CZ303745B6

CZ303745B6 - Radarový senzor s vysílanou kontinuální vlnou s prídavnými funkcemi

Info

Publication number: CZ303745B6
Application number: CZ20110727A
Authority: CZ
Inventors: Hudec@Premysl; Jeník@Vojtech
Original assignee: Ceské vysoké ucení technické v Praze Fakulta elektrotechnická
Priority date: 2011-11-14
Filing date: 2011-11-14
Publication date: 2013-04-17
Also published as: CZ2011727A3

Abstract

Radarový senzor obsahuje obvod (12) promenného casového zpozdení, kde hodnota nastaveného casového zpozdení je rízena rídicí jednotkou (13). Obvod (12) promenného casového zpozdení je zapojen bud v prijímací vetvi mezi výstupem nízkosumového zesilovace (4) a RF vstupem mikrovlnného smesovace (5), nebo v referencní vetvi mezi výstupem delice (2) výkonu a LO vstupem mikrovlnného smesovace (5). Pomocí A/D prevodníku (9) je mereno výstupní sumové napetí v závislosti na nastaveném casovém zpozdení. Nové zapojení je pouzitelné u CW radarových senzoru s jednou spolecnou anténou (10) i se dvema oddelenými anténami (10.1, 10.2). Z merených hodnot závislosti výstupního sumového napetí na casovém zpozdení pocítá rídicí jednotka (13) sumové parametry CW radarového senzoru a diagnostikuje jeho stav.

Description

Radarový senzor s vysílanou kontinuální vlnou s přídavnými funkcemi

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. Nejčastěji se ktomuto 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, nejčastěji VF nebo mikrovlnným detektorem. Na výstupu detektoru je stejnosměrné napětí úměrné měřenému vysílanému výkonu, z hodnoty tohoto napětí lze vyhodnotit funkčnost vysílače.

Vzhledem ktomu, že přijímač je obvod neautonomní, je jeho kontrola a měření podstatě 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 injektovaným signálem.

- 1 CZ 303745 B6

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 poměru výstupního a vstupního výkonu. Pro měření šumových parametrů se obvykle používají kalibrované generátory šumu, obvykle se dvěma různými efektivními šumovými 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 elektronicky 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 nákladné, rozměrné a mají nemalý příkon a zvyšují tedy rozměry, hmotnost, příkon a cenu předmětných CW radarových senzorů.

Podstata vynálezu

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 směšovače, 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 nejčastěji přes cirkulátor. Podstatou nového řešení je to, že je ve struktuře 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 nastavení 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 proměnného 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 blokuje 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, příkonů i nákladů. Měřené parametry závisí i na výkonu vysílaném vysílačem a zisku přijímače. Při

- 2 CZ 303745 B6 použití navržené měřicí sestavy a provedení dále popsaných výpočtů lze tedy diagnostikovat správnou funkci celého CW radarového senzoru.

Přehled obrázků na výkresech

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 schématicky uvedeio no nové zapojení ve variantě se dvěma anténami a se zapojením obvodu proměnného časového zpoždění v přijímací větvi. Na obr. 3a je schématicky uvedeno nové zapojení ve variantě se dvěma anténami a se zapojením obvodu proměnného časového zpoždění v referenční větvi. Obr.

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 is 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.

Příklady uskutečnění vynálezu

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 i, který generuje nosnou CW vlnu s pracovní frekvencí/₀- Na výstup místního oscilátoru i je zapojen dělič 2 výkonu, který dělí výstupní výkon místního oscilátoru i na dvě části. Jedna část výstupního výkonu místního oscilátoru lje 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 fdtru 6, který odfil35 truje všechny VF složky, signál jehož amplituda A_NI.· je úměrná odrazu od sledovaného objektu a frekvence je rovná dopplerovské frekvenci fj.

s_NF(O = A_N,, co3{-27rf_dt + Ψ) (1)

Přitom dopplerovská frekvence//je úměrná radiální složce rychlosti sledovaného objektu v,·:

fd = -2 fc,·^{1 c} <²)

V těchto rovnicích jef) 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. 1 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 vynálezu, jsou založeny na měření šumových parametrů předmětného radarového senzoru.

