Princípio de funcionamento do radar

O que é um radar?

A abreviatura da expressão Radar, vem do acrônimo Radio Detection and Ranging que traduzido siginifica detecção e localização por ondas de rádio.

A formulação básica tem origem nas Equações de Maxwell, um estudo amplo e profundo dos fenômenos de propagação das ondas eletromagnéticas.

Um dispositivo destinado à localização de objetos distantes por meio de ondas refletidas nesses objetos. O radar utiliza esse eco para determinar a direção e a distância do alvo.

Formação da onda de rádio

A forma de emissão desse sinal acontece devido uma estrutura eletrônica que consegue formar ondas eletromagnéticas na faixa de frequência de rádio.

Para formar a onda eletromagnética em um sistema é construido de um circuito oscilador RLC (resistência, indutor e capacitor) ligados em série (figura 4.6).

Figura 4.6: Mostra o circuito RLC para produzir uma onda de rádio. O oscilador LC produz uma corrente senoidal na antena, que gera a onda. O “indutor”, neste caso, é na verdade um transformador usado para excitar a antena dipolo, por meio contínua troca de energia entre o campo elétrico e o magnético no indutor.

Primeiro o sistema recebe carga elétrica de uma fonte de tensão alternada sinoidal, essa fonte fornece energia suficiente para compensar a energia extraída pela onda eletromagnética.

O oscilador LC está acoplado, por meio de um transformador e de um linha de transmissão, a uma antena. Através do acoplamento, a corrente senoidal produz correntes senoidais, com frequência angular ω do oscilador LC, nos ele- mentos da antena. Como essas correntes fazem as cargas nos elementos da antena se aproximarem e se afastarem periodicamente, a antena pode ser vista como um dipolo elétrico, cujo momento dipolar elétrico varia senoidamente em módulo e sentido ao londo do eixo da antena [48].

Os campos variáveis formam uma onda eletromagnética que se afasta da

antena com velocidade c. A frequência angular da onda é ω, a mesma do

oscilador LC. [48]

De forma sucinta, as oscilações de carga e corrente resultam em oscilações do campo elétrico do capacitor e do campo magnético do indutor, a que chamamos

oscilações eletromagnéticas.

O campo magnético é uma concentração de linhas de campo cada uma pro- duzida pela corrente, conforme mostra a figura 4.7:

Figura 4.7: Mostra as linhas do campo elétrico. A antena no centro é formada por duas hastes de metal verticais conectadas a um transmissor de rádio. O transmissor aplica uma corrente elétrica alternada às hastes, que as carrega alternadamente positiva (+) e negativa (-). O campo elétrico deixa a antena e se afasta na velocidade da luz , essas são as ondas de rádio.

Fonte: [47]

Assim, acontece uma relação entre campo elétrico e campo magnético, evi- denciando que variações provocam, necessariamente, o aparecimento do outro. Os campos eletromagnéticos têm características fundamentais na organização

dos radares. São geradas por campos oscilatórios e podem se propagar no vácuo. Por isso são ondas transversais.

Características dos radares

Um radar é constituido seis componentes básicos (figura 4.8), espeficificados como: 1) Fonte- responsável por fornecer energia para funcionamento do radar. 2) Modulador- armazena a energia durante o período de recepção, composto por capacitor e indutor. 3) Transmissor- gera energia em radiofreqüência (RF), sob a forma de pulsos curtos de alta potência. 4) Antenas- são dispositivos que lançam ondas eletromagnéticas no espaço, e de maneira inversa, captam estas ondas e as transferem a um circuito. 5) Receptor- amplifica o sinal retornado. 6)Indicador-produz uma indicação visual dos pulsos refletidos pelo obstáculo, em uma maneira que forneça as informações desejadas dos alvos detectados.

eco

1

1

Figura 4.8: Diagrama da estrutura de um sistema RADAR. Fonte: [?]

O sinal é criado a partir do fornecimento de energia no sistema LC, que armazena energia criando interações entre as cargas, originando campos elétrico e magnético. O sinal eletromagnético é transmitido, por meio de um antena que normalmente é a parte visível do radar. Quando encontra um obstáculo o pulso é refletido, sendo possível visualizar as informações em software especializados.

