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Sistemas de Radar Automóvel Integrados
Rafael de Jesus Gamito Afonso da Palma
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Eletrotécnica e de Computadores
Orientador: Prof. Doutor António Luís Campos da Silva Topa
Júri
Presidente: Prof. Doutor José Eduardo Charters Ribeiro da Cunha Sanguino
Orientador: Prof. Doutor António Luís Campos da Silva Topa
Vogal: Prof. Doutor António José Castelo Branco Rodrigues
Novembro 2018
II
III
Declaração
Declaro que o presente documento é um trabalho original da minha autoria e que
cumpre todos os requisitos do Código de Conduta e Boas Práticas da Universidade de
Lisboa.
IV
V
Agradecimentos
Esta dissertação representa a última etapa nesta longa caminhada que foi o
Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores. Foi conseguida
através de muito esforço, dedicação e empenho, e não teria sido a mesma caso não
houvesse a ajuda e atenção de algumas pessoas, a quem desde já agradeço
profundamente.
Em primeiro lugar, agradeço ao Professor António Topa, por ter aceitado entrar
nesta jornada comigo e orientar-me no caminho certo. Foi sempre muito prestável,
presente, amigo e esteve sempre disponível qualquer que fosse a minha dúvida. Para
além da dissertação, gostei muito das suas aulas nas cadeiras de Propagação e Radiação
de Ondas Eletromagnéticas, Microondas e Radiopropagação.
Agradeço também ao corpo docente das cadeiras de Radiopropagação, Antenas,
Microondas e Sistemas de Telecomunicações Via Rádio pelo interesse que me criaram e
me levaram a querer fazer uma dissertação nesta área.
Gostaria de agradecer aos meus pais por todo o apoio incondicional que sempre
me deram, apoiando-me mesmo quando as coisas nem sempre corriam tão bem.
Por fim, quero agradecer aos meus colegas e amigos que, de alguma maneira,
me deram apoio e palavras de incentivo durante estes anos de universidade.
Esta Dissertação teve como instituição de acolhimento, o Instituto de Telecomunicações
(IT), Pólo de Lisboa.
VI
VII
Resumo
A maior parte dos acidentes rodoviários ocorrem devido a erros humanos. Os
Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) são sistemas desenvolvidos para
minimizar a ocorrência desses erros, garantindo uma condução segura, reduzindo o
número de acidentes rodoviários. Um dos principais tipos de ADAS é o radar
automóvel, que tem diversas aplicações como, por exemplo, o Cruise Control
adaptativo ou prevenção de colisões. Atualmente, existem duas bandas de frequências
usadas no radar automóvel, a de 24 GHz e a de 77 GHz. É uma área com um enorme
crescimento nos últimos anos, o que levou a uma necessidade de investigar e
desenvolver estas tecnologias.
Esta dissertação consiste na análise dos diversos aspetos relacionados com o
radar automóvel. Numa fase inicial da dissertação será feita uma breve introdução dos
ADAS, seguida de uma abordagem aos sistemas de radar, introduzindo diversos
conceitos fundamentais no estudo do radar automóvel.
Será apresentado um exercício prático considerando um sistema anti colisão de
longa distância, utilizando uma antena instalada no pára-choques do carro. São
analisadas três diferentes situações de deteção de um automóvel: ignorando o efeito de
reflexões, considerando o efeito de reflexões e considerando a dispersão pela estrada.
Para estudar/avaliar o desempenho do radar automóvel foi efetuada uma
simulação no CST®, permitindo uma melhor compreensão acerca do funcionamento e
características deste tipo de radares. Através da simulação foi possível obter diagramas
de radiação, coeficiente de reflexão e outros dados relevantes ao estudo da antena.
Palavras-chave: radar, automóvel, anti colisão, ADAS, deteção de alvo
VIII
IX
Abstract
Most road accidents occur due to human error. Advanced Driver Assistance
Systems (ADAS) are designed to minimize the occurrence of these errors, ensuring safe
driving, while reducing the number of road accidents. One of the main types of ADAS
is the automotive radar, which has several applications such as adaptive Cruise Control
or collision avoidance. There are currently two frequency bands used by the automotive
radar: 24 GHz and 77 GHz. It is an area with tremendous growth in recent years, which
has led to a need to research and develop these technologies.
This project consists of the analysis of the various aspects related to the
automotive radar. In an initial phase of the project there will be a brief introduction of
the ADAS, followed by an approach to radar systems, introducing several fundamental
concepts in the study of automotive radar.
A practical exercise will be presented considering a long-range anti-collision
system using an antenna installed on the bumper of the car. Three different situations of
detection of the car are analyzed: ignoring the effect of reflections, considering the
effect of reflections and considering the scattering from the road surface.
To study/evaluate the performance of the car radar, a simulation was performed
in CST Studio Suite®, allowing a better understanding about the operation and
characteristics of this type of radars. Through the simulation it was possible to obtain
the radiation pattern, reflection coefficient and other data relevant to the study of the
antenna.
Keywords: radar, automotive, collision avoidance, ADAS, target detection
X
XI
Índice
Agradecimentos ................................................................................................................ V
Resumo .......................................................................................................................... VII
Abstract ........................................................................................................................... IX
Lista de Figuras ............................................................................................................. XV
Lista de Acrónimos ...................................................................................................... XIX
Lista de Símbolos ........................................................................................................ XXI
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 1
1.1 Motivação e objetivos ............................................................................................. 1
1.2 Estrutura da dissertação .......................................................................................... 1
1.3 Contribuições principais ......................................................................................... 3
2. ESTADO DA ARTE .................................................................................................... 5
2.1 Tipos de ADAS ....................................................................................................... 5
2.2 Radar automóvel ..................................................................................................... 7
2.2.1 História do radar ............................................................................................... 7
2.2.2 Frequências usadas no radar automóvel ........................................................... 8
2.2.3 Aplicações ........................................................................................................ 9
2.3 C-Roads ................................................................................................................ 10
2.4 eCall ...................................................................................................................... 12
3. SISTEMAS DE RADAR ........................................................................................... 13
3.1 Introdução ............................................................................................................. 13
3.1.1 Conceito de radar ........................................................................................... 13
3.1.2 Aplicações do radar ........................................................................................ 13
3.1.2.1 Militar ...................................................................................................... 13
3.1.2.2 Sensores Remotos .................................................................................... 14
3.1.2.3 Controlo de tráfego aéreo ........................................................................ 15
3.1.2.4 Polícia ...................................................................................................... 16
XII
3.1.2.5 Segurança marítima ................................................................................. 17
3.1.2.6 Espaço ...................................................................................................... 18
3.1.2.7 Outras aplicações ..................................................................................... 18
3.1.3 Tipos de radar ................................................................................................. 19
3.1.4 Bandas de frequência utilizadas ..................................................................... 20
3.1.4.1 Banda A e B (NATO) - HF e VHF (IEEE) ............................................. 21
3.1.4.2 Banda C (NATO) - UHF (IEEE) ............................................................. 21
3.1.4.3 Banda D (NATO) - Banda L (IEEE) ....................................................... 22
3.1.4.4 Banda E e F (NATO) - Banda S (IEEE) .................................................. 22
3.1.4.5 Banda G (NATO) - Banda C (IEEE) ....................................................... 23
3.1.4.6 Banda I e J (NATO) - Banda X e Ku (IEEE) .......................................... 24
3.1.4.7 Banda K (NATO) - Banda K e Ka (IEEE) .............................................. 24
3.1.4.8 Banda V (IEEE) ....................................................................................... 25
3.1.4.9 Banda W (IEEE) ...................................................................................... 25
3.2 Antenas ................................................................................................................. 26
3.2.1 Diagrama de radiação ..................................................................................... 26
3.2.2 Ganho e diretividade ...................................................................................... 28
3.2.3 Área efetiva .................................................................................................... 29
3.3 Equação do radar .................................................................................................. 30
3.3.1 Propagação em espaço livre ........................................................................... 30
3.3.2 Radar monoestático ........................................................................................ 31
3.3.3 Radar biestático .............................................................................................. 32
3.4 Radar de impulsos ................................................................................................. 33
3.4.1 Introdução....................................................................................................... 33
3.4.2 Forma de onda ................................................................................................ 34
3.4.3 Distância do alvo ............................................................................................ 35
3.5 Radar de onda contínua ......................................................................................... 36
XIII
3.5.1 Introdução....................................................................................................... 36
3.5.2 Efeito de Doppler ........................................................................................... 36
3.5.3 Isolamento entre transmissor e recetor ........................................................... 38
3.5.4 Radar FMCW ................................................................................................. 39
4. RADAR ANTI COLISÃO ......................................................................................... 43
4.1 Deteção de um automóvel ignorando o efeito de reflexões .................................. 43
4.2 Deteção de um automóvel considerando o efeito de reflexões ............................. 44
4.3 Deteção de um automóvel considerando a dispersão pela estrada ....................... 45
5. SIMULAÇÃO ............................................................................................................ 49
5.1 Descrição do software utilizado ............................................................................ 49
5.2 Antena ................................................................................................................... 49
5.3 Resultados ............................................................................................................. 50
6. CONCLUSÃO ............................................................................................................ 55
6.1 Principais conclusões ............................................................................................ 55
6.2 Perspetivas de trabalhos futuros ........................................................................... 56
Referências ..................................................................................................................... 59
XIV
XV
Lista de Figuras
Figura 2.1 – Tipos de ADAS
Figura 2.2 – Carro autónomo da Uber equipado com LIDAR
Figura 2.3 – Sistemas de Ultrassom
Figura 2.4 – Bandas disponíveis para o Radar Automóvel
