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Como funciona o Radar Doppler


Hoje trago um vídeo sobre um assunto que achei bem interessante, que são os módulos de radar Doppler. Na verdade, me deparei com eles quando navegava pela internet e resolvi pesquisar um pouco mais e acabei gostando. Então, hoje nós vamos discutir o funcionamento de um radar pulsado e um radar de onda contínua (CW) Doppler, além de apresentar os módulos de radar Doppler HFS-DC06 e IPM-165 (CDM 324).




RECURSOS USADOS - SERVIDOR

·         Módulo radar HFS-DC06
·         Módulo radar IPM-165 (CDM-324)
·         Resistores de 12k e 120k
·         2 capacitores de 10uF
·         ICL7660 (para fonte simétrica)
·         Amplificador Operacional LM358
·         Fios
·         Protoboard




TIPOS DE RADAR

RADAR é um acrônimo para RAdio Detecting And Ranging e refere-se a tecnologia de detecção e telemetria via ondas de rádio.
Podemos dividir os radares em dois grandes grupos: os radares pulsados e os radares de onda contínua.


Embora esta classificação não esteja incorreta, o espectro cobertos por estes dispositivos está em constante evolução e uma diversidade de novas técnicas são utilizadas para ampliar sua performance e atender várias especificidades, requerendo assim uma classificação muito mais detalhada.



RADAR PULSADO

O princípio fundamental de um radar pulsado é a emissão de uma onda eletromagnética de alta frequência e alta energia, em intervalos de tempo, e a detecção de seu “eco”, ao ser refletida por um determinado alvo.
Esta detecção pode ser realizada tanto pelo próprio transmissor quanto por uma ou mais antenas receptoras.
O tratamento mais elementar do sinal recebido é a determinação do intervalo entre sua emissão e sua posterior recepção.


Conhecendo-se a velocidade de propagação da onda eletromagnética no meio onde o radar é utilizado, pode-se facilmente determinar a distância do alvo, através da expressão:
*Note que o caminho percorrido pela onda é o dobro da distância d entre o emissor e o alvo, logo o intervalo de tempo considerado deve ser entre a emissão e recepção do pulso refletido.


Como a medição correta da distância pelo radar pulsado depende não só da detecção adequada do pulso refletido, mas também do intervalo até esta detecção, a precisão na medida de tempo e o sincronismo entre a marcação deste tempo entre o emissor e o receptor, ou receptores é de suma importância para a eficiência do Radar.
Embora seu princípio de funcionamento seja basicamente a determinação de distância, pode-se implementar artifícios que permitam ao radar pulsado determinar velocidade e direção, bem como a detecção de múltiplos alvos.
O fato é que um radar pode muitas vezes funcionar em conjunto com outros tipos de radar, e principalmente com um tratamento dos dados e sinais cada vez mais refinado, aumentando assim a precisão da informação coletada.




RADAR DE ONDA CONTÍNUA (CW – CONTINUOUS WAVE)

Outra forma interessante de funcionamento do radar é a emissão contínua da onda. Neste caso, veremos dois radares CW que utilizam-se do efeito Doppler para determinar movimento e velocidade de um alvo.
Os radares CW Doppler detectam a variação da frequência do sinal refletido causado pelo movimento do alvo afastando-se ou aproximando-se do transmissor.
No caso de um movimento tangencial do alvo, a detecção fica prejudicada, já que neste caso não há variação da frequência e o radar perceberá o alvo como imóvel.




O HFS-DC06 (5,8GHz)

O HFS-DC06 é um módulo radar CW Doppler, que vem com um tratamento do sinal de saída que permite sinalizar digitalmente se um movimento foi ou não detectado.
Este tipo de módulo é muito comumente utilizado em aplicações de segurança, trabalhando junto com sensores PIR, já que um é capaz de realizar com eficiência e grande sensibilidade a detecção de movimentos de aproximação e afastamento do sensor, movimentos estes que não são detectados facilmente pelos sensores PIR.
Estes últimos por sua vez, são capazes de medir com maior eficiência movimento tangenciais, cobrindo assim a lacuna deixada  pelos radares CW Doppler.


