Ανιχνευτές radar (Εδω ειμαστε!!
)
Στο παρόν κομμάτι θα ασχοληθούμε με τους ανιχνευτές σημάτων radar (RD - Radar Detectors) και θα δούμε τον τρόπο λειτουργίας τους και το διάφορα άλλα ενδιαφέροντα θέματα. Να τονίσουμε ότι RADAR - Radio Detection And Ranging σημαίνει ανίχνευση με χρήση ραδιοσυχνοτήτων και αποστασιομέτρηση.
Καταρχάς, θα τονίσουμε ότι μόνο επιφανειακά θα αγγίξουμε το θέμα ανιχνευτής. Οι λεπτομέρειες απαιτούν πολλές γνώσεις τηλεπικοινωνιών, επεξεργασίας σήματος, προγραμματισμού, αλγορίθμων, μικροεπεξεργαστών κτλ. Αυτά που θα δούμε όμως, αρκούν για να έχουμε μια σφαιρική αντίληψη του πώς δουλεύουν αυτά τα μηχανήματα.
Προς το παρόν, τα radar που χρησιμοποιεί η Αστυνομία σε όλο τον κόσμο, χρησιμοποιούν αδιαμόρφωτο σήμα. Με τον όρο διαμόρφωση, εννοούμε την μεταβολή κάποιου χαρακτηριστικού ενός σήματος υψηλής συχνότητας, από κάποιο σήμα που μεταφέρει πληροφορία και έχει χαμηλή συχνότητα. Για παράδειγμα, η φωνή μας ή η μουσική, διαμορφώνει κατά συχνότητα (μεταβάλλει τη συχνότητα εντός κάποιων προκαθορισμένων ορίων) ένα υψίσυχνο σήμα (ονομάζεται φέρον) στα 100 MHz και έτσι, έχουμε τη γνωστή σε όλους μας ραδιοφωνία FM ( Διαμόρφωση Συχνότητας ή Frequency Modulation = FM). Παλαιότερα, η φωνή μας διαμόρφωνε κατά πλάτος ένα φέρον και είχαμε τη ραδιοφωνία AM (Διαμόρφωση Πλάτους ή Amplitude Modulation = AM. Στα radar που χρησιμοποιούν οι Αστυνομίες παγκοσμίως, δεν έχουμε σήμα πληροφορίας που διαμορφώνει κάποιο υψίσυχνο σήμα, αλλά απλά μεταδίδουμε το υψίσυχνο σήμα (οι συχνότητες είναι αυτές που έχουμε αναφέρει σε παλαιότερο post) και λαμβάνουμε την επιστροφή του. Σε στρατιωτικές εφαρμογές, υπάρχουν συστήματα (πλέον είναι ο κανόνας) που χρησιμοποιούν διαμόρφωση λόγω της ανωτερότητας που προσφέρει αυτή η μέθοδος μετάδοσης. Ίσως στο μέλλον παρουσιαστούν και στις Αστυνομίες τέτοια radar (έχουν εμφανιστεί πρωτότυπα), αλλά το υψηλό κόστος κτήσης και συντήρησης και τα ελάχιστα πλεονεκτήματα που προσφέρουν στα υπάρχοντα συστήματα (σε αυτό το είδος χρήσης), έχουν κρατήσει τις εταιρείες μακριά από την κατασκευή τέτοιων μηχανημάτων.
Οι ανιχνευτές μας, είναι διατάξεις που λαμβάνουν το σήμα που εκπέμπει το radar της αστυνομίας και μας ειδοποιούν ότι κάποιος εκπέμπει σε αυτή τη συχνότητα. Ανάλογα με την ισχύ λήψης, έχουμε και πιο έντονη ειδοποίηση, κάτι σαν ένδειξη απόστασης, αλλά η μέθοδος αυτή δεν είναι αποτελεσματική (για μαθηματικούς λόγους καθαρά, δεν μπορούμε να γνωρίζουμε την απόσταση εκπομπής).