Figura 2.5 – Exemplo de Cruise Control adaptativo usado pela Audi
Figura 2.6 – Exemplo de V2V
Figura 2.7 – Exemplo de V2I
Figura 2.8 – Sistema eCall
Figura 3.1 – Exemplo de um radar
Figura 3.2 – Funcionamento de um míssil teleguiado
Figura 3.3 – Mapa da superfície de Vénus
Figura 3.4 – Dados recolhidos por um TDWR
Figura 3.5 – Funcionamento de um radar montado num carro da polícia
Figura 3.6 – Antena rotativa montada num navio
Figura 3.7 – Informação obtida através do radar montado no navio
Figura 3.8 – Sistema de radar de aves MERLIN
Figura 3.9 – Tipos de radar
Figura 3.10 – Banda de frequências utilizada para sistemas de radar
Figura 3.11 – Funcionamento de um radar OTH
Figura 3.12 – Radar de deteção de mísseis balísticos da Base Aérea de Thule, na
Gronelândia
Figura 3.13 – Radar ARSR-4 da North Truro Air Force Station
Figura 3.14 – Radar ASR-9
Figura 3.15 – Radar meteorológico OU-PRIME
Figura 3.16 – Radar de abertura sintética (SAR) montado num avião
Figura 3.17 – Radar instalado em Lisboa
XVI
Figura 3.18 – Diagrama de radiação de uma antena isotrópica
Figura 3.19 – Diagrama de radiação de uma antena omnidirecional
Figura 3.20 – Diagrama de radiação de uma antena direcional
Figura 3.21 – Diagramas de radiação: (a) coordenadas polares e escala linear (b)
coordenadas cartesianas e escala logarítmica
Figura 3.22 – Diretividade e ganho
Figura 3.23 – Área efetiva
Figura 3.24 – Diagrama de um radar monoestático
Figura 3.25 – Representação do radar monoestático
Figura 3.26 – Diagrama de um radar biestático
Figura 3.27 – Representação do radar biestático
Figura 3.28 – Diagrama de blocos de um radar de impulsos monoestático
Figura 3.29 – Sequência periódica de impulsos de radiofrequência
Figura 3.30 – Tempo de retorno
Figura 3.31 – Efeito de Doppler
Figura 3.32 – Radar de onda contínua usando a mesma antena para transmissão e
receção
Figura 3.33 – Radar de onda contínua usando antenas separadas
Figura 3.34 – Diagrama de blocos de um radar FMCW
Figura 3.35 – Forma de onda: a) up-chirp b) down-chirp c) triangular
Figura 3.36 – Sinal transmitido e eco recebido
Figura 3.37 – Modulação triangular e alvo estacionário
Figura 3.38 – Modulação triangular e alvo em movimento
Figura 4.1 – Antena instalada no pára-choques do automóvel
Figura 4.2 – Reflexão no solo em polarização vertical
Figura 4.3 – Dispersão pelo terreno
Figura 4.4 – Distância na qual o solo é iluminado
Figura 4.5 – Diagrama de radiação
XVII
Figura 4.6 – Factor de reflexão
Figura 5.1 – Antena utilizada na simulação
Figura 5.2 – Coeficiente de reflexão
Figura 5.3 – Potência de alimentação (laranja), potência refletida (azul), potência
entregue à antena (verde) e potência absorvida (vermelho)
Figura 5.4 – Diagrama de radiação em coordenadas cartesianas
Figura 5.5 – Diagrama de radiação no plano θ (φ = 0)
Figura 5.6 – Diagrama de radiação no plano φ (φ = 0)
Figura 5.7 – Diagrama de radiação em 3D
XVIII
XIX
Lista de Acrónimos
3D Tridimensional
ADAS Advanced Driver Assistance Systems
ARS Avian Radar System
ARSR Air Route Surveillance Radar
ASDE Airport Surface Detection Equipment
ASR Air Surveillance Radar
C-ITS Cooperative Intelligent Transport Systems
CW Continuous Wave
FMCW Frequency Modulated Continuous Wave
FNBW First Null Beam Width
HDTV High-definition Television
HPBW Half Power Beam Width
HF High Frequency
IF Intermediate Frequency
LIDAR Light Detection And Ranging
LRR Long Range Radar
MRR Medium Range Radar
MSD Minimum Set of Data
MTI Moving Target Indication
NB Narrow band
OTH Over-the-horizon
PRF Pulse Repetition Frequency
PRT Pulse Repetition Time
PSAP Public Safety Answering Point
PW Pulse Width
SAR Synthetic Aperture Radar
XX
SRR Short Range Radar
TDWR Terminal Doppler Weather Radar
TEM Transverse Electromagnetic
UHF Ultra High Frequency
UWB Ultra-wide band
V2I Vehicle-to-infrastructure
V2V Vehicle-to-vehicle
VHF Very High Frequency
XXI
Lista de Símbolos
Ae Área efetiva
c Velocidade da luz no vácuo
d Distância
dA Distância ao alvo
d1 Distância do emissor ao alvo
d2 Distância do recetor ao alvo
dc Ciclo de serviço
𝑑𝑛 Distância do primeiro mínimo
E Amplitude do campo elétrico
e Versor que representa a direção da onda emitida
f Frequência
f0 Frequência central
fb Frequência de batimento
𝑓𝑏↑ Frequência de batimento ascendente
𝑓𝑏↓ Frequência de batimento descendente
fd Desvio da frequência de Doppler
fm Frequência de modulação
fp Frequência de repetição de impulsos
fr Frequência do eco recebido do alvo
fT Frequência do sinal transmitido
𝑓′ Frequência observada
G Ganho de uma antena
GA Ganho na direção do alvo
GC Ganho do clutter
Ge Ganho da antena de emissão
Gr Ganho da antena de receção
XXII
H Amplitude do campo magnético
H Altura da antena
h1 Altura da primeira antena
h2 Altura da segunda antena
i Versor que representa a direção da onda incidente no alvo
l Versor que representa a direção da onda incidente na antena recetora
N Número de passagens a zero num semi-período
n Índice de reflexão do solo em relação ao ar
Pa Potência absorvida
Pav Potência média de emissão
PC Potência de clutter
Pca Potência entregue a uma carga adaptada
Pd Potência do raio direto
Pe Potência emitida
Pr Potência recebida
Prad Potência radiada
Pmin Potência mínima de deteção
r Versor que representa a direção da onda refletida pelo alvo
R Alcance
Rmax Alcance máximo
Rn,amb Máxima distância não-ambígua
s Rugosidade
S11 Coeficiente de reflexão
Sp Intensidade do vetor de Poynting
T Tempo do percurso de ida e volta do sinal
t Tempo
Tm Período de modulação
XXIII
Tp Tempo entre a repetição de impulsos
TR Tempo de retorno
U Intensidade de radiação
v Velocidade
vfonte Velocidade da fonte
vobs Velocidade do observador
vr Velocidade radial do alvo
Z0 Impedância característica
αH Largura de feixe no plano horizontal
αV Largura de feixe no plano vertical
Γ Fator de reflexão
Γ𝑉 Coeficiente de Fresnel no plano vertical
Δ𝑓 Largura de banda
εr Permissividade relativa
𝜂 Rendimento
λ Comprimento de onda
𝜇𝑟 Permeabilidade magnética relativa
𝜌1 Distância na qual o solo é iluminado
σ Área equivalente
𝜎𝐴 Área equivalente do alvo
𝜏𝑝 Duração da emissão do impulso
𝜓 Ângulo de fogo
XXIV
1
1. INTRODUÇÃO
1.1 Motivação e objetivos
A indústria automóvel é uma das indústrias que mais evoluiu com a revolução
tecnológica que vivemos atualmente. A crescente preocupação com a quantidade de
acidentes rodoviários e com a segurança dos automobilistas levou a um crescente
número de tecnologias que começam a ser desenvolvidas e aplicadas aos automóveis.
Enquanto que usualmente apenas teríamos engenheiros mecânicos a trabalhar nesta
indústria, atualmente o paradigma é outro, havendo diversas oportunidades, por
exemplo, para engenheiros eletrotécnicos, sobretudo na área das telecomunicações.
Com a chegada, a curto prazo, dos carros autónomos, das C-Roads, do eCall, entre
outras tecnologias, torna-se interessante e necessário um estudo sobre toda esta área
tecnológica que são os ADAS (Advanced Driver Assistance Systems). É um tema atual,
com diversos estudos e artigos a serem lançados diariamente sobre o assunto.
Outra motivação importante deste trabalho é o facto de, apesar de todo o
envolvimento que as telecomunicações começam a ter na indústria, este assunto não ter
sido tratado durante o mestrado, apesar de se adquirir diversos conceitos nas áreas de
propagação e antenas. Todos os motivos acima referidos levaram a um grande interesse
da minha parte em prosseguir com o estudo deste assunto, levando à escolha do tema
desta dissertação.
O primeiro objetivo deste trabalho é introduzir o conceito de ADAS e apresentar
os seus tipos. Pretende-se apresentar também dois projetos atuais a serem desenvolvidos
e implementados na Europa, o eCall e as C-Roads. Irá ser feita uma introdução teórica
aos sistemas de radar, começando por se introduzir o conceito de radar e as suas
aplicações até chegar à introdução do radar de impulsos e do radar de onda contínua.
Sendo este um tema vasto e complexo, optou-se por se escolher um caso
específico dos ADAS, o radar automóvel. Em termos de projeto pretende-se comprovar
através de um exercício prático o funcionamento de um radar anti colisão, fundamental
na prevenção de acidentes rodoviários, bem como simular o comportamento de uma
antena e analisar o seu funcionamento através do software de simulação CST®.
1.2 Estrutura da dissertação
Esta dissertação encontra-se organizada em seis capítulos, sendo cada capítulo
composto por diferentes secções.
No capítulo 1 é feita a introdução do trabalho, apresentando a motivação que
levou à sua elaboração e delineando objetivos e a sua estrutura.
No capítulo 2 temos o Estado da Arte onde nos é introduzido o conceito de
ADAS (Advanced Driver Assistance Systems), sistemas desenvolvidos para minimizar a
2
ocorrência de erros humanos na condução, garantindo uma condução segura. São
apresentados os quatro grandes tipos de ADAS (câmaras, radar, ultrassom e LIDAR)
bem como as suas aplicações. Em seguida é feito um breve enquadramento histórico do
radar. São apresentadas as duas bandas de frequências utilizadas no radar automóvel, a
de 24GHz e a de 77 GHz, bem como as suas principais vantagens. É-nos apresentado as
várias aplicações do radar automóvel, separando-as consoante sejam de curto ou longo
alcance. De seguida é abordada a plataforma C-Roads, criada com o objetivo de
interligar todos os projetos e atividades no âmbito dos Cooperative Intelligent Transport
Systems (C-ITS). Por fim é-nos apresentado o eCall, sistema de chamada automática
que, em caso de acidente, liga diretamente para o número de emergência.
No capítulo 3 é feita uma abordagem teórica aos sistemas de radar. Começa-se
por introduzir o conceito de radar e as suas aplicações para os mais diversos fins
(militares, controlo de tráfego aéreo, etc). É-nos apresentado os vários tipos de radar
diferenciando-os por tipo de aplicação, separação entre transmissão e receção,
instalação e localização, entre outros. São abordadas as várias bandas de frequências
utilizadas pelos sistemas de radar, apresentando duas designações distintas (IEEE e
NATO), bem como as suas aplicações. É feita uma breve introdução de conceitos de
antenas, como o diagrama de radiação, ganho, diretividade e área efetiva. São
apresentadas as equações do radar monoestático e biestático considerando uma situação
de propagação em espaço livre. Introduz-se o radar de impulsos, apresentando um
diagrama de blocos, a forma de onda e a distância ao alvo. Segue-se a introdução do
radar de onda contínua, começando pelo efeito de Doppler (conceito muito importante
neste tipo de radares) e explicando a importância do isolamento entre transmissor e
recetor. Por fim, é introduzido o radar Frequency Modulated Continuous Wave
(FMCW), tipo de radar de onda contínua em que é usada a modulação em frequência.
No capítulo 4 é-nos apresentado um exercício prático considerando um sistema
de radar automóvel anti colisão de longa distância, utilizando uma antena instalada no
pára-choques do carro. São analisadas três diferentes situações de deteção de um
automóvel: ignorando o efeito de reflexões, considerando o efeito de reflexões e
considerando a dispersão pela estrada.
No capítulo 5 é usado o software de simulação CST®, onde se simulou o
comportamento de uma antena de radar automóvel, obtendo-se diversos resultados
como, por exemplo, o seu diagrama de radiação ou coeficiente de reflexão.
No capítulo 6 apresentam-se as principais conclusões e considerações finais do
trabalho, bem como perspetivas para trabalho futuro.
3
1.3 Contribuições principais
Na realização deste trabalho foram fundamentais os conhecimentos adquiridos
durante o mestrado nas cadeiras de Radiopropagação, Antenas e Sistemas de
Telecomunicações Via Rádio.
A nível académico este trabalho permite uma melhor compreensão sobre a
temática do radar automóvel, utilizando diversos conceitos teóricos adquiridos durante o
mestrado em Telecomunicações. Foi também possível introduzir com maior detalhe os
sistemas de radar, temática muito interessante e relevante.
A nível de projeto foi possível comprovar através de um exercício prático o
funcionamento de um radar anti colisão, fundamental nos dias de hoje na prevenção de
acidentes rodoviários. A utilização de software de simulação, como é o caso do CST®,
permite uma abordagem mais profissional e técnica do assunto, permitindo testar e obter
resultados muitos próximos do real de uma antena de radar automóvel.
4
5
2. ESTADO DA ARTE
A maior parte dos acidentes rodoviários ocorrem devido a erros humanos. Os
Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) são sistemas desenvolvidos para
minimizar a ocorrência desses erros, garantindo uma condução segura, reduzindo o
número de acidentes rodoviários. Tal como os cintos de segurança e os airbags
estabeleceram um novo paradigma de segurança automóvel para os consumidores,
também os ADAS pretendem ter um trajeto idêntico, estimando-se que podem, por
exemplo, prevenir 28% dos acidentes nos Estados Unidos da América,
aproximadamente 9900 mortes e poupar cerca de 251 mil milhões de dólares à
sociedade americana [1].
2.1 Tipos de ADAS
Existem quatro grandes tipos de tecnologia associados aos ADAS: câmaras,
radar, ultrassom e LIDAR.
Figura 2.1 – Tipos de ADAS [2]
As câmaras dianteiras são responsáveis pelo reconhecimento de sinais de
trânsito e pelo aviso de afastamento da faixa de rodagem. Por sua vez as câmaras
laterais e traseiras são responsáveis pela assistência ao estacionar e pela visão lateral e
traseira.
6
O radar é um dispositivo destinado à localização de objetos distantes por meio
de ondas refletidas nesses objetos. O radar automóvel será explicado com maior detalhe
na secção 2.2.
