CZ23226U1 - Radarový senzor s vysílanou kontinuální vlnou s přídavnými funkcemi - Google Patents

Description

Oblast techniky

Předkládané řešení se týká radarových senzorů s vysílanou kontinuální vlnou, tzv. CW radarových senzorů se schopností autonomního měření vlastních šumových parametrů, přičemž tato měření jsou použitelná zejména pro automatickou vlastní diagnostiku.

Dosavadní stav techniky

CW radary obecně patří mezi jednodušší typy radarů a používají se velmi často ve formě relativně malých a levných senzorů s malým dosahem. Nicméně pro některé aplikace mají velmi výhodné vlastnosti. Na rozdíl od standardních impulzních radarů, které vysílají krátké vysokofrekvenční nebo mikrovlnné pulzy, vysílají CW radarové senzory kontinuální (CW - Countinuous Wave) VF nebo mikrovlnný signál. V základních variantách těchto radarů, bez přídavných modulací, není ale následně možné odlišit přijatý signál odražený od stacionárních cílů od signálu vysílaného, na rozdíl od impulsních radarů, kde se rozlišuje časový posun mezi vyslanými a přijatými impulsy. Základní verze CW radarových senzorů nejsou proto pro detekci a měření stacionárních cílů vhodné. Podstatně příznivější situace nastává v případě pohybujících se cílů, kdy je odražený signál vlivem Dopplerova posuvu frekvenčně posunut oproti signálu vysílanému. Rozlišení odraženého signálu od vysílaného je možné realizovat ve frekvenční oblasti, přičemž na výstupu CW radarového senzoru je v tomto případě k dispozici nízkofrekvenční signál s frekvencí právě rovnou dopplerovskému posuvu. Protože je hodnota dopplerovského frekvenčního posuvu přímo úměrná radiální rychlosti měřeného tělesa, používají se CW radarové senzory velmi často pro bezkontaktní dálkové měření rychlosti, nebo pro detekci a měření periodických pohybů, například vibrací. Existují i varianty CW radarů, u nichž je na vysílaný signál aplikována vhodná modulace, a to frekvenční či digitální. Radary tohoto typu umí měřit i vzdálenost stacionárních cílů, vždy však jen s malým až středním dosahem.

Jako detektory rychle se pohybujících objektů nebo jako bezkontaktní dálkové měřiče rychlosti se CW radarové senzory používají i ve vojenské technice. Příkladem mohou být detektory protipancéřových střel, používané v systémech aktivní ochrany bojových vozidel. Tyto CW radarové senzory jsou schopné detekovat rychle letící střely a odlišit je od stacionárních nebo pomalu se pohybujících cílů. Jsou dokonce schopné střelu dostatečným způsobem lokalizovat a generovat spouštěcí impulsy pro protistřelu, která ohrožující střelu zničí. Jednou z velmi důležitých podmínek použití jakéhokoliv elektronického zařízení ve vojenské technice je velmi vysoká spolehlivost daného zařízení a schopnost vlastní diagnostiky, která umožňuje automaticky detekovat, lokalizovat a nahlásit závadu.

CW radarové senzory se skládají z vysílače CW vlny a koherentního přijímače. Radarový vysílač je autonomní obvod, tedy obvod, který sám generuje měřitelný signál. Pro účely vlastní diagnostiky je tedy celkem jednoduché kontrolovat jeho funkci. Nej častěji se k tomuto účelu používá zapojení s vazebním obvodem a měřičem výkonu. Úkolem vazebního obvodu je odbočit z vysílací trasy malou část vysílaného signálu, přičemž tento vzorek vysílaného výkonu se měří měřičem výkonu, nej častěji VF nebo mikrovlnným detektorem. Na výstupu detektoru je stejnosměrné napětí úměrné měřenému vysílanému výkonu, z hodnoty tohoto napětí lze vyhodnotit funkčnost vysílače.

Vzhledem k tomu, že přijímač je obvod neautonomní, je jeho kontrola a měření podstatně složitější. Bez přítomnosti vnějšího signálu není na výstupu přijímače žádný signál, ze kterého by bylo možné jednoznačně stanovit jeho funkčnost, popřípadě jeho parametry. Jakoukoliv kontrolu nebo měření přijímače je možné provést jen zvnějšku injektováným signálem.