A distância do alvo pode ser calculada da seguinte forma:

d = c∆t

2 (4.1)

d = 3 × 10

8_∆t

A distância (d) é calculada como o tempo que leva para a antena transmitir o pulso e receber (t), o pulso vezes a velocidade da luz (c), dividido por dois, pois a distância de ida e volta. A direção do alvo é obtida a partir da elevação e azimute da antena.

As ondas eletromagnéticas são divididas em sete intervalos de frequências, denominada como espectro eletromagnético, estudados no Capítulo 3. As ondas de rádio tem intervalo de frequência entre 3 kHz ou 3.103 Hz e 300 Ghz ou 300.109 Hz. A maioria dos radares usa bandas de frequências de rádio, quanto maior a frequência do sistema de radar, maior será a influência que as condições meteorológicas, como a chuva ou nuvens, terão sobre a utilização do sistema. A tabela abaixo mostra as diversas bandas de radar existentes.

Bandas de sistemas de radar Intervalo de frequência

Banda UHF 0, 3 − 1 GHz Banda L 1 − 2 GHz Banda S 2 − 4 GHz Banda C 4 − 8 GHz Banda X 8 − 12 GHz Banda Ku 12 − 18 GHz Banda K 18 − 27 GHz Banda Ka 27 − 40 GHz Tipos de radar

O radar pode ser dividido em dois tipos: radar mono-estático radar bi- estático.

O radar mono-estático é um sistema que apresenta em sua estrutura o re- ceptor no mesmo local do transmissor (Figura 4.9). Neste sistema a superfície de alcance são esferas com centro no radar.

Radar

Pulsos

eletromagnéticos

Ecos

Figura 4.9: Esquema de um radar mono-estático. Fonte: [?]

O radar bi-estático é um sistema em que o receptor fica localizado em um lo- cal diferente do transmissor (Figura 4.10). Neste sistema a superfície de alcance são elipsóides com os focos localizados nas posições do transmissor e receptor. .

Antena

transmissora Antena_receptora

Pulsos

eletromagnéticos Ecos

Figura 4.10: Esquema de um radar bi-estático. Fonte: [?]

Os equipamentos do radar podem ser classificados, quanto ao tipo de mo- dulação, em radar de pulso e radar de onda contínua.

O radar de pulso é um tipo de radar que o transmissor emite vários pulsos de ondas eletromagnéticas de curta duração e com nível de elevada energia. O receptor detecta o eco do sinal refletido. Normalmente, é um tipo de radar mono-estático.

Normalmente, a antena pode rotacionar, aumentando a área de rastrea- mento. Esse tipo de radar é perfeitamente eficaz para localizar um alvo, mas não dá um resultado preciso quanto à velocidade do objeto.

O radar de onda contínua CW (Continuous Wave), emite sinais de rádio contínuo, com elevada energia [36]. Permite diferenciar objetos parados e os que estão em movimento. Normalmente, ele é utilizado para medir velocidade de um determinado objeto e indicar a localização, como em radares para fiscalização de trânsito.

Com esse tipo de radar, não é possível obter informações precisas sobre a distância do objeto observado. Segundo Palma:

Para aumentar o isolamento entre sinal emitido e recebido podem- se usar antenas fisicamente separadas para emissão e receção, ape- sar desse isolamento ser normalmente insuficiente. Uma técnica viável para distinguir o sinal emitido do recebido é garantir que existe um movimento relativo entre o radar e o alvo, sendo feito

o respetivo reconhecimento da variação de frequência causada pelo efeito de Doppler. ([36], pag.37, 2018)

O efeito de Doppler é um fenômeno físico em ondas emitidas ou refletidas por uma fonte, conseguindo medir objetos que estejam em movimento, fazendo referência a diferença entre as frequências das ondas eletromagnéticas entre o eco de um alvo e o sinal emitido pelo radar.

Essa diferença entre as frequências é diretamente proporcional à velocidade radial de aproximação ou afastamento do alvo.

