Radar de efecto Doppler para medida de velocidad en la banda de 3GHz

Autores:

o Carolina Blanco Angulo
o Ernesto Ávila Navarro
o Héctor García Martínez

El módulo consiste en un sistema electrónico a frecuencias de microondas que permite medir la velocidad de objetos que se acerquen o se alejen del dispositivo mediante un RADAR. Un sistema radar en un dispositivo que emite una señal electrónica de alta frecuencia, esta señal rebota en el objeto que se desea detectar y parte de la señal rebotada es recibida por el propio sistema radar. Para la detección de la velocidad, el sistema se basa en el efecto DOPPLER que es la ligera diferencia de frecuencia entre la señal emitida y recibida debido a la velocidad el objeto en que se refleja la señal. Esta diferencia de frecuencia es proporcional a la velocidad del objeto y el signo de esta frecuencia de Doppler indica si el objeto se acerca o se aleja.

El efecto Doppler es conocido desde hace mucho tiempo y se utiliza ampliamente en distintos campos de la ciencia para determinar la velocidad y distancia a la que están objetos. Estos objetos pueden estar tan alejados como los planetas, estrellas o incluso galaxias, o tan cercanos como un vehículo que circula por una ciudad o carretera y que es detectado por un sistema Radar. Este efecto es tan cotidianos como la diferencia de sonido que percibimos cuando una sirena se acerca o aleja de nuestra posición. La ecuación que relaciona la diferencia de frecuencia entre la señal emitida y la recibida por el Radar con la velocidad del objeto bajo estudio es la siguiente:

donde c es la velocidad de la luz en el vacío, aproximadamente 3∙10⁸/, f0 es la frecuencia central de la señal emitida (en nuestro caso 3GHz), v es la velocidad del objeto que se pretende detectar y Δes la diferencia de frecuencia entre la señal emitida y la recibida debido al efecto Doppler.

Todos los componentes del módulo Radar de efecto Doppler que se presenta se han diseñado y fabricado por Carolina Blanco, de manera que el sistema es autosuficiente y sólo necesita de una conexión a la red eléctrica y un osciloscopio donde se muestra la señal resultante de la diferencia de frecuencias debida al efecto Doppler. En la siguiente figura se muestra un esquema funcional del módulo Radar:

Para la frecuencia de la señal transmitida se ha elegido 3GHz, ya que es una frecuencia bastante alta, lo que hace que las antenas y resto de componentes tengan un tamaño reducido. Por otra parte al utilizar una frecuencia en el rango de las microondas el diseño de los amplificadores, mezcladores, antenas y resto de la electrónica del sistema se complica, por lo que hay que ser muy cuidadoso, tanto en la etapa de diseño como en la etapa de fabricación.

En la siguiente figura se muestra una fotografía del sistema terminado, donde se puede observar la electrónica del dispositivo, las antenas implementadas para la transmisión y recepción de las señales y el osciloscopio donde se muestra el resultado en forma de señal cuya frecuencia coincide con la del efecto Doppler.

El sistema se ha ajustado para poder medir el rango de velocidades de peatones andando o corriendo. Para tomar la medida y con el objetivo de maximizar la potencia de la señal reflejada en el peatón se puede utilizar una chapa metálica que el propio peatón debe llevar consigo. De esta ,forma se consigue aumentar el rango de medida del sistema y detectar peatones a distancias superiores a los 10 metros. En la siguiente figura se muestra un ejemplo de utilización del módulo para la medida de la velocidad de un peatón andando.

La diferencia entre la frecuencia de la señal transmitida y la recibida se muestra directamente en el osciloscopio que tiene el propio módulo. Como la señal transmitida es una senoidal a 3GHz, la diferencia entre la frecuencia de transmisión y recepción es una señal también senoidal, de forma que la frecuencia doppler se puede obtener directamente en el osciloscopio, tanto de forma numérica como contando los “cuadraditos” de la base de tiempos del propio equipo. En la figura siguiente se muestra un ejemplo de la señal típica que se tendría en el osciloscipio, donde se puede ver que la frecuencia doppler es de 47.62Hz, lo cual se corresponde con una velocidad del peatón de 2.83m/s, equivalentes a 8.6Km/h.

¿Qué se pretende demostrar?

Se pretende mostrar cómo se puede medir la velocidad gracias al efecto Doppler. Para ello se utiliza un radar diseñado a 3GHz que se basa en el efecto Doppler para la medida de velocidad cuando un objeto se está acercando o alejando.

Dirigido a:

Gran Público
Primaria
Secundaria
Universidad

Materiales necesarios:

El sistema radar
Una batería de 12 V.
Un osciloscopio
Plancha metálica

Riesgos:

No tocar los circuitos mientras el radar esté encendido

Enlaces:

Blanco Angulo (Autor), E. Ávila Navarro (Tutor), H. García Martínez (Tutor). Diseño y montaje de un radar de efecto Doppler para medida de velocidad en la banda de 3GHz. (Trabajo Fin de Grado). Universidad Miguel Hernández de Elche (Enero 2018).