Základními parametry každého přijímače jsou zisk a šumové parametry, které rozhodují o schopnosti zpracovávat slabé signály. Pro měření zisku přijímače je možné na vstup přijímače připojit signálový generátor generující sinusový signál vhodné amplitudy, přičemž zisk lze stanovit z

-1 CZ 23226 Ul poměru výstupního a vstupního výkonu. Pro měření šumových parametrů se obvykle používají kalibrované generátory šumu, obvykle se dvěma různými efektivními šumovýmí teplotami. Oba generátory je však nutné k měřenému přijímači připojit zvnějšku, a to buď ručně přes propojovací kabel a vstupní konektor přijímače, nebo automaticky pomocí VF nebo mikrovlnných elektro5 nicky řízených přepínačů. Připojení přes vnější kabel a vstupní konektor je zdlouhavé, je možné jej provést spíše jen výjimečně a radar při měření po delší dobu nemůže fungovat. Při připojení pomocí elektronických přepínačů může být měření zcela automatické a může trvat jen velmi krátkou dobu. Nicméně elektronické přepínače mohou vnášet do obvodu nezanedbatelný útlum a zhoršovat jeho Šumové parametry. Kromě toho jsou vnější generátory a přepínače obvykle ná10 kladné, rozměrné a mají nemalý příkon a zvyšují tedy rozměry, hmotnost, příkon a cenu předmětných CW radarových senzorů.

Podstata technického řešeni

Výše uvedené nevýhody odstraňuje radarový senzor s vysílanou kontinuální vlnou podle předkládaného řešení. Vysílací větev radarového senzoru je tvořena místním oscilátorem propojeným s děličem výkonu, který je dále svým jedním výstupem spojen s výkonovým zesilovačem. Přijímací větev radarového senzoru je tvořena nízkošumovým zesilovačem, jehož výstup je spojen s RF vstupem mikrovlnného směšovaěe, na jehož druhý vstup LO je připojen výstup referenčního signálu děliče výkonu. Výstup mikrovlnného směšovače je přes nízkofrekvenční filtr jednak spojen přes zakončovací odpor se zemí a jednak je přes nízkofrekvenční zesilovač připojen na vstup A/D převodníku. Data z převodníku A/D jsou přivedena ke zpracování signálů na datový vstup řídicí jednotky. Radarový senzor je realizován buď se dvěma anténami, a to s vysílací anténou na výstupu výkonového zesilovače a přijímací anténou na vstupu nízkošumového zesilovače nebo se společnou anténou, propojenou s výstupem výkonového zesilovače a se vstupem nízkošumového zesilovače nej častěji přes cirkulátor. Podstatou nového řešení je to, že je ve struktu25 ře senzoru navíc zapojen obvod proměnného časového zpoždění. Je zapojen buď v přijímací větvi mezi výstupem nízkošumového zesilovače a RF vstupem mikrovlnného směšovače, nebo v referenční větvi mezi výstupem děliče výkonu a LO vstupem mikrovlnného směšovače. Nastavovací vstup obvodu proměnného časového zpoždění je propojen s řídicí jednotkou, a to s nastavovacím výstupem obvodu nastavení proměnného časového zpoždění. Druhý výstup obvodu nasta30 vení proměnného Časového zpoždění je spojen s jedním vstupem datové paměti. Datový vstup datové paměti je spojen s datovým výstupem A/D převodníku. Výstup datové paměti je propojen přes blok hledání minim a maxim v záznamech uložených v datové paměti s blokem výpočtů Šumových parametrů, jehož jeden výstup je propojen se vstupem bloku komunikace. Blok komunikace má jeden výstup propojený přes blok spuštění měření se vstupem bloku nastavení pro35 měnného časového zpoždění. Druhý jeho výstup je propojen s pamětí předpokládaných hodnot šumových parametrů, jejíž výstup je spojen s jedním vstupem porovnávacího bloku. Na druhý vstup porovnávacího blokuje připojen druhý výstup bloku výpočtů šumových parametrů. Výstup porovnávacího bloku je propojen přes blok diagnostiky a lokalizace závad s druhým vstupem bloku komunikace, jehož výstup je komunikačním vstupem/výstupem vypočtených parametrů a výsledků diagnostiky řídicí jednotky pro připojení k nadřazenému počítači.

Výhodou tohoto CW radarového senzoru je, že řeší problematiku měření šumových parametrů a vlastní diagnostiky s využitím vlastních signálů a jen s minimem přídavných komponent. Pro měření není potřeba připojovat žádný signál externí. Metoda přitom používá takové postupy, při kterých lze výpočetně jednoduše určit všechny důležité šumové parametry, tedy šumová napětí, šumová čísla nebo ekvivalentní Šumové teploty přijímače. Měření výše uvedených parametrů je možné provést velmi rychle, zcela automaticky, a to při jen velmi malém zvýšení rozměrů, příkonu i nákladů. Měřené parametry závisí i na výkonu vysílaném vysílačem a zisku přijímače. Při použití navržené měřicí sestavy a provedení dále popsaných výpočtů lze tedy diagnostikovat správnou funkci celého CW radarového senzoru.