Light Detection And Ranging (LIDAR) é uma tecnologia ótica de deteção
remota que mede propriedades da luz refletida de modo a obter a distância de um objeto
distante. Esta tecnologia permite aos veículos uma visão surround, ou seja, ter
visibilidade a 360 graus continuamente e com uma precisão em termos de distância em
relação aos objetos muito elevada (até ±2cm). Na figura 2.2 apresenta-se um exemplo
da utilização do LIDAR através de uma caixa montada no tejadilho de um carro
autónomo da Uber.
Figura 2.2 – Carro autónomo da Uber equipado com LIDAR [3]
O Ultrassom é uma onda sonora com uma frequência muito elevada, acima de
20 kHz, ou seja, inaudível para o ouvido humano. Nos ADAS é maioritariamente usado
em sensores de estacionamento, atuando como um sistema de sonar (que difere do radar
pelo facto de usar ondas sonoras em vez de ondas rádio), detetando obstáculos enquanto
se estaciona. Inicialmente apenas se usavam sensores de Ultrassom como simples
sensores de estacionamento, mas começam agora a evoluir também no sentido dos
sistemas de estacionamento automático de veículos, algo com bastante utilidade nos
carros autónomos.
7
Figura 2.3 – Sistemas de Ultrassom (adaptado de: [4])
2.2 Radar automóvel
2.2.1 História do radar
No final do século XIX, Heinrich Hertz, físico alemão, através das suas
experiências, inspiradas pelo trabalho teórico desenvolvido por James Clerk Maxwell
no eletromagnetismo, chegou à conclusão de que as ondas de rádio podem ser refletidas
por objetos metálicos, tal como a luz visível.
O potencial das experiências de Hertz não passou despercebido e em 1904 surge
o primeiro radar pelas mãos de Christian Hülsmeyer, engenheiro alemão, que o
apresentou à Marinha Alemã, a qual não demostrou interesse, visto não ver utilidade
prática para o mesmo.
Após a Primeira Guerra Mundial, as principais nações mundiais aperceberam-se
do potencial do radar num possível cenário de uma nova guerra, o que levou a diversas
investigações que levariam ao desenvolvimento do radar moderno, tendo um enorme
impacto durante toda a Segunda Guerra Mundial, na qual houve um dos mais rápidos
desenvolvimentos tecnológicos da história.
Apesar de o seu desenvolvimento ter sido maioritariamente para fins militares, o
radar é, atualmente, utilizado nas mais diversas áreas, desde a meteorologia ao controlo
de tráfego aéreo comercial, passando pela vigilância costeira, pela indústria aeroespacial
ou pela indústria automóvel.
8
2.2.2 Frequências usadas no radar automóvel
Atualmente, existem duas bandas de frequências usadas no radar automóvel, a
de 24 GHz e a de 77 GHz.
Figura 2.4 – Bandas disponíveis para o Radar Automóvel (adaptado de [5])
Nos dias de hoje, a maior parte dos sistemas de radar automóvel usam
frequências na banda dos 24 GHz, usando tanto a banda estreita (NB) como a banda
ultralarga (UWB), dependendo da aplicação.
Devido a uma nova regulamentação e normas desenvolvidas pelo European
Telecommunications Standards Institute (ETSI) e pela Federal Communications
Commission (FCC), o uso da UWB será terminado a partir de 2022, tanto na Europa
como nos EUA, ficando apenas disponível a NB que tem apenas 200 MHz de largura de
banda. O uso da banda dos 24 GHz tornar-se-á então pouco atrativo, levando a uma
mudança para a banda dos 77 GHz.
A banda dos 77 GHz pode ser usada tanto para aplicações de Radar de Longo
Alcance (76-77 GHz), como para aplicações de Radar de Curto Alcance (77-81 GHz).
O facto de ter uma grande largura de banda disponível permite uma maior resolução e
precisão do alcance. Uma maior resolução de alcance do sensor do radar significa uma
maior habilidade de separar dois objetos bastante próximos um do outro, enquanto uma
maior precisão de alcance permite uma maior precisão na medição da distância a um
determinado objeto.
Outro grande benefício de passar da banda dos 24 GHz para a dos 77 GHz é a
redução do tamanho dos sensores, que é inversamente proporcional à frequência. A
redução do tamanho é particularmente útil no caso de aplicações automóveis, visto que
são muitas vezes montados em espaços apertados como, por exemplo, a parte de trás do
pára-choques.
9
2.2.3 Aplicações
Tanto o radar de curto alcance (SRR) como o radar de longo alcance (LRR) têm
diversas aplicações associadas aos ADAS. Existem também aplicações associadas a
radares de alcance médio e ultracurto, mas iremos englobá-las no LRR e SRR,
respetivamente.
No contexto dos ADAS o LRR é usado para medir a distância em relação ao
veículo da frente na estrada, possibilitando funcionalidades como o Cruise Control
adaptativo (que controla a velocidade do veículo consoante a distância ao veículo da
frente, mantendo a distância constante entre ambos), travagem de emergência (em caso
de aparecimento de obstáculo ou travagem brusca do carro da frente) e condução
automática nas autoestradas.
Figura 2.5 – Exemplo de Cruise Control adaptativo usado pela Audi [6]
O SRR possibilita diversas funcionalidades como, por exemplo, monitorização
de ângulo morto, prevenção/aviso de colisão quando se efetua marcha-atrás, assistência
ao efetuar mudança de faixa, deteção de pedestres e ciclistas, alerta de tráfego, visão de
360 graus e assistência no estacionamento.
10
2.3 C-Roads
Os veículos modernos já se conseguem conectar com os mais diversos
dispositivos. Mas, num futuro próximo, serão capazes de interagir e comunicar entre
eles (V2V) e com a infraestrutura das estradas (V2I), com recurso a comunicação digital
entre sistemas. Estas comunicações, V2V e V2I, são cruciais para que exista uma maior
segurança, menos trânsito e maior conforto de condução, permitindo ao condutor tomar
decisões acertadas e adaptar-se às diversas situações de condução.
Figura 2.6 – Exemplo de V2V (adaptado de: [7])
A 30 de Novembro de 2016 a Comissão Europeia adotou uma nova estratégia no
âmbito dos Cooperative Intelligent Transport Systems (C-ITS) de forma a haver uma
maior cooperação, conectividade e autonomia na mobilidade. O seu principal objetivo é
conseguir a convergência entre investimentos e regulamentações por toda a Europa, de
forma a conseguir implementar estes sistemas a partir de 2019 [8].
A Comissão Europeia e 12 dos seus Estados Membros criaram em finais de 2016
a plataforma C-Roads, de forma a interligar todos os projetos e atividades no âmbito dos
C-ITS. Esta plataforma permite uma cooperação entre os Estados Membros e os road
operators na implementação dos C-ITS, havendo uma maior harmonização e
interoperabilidade [9]. A sua implementação será feita faseadamente, estando já
planeados serviços Day-1 de notificações (de veículos lentos/estacionários e tráfego
intenso, trabalhos de estrada, condições atmosféricas adversas, travagem de emergência,
proximidade de veículos de emergência e outros perigos) e sinalização (de bordo,
limites de velocidade, sinal de infração/segurança nos cruzamentos, sinal de pedido de
prioridade, velocidade ótima da passagem a luz verde e sonda para os dados relativos
aos veículos) [10].
11
Figura 2.7 – Exemplo de V2I [10]
A plataforma C-ROADS tem 4 projetos-piloto C-ITS em Portugal no âmbito do
Corredor Atlântico [10]:
Expansão da rede de C-ITS através do Projeto SCOOP, projeto-piloto
internacional, cofinanciado por Fundos Europeus, que pretende a implementação
de um sistema para testar a tecnologia C-ITS G5 a ser realizado no norte do país
(N13, A3, A27 e A28), até 2019. Os testes permitirão testar a interoperabilidade
com outros projetos, incluindo projetos de parceiros do sector automóvel. Tem
como principais objetivos melhorar a segurança rodoviária, otimizar a gestão de
tráfego e contribuir para a redução de emissões;
Monitorização de tráfego e predição de 2 horas na zona do Porto;
Desenvolvimento de aplicações para a conexão entre veículos e os servidores C-
ITS na zona de Lisboa;
Implementação do data sharing backbone system – SPA.
12
2.4 eCall
O eCall é um sistema de chamada automática que, em caso de acidente, liga
diretamente para o 112 (número europeu de emergência). Este sistema é obrigatório em
todos os novos carros vendidos na União Europeia desde Abril de 2018 [11].
Figura 2.8 – Sistema eCall [12]
O sistema pode ser acionado de forma automática, através de informações
recebidas dos sistemas do veículo que indiquem que ocorreu um acidente, ou de forma
manual, através de um botão que se encontra no carro em caso de emergência.
Após o sistema ser acionado inicia-se a chamada eCall para um Public Safety
Answering Point (PSAP) em que é enviado um Minimum Set of Data (MSD) contendo
dados como data, hora, localização, tipo de veículo, etc. É então estabelecida uma
chamada de voz para um atendimento de 1ª linha, sendo os dados posteriormente
analisados pelo operador de forma a serem validados e enviados às Forças e Serviços de
resposta à emergência que devem atuar. Perante a informação recebida, as Forças e
Serviços de resposta à emergência mobilizam os meios mais adequados à situação,
chegando depois o socorro ao local.
Devido ao crescimento que se prevê para a utilização deste sistema existem
ainda alguns desafios como falsas chamadas (ghost calls), qual a velocidade de impacto
que se deve considerar para ativação automática, casos de impossibilidade de
estabelecimento de canal de voz, saturação de chamadas nos PSAP, entre outros.
13
3. SISTEMAS DE RADAR
3.1 Introdução
3.1.1 Conceito de radar
O radar, acrónimo da expressão inglesa RAdio Detection And Ranging (detecção
e localização via rádio), é um dispositivo destinado à localização de objetos distantes
por meio de ondas refletidas nesses objetos. A forma mais simples de o representar é
através de um emissor que envia um impulso, que por sua vez é refletido pelo alvo,
sendo o eco de novo captado pela antena, que agora se comporta como recetor, tal como
se pode ver na figura 3.1. O radar utiliza esse eco para determinar a direção e a distância
do alvo.
Figura 3.1 – Exemplo de um radar
3.1.2 Aplicações do radar
O radar é usado para detetar alvos terrestres, no mar, no ar, no espaço e
subterrâneos. Existem diversas áreas em que se utiliza o radar, as quais irão ser
apresentadas de seguida. É importante também salientar a aplicação do radar no radar
automóvel, já abordada na secção 2.2.3.
3.1.2.1 Militar
O radar é utilizado em sistemas de defesa antiaérea para vigilância e controlo. A
vigilância inclui deteção, reconhecimento e monitorização de alvos.
Outras aplicações incluem o controlo de mísseis e a identificação de localizações
inimigas num mapa.
14
A utilização do radar para fins militares, é uma das principais razões que levou à
evolução da tecnologia de radar até ao que temos disponível atualmente.
Na figura 3.2 podemos observar um exemplo do funcionamento de um míssil
teleguiado utilizando o radar. O avião de origem envia um sinal, que por sua vez é
refletido no avião alvo e recebido pelo míssil, permitindo guiar o míssil até ao avião
alvo.
Figura 3.2 – Funcionamento de um míssil teleguiado (adaptado de [13])
3.1.2.2 Sensores Remotos
Todos os radares são sensores remotos, mas este termo é geralmente utilizado
para aplicações ligadas ao ambiente. Em seguida apresento diversos exemplos de
aplicações de sensores remotos:
(1) Radares meteorológicos utilizados, por exemplo, para localizar
precipitação, calcular o seu deslocamento, o seu tipo e intensidade.
(2) Mapeamento de Vénus através de radares colocados em satélites
(3) Monitorização de abate florestal, mapeamento de estragos provocados por
fogos, identificação de zonas de vegetação densa.
(4) Mapeamento e monitorização de gelo marinho, deteção e monitorização de
icebergs, monitorização das rotas de navios.
Na figura 3.3 podemos observar um mapa da superfície de Vénus criado através
de dados recolhidos por radares da NASA. As cores na imagem representam as diversas
altitudes do terreno.
