidla používá následující typické druhy modulace:

1. Pilovitá modulace

Jednoduchý modulační vzor, který ale nedokáže rozlišit mezi Dopplerovou frekvencí a rozdílem frekvencí způsobeným zpožděním šíření.

2. Modulace obdélníkovou vlnou

Velmi vysoké rozlišení vzdálenosti pomocí výpočtu fázového posunu, ale nedokáže rozlišit různé objekty.

3. Trojúhelníková modulace

Další lineární pokles umožňuje rozlišit mezi Dopplerovým posuvem a posuvem frekvence.

Společnost Pepperl+Fuchs používá u svých průmyslových radarových senzorů pro měření vzdálenosti a rychlosti trojúhelníkovou modulaci. Vysílaný signál lineárně roste v povoleném frekvenčním rozsahu od minimální k maximální frekvenci (lineární náběh) a po dosažení maximální frekvence opět lineárně klesá (lineární pokles). Tento rozsah, v němž vysílaný signál neustále „putuje“ mezi minimální a maximální frekvencí, je označován šířka frekvenčního pásma (B). V případě radarových senzorů od společnosti Pepperl+Fuchs odpovídá tato efektivní šířka pásma 1 GHz, konkrétně rozsahu od 122 do 123 GHz v pásmu ISM.

Pokud radarové vlny vysílané radarovým senzorem nyní narazí na objekt, jsou zcela nebo částečně odraženy. Přijatý signál má odlišnou frekvenci, přičemž přesnou vzdálenost k objektu lze určit z posuvu frekvence obou signálů v průběhu procesu multiplikačního směšování v senzoru. Vzdálenost (R) k cílovému objektu lze vypočítat z určeného posuvu frekvence v lineárním náběhu nebo poklesu (Δf), doby trvání lineárního náběhu nebo poklesu (T), použité šířky frekvenčního pásma (B) a rychlosti světla (c), kterou se radarová vlna pohybuje prostorem.

Dopplerův jev způsobený rychlostí objektu také posune přijatou frekvenci (f_D) rovnoběžně s osou y, jak je znázorněno na výše uvedeném grafu radaru CW. Na rozdíl od metod pilovité modulace nebo modulace obdélníkovou vlnou lze tuto metodu použít také k měření rychlosti.

Zamýšlený účel

Radarový senzor MWC25M-L2M* typu FMCW vyvinutý společností Pepperl+Fuchs je optimalizován pro měření vzdálenosti a rychlosti v detekčních rozsazích až 25 metrů a více v průmyslových sekcích. Díky rozsáhlé řadě funkcí a robustnímu provedení lze senzor použít pro odpovídající rozmanité aplikace, jako jsou automatizace, monitorování prostředí a předcházení kolizím u vozidel AGV, vysokozdvižných vozíků, mobilních jeřábů, strojů pro stavbu silnic nebo zemědělských strojů. Nabízí však také ideální řešení pro bezkontaktní detekci hladiny kapalin a sypkých materiálů v nádržích a silech.