-2CZ 23226 Ul

Objasnění výkresů

Pro objasnění daného řešení jsou zařazeny i výkresy týkající se dosavadního stavu techniky, a to

Obr. 1 ukazující základní zapojení CW radarového senzoru se dvěma anténami a Obr, 2 znázorňující základní zapojení CW radarového senzoru s jednou anténou. Na Obr. 3 je schematicky uvedeno nové zapojení ve variantě se dvěma anténami a se zapojením obvodu proměnného časového zpoždění v přijímací větvi. Na Obr. 3a je schematicky uvedeno nové zapojení ve variantě se dvěma anténami a se zapojením obvodu proměnného časového zpoždění v referenční větvi. Obr. 4 je příklad naměřené a vypočtené závislosti výstupního Šumového napětí V_nrout jako funkce časového zpoždění r. Na Obr. 5 je nové zapojení s variantou používající jednu společnou anténu se zapojením obvodu proměnného časového zpoždění v přijímací větvi. Na Obr. 5a je nové zapojení s variantou používající jednu společnou anténu se zapojením obvodu proměnného časového zpoždění v referenční větvi. Na Obr. 6 je blokové schéma řídicí jednotky radarového senzoru.

Přiklad uskutečnění technického řešeni

Na Obr. 1 je uvedeno základní zapojení CW radarového senzoru bez přídavných obvodů pro autonomní měření šumových parametrů a vlastní diagnostiku. Základem senzoru je místní oscilátor 1, který generuje nosnou CW vlnu s pracovní frekvencí f_Q. Na výstup místního oscilátoru 1 je zapojen dělič 2 výkonu, který dělí výstupní výkon místního oscilátoru i na dvě části. Jedna část výstupního výkonu místního oscilátoru 1 je přivedena na vstup výkonového zesilovače 3 a po zesílení je vyslána jako vysílaný signál pomocí vysílací antény 10.1. Část vyslaného signálu se odráží od sledovaného objektu a dopadá na přijímací anténu 10.2. Na přijímací anténu 10.2 paralelně dopadá i část elektromagnetické vlny přímo z blízké vysílací antény 10,1. Tento jev lze popsat jako přeslech respektive parazitní přenos G_AA mezi vysílací anténou 10.1 a přijímací anténou 10.2. Signály přijaté přijímací anténou 10.2 jsou zesíleny nízkošumovým zesilovačem 4 a přivedeny na RF vstup mikrovlnného směšovače 5. Tam se signál násobí s referenčním signálem přivedeným na LO vstup mikrovlnného směšovače 5 z druhého výstupu děliče 2 výkonu. Pokud se sledovaný objekt pohybuje, je na výstupu navazujícího nízkofrekvenčního filtru 6, který odfiltruje všechny VF složky, signál Sy_F (t), jehož amplituda A_NF je úměrná odrazu od sledovaného objektu a frekvence je rovná dopplerovské frekvenci f_d:

O)

Přitom dopplerovská frekvence f_d je úměrná radiální složce rychlosti sledovaného objektu v_r:

(2)

V těchto rovnicích je /₀ pracovní frekvence daného CW radaru, c je rychlost světla a Ψ je obecná fáze. Obdobně pracuje i CW radarový senzor s jednou společnou anténou 10. kdy jsou vysílací i přijímací větve spojeny cirkulátorem 11. viz Obr. 2. I v případě zapojení dle Obr. 2 je na výstupu radaru signál dle vztahu (1) a funkce je ovlivněna přeslechem G_AA mezi vysílací větví a přijímací větví. Ten je v tomto případě dán parazitním přenosem cirkulátoru 11 a odrazy od společné antény 10.

Autonomní měření a vlastní diagnostika CW radarového senzoru, které jsou předmětem tohoto řešení, jsou založeny na měření šumových parametrů předmětného radarového senzoru. Vzhledem k tomu, že vlastnosti zapojení dle Obr. 1 i Obr. 2 jsou z tohoto pohledu stejné, bude princip měření dále popsán na zapojení se dvěma anténami dle Obr. 1.

Šumové vlastnosti CW radarového senzoru jsou dány celkovým šumovým napětím na zakončovacím odporu 7, standardně 50 Ω, který je zapojen na výstupu nízkofrekvenčního filtru 6. Celkové šumové napětí se skládá z šumu lineárních nebo kvazilineámích VF nebo mikrovlnných obvodů, z Šumového napětí daného vlivem fázového šumu místního oscilátoru I a z šumového na-3CZ 23226 U1 pěti nízkofrekvenčního zesilovače 8 přepočteného na jeho vstup. Šumové napětí V»ix dané Šumem lineárních a kvazilineárních VF nebo mikrovlnných obvodů lze popsat vztahy:

(3)

ΛίΚ “ ^(^n^NSZ^MS^NFF^AS ⁺(^VSZ ~^)^n^O^NSZ^MS^NFF ⁺ + (^*A/5* “ ^^ň^O^MS^NFF + WGnFF ~ ^^n^O^NFF ) (4) oVms^NFF

(5)

V těchto vztazích je význam jednotlivých proměnných následující:

k Boltzmanova konstanta 1,38.10'²³ [J/K]

Tq standardní šumová teplota 290 [K]

T_A šumová teplota okolí, obvykle 300 [K]

T_AS celková šumová teplota anténního systému [K]

L_a Jouleovy ztráty v přijímací anténě [-] io L_Tl útlum vedení mezi anténou a vstupem přijímače [-] /?o hodnota zakončovacího odporu, většinou 50 [Ω]

B_n šumová šířka pásma [Hz]

Gnsz zisk nízkošumového zesilovače [-]

Fnsz šumové číslo nízkošumového zesilovače [-]

G_Ms konverzní zisk mikrovlnného směšovače [-]

Gwf zisk nízkofrekvenčního filtru, uvažuje se konst. v pásmu B_n [-]

PrtLK výkon šumu do zakončovacího odporu J?o daný šumem lineárních a kvazilineámích VF nebo mikrovlnných obvodů [W].