15
Figura 3.3 – Mapa da superfície de Vénus [14]
3.1.2.3 Controlo de tráfego aéreo
Os radares são importantes para garantir a segurança do tráfego aéreo a nível
mundial, prevenindo acidentes. São utilizados para monitorizar o tráfego na vizinhança
dos aeroportos (Air Surveillance Radar, ASR), no trajeto entre aeroportos (Air Route
Surveillance Radar, ARSR) e no trajeto do avião no solo (Airport Surface Detection
Equipment, ASDE) guiando-o através do aeroporto. O ASR é também utilizado para
mapeamento de regiões com chuva, de forma a que o avião seja direcionado da melhor
forma.
O Terminal Doppler Weather Radar (TDWR), é um radar meteorológico, que
deteta e reporta a existência de más condições meteorológicas na zona circundante do
terminal do aeroporto. Permite identificar situações de cisalhamento do vento e elevada
precipitação, potencialmente perigosas para a circulação de aviões, enviando alertas
para os controladores de tráfego aéreo do aeroporto. Este tipo de radar é destinado a
operar no ambiente de elevado clutter que se verifica na vizinhança dos aeroportos,
eliminando a influência de outros alvos (como, por exemplo, pássaros e automóveis), de
forma a conseguir uma maior precisão nas suas medidas. Na figura 3.4 podemos
observar um exemplo de dados recolhidos por um TDWR.
16
Figura 3.4 – Dados recolhidos por um TDWR [15]
3.1.2.4 Polícia
Uma das aplicações mais conhecidas do radar é a utilização do mesmo pela
polícia para detetar condutores em excesso de velocidade. Os formatos mais
frequentemente utilizados são os radares fixos, móveis ou em formato de pistola.
Os radares fixos estão montados em pórticos ou estruturas próprias. Em
Portugal, existem diversos radares fixos, todos previamente sinalizados, o que permite
ao condutor saber onde se encontra e adaptar a velocidade a que circula. Este tipo de
radares permite calcular a velocidade do veículo através do efeito de Doppler, que será
analisado no capítulo 3.5. Quando um automóvel circula em excesso de velocidade em
relação ao programado no radar, é tirada uma fotografia do veículo em que a matrícula
esteja visível, de forma a que sirva como prova da infração.
Os radares móveis funcionam através da emissão de micro-ondas. Quando um
carro passa pela área que está a ser varrida pelo feixe, o sinal é interrompido. Esse
tempo de interrupção é usado pelo aparelho para calcular a velocidade do automóvel.
Ambos os tipos de radares podem ser utilizados no sentido de aproximação de
veículos, no sentido de afastamento de veículos ou em ambos, dependendo do seu tipo e
localização.
Na figura 3.5 podemos observar o funcionamento de um radar montado num
carro da polícia.
17
Figura 3.5 – Funcionamento de um radar montado num carro da polícia (adaptado de
[16])
3.1.2.5 Segurança marítima
O radar é utilizado por navios e barcos de forma a detetar outros barcos e
obstáculos terrestres, prevenindo colisões e mantendo uma navegação segura. É uma
componente vital na segurança marítima junto à costa, em que os capitães precisam de
navegar os navios muitas das vezes em condições adversas, como a falta de visibilidade
noturna ou mau tempo, necessitando de algo que os oriente e os permita navegar sem
perigo.
Outros sistemas de radar são também utilizados para a vigilância de portos e
tráfego nos rios.
Figura 3.6 – Antena rotativa montada num navio
Na figura 3.6 temos o exemplo de uma antena rotativa de radar montada num
navio. Com cada rotação é enviado um feixe que varre a área circundante do navio,
sendo que qualquer barco ou obstrução presente é detetada e pode ser facilmente
observada no ecrã do sistema de radar, tal como se pode observar na figura 3.7.
18
Figura 3.7 – Informação obtida através do radar montado no navio [17]
3.1.2.6 Espaço
O radar tem diversas aplicações ligadas à Astronomia, tais como:
(1) Estudo e monitorização de meteoros e asteroides, permitindo obter
informação sobre o seu tamanho, forma e rotação.
(2) Medição mais precisa da Unidade astronómica, unidade de distância,
aproximadamente igual à distância média entre a Terra e o Sol.
(3) Aterragem de veículos espaciais na Lua com uma maior segurança.
Utiliza-se também o radar no rendezvous e no docking dos veículos
espaciais
(4) Observação da lua e de outros planetas do Sistema Solar. Esta aplicação
foi bastante importante antes da criação dos veículos espaciais, que
permitem a exploração espacial a distâncias menores.
(5) Deteção e monitorização de satélites
3.1.2.7 Outras aplicações
Para além das aplicações já mencionadas existem muitas outras aplicações do
radar, desde a exploração petróleo e gás natural à sua utilização na Imagiologia.
Uma aplicação interessante do radar é a utilizada pela Entomologia (estudo dos
insetos) e pela Ornitologia no estudo do movimento de aves e insetos. Na figura 3.8
temos o radar MERLIN, um Avian Radar System (ARS), utilizado para diversas
19
aplicações ligadas ao movimento de aves como, por exemplo, a deteção e controlo de
aves perto de aeroportos ou proteção e monitorização de aves em risco na Jordânia.
Figura 3.8 – Sistema de radar de aves MERLIN [18]
3.1.3 Tipos de radar
Podemos dividir o estudo do radar em dois tipos: radar primário e radar
secundário. No radar primário a deteção é feita pelo reconhecimento de um eco. O alvo
desempenha assim um papel totalmente passivo. Tal como se pode observar na figura
3.9, o radar primário ainda pode ser diferenciado quanto à forma de onda transmitida,
podendo ser de onda contínua (CW, FMCW) ou de impulsos (MTI, Doppler de
impulsos). O radar de impulsos e o radar de onda contínua serão abordados
posteriormente nas secções 3.4 e 3.5 deste capítulo.
Figura 3.9 – Tipos de radar
20
O radar secundário baseia-se na cooperação do alvo, que desempenha um papel
ativo. O objeto a detetar possui um transcetor que interpreta os impulsos transmitidos
como uma sequência de interrogação e transmite uma sequência codificada de impulsos
com informação gerada a bordo. O recetor do radar secundário está preparado para
interpretar a sequência de resposta. Um radar secundário funciona normalmente
associado a um radar primário.
Para além destes dois tipos principais, os radares podem ser diferenciados por:
(1) Aplicação – Militar, Controlo de tráfego aéreo, Polícia, etc.
(2) Separação entre transmissão e receção – Monoestático, biestático e
multiestático
(3) Instalação e localização – Terrestre, naval, aérea ou espacial
(4) Número de coordenadas medidas – 1D, 2D, 3D
(5) Tipo de transmissor e resposta do alvo – Passivo ou ativo
(6) Forma de onda transmitida – Onda contínua (CW, FMCW) ou impulsos
(MTI, Doppler de impulsos)
(7) Processamento – Coerente ou não-coerente
(8) Frequência de operação – HF, VHF, L, S, C, X, Ku, K, Ka, V, W
3.1.4 Bandas de frequência utilizadas
Os sistemas de radar funcionam numa grande variedade de frequências
transmitidas. 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. Na figura 3.10 temos a designação IEEE, na barra de cima, e a designação
NATO, na barra de baixo, das diversas bandas de radar existentes.
Figura 3.10 – Banda de frequências utilizada para sistemas de radar [19]
21
3.1.4.1 Banda A e B (NATO) - HF e VHF (IEEE)
As bandas abaixo dos 300 MHz foram bastante importantes e utilizadas pelos
sistemas de radar da Segunda Guerra Mundial. Atualmente estas frequências são usadas
por radares de alcance muito longo, como por exemplo o radar OTH (Over-the-horizon
radar), que permite detetar alvos à distância de até milhares de quilómetros, mesmo
depois da distância de horizonte, que regra geral é a distância limite nos radares
normais.
Usando baixas frequências é mais fácil de obter uma maior potência de
transmissão. A atenuação das ondas eletromagnéticas é mais baixa do que se usássemos
altas frequências. Por outro lado, a precisão é mais limitada, visto que as frequências
mais baixas precisam de antenas muito grandes que determinam o ângulo de precisão e
a resolução angular.
Na figura 3.11 observamos o funcionamento de um radar OTH, em que é
transmitido um sinal de potência elevada e que chega até ao alvo através da reflexão na
ionosfera, sendo que o eco do alvo é retornado para a antena recetora pelo mesmo
caminho.
Figura 3.11 – Funcionamento de um radar OTH [20]
3.1.4.2 Banda C (NATO) - UHF (IEEE)
A banda entre os 300 MHz e os 1000 MHz é utilizada com o objetivo de detetar
e seguir satélites e mísseis balísticos a distâncias muito grandes.
Fora da utilização do radar, a banda Ultra High Frequency (UHF) é também
frequentemente utilizada para a propagação de sinais de televisão e canais de High-
definition Television (HDTV).
22
Figura 3.12 – Radar de deteção de mísseis balísticos da Base Aérea de Thule, na
Gronelândia [21]
3.1.4.3 Banda D (NATO) - Banda L (IEEE)
A banda D (NATO) e L (IEEE) designa a banda de frequências entre os 1 e 2
GHz. Esta banda é utilizada na operação de radares de controlo e vigilância aérea de
longa distância. Devido à curvatura da Terra, estes radares têm dificuldade a detetar
alvos a voar a baixa altitude, visto que os alvos desaparecem muito rapidamente a partir
da distância de horizonte.
Um exemplo de um radar a operar nesta banda é o ARSR (Air Route
Surveillance Radar), utilizado para efetuar a vigilância de rotas aéreas.
Figura 3.13 – Radar ARSR-4 da North Truro Air Force Station [22]
3.1.4.4 Banda E e F (NATO) - Banda S (IEEE)
A banda S (IEEE) designa a banda de frequências entre os 2 e 4 GHz. Nesta
banda verifica-se uma maior atenuação atmosférica que na banda L (IEEE).
23
Esta banda de frequências é utilizada para radares de controlo de tráfego aéreo
perto do terminal, designados por ASR (Airport Surveillance Radar), com um alcance
de cerca de 100 km, detetando a posição do avião.
Outras utilizações desta banda de frequências são os radares meteorológicos de
longa distância e radares marítimos.
Na figura 3.14 observamos o radar ASR-9, um dos vários modelos de radares
ASR utilizados para controlo de tráfego aéreo. A antena inferior é o radar primário, que
consiste numa antena parabólica rotativa que opera na banda S, detetando a posição e
distância do avião. A antena superior e plana é o radar secundário, que opera na banda L
(IEEE), e que obtém informação do transponder do avião, como por exemplo, a sua
identificação, altitude e códigos de emergência.
Figura 3.14 – Radar ASR-9 [23]
3.1.4.5 Banda G (NATO) - Banda C (IEEE)
A banda de frequências entre os 4 e 8 GHz é caracterizada por antenas de menor
tamanho que as anteriores, o que permite uma melhor precisão e resolução, através de
um feixe mais estreito. Como o sinal sofre mais atenuação que o de bandas de menor
frequência, esta banda é bastante utilizada em radares meteorológicos de curto alcance,
para detetar precipitação maioritariamente em zonas de clima temperado, como por
exemplo a Europa.
Outras utilizações desta banda incluem estações televisivas, transponders de
satélite e equipamentos móveis de vigilância militar, para controlar mísseis e fazer
vigilância terrestre.
Na figura 3.15 observamos o OU-PRIME, um radar meteorológico, localizado
na Universidade de Oklahoma, que utiliza esta mesma banda.
24
Figura 3.15 – Radar meteorológico OU-PRIME [24]
3.1.4.6 Banda I e J (NATO) - Banda X e Ku (IEEE)
As bandas I e J (NATO), entre os 8 e os 18 GHz, são bandas utilizadas em
radares marítimos, mísseis guiados, mapeamento de média e alta resolução, radares de
aeroportos, altimetria por satélite, entre outros.
O radar de abertura sintética (SAR), é um dos radares que utiliza esta banda para
criar imagens bidimensionais ou tridimensionais de objetos. É, regra geral, montado
numa plataforma em movimento como um avião. São enviados múltiplos sinais e os
seus ecos recebidos à medida que a antena se desloca em relação ao alvo, permitindo a
combinação dos vários resultados de forma a obter uma imagem de maior resolução. Na
figura 3.16 podemos observar o funcionamento de um SAR montado num avião.