- J CZ 303745 B6

Vzhledem ktomu, 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 50Ω, který je zapojen na výstupu nízkofrekvenčního filtru 6. Celkové šumové napětí se skládá z šumu lineárních nebo kvazilineárních VF nebo mikrovlnných obvodů, z šuntového napětí daného vlivem fázového šumu místního oscilátoru i a z šumového napětí nízkofrekvenčního zesilovače 8 přepočteného na jeho vstup. Šumové napětí Κ,,/χ daní šumem lineárních a kvazilineárních VF nebo mikrovlnných obvodů lze popsat vztahy:

Vlk ⁼ \Vlk^o (3)

Vlk = 2(kB„G_NSZG_MSG_NFFT_AS +(F_V.,_Z-^„kfG^G^G^ + ⁺ ~7)B_nkT^G_MSG+ {\IGy_FF -\)B_nkT_fíG_nff) (5)

V těchto vztazích je význam jednotlivých proměnných následující: k Boltzmanova konstanta 1,38.10 ²³ [J/K]

Tn 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 [-]

Ái útlum vedení mezi anténou a vstupem přijímače [-]

Rn hodnota zakončovacího odporu, většinou 50 [Ω]

B_n šumová šířka pásma [Hz]

G_Nsz zisk nízkošumového zesilovače [-]

Fv.sz šumové číslo nízkošumového zesilovače [-]

G\ts konverzní zisk mikrovlnného směšovače [-]

G,v/.₇. zisk nízkofrekvenčního filtru, uvažuje se konst. v pásmu B„ [-]

Ρ,,ι.κ výkon šumu do zakončovacího odporu R_(l daný šumem lineárních a kvazilineárních VF nebo mikrovlnných obvodů [W]

Výše uvedené vztahy ukazují, že tato složka šumového napětí je funkcí obvodových parametrů radaru a při bezchybném provozuji lze považovat za konstantní. Šumové napětí V„_FS na zakončovacím odporu 7 dané vlivem fázového šumu místního oscilátoru 1 lze popsat pomocí následujících vztahů:

VkS - Vd (6) = 16P_n.G._w._s.G^G_/Í,G,_v,_z^²r²sin²(2#_or) +«,)# (7)

Λ

-4CZ 303745 B6

(8)

V těchto vztazích je význam jednotlivých proměnných následující:

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

LO a RF mikrovlnného směšovače [s]

aproximace frekvenčního průběhu fázového šumu daného MO, o/ a a₂ jsou koeficienty této aproximace P/x vysílaný výkon [W]

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

P„ix výkon šumu do zakončovacího odporu R_f, daný vlivem fázového šumu místního oscilátoru [W] ft dolní frekvence nízkofrekvenčního filtru [Hz] fh 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 předmětném vynálezu. Poslední uvažovaná složka šumového napětí V„_Ni;_7jn je dána šumem nízkofrekvenčního zesilovače 8 přepočteným na jeho vstup, tedy také do roviny zakončovacího výkonu 7. Nízkofrekvenční zesilovač 8 je obvykle realizován pomocí operačních zesilovačů s tím, že dle potřebného zisku A_n viz vztah (13), a parametrů použitých operačních zesilovačů se skládá z jednoho operačního zesilovače nebo z kaskády za sebou zapojených operačních zesilovačů. 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

(9) (10) (11)

V těchto vztazích je význam jednotlivých proměnných následující:

e„ vstupní ekvivalentní šumové napětí, parametr uvedený v katalogovém listu daného open račního zesilovače [V/VHz] v katalogovém listu daného operačního zesilovače [A /VHz] šumové napětí dané odpory v daném zapojení operačního zesilovače [V/VHz]

Ri, Ri odpory použité ve zpětné vazbě neinvertujícího zapojení operačního zesilovače [Ω]

R_a/ 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 T„v/z„, a parametry udávané tímto jiným výrobcem. Výsledné šumové napětí V„_r,_n \ rovině zakončovací- 5 CZ 303745 Β6 ho odporu 7 je dáno součtem výše popsaných složek s tím, že pro součet je nutné použít vztah pro součet efektivních hodnot, daný následujícím vztahem:

(12)

Výstupní šumové napětí V,na výstupu nízkofrekvenčního zesilovače 8 s napěťovým ziskem 4 měřené A/D převodníkem 9 je potom:

(13)

Na výstupu převodníku A/D 9 je k dispozici datový tok reprezentující signál Sw.(t) 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 patentu, 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 J2 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 sjedním vstupem datové paměti 13.2. Datový vstup datové paměti 13.2 je spojen sjedním vstupem datové paměti 13.2. Datový vstup datové paměti 13.2 je 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 sjedním 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 vstup 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 F2 proměnného časového zpoždění, jehož časové zpoždění τ 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 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 odečtem závislosti výstupního šumového napětí na tomto parametru V_nr„_u, = f(r) 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,

-6CZ 303745 B6 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.