Výše uvedené vztahy ukazují, že tato složka šumového napětí je funkcí obvodových parametrů radaru a při bezchybném provozu ji lze považovat za konstantní. Šumové napětí V„_FS na zakoněovacím odporu 7 dané vlivem fázového Šumu místního oscilátoru I lze popsat pomocí následujících vztahů:

(6)

V těchto vztazích je význam jednotlivých proměnných následující:

r časové zpoždění mezi referenčním signálem a přeslechnutým signálem v rovině vstupů

LO a RF mikrovlnného směšovače [s]

-4CZ 23226 UI aproximace frekvenčního průběhu fázového Šumu daného MO, a_t a a₂ jsou koeficienty této aproximace

Ρ tx vysílaný výkon [W]

G_AA přeslech (parazitní přenos) mezi vysílací a přijímací anténou [-]

P_nfS výkon šumu do zakončovacího odporu R_o daný vlivem fázového šumu místního oscilátoru [W] dolní frekvence nízkofrekvenčního filtru [Hz] horní frekvence nízkofrekvenčního filtru [Hz].

Výše uvedené vztahy ukazují, že tato složka šumového napětí je silnou funkcí parametru r, tedy časového zpoždění mezi referenčním signálem na LO vstupu mikrovlnného směšovače 5 a přeslechnutým signálem na RF vstupu stejného směšovače. Tento jev je dále využíván v předlo mětném řešení. Poslední uvažovaná složka šumového napětí V„NFZin je dána šumem nízkofrekvenčního zesilovače 8 přepočteným na jeho vstup, tedy také do roviny zakončovacího odporu 7. Nízkofrekvenční zesilovač 8 je obvykle realizován pomocí operačních zesilovačů s tím, že dle potřebného zisku Aw?, viz vztah (13), a parametrů použitých operačních zesilovačů se skládá z jednoho operačního zesilovače nebo z kaskády za sebou zapojených operačních ze15 silovačů. Přitom se alespoň na vstupu nízkofrekvenčního zesilovače 8, který dominantně určuje šumové vlastnosti celého zesilovače, předpokládá použití nízkošumového operačního zesilovače, například LT1028 od výrobce Linear Technology. Pro neinvertující zapojení tohoto operačního zesilovače publikuje tento výrobce následující vztahy pro výpočet K^zm:

Ak ♦«Ζ.+ίήΑ,Η (9)

β._Λ = ^*ξΓ (10)

V těchto vztazích je význam j ednotlivých proměnných následuj ící:

e„ vstupní ekvivalentní šumové napětí, parametr uvedený v katalogovém listu daného operačního zesilovače [ K / ^HZ ] i„ vstupní ekvivalentní šumový proud, parametr uvedený v katalogovém listu daného operačního zesilovače [ A / ^Hz ] e„_R šumové napětí dané odpory v daném zapojení operačního zesilovače [ V/ \Hz ]

R], &2 odpory použité ve zpětné vazbě neinvertujícího zapojení operačního zesilovače [Ω]

R_eq hodnota ekvivalentního odporu daná kombinací výstupního odporu zdroje signálu a odporů ve zpětné vazbě [Ω].

Výše uvedené vztahy ukazují, že tato složka Šumového napětí je pro dané zapojení CW radaru konstantní. Při použití nízkošumového OZ od jiného výrobce je vhodné použít vztahy pro V„wzin a parametry udávané tímto jiným výrobcem. Výsledné Šumové napětí V_nri„ v rovině zakončovacího odporu 7 je dáno součtem výše popsaných složek s tím, že pro součet je nutné použít vztah pro součet efektivních hodnot, daný následujícím vztahem:

-5CZ 23226 Ul

Výstupní šumové napětí V„_rouí na výstupu nízkofrekvenčního zesilovače 8 s napěťovým ziskem A_nfz měřené A/D převodníkem 9 je potom:

* ^NF2^tri„ (13)

Na výstupu převodníku A/D 9 je k dispozici datový tok reprezentující signál s\f(í) pro zpracování v nadřízeném počítači.

Na Obr. 3 je uvedeno zapojení CW radarového senzoru se dvěma anténami a s možností autonomního měření šumových parametrů a provádění vlastní diagnostiky, které je předmětem tohoto řešení, a to ve variantě se zapojením obvodu proměnného časového zpoždění v přijímací větvi.