Os HFS-DC06 possuem dois trimpots para ajuste de sensibilidade e retenção do sinal de detecção, típicos ajustes para centrais de alarme.




CAPTURA DO SINAL GERADO PELO HFS-DC06

Aqui podemos observar um único pulso indicando a detecção do movimento.
O circuito interno acoplado ao módulo radar já realiza o tratamento do sinal da onda recebida e nos permite lidar somente com a detecção do movimento.




IPM-165 (CDM-324)




DISTRIBUIÇÃO DAS ANTENAS

As antenas são distribuídas em dois grupos, TX de um lado e RX do outro.
O lado oposto possui uma cavidade que serve deblidagem e possui um absorvedor para evitar reflexões internas.




IPM-165 (CDM-324)




AMPLIFICAÇÃO DO SINAL INTERMEDIÁRIO IF

O sinal de saída deste sensor é a componente I de um demodulador IQ. Ela será nula quando nenhum movimento for detectado e uma senoidal de frequência fixa para um movimento com velocidade constante.
A frequência desta senoidal será proporcional à velocidade do alvo em movimento e, segundo o fabricante, deve ser de 44Hz/(km/h).
A intensidade do sinal por sua vez é muito pequena, da ordem de algumas centenas de micro volts. Assim, é crucial que o sinal de saída seja amplificado o mais cedo possível, para evitar que a informação se perca em meio a ruídos no circuito da aplicação.
O fabricante sugere o seguinte circuito amplificador:




CAPTURA DO SINAL GERADO PELO IPM-165 (CDM-324)

Para fins de teste optamos por um circuito mais simples, mas que permite a observação dos sinais de forma qualitativa. O circuito é composto por um AmpOp no modo não inversor com ganho de aproximadamente 11x, e um circuito para alimentação simétrica do AmpOp, baseado no ICL7660.


Aqui podemos observar a captura de duas detecções.
Na primeira, temos um objeto se aproximando com uma velocidade razoavelmente constante. A frequência deste sinal indica a velocidade do objeto. A intensidade do sinal aumenta porque o objeto está se aproximando.
Na segunda, temos um objeto se afastando, percebemos que houve uma variação na sua velocidade durante o movimento, mas a amplitude sofre uma variação que não combina com a velocidade, isso porque, como usamos uma chapa como corpo de prova, sua inclinação mudou durante o movimento, variando a intensidade da onda refletida. Fizemos isso para salientar que, embora seja possível determinar a direção do movimento pela amplitude, outros fatores podem influenciar nesta grandeza, o que pode inviabilizar esta técnica em algumas aplicações.




AVALIAÇÕES MATEMÁTICA PARA EXEMPLIFICAR

·         Para finalizar, vamos deixar aqui uma série de exemplos do comportamento das ondas envolvidas, baseadas em uma modelo matemático. Note que a variação da amplitude não foi levada em consideração neste modelo, embora isso fosse possível. O objetivo é permitir que somente a variação da frequência (uma única variável), seja avaliada nos exemplos.
·         Outro detalhe é que os valores de frequência e velocidade foram exagerados para que os gráficos permitissem formas de ondas mais representativas, visando assim facilitar a observação do fenômeno.



O EFEITO DOPPLER – VELOCIDADE 0





O EFEITO DOPPLER – VELOCIDADE CONSTANTE -





O EFEITO DOPPLER – VELOCIDADE CONSTANTE +





O EFEITO DOPPLER – DOBRANDO A VELOCIDADE +





O EFEITO DOPPLER – ACELERADO





O EFEITO DOPPLER - DESACELERADO





O EFEITO DOPPLER – VARIADO







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