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 (T· a na časovém zpoždění τ mezi referenčním signálem na LO vstupu mikrovlnného směšovače 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 i, která je periodickou funkcí časového zpoždění r. Na Obr. 4 je uveden příklad této závislosti změřené, vyznačeno křížky, pro několik hodnot rve srovnání s průběhem vypočteným, vyznačeno plnou čárou, dle vztahů (3)-(13).

Obr. 4 ukazuje, že výstupní šumové napětí JJ™, vykazuje závislost typu K/ + K₂ sin² (K₂ ť), s tím, že K/, K₂, K₃ jsou konstanty a pro určitá r dosahuje průběh maxim a pro určitá r dosahuje minim. Při nastavení dostatečně jemného kroku r lze pomocí řídicí jednotky JJ a obvodu 12 proměnného časového zpoždění tato minima a maxima snadno najít. Vzhledem ktomu, 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(£₃r) = 0, a tedy minimální hodnoty výstupního šumového napětí Ennm/min odpovídají jen vlivu lineárních a kvazilineámích VF a NF obvodů:

(14)

Vzhledem ktomu, že hodnota šumového napětí NF obvodů, operačních zesilovačů, je obvykle velmi dobře definovaná a jednoduše vypočítatelná dle vztahů (9) - (11), lze z naměřených hodnot V„_r„_u, _min snadno vypočítat šumové napětí V_n2K, které odpovídá šumu lineárních a kvazilineámích VF obvodů.

(15)

Hodnota V_nLK závisí dle vztahů (3) - (5) na parametrech všech obvodů přijímače. Vypočtenou hodnotu V„/_K 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 _max odpovídá případu, kdy jsou ve vztazích (12) - (13) aktivní všechny 3 složky šumového napětí s tím, že vliv fázového šumu místního oscilátoru i dosahuje maxima. Tento stav odpovídá nejhoršímu možnému případu, z hodnoty Κι/-™/ max j^e tedy možné vypočítat nejhorší možný případ šumového napětí £„/.·«,· _max daného fázovým šumem místního oscilátoru:

nrout min (16)

-7CZ 303745 B6

J tuto hodnotu lze porovnat s hodnotou předpokládanou a diagnostikovat tak stav CW radarového senzoru. Zvýšení K„/.,x_max 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 předmětem 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 ,_nil„ odpovídají šumové číslo Fhxi.k ^resP· ekvivalentní šumová teplota T_cRXi,_K vlivu lineárních a kvazilineámích VF a NF obvodů, přičemž obě hodnoty se shodují s minimálními možnými hodnotami F_RXmin, resp.

⁷ VI ÁVR °n IS ^u h'l-T' kT,_}Rr,A_N,/B„G w G,_tcG (17)

TrXLK ~ pR.Xmn ~ l^RXI.K ~ (18)

Pokud je brána v úvahu maximální hodnota výstupního šumového napětí F„_{rnuí max}, odpovídají šumové číslo F/i\_max resp. ekvivalentní šumová teplota ZAvmax vlivu všech obvodů v CW radarovém senzoru, a to i s uvažováním vlivu fázového šumu při nejvíce nepříznivé hodnotě r.

(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 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 spuštění měření. Blok 13.6 spuštění měření inicializuje nastavení množiny hodnot časového zpoždění r, 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_nrai„ změřené pomocí A/D převodníku 9. Po nasnímání dostatečně dlouhého záznamu 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 F„_{niul mm} a F_nmu, max· 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 diagnos-8CZ 303745 B6 tiky 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 pravděpodobného 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 sjednou společnou anténou, viz. obr. 5, resp. obr. 5a. Zapojení na obr. 5 obsahuje obvod 12 proměnného časového zpoždění, kdy lze hodnotu τ nastavit v jemných krocích pomocí řídicí jednotky 13, 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_AA danou izolací mezi branami cirkulátoru 11 a odrazem od společné antény J_0.

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, ke 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

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 sjedním 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

-9CZ 303745 B6 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

5 (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.

io

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 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

15 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

2o 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 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

25 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

30 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 sjedním 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

35 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.