Zapojení je shodné se zapojením na Obr. 1, avšak je doplněno o další bloky. V přijímací větvi je mezi výstupem nízkošumového zesilovače 4 a RF vstupem mikrovlnného směšovače 5 zapojen obvod 12 proměnného časového zpoždění. Jeho nastavovací vstup je propojen s řídicí jednotkou 13, a to s nastavovacím výstupem bloku 13.1 nastavení proměnného časového zpoždění, jehož druhý výstup je spojen s jedním vstupem datové paměti 13.2. Datový vstup datové paměti 13.2 ie spojen s datovým výstupem A/D převodníku 9. Výstup datové paměti 13.2 je propojen přes blok 13.3 hledání minim a maxim v záznamech uložených v datové paměti 13.2 s blokem 13.4 výpočtů šumových parametrů, jehož jeden výstup je propojen se vstupem bloku 13.5 komunikace. Blok 13.5 komunikace má jeden výstup je propojený přes blok 13.6 spuštění měření se vstupem bloku 13.1 nastavení proměnného časového zpoždění. Druhý jeho výstup je propojen s pamětí 13.7 předpokládaných hodnot šumových parametrů, jejíž výstup je spojen s jedním vstupem porovnávacího bloku 13.8. Na druhý vstup porovnávacího bloku 13.8 je připojen druhý výstup bloku 13.4 výpočtů šumových parametrů. Výstup porovnávacího bloku 13.8 je propojen přes blok 13.9 diagnostiky a lokalizace závad s druhým vstupem bloku 13.5 komunikace, jehož výstup VDÁT je komunikačním vstupem/výstupem vypočtených šumových parametrů a výsledků diagnostiky řídicí jednotky 13 pro připojení k nadřazenému počítači.

Pro zabezpečení výše uvedených funkcí je CW radarový senzor tedy doplněn řídicí jednotkou 13, A/D převodníkem 9 a obvodem 12 proměnného Časového zpoždění, jehož časové zpoždění r je nastavitelné řídicí jednotkou 13. Tento obvod je možné umístit obecně kamkoliv do vysílací větve mezi výstup děliče 2 výkonu a vstup vysílací antény 10.1, do přijímací větve mezi výstup přijímací antény 10.2 a RF vstup mikrovlnného směšovače 5, nebo do referenční větve mezi výstup děliče 2 výkonu a LO vstup mikrovlnného směšovače 5. Ve vysílací větvi však obvod 12 proměnného časového zpoždění snižuje výstupní výkon, v přijímací větvi mezi výstupem přijímací antény 10.2 a vstupem nízkošumového zesilovače 4 zhoršuje šumové parametry CW radarového senzoru. Proto nejvýhodnější místo pro jeho zapojení je v přijímací větvi, a to mezi výstupem nízkošumového zesilovače 4 a RF vstupem mikrovlnného směšovače 5, kde je vliv útlumu obvodu 12 proměnného časového zpoždění obvykle zanedbatelný nebo jednoduše kompenzovatelný ziskem nízkošumového zesilovače 4, nebo v referenční větvi mezi výstupem děliče 2 výkonu a LO vstupem mikrovlnného směšovače 5.

Pomocí změny τ a odeětem závislosti výstupního šumového napětí na tomto parametru Vnrout= /(ť) lze následně výpočetně určit všechny důležité šumové parametry. Podmínkou provedení tohoto měření je to, že se při měření nesmí v dosahu radarového senzoru pohybovat žádné těleso, nebo se radarový senzor nesmí pohybovat vůči jinému tělesu v dosahu. V praxi je splnění podmínek měření celkem běžné, například stav mimo bojové nasazení, kdy vozidlo s radarovým senzorem stojí a je jisté, že na něj neletí žádná ohrožující střela, takže provedení měření Šumových parametrů a vlastní diagnostiky je velmi často proveditelné. V plném bojovém nasazení stejně není možné senzory ani na krátkou chvíli vypnout a diagnostika se provádí před ním. Všechny vypočtené parametry a výsledky diagnostiky jsou k dispozici na datovém výstupu VDÁT.

-6CZ 23226 Ul

Postup měření šumových parametrů CW radarového senzoru vychází z výše uvedených vztahů (3) - (13), ze kterých vyplývá, že při měření bez užitečného signálu, kdy se v okolí radarového senzoru nepohybuje žádný objekt, měří radarový senzor jen šumové napětí. Toto Šumové napětí přitom významně závisí na přeslechu mezi vysílací a přijímací anténou G_AA a na časovém zpoždění r mezi referenčním signálem na LO vstupu mikrovlnného směŠovaěe 5 a přeslechnutém signálu na jeho RF vstupu. Toto Šumové napětí má konstantní složku danou šumem lineárních a kvazilineámích VF a NF obvodů a proměnnou složku danou fázovým šumem místního oscilátoru 1, která je periodickou funkcí časového zpoždění r. Na Obr. 4 je uveden příklad této závislosti změřené, vyznačeno křížky, pro několik hodnot τ ve srovnání s průběhem vypočteným, vyznačeno plnou čárou, dle vztahů (3) - (13).