A frequência observada pode ser descrita, como:

f = f0   c ± vobs c ± vf onte   (4.3)

Considerando um observador e uma fonte, a frequência central do sinal trans- mitido, f0, a velocidade do observador, vobs, e a velocidade da fonte, vf onte. E c

a velocidade da luz.

No caso em que a fonte não está em movimento, temos:

f = f0  1 ±v c   (4.4)

O desvio da frequência de Doppler, fd, vem dado por, sendo λ o comprimento

de onda: fd = f − f0 = ±f0 v c = ± v λ (4.5)

No caso específico do radar, o efeito é duplo, visto que ocorre tanto no percurso de ida como no de volta. Considerando o movimento do alvo, a uma velocidade radial,vr, o desvio da frequência de Doppler é dado por:

fd =

2vr

Capítulo 5

Aquisição de Dados

O Sistema de Aquisição de Dados (SAD) é um processo que explora os dados físicos em software e hardware, capaz de visualizar/analisar fenômenos do mundo real, convertendo os sinais elétricos em sinais digitais [54].

A comunicação entre o mundo físico e o computador é realizada por meio de conversão entre sinais analógicos e digitais e para isso necessita-se de con- versores. Observe a figura 5.1, note que sinal físico recebido por um sensor, o microfone (sinal analógico), é processado pelo computador através de pulsos elétricos, que acontece pela digitalização em sinal elétrico chamado de Conver- sor Analógico-Digital (ADC, do inglês Analogic Digital Converter), em seguida transformados em códigos binários. O mesmo pode acontencer em caminho inverso com a digitalização de forma Conversor Digital-Analógico- (DAC, do inglês Digital Analogic Converter.

Figura 5.1: Sistema de digitalização de um sinal analógico. Fonte: [53]

Dessa forma, um sistema de aquisição de dados é composto de componen- tes essenciais para tornar possível a comunicação. Podemos citar os sensores e transdutores que são responsáveis por converter os sinais físicos em sinais elétricos. Por meio de circuitos de tratamento de sinais dos sensores e trans-

dutores, os conversores analógicos-digitais. Além disso, a compilação desses sinais através de códigos binários mostrado em uma interface de comunicação, o computador [54].

O uso de aquisição de dados iniciou durante a revolução industrial, período marcado pelo advento das máquinas a vapor, ou seja, acontecimento da evolução tecnológica. A forma de analisar dados se tornou cada vez mais sofisticada e precisa, por consequência, a tecnologia revolucionou o desenvolvimento da ciência.

A aquisição de dados assume um papel crucial para o desenvolvimento e análise de novos fenômenos.

Este Capítulo relata a construção e teste de protótipos de sistema de aqui- sição de dados usando a placa Arduino Uno e módulos sensoriais compatíveis, integradas de duas poderosas plataformas direcionadas ao desenvolvimento e controle de hardware e software, o sistema de prototipagem eletrônica de có- digo fonte aberto Arduino e o Ambiente gráfico de desenvolvimento de sistemas Processing. Esta integração possibilitou a construção de sistema de aquisição de dados um protótipo de sistema de telemetria, detecção e navegação, semelhante ao sonar, e detecção e navegação, também semelhante a um radar, ambos de baixa potência.

5.1

Sistema de telemetria, detecção e navega-

ção

Objeto Arduino e componentes eletrônicos Ambiente gráfico- Processing

Figura 5.2: Interação entre componentes do sistema. fonte: Autoria própria.

quirir dados físicos gerados a apartir da emissão de ondas sonoras, como a distância, localização e tempo de detecção de objetos, pode ser instalado em um veículo para navegação com base no sensoriamento do sonar.

Composto principalmente por sensores, um módulo de aquisição de sinal e um computador (figura 5.13), o dispositivo de aquisição de sinal faz o condici- onamento de sinal e integra o conversor analógico-digital(ADC).

O funcionamento do protótipo de um sonar inicia quando o sensor por meio de um transdutor detecta um objeto, transforma o sinal físico (pulsos de pressão de som) em sinal elétrico, em seguida é digitalizado e convertido por meio da plataforma de prototipagem eletrônica Arduino, ADC, em códigos binário sendo possível visualizar no Ambiente gráfico Processing os dados para análise quantitativa.