Figura 3.16 – Radar de abertura sintética (SAR) montado num avião [25]
3.1.4.7 Banda K (NATO) - Banda K e Ka (IEEE)
A banda K, entre os 18 e os 40 GHz, é de uso limitado devido à absorção pelo
vapor de água, sendo utilizada maioritariamente para vigilância e monitorização.
25
É uma banda bastante utilizada pela polícia para detetar condutores em excesso
de velocidade através de radares fixos, móveis ou em formato de pistola. É utilizada
também para ativar câmaras para tirar fotografias a matrículas de carros quando existem
carros a passar o sinal vermelho.
Figura 3.17 – Radar instalado em Lisboa [26]
Outra aplicação desta banda é o radar automóvel que, tal como se verificou no
capítulo 2.2.3, utiliza a banda dos 24 GHz.
3.1.4.8 Banda V (IEEE)
A banda V, entre os 40 e 75 GHz, não é muito utilizada, sendo exceção a sua
utilização para pesquisa de radar de ondas milimétricas e outras pesquisas científicas.
Esta banda de frequências sofre uma maior atenuação atmosférica que as anteriores.
3.1.4.9 Banda W (IEEE)
A banda de frequências entre os 75 e 110 GHz, conhecida como banda W, é
ideal para identificar objetos pequenos até cerca de três quilómetros, conseguindo
penetrar numa grande diversidade de materiais não transparentes, dielétricos e não
metálicos, tal como roupa, plástico, papel, madeira, neve e nevoeiro.
Tal como se verificou no capítulo 2.2.3, esta banda é utilizada no radar
automóvel, nomeadamente a banda dos 77 GHz, nas suas variadas aplicações como, por
exemplo, o Cruise Control adaptativo.
A banda W é também utilizada como arma não letal pela Força Aérea e Marinha
dos Estados Unidos da América, que através de um feixe de 95 GHz aumenta a
temperatura da pele do alvo para temperaturas intoleráveis, de forma a afastar a pessoa
alvo.
26
Devido à sua elevada taxa de transferência de dados e à congestão de outras
bandas, existe um enorme interesse das empresas de satélites comerciais para começar a
usar a banda W nas suas comunicações.
3.2 Antenas
3.2.1 Diagrama de radiação
Um diagrama de radiação é uma representação gráfica que descreve as
propriedades espaciais de radiação de uma antena. Como a sua utilização na forma
tridimensional não é prática, recorre-se a diagramas bidimensionais em superfícies
adequadas. Para uma antena com polarização linear descreve-se o seu desempenho nos
planos principais E e H, que contêm a direção de radiação máxima e o plano do campo
elétrico ou magnético. Normalmente os eixos do sistema de coordenadas são escolhidos
por forma a que pelo menos um destes planos (E ou H) coincida com um dos planos
principais do sistema de coordenadas.
Existem três tipos de diagramas de radiação, que dependem do tipo de antena
utilizada: isotrópicos, omnidirecionais e direcionais. Uma antena isotrópica é uma
antena sem perdas que radia igualmente em todas as direções. É um caso ideal que não é
fisicamente realizável. No entanto, é tomado como referência para a expressão das
propriedades de diretividade das antenas. Na figura 3.18 está representado o diagrama
de radiação bidimensional de uma antena isotrópica, onde podemos verificar que a
antena radia uniformemente em ambos os planos.
Figura 3.18 – Diagrama de radiação de uma antena isotrópica [27]
Uma antena omnidirecional é uma antena que tem um diagrama de radiação não
direcional num plano e um diagrama de radiação direcional em qualquer plano
perpendicular. Habitualmente, o plano não direcional é o plano horizontal (azimute), tal
como representado na figura 3.19, onde podemos observar um exemplo de um diagrama
de radiação deste tipo de antenas.
27
Figura 3.19 – Diagrama de radiação de uma antena omnidirecional [27]
Uma antena direcional não tem simetria no diagrama de radiação, levando à
concentração de potência radiada numa determinada direção do espaço. Na figura 3.20
temos um exemplo de um diagrama de radiação bidimensional de uma antena
direcional.
Figura 3.20 – Diagrama de radiação de uma antena direcional [27]
Em geral, o diagrama de radiação é formado por lobos de radiação. Aquele que
contém a direção de intensidade máxima de radiação designa-se por lobo principal em
contraste com os restantes, ditos secundários. A sua caracterização pode envolver a
especificação de larguras de feixe, posicionamento e intensidade relativa dos lobos. A
largura de feixe de um lobo é definida pela separação angular entre duas direções para
lados opostos relativamente à direção de radiação principal. A largura de feixe a meia
potência (HPBW) pode ser definida como o ângulo formado pelas duas direções onde a
intensidade de radiação é metade do valor máximo do feixe (-3 dB, caso a intensidade
de radiação seja dada em dB). A largura de feixe entre primeiros nulos (FNBW) é o
ângulo formado pelas direções onde a intensidade de radiação é igual a zero. Na figura
3.21 observamos um diagrama de radiação em coordenadas polares e escala linear (a) e
um diagrama de radiação em coordenadas cartesianas e escala logarítmica (b), onde
estão representados o lobo principal, lobos secundários, largura de feixe a meia potência
e largura de feixe entre primeiros nulos. Para além do lobo principal e secundário, existe
também a definição de lobo traseiro, que é o lobo situado a aproximadamente 180º em
relação ao lobo principal.
28
Figura 3.21 – Diagramas de radiação: (a) coordenadas polares e escala linear
(b) coordenadas cartesianas e escala logarítmica
3.2.2 Ganho e diretividade
O ganho de uma antena, G, numa dada direção é definido como a razão entre a
intensidade de radiação, segundo uma direção, e a intensidade de radiação que seria
obtida se a potência absorvida (Pa) fosse radiada isotropicamente. O ganho pode ser
obtido através da seguinte expressão:
𝐺(𝜃, 𝜑) = 4𝜋𝑈(𝜃, 𝜑)
𝑃𝑎 (3.1)
Devido a perdas uma antena não radia toda a potência absorvida do transmissor.
A eficiência (ou rendimento) de radiação, η, compara a potência radiada com a potência
absorvida:
𝑃𝑟𝑎𝑑 = 𝜂𝑃𝑎 (3.2)
A diretividade de uma antena, D, é a comparação entre a intensidade de radiação
com a de uma antena isotrópica, que radie a mesma potência. A diretividade relaciona-
se com o ganho através da expressão:
𝐺(𝜃, 𝜑) = 𝜂 𝐷(𝜃, 𝜑) (3.3)
29
Figura 3.22 – Diretividade e ganho (adaptado de [28])
3.2.3 Área efetiva
Figura 3.23 – Área efetiva (adaptado de [29])
A área efetiva (ou abertura) de uma antena é a relação entre a potência entregue
a uma carga adaptada e a intensidade do vetor de Poynting incidente, admitindo
adaptação de polarização, expressa por:
𝐴𝑒 =𝑃𝑐𝑎
𝑆𝑃 (3.4)
A área efetiva pode ser relacionada com o ganho da antena através da seguinte
expressão:
𝐴𝑒 =𝜆2𝐺
4𝜋 (3.5)
30
3.3 Equação do radar
3.3.1 Propagação em espaço livre
Comecemos por considerar uma situação de propagação em espaço livre, isto é,
fora da presença de quaisquer obstáculos e num meio uniforme, homogéneo e
isotrópico. Admitamos que se tem uma onda esférica TEM centrada na antena emissora,
estando-se assim na zona distante da antena.
Seja Pe a potência emitida pelo emissor. À distância d [m], sendo a potência
emitida isotropicamente, a densidade do fluxo de potência (ou intensidade do vetor de
Poynting SP) na direção radial (segundo (θ,φ)) é dada por:
𝑆𝑃 =𝑃𝑒
4𝜋𝑑2 (3.6)
As antenas usadas em sistemas de radar são antenas diretivas, apresentando um
feixe numa determinada direção. A densidade de fluxo de potência no centro do feixe de
radiação é maior, dado que a potência transmitida está concentrada numa menor área.
Tendo em conta um ganho Ge na direção do recetor, a densidade de fluxo de potência a
uma distância d da emissão é dada por:
𝑆𝑃 =𝑃𝑒𝐺𝑒
4𝜋𝑑2 (3.7)
Sabendo que a densidade de fluxo de potência também pode ser expressa através
das amplitudes do campo elétrico (E) e do campo magnético (H) da onda esférica TEM,
por:
𝑆𝑃 =1
2 𝐸 𝐻 (3.8)
e conhecendo a relação entre E e H:
𝐸 = 𝑍0𝐻 (3.9)
em que Z0 é a impedância de onda (Z0 = 120π [Ω]), para um meio com índice de
refração absoluto (n = 1), vem que:
𝐸 =1
𝑑√
𝑍0𝑃𝑒𝐺𝑒
2𝜋 (3.10)
Analogamente, obtém-se a seguinte expressão para o campo magnético:
𝐻 =1
𝑑√
𝑃𝑒𝐺𝑒
240𝜋 (3.11)
31
3.3.2 Radar monoestático
Figura 3.24 – Diagrama de um radar monoestático [30]
Num radar monoestático, tal como representado na figura 3.24, o emissor e o
recetor situam-se no mesmo local, geralmente utilizando a mesma antena. É utilizado
um duplexer para a comutação entre emissão e receção.
Figura 3.25 – Representação do radar monoestático
Considerando o caso da figura 3.25, em que temos um alvo a uma distância d do
radar, teremos uma radiação incidente que irá ser refletida pelo alvo em várias direções.
À radiação refletida que se propaga na direção do radar corresponde uma densidade de
potência, que depende da área equivalente do alvo (σ [m2]).
A densidade de potência no retorno à antena de receção é expressa por:
𝑆𝑃 =𝑃𝑒𝐺𝑒σ
(4𝜋)2𝑑4 (3.12)
A potência entregue ao recetor (adaptado) é dada pela relação entre a área
efetiva da antena de receção (Ae) e a densidade de potência no retorno à antena de
receção:
𝑃𝑟 = 𝐴𝑒 × 𝑆𝑃 (3.13)
32
𝑃𝑟 =𝑃𝑒𝐺𝑒Aeσ
(4𝜋)2𝑑4 (3.14)
Sabendo que a área efetiva da antena de receção é dada por:
𝐴𝑒 =𝜆2𝐺𝑟
4𝜋 (3.15)
podemos então estabelecer uma relação entre a potência recebida no eco (Pr) e a
potência emitida (Pe), a que chamamos equação do radar monoestático:
𝑃𝑟
𝑃𝑒=
𝐺2𝜎𝜆2
(4𝜋)3𝑑4 (3.16)
É importante notar a diminuição da potência recebida com d4.
O alcance máximo, Rmax, é a distância além da qual o alvo não consegue ser
detetado. Ocorre quando a potência do sinal recebido (Pr) iguala a potência mínima de
deteção (Pmin) e é expresso por:
𝑅𝑚𝑎𝑥 = [𝑃𝑒𝜆2𝐺2𝜎
(4𝜋)3𝑃𝑚𝑖𝑛]
14
(3.17)
3.3.3 Radar biestático
Figura 3.26 – Diagrama de um radar biestático [30]
Num radar biestático, tal como representado na figura 3.26, o emissor e o recetor
encontram-se separados a uma distância considerável, não partilhando a mesma antena.
Tem a grande vantagem de isolar completamente a emissão da receção, sendo por isso
utilizado em situações em que se pretende uma grande sensibilidade.
Na figura 3.27 temos a representação do radar biestático. O versor e representa a
direção da onda emitida, o versor i a direção da onda incidente no alvo, o versor r a
direção da onda refletida pelo alvo e o versor l a direção da onda incidente na antena
recetora.