Obr. 4 ukazuje, že výstupní Šumové napětí V_nrout vykazuje závislost typu K\ + K₂ sin²(K₃. r), s tím, že Ki, K₂, K₃ j sou konstanty a pro určitá r dosahuje průběh maxim a pro určitá τ dosahuje minim. Při nastavení dostatečně jemného kroku r lze pomocí řídicí jednotky 13 a obvodu 12 proměnného časového zpoždění tato minima a maxima snadno najít. Vzhledem k tomu, že se jedná o odečet šumových napětí, tedy náhodných signálů, je velmi vhodné načíst do záznamu vždy několik period a hledat výsledné minimum a maximum z delšího záznamu.

V minimech funkce je sin²(K₃r) = 0, a tedy minimální hodnoty výstupního šumového napětí V_nrout min odpovídají jen vlivu lineárních a kvazilineámích VF a NF obvodů:

(14)

Vzhledem k tomu, že hodnota šumového napětí NF obvodů, operačních zesilovačů, V_nNFzi„ je obvykle velmi dobře definovaná a jednoduše vypočítatelná dle vztahů (9) - (11), lze z naměřených hodnot V_nout „m, snadno vypočítat šumové napětí , které odpovídá šumu lineárních a kvazilineámích VF obvodů.

(15)

Hodnota V_nLK závisí dle vztahů (3) - (5) na parametrech všech obvodů přijímače. Vypočtenou hodnotu VftLK může porovnávací blok 13.8 v řídicí jednotce 13 porovnávat s hodnotou předpokládanou uloženou v paměti 13.7 předpokládaných hodnot šumových parametrů a diagnostikovat tak stav všech obvodů v přijímací větvi.

Maximální hodnota výstupního šumového napětí V„_rmttmia odpovídá případu, kdy jsou ve vztazích (12) - (13) aktivní všechny 3 složky šumového napětí s tím, že vliv fázového Šumu místního oscilátoru 1 dosahuje maxima. Tento stav odpovídá nejhoršímu možnému případu, z hodnoty

Vnrout max j^e tedy možné vypočítat nejhorší možný případ šumového napětí V_{nFS [nax} daného fázovým šumem místního oscilátoru:

(16)

I tuto hodnotu lze porovnat s hodnotou předpokládanou a diagnostikovat tak stav CW radarového senzoru. Zvýšení řúftmax může být způsobeno buď závadou místního oscilátoru i, nebo zvýšením přeslechu mezi vysílací anténou 10,1 a přijímací anténou 10.2. Ze známých hodnot Šumových napětí lze vypočítat i šumové číslo přijímače v předmětném CW radarovém senzoru. Podle složek šumových napětí, které jsou přitom brány v úvahu, je definováno i odpovídající šumové číslo nebo ekvivalentní Šumová teplota. Pokud je bráno v úvahu minimum výstupního šumového napětí C^min, odpovídají šumové číslo F_RXLK resp. ekvivalentní šumová teplota T_eRXLK vlivu lineárních a kvazilineámích VF a NF obvodů, přičemž obě hodnoty se shodují s minimálními možnými hodnotami , resp. T_eRX :

-7CZ 23226 U1

FfVOJC “ Strmin y² _^rwwtfmm_ (17)

TtfAHX 7^&ť min ⁼ (^AttJT “ 0^0 (18)

Pokud je brána v úvahu maximální hodnota výstupního šumového napětí r„_roKt ,_rax, odpovídají šumové Číslo Fftxnan rcsp. ekvivalentní šumová teplota Γ^πηχ vlivu všech obvodů v CW radarovém senzoru, a to i s uvažováním vlivu fázového Šumu při nejvíce nepříznivé hodnotě τ:

AXirax

B„ G_NSZ G_msG_nff (19) (20)

V praxi při provozu předmětného CW radarového senzoru budou hodnoty Frx resp. T_eRX ležet vždy mezi výše uvedenými minimálními a maximálními hodnotami. Zejména jejich zvýšení nad hodnoty maximální indikuje nějaký problém v senzoru s tím, že jej lze dle jednotlivých hodnot šumových napětí do jisté míry i lokalizovat. Důležité je, že parametry se měří zcela automaticky io s použitím vlastních signálů senzoru. Měření prověřuje parametry vysílače i přijímače, a to včetně antén. Jedná se o velmi komplexní a citlivou metodu vlastní diagnostiky.

