AUTOVELOX RADAR BASIC

Transcript

1 Misura la velocità istantanea di un oggetto in movimento. Basato sull effetto doppler e operante in banda X (10 GHz), nasce a scopo didattico per spiegare come avvengono le misure di velocità radar ed è utile per realizzare indicatori o dissuasori di velocità in aree condominiali, autorimesse, parcheggi. Prima puntata. AUTOVELOX RADAR BASIC a cura dell ing. MICHELE BARONE 24 Novembre 2010 ~ Elettronica In

2 Hi-Tech L a misura contactless della velocità è ormai entrata nella realtà quotidiana e non rappresenta motivo di sorpresa: dai famigerati autovelox, nelle varianti radar e laser fino ad arrivare ai più moderni sistemi tutor. Il circuito che presentiamo si colloca nella fascia dei dispositivi radar che sfruttano l effetto doppler per rilevare la velocità di un oggetto. Le sue prestazioni, limitate in termini di portata e velocità per mantenerne basso il costo di realizzazione, lo rendono adatto ad impieghi che possiamo definire domestici ; tuttavia il circuito contiene tutti gli elementi base che caratterizzano un sistema dalle prestazioni più sofisticate. Perciò questo articolo può essere visto come un modo per avvicinarsi al tema della misura di velocità, per sperimentare le potenzialità della soluzione adottata e, successivamente, cimentarsi nella costruzione di un misuratore più elaborato, che sarà presentato in uno dei prossimi fascicoli. L approccio costruttivo richiama i progetti che si incontravano qualche decennio fa sulle riviste di elettronica, quando l hobbista era uno smanettone che riciclava componenti da vecchi apparecchi e nei circuiti quasi si poteva scorgere il flusso degli elettroni... LE BASI: L EFFETTO DOPPLER L effetto Doppler è un cambiamento apparente della frequenza di un onda percepita da un osservatore che si trova in movimento rispetto alla sorgente delle onde ovvero, in alternativa, è il cambiamento apparente della Elettronica In ~ Novembre

3 [schema ELETTRICO] frequenza emessa da una sorgente in movimento rispetto ad un osservatore fermo. Per comprendere il fenomeno, immaginiamo di essere sulla spiaggia e di contare il numero di onde che si infrangono sulla riva in un certo intervallo di tempo. Se ci immergiamo nell acqua e ci muoviamo verso il largo, nello stesso intervallo temporale intercetteremo un maggior numero di onde: la loro frequenza effettiva (numero di onde che si infrangono nel periodo di osservazione) è immutata mentre la frequenza apparente è aumentata. Analogamente, rientrando verso la spiaggia, intercetteremo un minor numero di onde nell unità di tempo e la frequenza apparente sarà inferiore. Il fenomeno, nella vita quotidiana, è esemplificato dall apparente variazione di frequenza della sirena dell ambulanza o del fischio del treno, il cui tono sembra aumentare quando il mezzo si avvicina e sembra diminuire al suo allontanarsi. Detta Df la variazione di frequenza, f la frequenza, c la velocità di propagazione dell onda e V la velocità della sorgente, se quest ultima si muove radialmente verso l osservatore la relazione che lega la variazione di frequenza alla velocità della sorgente e alla frequenza dell onda emessa è espressa dalla relazione (valida per le onde sia sonore che elettromagnetiche): Δf = 2 f V / c [1] Le onde si propagano sfericamente dalla sorgente, perciò se questa non si muove direttamente verso l osservatore, per valutare lo spostamento di frequenza occorre considerare la componente radiale della velocità della sorgente rispetto all osservatore (Fig. 1) ed introdurre il termine 26 Novembre 2010 ~ Elettronica In

4 Fig. 1 - Effetto Doppler: componente radiale della velocità. cos(α) nella formula [1], la quale diventa così: Δf = 2 * f * V * cos(α) / c [1.1] Tenete a mente la formula [1.1], perché ci tornerà utile quando parleremo dell impiego del nostro dispositivo. EFFETTO DOPPLER, MICROONDE E MISURA DELLA VELOCITÀ Immaginiamo di investire un oggetto con un segnale radio a frequenza molto elevata: ad esempio 10 GHz. L oggetto assorbirà parte dell energia elettromagnetica, mentre una porzione la diffonderà ed un altra la rifletterà indietro verso la sorgente: è il principio utilizzato nei sistemi radar per determinare la posizione degli oggetti nello spazio, cosa che viene fatta misurando l eco riflesso dai corpi irradiati con un segnale radio. Se l oggetto è in movimento, utilizziamo la formula [1] per calcolare la differenza di frequenza tra segnale diretto e segnale riflesso; ad esempio, un oggetto che si muove nella direzione della sorgente alla velocità di 1 km/h (0,277 m/s) colpito da un segnale a 10 GHz invierà un eco che differisce, in frequenza, di 2x109x277x10-3 /3x108 = 18,4 Hz. Per ogni km/h di velocità, la differenza di frequenza è pari a 18,4 Hz. A 10 km/h la differenza è 184 Hz, mentre a 100 km/h la differenza ammonta a ben Hz. Dalla teoria dei segnali sappiamo che dal mescolamento di due segnali a frequenza differente si ottengono i segnali frequenza somma e frequenza differenza : è il principio su cui si basano i ricevitori radio eterodina e supereterodina, ben noti agli appassionati di radio. Perciò se si potesse realizzare un trasmettitore a microonde, ricevere il segnale riflesso da un oggetto in movimento e mescolare i due segnali, in uscita troveremmo una componente variabile in frequenza con la velocità dell oggetto, in un range di frequenza che tra 10 e 200 km/h varia nella banda Hz: una banda audio nella quale l amplificazione e l elaborazione non spaventa nemmeno chi dell elettronica è solo un neofita. Ebbene, un oggetto siffatto è molto più diffuso (ed economico) di quanto si immagini: molti tra noi probabilmente hanno installato nelle loro abitazioni un sensore di movimento per l impianto antifurto, a microonde o a doppia Fig. 2 - Schema a blocchi di una tipica unità doppler a microonde. tecnologia (microonde + infrarossi passivi). All interno di questi piccoli sensori c è un circuito che compie le funzioni descritte: genera le microonde, le trasmette, riceve il segnale riflesso, lo miscela col segnale trasmesso e fornisce in uscita una frequenza intermedia che è disponibile per la successiva elaborazione. Nella Fig. 2 è riportato lo schema di principio di una tipica MDU (Microwave Doppler Unit) presente in un sensore di movimento di produzione industriale. IL MISURATORE DI VELOCITÀ Detto ciò, possiamo entrare nel merito del nostro progetto, iniziando col definire lo schema a blocchi del nostro misuratore di velocità a microonde, che sfrutta l effetto doppler (Fig. 3); esso è composto da un unità doppler a microonde che provvede alla trasmissione, ricezione ed elaborazione della frequenza intermedia del segnale. Seguono un blocco di amplificazione e filtraggio che portano il (debole) segnale in uscita all unità doppler a valori compatibili con l elaborazione Fig. 3 - Schema a blocchi del misuratore di velocità. Elettronica In ~ Novembre

5 Mensile di elettronica applicata, attualità scientifica, novità tecnologiche. Elettronica In w w w. e l e t t r o n i c a i n. i t oltre l elettronica