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Sensore Doppler a Microonde

doppler

Effetto Doppler

I transceiver a microonde possono essere utilizzati per misurare la velocità di spostamento di un oggetto sfruttando l’effetto doppler. Il sensore emette la radiazione, la radiazione raggiunge un oggetto. L’oggetto riflette  parte del segnale. Se l’oggetto è fermo, il segnale di ritorno verso il sensore, presenta la stessa frequenza. Ma se l’oggetto si muove lungo la congiungente tra sensore e l’oggetto, la frequenza del segnale riflesso risulta leggermente cambiata rispetto a quella originale e nel diodo mixer del transceiver si produce una onda di battimento.

doppler2
Principio fisico del radar doppler

doppler1

Collegando i terminali IF e GND del modulo HB100 oppure di un Gunnplexer ad un oscilloscopio è possibile visualizzare l’onda di battimento che viene prodotta quando viene mosso un oggetto di fronte al modulo. La frequenza dell’onda di battimento sarà tanto maggiore quanto più elevata è la velocità dell’oggetto. Nelle figure riportate sotto si vede la traccia dell’oscilloscopio in tre casi : velocità bassa, media ed alta :

lowSpeed

mediumSpeed

highSpeed

Shift Doppler

Il segnale Doppler è disponibile sul terminale IF quando viene rilevato un movimento. L’ampiezza del segnale Doppler è proporzionale alla riflessione dell’energia trasmessa ed è dell’ordine dei microvolt (μV). Un amplificatore a bassa frequenza ad alto guadagno è solitamente collegato al terminale IF per amplificare il segnale Doppler e portarlo ad un livello più alto. La frequenza del segnale Doppler è proporzionale alla velocità di movimento. Un tipico movimento umano genera segnali Doppler sotto i 100 Hz. La frequenza Doppler può essere calcolata dalla seguqnte equazione :

dopplerFormula

Dove
Fd = Frequenza Doppler
V = Velocità oggetto
Ft = Frequenza segnale trasmesso
c = Velocità luce (300000000 m/sec)
θ = Angolo tra la direzione del movimento e la direzione della emissione.
Se come sorgente viene utilizzato un modulo HB100 o un Gunnplexer (Ft = 10.5 GHz), la formula è la seguente :

Fd= 19.49V (Velocità in km/h)

Amplificatore

L’amplificatore è composto da due amplificatori passa-banda non invertenti. L’amplificatore operazionale è il modello LMC6482, rail-to-rail, con alimentazione singola a 3,3V. Il guadagno complessivo è elevato e va da 30dB a 80dB a seconda dei componenti utilizzati. I dettagli costruttivi si trovano al seguente link : theremino doppler sensor.

Nella nostra realizzazione abbiamo utilizzato i seguenti valori :
R3 = 10kΩ
C3 = 10μF
C5 = 10μF
R5 selezionabile tra i seguenti valori : 10kΩ – 33kΩ – 100kΩ – ∞. Con valore “infinito” il guadagno del secondo stadio viene azzerato.

DopplerV2_SCH

Sensore

Il sensore doppler è composto da un transceiver equipaggiato con Gunnplexer (descritto nel post Gunnplexer & Microonde) ed antenna a corno che agisce sia da emettitore che da ricevitore. L’uscita IF (miscelatore) è collegata all’amplificatore descritto nel paragrafo precedente. L’amplificatore è stato inserito in una scatolina metallica per eliminare i disturbi RF ed è stato dotato di un selettore per selezionare il guadagno.

IMG_20160529_083616

Software

L’uscita dell’amplificatore viene collegata ad una scheda audio (ingresso mic) ed il segnale viene acquisito ed elaborato dal software Theremino DopplerMeter. L’applicazione provvede a visualizzare il segnale su base temporale (come un oscilloscopio) e su base frequenza (FFT). Sullo spettro del segnale, in corrispondenza dei picchi, viene indicato il corrispondente valore della velocità, calcolato secondo la formula descritta nei paragrafi precedenti. L’applicazione permette di settare la frequenza di lavoro ed i parametri di visualizzazione dello spettro.

Al fine di evitare di lavorare in saturazione l’ampiezza del segnale va mantenuta entro 1Vpp, altrimenti il segnale si squadra e si ottengono frequenze spurie nultiple della fondamentale. Per fare questo si può variare il guadagno dell’amplificatore in funzione dell’oggetto che si sta misurando.

L’utilizzo dello spettro del segnale ha il vantaggio di poter estrarre informazioni sulla velocità di oggetti che si muovono a diverse velocità.

Nelle immagini sotto viene visualizzato il risultato della misurazione sulla velocità delle gocce di pioggia : i valore di 22km/h e 26km/h sono in linea con i valori che si trovano in letteratura.

dopplerPioggia

dopplerRain

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