33
Figura 3.27 – Representação do radar biestático
Analogamente, tendo em conta que no radar biestático as distâncias ao alvo e os
ganhos de cada antena são diferentes, estabelecemos a seguinte relação entre a potência
recebida e a potência emitida:
𝑃𝑟
𝑃𝑒=
𝐺𝑒2𝐺𝑟
2𝜎𝜆2
(4𝜋)3𝑑12𝑑2
2 (3.18)
3.4 Radar de impulsos
3.4.1 Introdução
Figura 3.28 – Diagrama de blocos de um radar de impulsos monoestático
Num radar de impulsos a emissão de ondas eletromagnéticas é feita através da
geração de impulsos de curta duração com elevada energia. Na figura 3.28 está
representado um diagrama de blocos simplificado de um radar de impulsos
34
monoestático, sendo que o transmissor e recetor se situam no mesmo local. O
transmissor é constituído por um oscilador de radiofrequência e por um modulador de
impulsos, gerando um sinal modulado que é emitido pela antena. O duplexer permite a
utilização da mesma antena para emissão e receção. O sincronizador gera o sinal de
sincronização necessário para o funcionamento do sistema. O recetor usado é, regra
geral, do tipo superheterodino, realizando a deteção após um processo de conversão de
frequências. Após a deteção o vídeo é processado e apresentado no monitor.
Através deste processo é possível obter a distância ao alvo, através do tempo
decorrido entre a transmissão e a receção de cada impulso (eco). Podemos também obter
informação do azimute e elevação através do posicionamento espacial do feixe
(diagrama de radiação).
3.4.2 Forma de onda
Figura 3.29 – Sequência periódica de impulsos de radiofrequência
O radar de impulsos, tal como se observa na figura 3.29, pode ser configurado
com apenas dois parâmetros: o tempo entre a repetição de impulsos, Tp ou PRT (Pulse
Repetition Time), e a duração da emissão do impulso, τp ou PW (Pulse Width). O radar
de impulsos pode ser também caracterizado através da frequência de repetição de
impulsos, fp ou PRF (Pulse Repetion Frequency), sendo o inverso do tempo entre
repetição de impulsos, expressa por:
𝑓𝑝 =1
𝑇𝑝 (3.19)
O ciclo de serviço (duty cycle) é dado por:
𝑑𝑐 =𝜏𝑝
𝑇𝑝 (3.20)
35
A potência média de emissão, Pav, é expressa em função da potência de emissão
e do ciclo de serviço, por:
𝑃𝑎𝑣 = 𝑃𝑒 × 𝑑𝑐 = 𝑃𝑒 ×𝜏𝑝
𝑇𝑝 (3.21)
3.4.3 Distância do alvo
Figura 3.30 – Tempo de retorno
No radar de impulsos, a distância entre o radar e o alvo, R, é determinada através
da medição do tempo de retorno, TR, que é o intervalo de tempo que um impulso leva a
percorrer o trajeto de ida e volta (2R, duas vezes a distância entre o radar e o alvo).
Sendo assim, a distância entre o radar e o alvo é dada por:
𝑅 =𝑐 × 𝑇𝑅
2 (3.22)
onde c é a velocidade da luz.
Sabendo que a luz percorre 300 metros por cada microssegundo, podemos
também calcular a distância, em quilómetros, entre o radar e o alvo através de:
𝑅𝑘𝑚 = 150 × 𝑇𝑅,𝜇𝑠 (3.23)
Quando o tempo de retorno, TR, é superior ao tempo que decorre entre a
transmissão de dois impulsos sucessivos, Tp, ocorre uma ambiguidade na determinação
da distância ao alvo. A máxima distância não-ambígua, Rn,amb é então dada por:
𝑅𝑛,𝑎𝑚𝑏 =𝑐 × 𝑇𝑝
2=
𝑐
2 × 𝑓𝑝 (3.24)
36
3.5 Radar de onda contínua
3.5.1 Introdução
O radar de onda contínua, ou radar CW (Continuous Wave), tal como o próprio
nome indica, é caracterizado por emitir um sinal contínuo, com elevada energia. O
recetor opera também de forma contínua. A potência do sinal emitido é bastante mais
elevada do que a potência do eco (na ordem de 1018), sendo necessário separar os sinais
emitido e recebido. Para aumentar o isolamento entre sinal emitido e recebido podem-se
usar antenas fisicamente separadas para emissão e receção, apesar 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.
A grande vantagem da utilização deste tipo de radares é a simplicidade e
precisão com que se pode medir o desvio de frequência, que é diretamente proporcional
à velocidade do alvo detetado.
As suas principais aplicações são a determinação de velocidade de veículos (pela
polícia, por exemplo), determinação de velocidade de projéteis (como por exemplo, uma
bola numa partida de futebol), radar anti colisão (que irá ser analisado no capítulo 4
desta dissertação), altímetro, alarmes anti-intrusão, entre outros. Apesar das suas
diversas aplicações o radar de onda contínua tem vindo a perder o seu interesse em
detrimento da utilização de radares de impulsos para fins semelhantes.
3.5.2 Efeito de Doppler
O efeito de Doppler foi previsto teoricamente pelo físico austríaco Christian
Doppler em 1842. Em 1845 foi feita uma experiência, por Buys Ballot (cientista
holandês), que juntou um grupo de músicos, numa carruagem aberta de uma
locomotiva, a tocarem apenas uma nota no seu instrumento musical, posicionando-se ao
lado dos carris e notando que ouvia notas diferentes das tocadas pelos músicos,
provando a existência do efeito para as ondas sonoras. Atualmente sabe-se que o efeito
de Doppler não se aplica apenas às ondas sonoras, aplicando-se a todo o tipo de ondas,
incluindo a água e a luz.
37
Figura 3.31 – Efeito de Doppler [31]
O efeito de Doppler refere-se à diferença de frequências das ondas
eletromagnéticas entre o eco de um alvo e o sinal emitido pelo radar, caso um deles
esteja em movimento. A diferença entre frequências, ou desvio de Doppler, é
diretamente proporcional à velocidade radial de aproximação ou afastamento do alvo.
Em caso de aproximação do alvo, a frequência observada pelo radar será maior do que a
do sinal emitido (havendo uma compressão das superfícies equifase), enquanto que, no
afastamento do alvo a frequência será menor do que a do sinal emitido (havendo
descompressão das superfícies equifase).
Considerando um observador e uma fonte, a frequência central do sinal
transmitido, f0, a velocidade do observador, vobs, e a velocidade da fonte, vfonte, temos a
seguinte expressão geral para a frequência observada:
𝑓′ = 𝑓0 (𝑐 ± 𝑣𝑜𝑏𝑠
𝑐 ± 𝑣𝑓𝑜𝑛𝑡𝑒) (3.25)
No caso em que a fonte não está em movimento temos:
𝑓′ ≈ 𝑓0 (1 ±𝑣
𝑐) (3.26)
O desvio da frequência de Doppler, fd, vem dado por:
𝑓𝑑 = 𝑓′ − 𝑓0 = ±𝑓0
𝑣
𝑐= ±
𝑣
𝜆
(3.27)
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
𝜆 (3.28)
38
3.5.3 Isolamento entre transmissor e recetor
Figura 3.32 – Radar de onda contínua usando a mesma antena para transmissão e
receção
Na figura 3.32 temos um radar de onda contínua com deteção homodínica
usando a mesma antena para transmissão e receção. O transmissor gera um sinal
contínuo de frequência f0 que é radiado pela antena. Caso o alvo esteja em movimento o
eco recebido terá a frequência f0 ± fd. O detetor isola o desvio de frequência de Doppler
fd. O amplificador de Doppler e o frequencímetro eliminam o eco de alvos estacionários
e amplificam o sinal do eco do alvo em movimento.
Para obter um melhor isolamento e sensibilidade recorre-se a uma deteção
heterodínica e antenas fisicamente separadas. Na figura 3.33 temos um radar de onda
contínua com deteção heterodínica usando antenas separadas para emissão e receção.
Figura 3.33 – Radar de onda contínua usando antenas separadas
39
São utilizadas antenas separadas para emissão e receção de forma a reduzir o
sinal de fuga injetado diretamente do transmissor no recetor. O oscilador local gera um
sinal de frequência igual à da frequência intermediária (IF) do recetor. Caso o alvo
esteja em movimento o eco recebido terá a frequência f0 ± fd. O detetor isola o desvio de
frequência de Doppler fd.
As principais limitações deste tipo de radares são a deteção de alvos falsos e a
impossibilidade de detetar a distância ao alvo, fatores bastante importantes no radar
automóvel, por exemplo. Uma solução possível para detetar a distância ao alvo é a
utilização de modulação de frequência, que será analisada na secção seguinte.
3.5.4 Radar FMCW
O radar Frequency Modulated Continuous-Wave (FMCW), é um tipo de radar
de onda contínua em que é usada a modulação em frequência. Neste caso a introdução
da modulação de frequência periódica permite a obtenção da distância ao alvo pela
comparação da variação da frequência do sinal transmitido com a variação da
frequência do eco. Na figura 3.34 temos um diagrama de blocos de um radar FMCW.
Figura 3.34 – Diagrama de blocos de um radar FMCW
Um radar FMCW transmite um sinal de forma de onda chirp, ou seja, uma
sinusoide em que a frequência aumenta ou diminui linearmente com o tempo. Na figura
3.35 temos representados três tipos de forma de onda (up-chirp, down-chirp e
triangular), através de gráficos da frequência em função do tempo e da amplitude em
função do tempo.
40
Figura 3.35 – Forma de onda: a) up-chirp b) down-chirp c) triangular
Consideremos agora o sinal chirp transmitido pelo radar, de frequência fT, e o
eco recebido do alvo, de frequência fr, tal como representado na figura 3.36. Caso
houvesse múltiplos alvos teríamos múltiplos sinais chirp recebidos.
Figura 3.36 – Sinal transmitido e eco recebido [29]
Sabemos que o tempo do percurso de ida e volta do sinal é dado por:
𝑇 =2𝑅
𝑐 (3.29)
A frequência de batimento pode ser expressa por:
𝑓𝑏 = |𝑓𝑡 − 𝑓𝑟| =2𝑅
𝑐×
𝜕𝑓𝑡
𝜕𝑡= 𝑇
𝜕𝑓𝑡
𝜕𝑡
(3.30)
41
A frequência de batimento é proporcional à distância do alvo.
Consideremos um radar FMCW com modulação triangular, com um alvo
estacionário, representado na figura 3.37.
Figura 3.37 – Modulação triangular e alvo estacionário
A frequência de batimento é expressa por:
𝑓𝑏 =𝑇Δ𝑓
𝑇𝑚/2= 2𝑇𝑓𝑚Δ𝑓 =
4𝑅𝑓𝑚Δ𝑓
𝑐 (3.31)
Sabendo que a contagem do número de passagens a zero num semi-período é
dada por:
𝑁 =𝑓𝑏
𝑓𝑚 (3.32)
podemos então calcular a distância ao alvo, por:
𝑅 =𝑐𝑁
4Δ𝑓 (3.33)
Consideremos agora a situação em que temos um alvo em movimento e
modulação triangular, tal como representado na figura 3.38.
42
Figura 3.38 – Modulação triangular e alvo em movimento
Tal como foi visto na secção 3.5.2, um alvo em movimento tem um desvio de
frequência de Doppler associado dado por:
𝑓𝑑 =2𝑣𝑟
𝜆 (3.34)
A frequência de batimento não está apenas relacionada com a distância ao alvo,
mas também com a sua velocidade radial. Os semi-períodos do ciclo de modulação são
afetados pelo desvio de Doppler de onde resultam frequências de batimento diferentes,
dadas por:
𝑓𝑏↑ = 𝑓𝑟 − 𝑓𝑑 (3.35)
𝑓𝑏↓ = 𝑓𝑟 + 𝑓𝑑 (3.36)
onde fr é o desvio de frequência por efeito da modulação (alvo fixo).
43
4. RADAR ANTI COLISÃO
Uma das aplicações do radar nos ADAS é o radar anti colisão, usado para
funcionalidades como, por exemplo, o Cruise Control adaptativo, travagem de
emergência e condução automática nas autoestradas.
Consideremos um sistema de radar anti colisão de longa distância para veículos
funcionando na frequência de 77 GHz, em polarização vertical. A antena está instalada
no pára-choques, a uma altura de 0.5 m em relação ao solo. O diagrama de radiação tem
largura de feixe a 3 dB nos planos principais αV = 0.3 rad e αH = 0.55 rad. A
sensibilidade do recetor é -90 dBm. Ignoremos o efeito da atmosfera.
Figura 4.1 – Antena instalada no pára-choques do automóvel
4.1 Deteção de um automóvel ignorando o efeito de reflexões
Iremos determinar a potência a instalar no radar para poder detetar um
automóvel com secção eficaz de dispersão de 2 m2 a uma distância d = 200 m.