Για τη λήψη σήματος, έχουν χρησιμοποιηθεί κατά καιρούς (σε όλες τις τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές) δύο διαφορετικές τεχνολογίες. Η ομόδυνη και η ετερόδυνη, με τη 2η να είναι αυτή που χρησιμοποιείται πλέον σε όλους τους τομείς. Θα δούμε σύντομα, πώς λειτουργεί η κάθε μία μέθοδος και γιατί προτιμούμε τη 2η.
Ομόδυνη λειτουργία
Ένας ομόδυνος δέκτης ραδιοφώνου AM, παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα. Η αρχή λειτουργίας του είναι πολύ απλή και με τον ίδιο ακριβώς τρόπο εργάζεται και ένας ανιχνευτής radar. Έχουμε μία κεραία που λαμβάνει το σήμα, συνήθως 3 ενισχυτές που πρέπει να συντονιστούν συγχρόνως στη συγκεκριμένη συχνότητα και να ενισχύσουν το λαμβανόμενο σήμα αρκετά ώστε, να μπορούμε να εργαστούμε με αυτό και στη συνέχεια και τέλος, το κομμάτι της επεξεργασίας σήματος (αποδιαμορφωτής και ενισχυτής δεν υπάρχουν στους ανιχνευτές radar) που μας δίνει την παρουσία ή όχι σήματος. Στη συνέχεια, υπάρχουν τα υπόλοιπα τμήματα του ανιχνευτή, όπως οθόνες, ηχεία κτλ που δε χρειάζεται να αναλύσουμε περαιτέρω.
Η μορφή αυτή δέκτη, εμφανίζεται σε παλαιότερους ανιχνευτές (δεκαετία '70 και αρχές '80) και έχει πλέον εγκαταλειφθεί για δύο κυρίως λόγους. Αφενός, οι ενισχυτές έπρεπε να συντονίζονται σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων (Χ μπάντα στα 10 GHz, Ku μπάντα στα 13,45 GHz, K μπάντα στα 24,125 GHz, Ka μπάντα στα 33-36 GHz) πράγμα εξαιρετικά δύσκολο, αν θέλουμε να διατηρήσουμε το κόστος σε λογικά επίπεδα και αφετέρου, πρέπει και οι τρεις να είναι συντονισμένοι στην ίδια ακριβώς περιοχή, πράγμα ακόμα πιο δύσκολο.
Ετερόδυνη λειτουργία
Η ετερόδυνη λειτουργία είναι αυτή που χρησιμοποιείται σήμερα σε όλους τους ανιχνευτές radar. Ένας ετερόδυνος δέκτης AM παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα (τα στάδια αποδιαμόρφωσης και ενίσχυσης ακουστικών συχνοτήτων δεν υπάρχουν και αντικαθίστανται από την επεξεργασία σήματος). Η αρχή λειτουργίας του είναι η εξής: ένας προενισχυτής συντονίζεται από ένα κύκλωμα επιλογής στη σωστή συχνότητα. Ο προενισχυτής αυτός ενισχύει το σήμα που λαμβάνει η κεραία. Το σήμα στη συνέχεια περνάει από έναν μίκτη στον οποίο συνδέεται και ένας τοπικός ταλαντωτής. Ο τοπικός ταλαντωτής (LO - Local Oscillator) είναι μία διάταξη που ταλαντώνεται σε κάποια συχνότητα αρκετά υψηλή, κοντά σε αυτή που λαμβάνουμε. Από το σήμα που λαμβάνουμε αφαιρείται το σήμα του LO και έτσι, παίρνουμε ένα σήμα σε ενδιάμεση συχνότητα (IF - Intermediate Frequency), χαμηλότερη φυσικά από την αρχική και σταθερή πάντα. Το σήμα σε αυτή τη συχνότητα είναι εύκολο να το επεξεργαστούμε στη συνέχεια, ειδικότερα από τη στιγμή που η IF είναι σταθερή. Αν η ενδιάμεση συχνότητα που παράγεται είναι μικρότερη της λαμβανόμενης, αλλά μεγαλύτερη του σήματος πληροφορίας (για διαμορφωμένα σήματα), τότε, έχουμε υπερ-ετερόδυνη λειτουργία. Στους ανιχνευτές, εφόσον δεν έχουμε σήμα πληροφορίας (μηδενική συχνότητα), η ενδιάμεση συχνότητα είναι πάντα μεγαλύτερη αυτής και μικρότερη της λαμβανόμενης από την κεραία και έτσι, οι δέκτες ονομάζονται υπερ-ετερόδυνοι (Super Heterodyne). Στη συνέχεια, έχουμε επεξεργασία σήματος και ειδοποίηση ή όχι του οδηγού.