Výše popsané výpočetní a diagnostické funkce jsou realizovány pomocí obvodových a programových bloků uvnitř řídicí jednotky 13. Měření Šumových parametrů a provedení vlastní diagnostiky jsou inicializovány nadřízeným počítačem přes blok 13.5 komunikace a blok 13.6 spuš15 tění měření. Blok 13.6 spuštění měření inicializuje nastavení množiny hodnot časového zpoždění τ, a to pomocí bloku 13.1 nastavení časového zpoždění. Nastavovací výstup tohoto bloku řídí obvod 12 proměnného Časového zpoždění, množina nastavených hodnot se paralelně ukládá do datové paměti 13.2. Do této datové paměti 13.2 se ukládají i odpovídající hodnoty výstupního šumového napětí F_nroui změřené pomocí A/D převodníku 9. Po nasnímání dostatečně dlouhého záznamu V_nroul jako funkce časového zpoždění τ je záznam v datové paměti 13.2 zpracován v bloku 13.3 hledání minim a maxim, kde jsou odečteny hodnoty V_nrout a V_nrouf . Z těchto hodnot jsou v bloku 13.4 výpočtu Šumových parametrů vypočteny Šumové parametry popsané vztahy (15) - (20). Vypočtené Šumové parametry jsou přes blok 13.5 komunikace a komunikační vstup/výstup VDÁT k dispozici nadřízenému počítači. Vedle toho jsou v porovnávacím bloku

13.8 porovnávány s předpokládanými hodnotami šumových parametrů uložených v paměti 13.7 předpokládaných hodnot šumových parametrů. Předpokládané hodnoty šumových parametrů je možné zadat do paměti 13.7 předpokládaných hodnot šumových parametrů z nadřízeného počítače přes komunikační vstup/výstup VDÁT a blok 13.5 komunikace. Výsledek porovnání naměřených a předpokládaných hodnot šumových parametrů je dále zpracován v bloku 13.9 diagnostiky a lokalizace závad. V tomto bloku 13.9 diagnostiky a lokalizace závad je prováděna diagnostika předmětného CW radarového senzoru, tedy stanovení míru odchylky od požadovaných parametrů a provedení rozhodnutí, zda je tato odchylka ještě přijatelná nebo již nepřijatelná a senzor vyžaduje urgentní nebo méně urgentní opravu. Po provedení diagnostiky lze posouzením hodnot vypočtených parametrů do určité míry provést i lokalizaci závady, tedy stanovení nejvíce prav35 děpodobného obvodu nebo obvodů, které způsobují diagnostikovanou závadu. Výsledky diagnostiky a lokalizace závady jsou nadřízenému počítači k dispozici na komunikačním vstupu/výstupu VDÁT, a to přes blok 13.5 komunikace.

Obdobná zapojení a výpočetní postupy je možné použít i v případě radaru s jednou společnou anténou, viz Obr. 5, resp. Obr. 5a. Zapojení na Obr. 5 obsahuje obvod 12 proměnného časového

-8CZ 23226 Ul zpoždění, kdy lze hodnotu r nastavit v jemných krocích pomocí řídicí jednotky 12, zapojený v přijímací větvi mezi výstupem nízkošumového zesilovače 4 a RF vstupem mikrovlnného směšovače 5. Zapojení na Obr. 5a obsahuje obvod 12 proměnného Časového zpoždění zapojený v referenční větvi mezi výstupem děliče výkonu 2 a LO vstupem mikrovlnného směšovače 5. Funkce obou variant je identická s verzí se dvěma anténami s tím, že tato verze vykazuje obvykle vyšší hodnotu přeslechu G_ÁA danou izolací mezi branami cirkulátoru 11 a odrazem od společné antény 10.

Průmyslová využitelnost

CW radarový senzor s autonomním měřením šumových parametrů a vlastní diagnostikou lze použít všude tam, kde je důležitá vysoká spolehlivost zařízení a kde se jedná o měření pohybujících se cílů v malé nebo střední vzdálenosti. Příkladem může být měřič rychlosti automobilů pro policejní účely nebo pro detekce vitálních pohybů těla (dýchání, tlukot srdce) pro zdravotní účely. Mezi důležité obory použití patří i vojenské aplikace. Například v systémech aktivní ochrany bojových vozidel, kde se CW radarové senzory používají pro detekci a měření ohrožujících protipancéřových střel. Možnost provádění vlastní diagnostiky patří mezi základní požadavky na každé vojenské elektronické zařízení.

