Radar FMCW đã thay thế radar truyền thống
Giới thiệu
Radar FMCW (Frequency-Modulated Continuous Wave – sóng liên tục điều chế tần số) chuyển miền thời gian có độ phân giải hạn chế sang miền tần số mà nằm trong năng lực xung nhịp đồng hồ của chip xử lý thông thường trong khi đạt được độ phân giải khoảng cách cỡ mm, điều mà radar truyền thống với độ rộng xung không thể nào đạt được.
1. Chirp
Chirp là đơn vị mà radar phát một dải tần số liên tục tăng tuyến tính theo thời gian. Thời gian của chirp là Tc. Nếu radar phát một dải tần số từ 77 GHz tới 81 GHz thì B = 81 GHz – 77 GHz = 4 GHz, cho rằng trong 40 µs. Chúng ta nói băng thông của chirp là B = 4 GHz, Tc = 40 µs.
2. Tần số trung gian (Intermediate Frequency, Beat Frequency)
Chirp được phát từ TX và truyền tới đối tượng, phản xạ trở lại rồi thu được trên RX, với khoảng thời gian trễ t. Cho rằng đối tượng đứng yên (cho nên không có hiệu ứng doppler) tần số thu được là tần số ban đầu, gọi là Frx. Vì thời gian t đã trôi qua, chirp đã tăng tần số tới Ftx. Tần số IF = Ftx – Frx gọi là tần số trung gian. IF là một hàm tuyến tính theo thời gian, có miền xác định từ 0 đến Tc, miền giá trị từ 0 đến B, với độ dốc (slope) là S = B / Tc
Chúng ta có: IF = S.t. Tín hiệu IF được xử lý thay vì tần số chirp cho nên được gọi là tần số trung gian. Miền thời gian hẹp được ánh xạ tới miền tần số rộng lớn và độ phân giải tần số bằng 1 / Tc như chúng ta sẽ thấy sau này.
3. Độ phân giải khoảng cách
Sóng điện từ truyền trong không gian với vận tốc ánh sáng c, trong thời gian t (đi và về) nó đi được c.t. Vậy khoảng cách tới mục tiêu R = c.t / 2. Tại điểm này chúng ta thấy nguyên lý đo khoảng cách giống với radar truyền thống. Tuy nhiên thay vì đo thời gian trực tiếp qua độ rộng xung của radar truyền thống chúng ta áp dụng công thức trên IF = S.t => t = IF / S. Do đó R = c.IF / 2.S. Lại có S = B / Tc => R = c.IF.Tc / 2.B. Độ phân giải là lượng δ có thể phân biệt, độ phân giải khoảng cách δR = c. δIF.Tc / 2.B (*).
Biến đổi Fourier (thực tế là biến đổi nhanh Fourier – FFT) thực hiện biến đổi tín hiệu điều hòa trong miền thời gian thành các đỉnh trong miền tần số. Theo nguyên lý phổ Fourier, cửa sổ thời gian dài Tc cho phép phân giải tần số mịn 1 / Tc. Cho nên độ phân giải tần số δIF = 1 / Tc. Thay vào (*) chúng ta được: δR = c. δIF.Tc / 2.B => δR = c. (1/Tc).Tc / 2.B = c / 2.B. Vậy độ phân giải khoảng cách
Độ phân giải khoảng cách chỉ phụ thuộc băng thông B, băng thông càng lớn, độ phân giải càng cao, càng bắt được mục tiêu nhỏ hơn.
Trong ví dụ của chúng ta B = 4 GHz, δR = 300’000’000 / (2 * 4’000’000’000) * 100 = 3.75 (cm)
Kết luận
Radar FMCW rõ ràng ưu việt hơn hẳn radar xung. Nó có thể sử dụng chip xử lý công suất nhỏ với năng lực thông thường, chi phí rất thấp. Không những đã hữu dụng trong dân sự, nó là tiềm năng trong quân sự, khi những UAV độc hại lọt lưới không phận dựa vào kích thước tý hon của nó sẽ không còn có thể lẩn tránh.
Artificial Intelligence Kiosk 