Βασικά σημεία
Το εσωτερικό ενός ανιχνευτή είναι κάπως έτσι:
Σε πολλές περιπτώσεις, θα δούμε να αναγράφεται GaAs FET VCO Super Heterodyne σαν δέκτης. Από αυτό το κείμενο μαθαίνουμε τα εξής για τον ανιχνευτή αυτό:
1. Χρησιμοποιείται υπερ-ετερόδυνος δέκτης με LO από Γάλλιο - Αρσενικό που είναι μία τυπική διάταξη για παραγωγή μικροκυματικών συχνοτήτων.
2. Το VCO είναι ένας ταλαντωτής ελεγχόμενος από τάση (VCO - Voltage Controlled Oscillator) και το FET (Field Effect Transistor) ένα είδος ημιαγωγικής διάταξης (δε θα μας απασχολήσει περισσότερο).
Σε αυτό το σημείο, καταλαβαίνουμε ότι ο LO παράγει συχνότητες υψηλές και κοντινές σε αυτές που λαμβάνουμε. Στην πράξη, ένας LO ενός ανιχνευτή, δουλεύει στα 10-15 GHz περίπου. Για τη λήψη υψηλότερων συχνοτήτων (πχ Ka μπάντα στα 33-36 GHz) χρησιμοποιούμε διάφορα "κόλπα". Για παράδειγμα, αν έχουμε ταλαντωτή στα 12 GHz, θα παραχθούν εκτός από αυτή τη συχνότητα και άλλες, μεγαλύτερες, πολλαπλάσια της αρχικής, που ονομάζονται αρμονικές. Αυτές θα βρίσκονται στα 24 GHz, στα 36 GHz κτλ. Αν με κατάλληλα κυκλώματα συντονισμού ενισχύσουμε αυτές τις συχνότητες, έχουμε φτιάξει σύστημα που λαμβάνει την K μπάντα (~24 GHz), την Ka μπάντα (~36 GHz) κτλ.
Για να σαρώσουμε τις διάφορες συχνότητες, χρησιμοποιούμε αυτό που αναφέρθηκε ως VCO. Το κύκλωμα αυτό, ελεγχόμενο από έναν μικροεπεξεργαστή, μεταβάλλει μία τάση που με τη σειρά της μεταβάλλει και τη συχνότητα του τοπικού ταλαντωτή. Έτσι, μπορούμε να σαρώνουμε με τη σειρά τη μπάντα Χ, την Ku, την Κ και την Ka και να ψάχνουμε για σήμα. Κάθε συχνότητα που παράγεται, αναμειγνύεται με την είσοδο της κεραίας και μετά ελέγχουμε για την ύπαρξη ή όχι σήματος. Ανάλογα με τον ανιχνευτή, χρησιμοποιούνται διαφορετικές μέθοδοι για τη σάρωση. Για αυτά θα μιλήσουμε παρακάτω.