Claims (5)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Radarový senzor s vysílanou kontinuální vlnou, jehož vysílací větev je tvořena místním oscilátorem (1) propojeným s děličem (2) výkonu, který je dále svým jedním výstupem spojen s výkonovým zesilovačem (3) a jehož přijímací větev je tvořena nízkošumovým zesilovačem (4), jehož výstup je spojen s RF vstupem mikrovlnného směšovače (5), na jehož druhý vstup LO je připojen výstup referenčního signálu z děliče (2) výkonu a výstup mikrovlnného směšovače (5) je přes nízkofrekvenční filtr (6) jednak spojen přes zakonČovací odpor (7) se zemí a jednak je přes nízkofrekvenční zesilovač (8) připojen na vstup A/D převodníku (9), jehož datový výstup je výstupem pro zpracování signálů řídicí jednotkou (13), přičemž radarový senzor je realizován buď se dvěma anténami, a to s vysílací anténou (10.1) na výstupu výkonového zesilovače (3) a přijímací anténou (10.2) na vstupu nízkošumového zesilovače (4) nebo se společnou anténou (10), propojenou s výstupem výkonového zesilovače (3) a se vstupem nízkošumového zesilovače (4) přes cirkulátor (11), vyznačující se tím, že v přijímací větvi je mezi výstupem nízkošumového zesilovače (4) a RF vstupem mikrovlnného směšovače (5) zapojen obvod (12) proměnného časového zpoždění, jehož nastavovací vstup je propojen s řídicí jednotkou (13), a to s nastavovacím výstupem bloku (13.1) nastavení proměnného Časového zpoždění, jehož druhý výstup je spojen s jedním vstupem datové paměti (13.2), jejíž druhý, datový vstup je spojen s datovým výstupem A/D převodníku (9) a jejíž výstup je propojen přes blok (13.3) hledání minim a maxim v záznamech uložených v datové paměti (13.2) s blokem (13.4) výpočtů šumových parametrů, jehož jeden výstup je propojen se vstupem bloku (13.5) komunikace, který má jeden výstup propojený přes blok (13.6) spuštění měření se vstupem bloku (13.1) nastavení proměnného časového zpoždění a druhý jeho výstup je propojen s pamětí (13.7) předpokládaných hodnot šumových parametrů, jejíž výstup je spojen s jedním vstupem porovnávacího bloku (13.8) na jehož druhý vstup je připojen druhý výstup bloku (13.4) výpočtů šumových parametrů a výstup porovnávacího bloku (13.8) je propojen přes blok (13.9) diagnostiky a lokalizace závad s druhým vstupem bloku (13.5) komunikace, jehož výstup (VDÁT) je komunikačním vstupem/výstupem vypočtených parametrů a výsledků diagnostiky řídicí jednotky (13) pro připojení k nadřazenému počítači.
2. 2. Radarový senzor s vysílanou kontinuální vlnou, jehož vysílací větev je tvořena místním oscilátorem (1) propojeným s děličem (2) výkonu, který je dále svým jedním výstupem spojen s

   -9CZ 23226 U1 výkonovým zesilovačem (
3. 3) a jehož přijímací větev je tvořena nízkošumovým zesilovačem (
4. 4), jehož výstup je spojen s RF vstupem mikrovlnného směšovače (5), na jehož druhý vstup LO je připojen výstup referenčního signálu z děliče (2) výkonu a výstup mikrovlnného směšovače (5) je přes nízkofrekvenční filtr (6) jednak spojen přes zakončovací odpor (7) se zemí a jednak je
5. 5 přes nízkofrekvenční zesilovač (8) připojen na vstup A/D převodníku (9), jehož datový výstup je výstupem pro zpracování signálů řídicí jednotkou (13), přičemž radarový senzor je realizován buď se dvěma anténami, a to s vysílací anténou (10.1) na výstupu výkonového zesilovače (3) a přijímací anténou (10.2) na vstupu nízkošumového zesilovače (4) nebo se společnou anténou (10), propojenou s výstupem výkonového zesilovače (3) a se vstupem nízkošumového zesilovače io (4) přes cirkulátor (11), vyznačující se tím, že v referenční větvi je mezi výstupem děliče (2) výkonu a LO vstupem mikrovlnného směšovače (5) zapojen obvod (12) proměnného časového zpoždění, jehož nastavovací vstup je propojen s řídicí jednotkou (13), a to s nastavovacím výstupem bloku (13.1) nastavení proměnného časového zpoždění, jehož druhý výstup je spojen s jedním vstupem datové paměti (13.2), jejíž druhý, datový vstup je spojen s datovým

   15 výstupem A/D převodníku (9) a jejíž výstup je propojen přes blok (13.3) hledání minim a maxim v záznamech uložených v datové paměti (13.2) s blokem (13.4) výpočtů šumových parametrů, jehož jeden výstup je propojen se vstupem bloku (13.5) komunikace, který má jeden výstup propojený přes blok (13.6) spuštění měření se vstupem bloku (13.1) nastavení proměnného časového zpoždění a druhý jeho výstup je propojen s pamětí (13.7) předpokládaných hodnot šumo20 vých parametrů, jejíž výstup je spojen s jedním vstupem porovnávacího bloku (13.8) na jehož druhý vstup je připojen druhý výstup bloku (13.4) výpočtů šumových parametrů a výstup porovnávacího bloku (13.8) je propojen přes blok (13.9) diagnostiky a lokalizace závad s druhým vstupem bloku (13.5) komunikace, jehož výstup (VDÁT) je komunikačním vstupem/výstupem vypočtených parametrů a výsledků diagnostiky řídicí jednotky (13) pro připojení k nadřazenému

   25 počítači.