Ignoremos, por enquanto, qualquer efeito de reflexões.
O ganho de uma antena em unidades lineares exprime-se em termos das larguras
de feixe a 3 dB como
𝐺 = 4𝜋
𝛼𝑉𝛼𝐻= 18.82 𝑑𝐵𝑖 (4.1)
Usando a frequência de 77 GHz obtemos o comprimento de onda
𝜆 =𝑐
𝑓= 3.90 × 10−3 𝑚 (4.2)
É também conhecida a equação do radar monoestático que estabelece a relação
entre a potência recebida e a potência recebida:
𝑃𝑟
𝑃𝑒=
𝐺2𝜎𝜆2
(4𝜋)3𝑑4 (4.3)
44
Podemos então determinar a potência a instalar no radar:
𝑃𝑒 =𝑃𝑟(4𝜋)3𝑑4
𝐺2𝜎𝜆2= 12.55 𝑑𝐵𝑊 (4.4)
4.2 Deteção de um automóvel considerando o efeito de reflexões
Consideremos agora o efeito da reflexão no piso da estrada, tomado como
perfeitamente liso, com εr = 4. Iremos então verificar se é possível um automóvel não
ser detetado dentro do alcance definido anteriormente (d = 200 m). Consideremos que a
altura do automóvel-alvo é 0.5 m, a mesma da antena instalada no pára-choques o
primeiro carro.
Podemos então calcular a distância do primeiro mínimo (usando n = 3):
𝑑𝑛 = 4ℎ1ℎ2
(𝑛 − 1)𝜆= 128.2 𝑚 (4.5)
Figura 4.2 – Reflexão no solo em polarização vertical
Usamos essa mesma distância para calcular o ângulo de fogo
𝜓 = arctanℎ1 + ℎ2
𝑑= arctan
2ℎ1
𝑑= 0.008 𝑟𝑎𝑑 (4.6)
Sabemos que o índice de reflexão do solo em relação ao ar é
𝑛 = √𝜀𝑟𝜇𝑟 = 2 (4.7)
Considerando que estamos em polarização vertical, calculamos o coeficiente de
Fresnel através da expressão seguinte:
|Γ𝑉| = |𝑛2𝑠𝑒𝑛𝜓 − √𝑛2 − cos2 𝜓
𝑛2𝑠𝑒𝑛𝜓 + √𝑛2 − cos2 𝜓| = 0.964 (4.8)
45
A potência do raio direto é dada por
𝑃𝑑 =𝑃𝑒𝐺2𝜎𝜆2
(4𝜋)3𝑑4= −58.19 𝑑𝐵𝑚 (4.9)
Podemos então calcular o valor da potência recebida pela antena
𝑃𝑟 = 𝑃𝑑(1 − |Γ𝑉|)4 = −115.9 𝑑𝐵𝑚 < −90 𝑑𝐵𝑚 (4.10)
O valor da potência recebida é menor que o da sensibilidade, logo o automóvel
não é detetado.
4.3 Deteção de um automóvel considerando a dispersão pela estrada
Uma fonte de ruído importante em radares é a que resulta da dispersão pelo
terreno (na direção da própria antena do radar) de uma fração da energia emitida pelo
radar. A energia que incide no terreno é devolvida por este na própria direção de
incidência.
Consideremos agora a dispersão pela estrada em que os ambos os veículos
circulam. Suponhamos que a rugosidade do piso da estrada pode ser caracterizada por s
= 1.5. Iremos então verificar se o sinal de radar dispersado pela superfície rugosa na
direção da própria antena (radar clutter) pode impedir a deteção de um automóvel à
distância d = 100 m, excedendo o eco recebido do automóvel-alvo.
Figura 4.3 – Dispersão pelo terreno
Podemos comparar a potência de clutter (PC) com o sinal proveniente do
automóvel-alvo (Pd) através da seguinte expressão:
𝑃𝐶
𝑃𝑑= |Γ|2
𝐺𝐶2
𝐺𝐴2
𝛼𝐻
2
1
ℎ2
𝑑𝐴4
𝜎𝐴exp [− (
𝜌1
𝑠 ℎ)
2
] (4.11)
46
Figura 4.4 – Distância na qual o solo é iluminado
Calculemos então a distância na qual o solo é iluminado:
𝜌1 =ℎ
tan𝛼𝑉
2
= 3.31 𝑚 (4.12)
Figura 4.5 – Diagrama de radiação [32]
Do diagrama de radiação anterior concluímos que a relação entre o ganho do
clutter e o ganho na direção do alvo é:
𝐺𝐶
𝐺𝐴= 0.5 (4.13)
Na figura 4.6 estão representados os coeficientes de Fresnel sob forma polar,
aparecendo, para a polarização vertical, curvas de |Γ| e curvas de π + arg [Γ].
47
Figura 4.6 – Fator de reflexão [33]
Considerando tan 𝜓 → ∞, obtemos da figura 4.6 que Γ = 0.33.
Obtemos então tudo o que precisamos para comparar a potência de clutter (PC)
com o sinal proveniente do automóvel-alvo (Pd):
𝑃𝐶
𝑃𝑑= −22.73 𝑑𝐵 (4.14)
Chegamos então à conclusão de que o sinal de radar dispersado pela superfície
rugosa na direção da própria antena (radar clutter) não impede a deteção de um
automóvel à distância d = 100 m.
48
49
5. SIMULAÇÃO
5.1 Descrição do software utilizado
Para a realização desta simulação foram utilizados dois programas: o Antenna
Magus® e o CST®.
O Antenna Magus® consiste numa base de dados com mais de 300 antenas.
Permite pesquisar antenas através do tipo de aplicação e especificação. Da pesquisa
resulta uma lista de templates de possíveis antenas. É possível configurar a antena
através da especificação dos seus diversos parâmetros como, por exemplo, as suas
dimensões ou a frequência utilizada. Por fim é possível exportar o modelo da antena
para se utilizar noutro software, como por exemplo o CST®. A principal vantagem do
uso deste software é o facto de se conseguir obter facilmente um modelo de uma antena
para ser usado numa simulação, enquanto que apenas usando o CST® teríamos de
desenhar e projetar todos os componentes da antena, bem como os seus parâmetros e
dimensões.
O CST® é um conjunto de ferramentas utilizado para desenhar, simular e
otimizar sistemas eletromagnéticos. Permite analisar de uma forma detalhada o
comportamento de uma antena através de uma simulação, obtendo-se diversos dados
como, por exemplo, o diagrama de radiação. É possível importar diversos modelos de
antenas e estruturas (um carro, por exemplo) que podem ser modificados,
parametrizados e usados para o estudo do problema a ser resolvido.
5.2 Antena
Para escolher a antena a utilizar nesta simulação foi utilizado o Antenna
Magus®. O programa permite pesquisar antenas quanto à sua aplicação pelo que se
pesquisou por uma antena para automóveis. Em seguida da lista de opções disponível
selecionou-se a do radar de longo alcance a 77 GHz. Das várias antenas disponíveis
optou-se por um agregado de 32 elementos alimentados em paralelo. Sendo uma antena
para montar num pára-choques de um carro pretende-se que seja leve e de pequenas
dimensões. A antena escolhida tem 74.39 milímetros de comprimento, 5.182 milímetros
de largura e 52.84 micrómetros de espessura. Escolheu-se uma frequência central de
76.5 GHz, um ganho de 20 dBi, uma impedância de entrada de 50 Ω e uma
permissividade relativa de 2.2.
Depois de escolhida a antena no Antenna Magus® exportou-se então o modelo
para ser utilizado no CST®. Na figura 5.1 temos representada a antena escolhida para
ser utilizada nesta simulação.
50
Figura 5.1 – Antena utilizada na simulação
5.3 Resultados
Depois de se importar a antena para o CST® utilizou-se o Time Domain Solver
para simular o comportamento da antena, tendo-se obtido os resultados que se seguem
nesta secção.
Um dos resultados obtidos na simulação é o gráfico do coeficiente de reflexão,
S11, que representa a razão entre a amplitude da onda refletida e a da onda incidente na
porta 1 (entrada). Na figura 5.2 temos o gráfico do coeficiente de reflexão (em dB) em
função da frequência (em GHz).
Figura 5.2 – Coeficiente de reflexão
51
O coeficiente de reflexão encontra-se abaixo dos -10 dB entre os 74.85 GHz e os
76.05 GHz, atingindo um mínimo de -26.35 dB para 75.65 GHz. Podemos então
concluir que a frequência em que a antena funciona melhor é a de 75.65 GHz. Nas
frequências em que o coeficiente de reflexão é de 0 dB a antena não irá radiar
praticamente nada, sendo quase toda a potência refletida.
Na figura 5.3 podemos observar a laranja a potência de alimentação da antena, a
azul a potência refletida, a verde potência entregue à antena e a vermelho a potência
absorvida.
Figura 5.3 – Potência de alimentação (laranja), potência refletida (azul), potência
entregue à antena (verde) e potência absorvida (vermelho)
A potência de alimentação da antena é de 0.5 W. Sendo a potência absorvida
praticamente nula, verifica-se que a potência entregue à antena é a diferença entre a
potência de alimentação e a potência refletida. Verifica-se um máximo na potência
entregue à antena (0.5 W) e um mínimo na potência refletida (0 W) para a frequência de
75.65 GHz, tal como seria de esperar e em concordância o que já se tinha observado no
coeficiente de reflexão.
Apesar de a simulação no CST® ter obtido resultados para campo distante em
diversas frequências entre o 68.85 GHz e os 84.15 GHz, optou-se por se escolher os
resultados obtidos para o ganho na frequência de coeficiente de reflexão mais baixo,
76.65 GHz.
Na figura 5.4 temos representado o diagrama de radiação, para campo distante, a
76.65 GHz, em coordenadas cartesianas, obtido na simulação, no qual se pode observar
o lobo principal e os vários lobos secundários, bem como o lobo traseiro. O valor de
52
22.2 dB obtido para magnitude do lobo principal está de acordo com o esperado. A
largura de feixe a 3 dB obtida foi 2.5º e o nível de lobos secundários obtido foi -11.3
dB.
Figura 5.4 – Diagrama de radiação em coordenadas cartesianas
Nas figuras 5.5 e 5.6 estão representados os diagramas de radiação em
coordenadas polares nos planos θ (φ=0) e φ (φ=0), respetivamente.
Figura 5.5 – Diagrama de radiação no plano θ (φ = 0)
53
Figura 5.6 – Diagrama de radiação no plano φ (φ = 0)
Por fim, obteve-se o diagrama de radiação da antena em 3D, representado na
figura 5.7, o que nos permite visualizar a distribuição espacial de toda a potência
envolvida.
Figura 5.7 – Diagrama de radiação em 3D
54
55
6. CONCLUSÃO
6.1 Principais conclusões
Com a realização deste trabalho pretende-se estudar um caso específico dos
ADAS, o radar automóvel, abordando diversos conceitos aprendidos ao longo do
Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores, permitindo também, ao
mesmo tempo, a aprendizagem e estudo de outros conceitos não presentes no plano
curricular, como os sistemas de radar. O trabalho desenvolvido é bastante útil em
contexto académico, permitindo estabelecer a ligação entre conceitos aprendidos e casos
práticos como o exercício do radar anti colisão e a simulação no CST®.
No capítulo 2 foi possível compreender melhor o conceito de ADAS bem como
os seus diversos tipos (câmaras, radar automóvel, LIDAR e ultrassom). Foi feita uma
breve introdução da história do radar, começando a com as experiências de Heinrich
Hertz. Foi introduzido o radar automóvel que trabalha em duas bandas de frequências
24 GHz e 77 GHz, sendo que existe uma mudança apenas para a frequência dos 77 GHz
devido ao uso dos 24 GHz ser pouco atrativo. Existem diversas aplicações do radar
automóvel divididas em SRR e LRR, possibilitando funcionalidades como a prevenção
de colisões e o Cruise Control adaptativo. Apresentou-se o projecto C-Roads que
permite uma cooperação entre os Estados Membros e os road operators na
implementação dos C-ITS. Foi também apresentado o projeto eCall, sistema obrigatório
em todos os novos carros vendidos na União Europeia desde Abril de 2018, que efetua
uma chamada automática para o 112, em caso de acidente ou emergência.
No capítulo 3 foi feita uma introdução teórica aos sistemas de radar. O radar é
um dispositivo destinado à localização de objetos distantes por meio de ondas refletidas
nesses objetos. Foram apresentadas diversas aplicações do radar como, por exemplo, a
militar, em que através da figura 3.2 se ficou a perceber o funcionamento de um míssil
teleguiado. Dividiu-se o estudo do radar em dois tipos, o radar primário e o radar
secundário, sendo que ainda se diferenciou os tipos de radar por tipo de aplicação,
separação entre transmissão e receção, entre outros. Os sistemas de radar funcionam
numa grande variedade de frequências, tendo sido apresentadas as diversas bandas de
frequências utilizadas por estes sistemas, bem como as aplicações de cada uma. É de
salientar a banda W que é utilizada pelo radar automóvel. Realizou-se uma breve
introdução a conceitos importantes de antenas como o diagrama de radiação,
diretividade, ganho e área efetiva. Foi introduzida a equação do radar, considerando
uma situação de espaço livre, sendo apresentada a relação entre a potência recebida no
eco e a potência emitida, tanto para o radar monoestático como para o biestático.
Introduziu-se o radar de impulsos, onde a emissão de ondas eletromagnéticas é feita
através da geração de impulsos de curta duração com elevada energia. Por fim,
introduziu-se o radar de onda contínua, onde foi introduzido um conceito muito
importante nos sistemas de radar, o efeito de Doppler, que se refere à diferença de
frequências das ondas eletromagnéticas entre o eco de um alvo e o sinal emitido pelo
56
radar, caso um deles esteja em movimento. Foi apresentado o radar FMCW, que é um
tipo de radar de onda contínua em que é usada a modulação de frequência.
No capítulo 4 realizou-se um exercício prático de um radar anti colisão de longa
distância, com a antena instalada no pára-choques de um automóvel. Começou-se por
considerar a deteção de um automóvel ignorando o efeito de reflexões, onde se
determinou o ganho da antena, o comprimento de onda e por fim a potência a instalar no
radar, através da utilização da equação do radar monoestático. Seguiu-se a deteção de
um automóvel considerando o efeito de reflexões, onde se calculou a distância de
primeiro mínimo, o ângulo de fogo, o coeficiente de Fresnel, a potência do raio direto e
a potência recebida pela antena. O valor obtido para a potência recebida foi menor que o
da sensibilidade, logo o automóvel não foi detetado à distância de 200 metros. Por fim,
considerou-se a deteção de um automóvel considerando a dispersão pela estrada, que é
uma fonte de ruído importante, sendo que a energia que incide no terreno é devolvida
por este na própria direção de incidência. Através da comparação da potência de clutter
com o sinal proveniente do automóvel-alvo, verificou-se que o sinal de radar dispersado
pela superfície rugosa na direção da própria antena não impede a deteção de um
automóvel a 100 metros de distância.
No capítulo 5 adquiriu-se conhecimentos práticos de software de simulação de
sistemas eletromagnéticos através da utilização do Antenna Magus® e do CST®. Foi
escolhido um modelo de um agregado de 32 elementos alimentados em paralelo através
do Antenna Magus® e exportado para o CST®, representado na figura 5.1. Utilizando a
o Time Domain Solver do CST®, foi possível simular o comportamento da antena,
tendo-se obtido os diversos diagramas de radiação, coeficiente de reflexão e as
potências de alimentação, refletida, entregue à antena e absorvida. Na figura 5.2
observamos que o coeficiente de reflexão encontra-se abaixo dos -10 dB entre os 74.85
GHz e os 76.05 GHz, atingindo um mínimo de -26.35 dB para 75.65 GHz, de onde se
conclui que a frequência em que a antena melhor funciona é a de 75.65 GHz. O mesmo
é confirmado depois de observada a figura 5.3, onde se verifica um máximo na potência
entregue à antena e um mínimo na potência refletida nessa mesma frequência.
6.2 Perspetivas de trabalhos futuros
Este trabalho serve como base para outros trabalhos que queiram continuar ou
aprofundar os temas aqui retratados, seja através da introdução de novos temas ou
através da continuação de temas aqui apresentados. Estamos na presença de um tema
muito geral e com muitas opções de tecnologia que pode ser interessante estudar.
O Estado da Arte desta dissertação expôs alguns temas interessantes para
trabalhos futuros. Apesar deste trabalho ser focado apenas no radar automóvel, qualquer
um dos outros tipos de ADAS pode ser aprofundado e estudado, bem como o estudo dos
carros autónomos. Seria interessante aprofundar o estudo das C-Roads e o do eCall e o
seu impacto, visto serem tecnologias recentes que estão atualmente a implementadas
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nos diversos países. Poderia ser interessante também acompanhar a mudança de
frequência dos 24 GHz para os 77 GHz para o radar automóvel e a possível utilização
futura de outras frequências.
Do capítulo dos sistemas de radar seria interessante analisar outro tipo de
aplicações do radar como, por exemplo, na área da medicina. Poderá ser atualizado com
outras aplicações recentes que vão surgindo das diversas bandas disponíveis. A secção
teórica de antenas poderá ser aprofundada com diversos tipos de antenas e conceitos
como o comprimento efetivo e polarização. Visto que se estudou o radar monoestático e
o biestático seria interessante também estudar o caso do radar multiestático. Apenas se
fez uma breve introdução ao radar de impulsos, pelo que se poderia aprofundar através
da introdução do MTI e o Doppler de impulsos.
Do exercício prático do radar anti colisão seria interessante explorar outras
situações como a curta distância ou com múltiplos alvos. A dispersão pela estrada e a
sua influência às diversas distâncias do alvo poderia ser estudada num próximo
trabalho. Seria interessante também testar a diferença de resultados utilizando outras
frequências.
Quanto à simulação apenas se utilizou um tipo de antena. Poderiam ser testados
outros tipos de antenas, com outros parâmetros. Poderá também ser introduzido um
modelo de um carro no CST e testar o comportamento da antena colocada em diversos
locais do mesmo, bem como a utilização de uma redoma. Tal como no exercício prático
seria interessante testar a antena para outras frequências.
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Referências
[1] MEMA.org, MEMA Releases Safety Study on Driver Assistance Technologies.
Acedido em Julho de 2018 em:
https://www.mema.org/mema-releases-safety-study-driver-assistance-
technologies
[2] City Auto Glass, Advanced Driver Assist Systems (ADAS) Re-calibration.
Acedido em Julho de 2018 em:
https://www.cityautoglass.com/services/advanced-driver-assist-system-re-
calibration/
[3] Voyage, An Introduction to LIDAR: The Key Self-Driving Car Sensor. Acedido
em Julho de 2018 em: https://news.voyage.auto/an-introduction-to-lidar-the-key-
self-driving-car-sensor-a7e405590cff
[4] NewElectronics, An introduction to ultrasonic sensors for vehicle parking.
Acedido em Julho de 2018 em:
http://www.newelectronics.co.uk/electronics-technology/an-introduction-to-
ultrasonic-sensors-for-vehicle-parking/24966/
[5] Texas Instruments, Moving from legacy 24 GHz to state-of-the-art 77 GHz radar.
Acedido em Julho de 2018 em: http://www.ti.com/lit/wp/spry312/spry312.pdf
[6] Audi, Cruise Control Adaptativo. Acedido em Julho de 2018 em:
http://www.audi.pt/pt/web/pt/modelos/layer/tecnologia/adaptive-cruise-
control.html
[7] Hashimoto, S. Kato, and S. Tsugawa, “A cooperative assistance system between
vehicles for elderly drivers,” IATSS Research, vol. 33, no. 1, 2009, pp. 35-41
[8] European Commission, Cooperative, connected and automated mobility
(CCAM). Acedido em Julho de 2018 em:
https://ec.europa.eu/transport/themes/its/c-its_en
60
[9] C-Roads, Objectives. Acedido em Julho de 2018 em:
https://www.c-roads.eu/platform/objectives.html
[10] Mário Alves, Comunicações I2V de suporte à implementação dos serviços C-
ITS, 11º Congresso do Comité Português da URSI – “Novas tecnologias para a
mobilidade”, 2017
[11] European Commission, eCall in all new cars from April 2018. Acedido em Julho
de 2018 em: https://ec.europa.eu/digital-single-market/en/news/ecall-all-new-
cars-april-2018
[12] Continental, Automatic Emergency Call. Acedido em Julho de 2018 em:
https://www.continental-automotive.com/en-gl/Passenger-Cars/Chassis-
Safety/Software-Functions/Integrated-Safety/Automatic-Emergency-Call
[13] ElectronicsForu.com, Precision-Guided Munitions: Radar-Guided Weapons.
Acedido em Setembro de 2018 em:
https://electronicsforu.com/technology-trends/precision-guided-munitions-radar-
guided-weapons-part-4-4
[14] European Space Agency, Venus Express, Radar map of Venus' surface. Acedido
em Setembro de 2018 em: http://sci.esa.int/venus-express/50372-radar-map-of-
venus-surface/
[15] National Weather Service, Terminal Doppler Weather Radar (TDWR) Charlotte,
NC. Acedido em Setembro de 2018 em:
https://www.weather.gov/gsp/tdwr_specs
[16] HyperPhysics, Georgia State University, Police Radar. Acedido em Setembro de
2018 em:
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Sound/radar.html
[17] Raymarine, Marine Radar Scanners. Acedido em Setembro de 2018 em:
http://www.raymarine.com/marine-radar/
61
[18] PRWeb, Saudi Arabian Aviation Agency Orders DeTect MERLIN Aircraft
Birdstrike Avoidance Radar System. Acedido em Setembro de 2018 em:
https://www.prweb.com/releases/2014/05/prweb11850832.htm
[19] RadarTutorial.eu, Waves and Frequency Ranges. Acedido em Setembro de 2018
em:
http://www.radartutorial.eu/07.waves/Waves%20and%20Frequency%20Ranges.e
n.html
[20] Wikipedia, Over-the-horizon radar. Acedido em Setembro de 2018 em:
https://en.wikipedia.org/wiki/Over-the-horizon_radar
[21] Air Force Space Command, Ballistic Missile Early Warning System. Acedido em
Setembro de 2018 em:
https://www.afspc.af.mil/About-Us/Fact-
Sheets/Display/Article/1126401/ballistic-missile-early-warning-system/
[22] Pbase.com. Acedido em Setembro de 2018 em:
http://www.pbase.com/image/147035402
[23] Wikipedia, ASR-9. Acedido em Setembro de 2018 em:
https://en.wikipedia.org/wiki/ASR-9
[24] Wikipedia, OU-PRIME. Acedido em Setembro de 2018 em:
https://en.wikipedia.org/wiki/OU-PRIME
[25] Schlutz, Matthew. “Synthetic Aperture Radar Imaging Simulated in MATLAB.”,
2009
[26] Público, Perto de 50 infracções nas primeiras horas de funcionamento dos novos
radares. Acedido em Setembro de 2018 em:
https://www.publico.pt/2016/07/06/sociedade/noticia/perto-de-50-infraccoes-nas-
primeiras-horas-de-funcionamento-dos-novos-radares-1737499
62
[27] RFID Insider, RFID Antennas: Beamwidth & Directivity. Acedido em Setembro
de 2018 em: https://blog.atlasrfidstore.com/rfid-antennas-beamwidth-directivity
[28] Hotenda, Understanding Antenna Specifications and Operation. Acedido em
Setembro de 2018 em: http://www.hotenda.com/media/articles/Understanding-
Antenna-Specifications-And-Operation.html
[29] Moreira, António. “Slides de Sistemas de Radar”, IST, 2017
[30] Leitão, Mário. “Slides de Sistemas de Telecomunicações II”, FEUP, 2007
[31] Quora.com, “Why does the Doppler effect happen?”. Acedido em Setembro de
2018 em: https://www.quora.com/Why-does-the-Doppler-effect-happen
[32] J. Lee, Y. Li, M. Hung and S. Huang, "A Fully-Integrated 77-GHz FMCW Radar
Transceiver in 65-nm CMOS Technology", IEEE Journal of Solid-State Circuits,
vol. 45, no. 12, pp. 2746-2756, Dec. 2010
[33] P. L. Rice, A. G. Longley, K. A. Norton, A. P. Barsis, “NBS Technical Note, nº2,
101, Vol II”