Η κεραία ενός ανιχνευτή, είναι συνήθως ένα είδος χοάνης, με κατάλληλες διαστάσεις, ώστε να παρουσιάζει υψηλό κέρδος στις συχνότητες που μας ενδιαφέρουν. Συνήθως, επιλέγουμε διαστάσεις με υψηλό κέρδος στην Κ μπάντα που είναι και η συχνότερα εμφανιζόμενη. Το κέρδος στην Χ και Ku μπάντα θα είναι μικρότερο, αλλά δεν μας απασχολεί γιατί αυτές οι μπάντες έχουν υψηλή ισχύ εκπομπής, άρα ανιχνεύονται και εύκολα. Το κέρδος στην Ka μπάντα, λόγω γειτνίασης με την Κ, είναι παραπλήσιο. Κάθε εταιρεία επιλέγει τη δικιά της υλοποίηση, ανάλογα με τις συνθήκες και απειλές που θεωρεί ότι πρέπει να αντιμετωπίζει ένας ανιχνευτής.
Διαφοροποίηση παρατηρείται σε έναν μόνο ανιχνευτή, τον Stinger DSi που χρησιμοποιεί στοιχειοκεραία. Η μορφή αυτή της κεραίας, αποτελείται από δύο μεταλλικές επιφάνειες που έχουν διαστάσεις κατάλληλες να ανιχνεύσουν μία συγκεκριμένη μπάντα. Έτσι, το Stinger DSi πετυχαίνει τις καλύτερες επιδόσεις από όλους τους ανιχνευτές.
Η μεταφορά του σήματος από την κεραία προς τον προενισχυτή (LNA - Low Noise Amplifier) και στη συνέχεια στις άλλες διατάξεις, γίνεται με γραμμές μεταφοράς, δηλαδή χάλκινους δρόμους συγκεκριμένων διαστάσεων και γεωμετρίας.
Ο προενισχυτής (LNA) είναι πολύ σημαντικός και για τη λήψη και για τον τρόπο λειτουργίας του ανιχνευτή. Αν η ποιότητά του δεν είναι κατάλληλη, ένα μέρος του σήματος που παράγει ο LO φεύγει προς την κεραία και εκπέμπεται από εκεί. Έτσι, ο ανιχνευτής, εκτός από λήπτης, γίνεται και εκπομπός σήματος. Με αυτόν τον τρόπο οι Αστυνομίες εντοπίζουν τους χρήστες ανιχνευτών. Χρησιμοποιούν έναν δέκτη, τον ονομαζόμενο ανιχνευτή ανιχνευτών radar (RDD - Radar Detector Detector) που λαμβάνει τις συχνότητες που έχουν τυπικά οι τοπικοί ταλαντωτές στους ανιχνευτές (11-14 GHz) και, ψάχνουν για ανιχνευτές που εκπέμπουν από την κεραία τους σε αυτές τις συχνότητες. Τελευταία, έχουν κατασκευαστεί ανιχνευτές με 2 κεραίες λήψης και 2 τοπικούς ταλαντωτές, εξαιρετικής ποιότητας προενισχυτές και θωρακίσεις, που δεν ανιχνεύονται από ανιχνευτές ανιχνευτών.
Ο πιο σύγχρονος ανιχνευτής ανιχνευτών, είναι το Spectre IV+ που παρουσιάζεται παρακάτω:
Για τον ίδιο λόγο, δηλαδή την εκπομπή ακτινοβολίας από την κεραία χωρίς να το επιθυμούμε, δεν πρέπει να χρησιμοποιούμε 2 ανιχνευτές ταυτόχρονα, μιας και ο ένας επηρεάζει τον άλλο, αλλάζοντας τον τρόπο ειδοποίησης για απειλές που θα συναντήσουμε.
Ανίχνευση laser
Εκτός από την ανίχνευση μικροκυμάτων, οι ανιχνευτές μπορούν να ειδοποιήσουν και για εκπομπή LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Για να ανιχνεύσουν ένα πιστόλι laser που εκπέμπει, έχουν έναν συγκεντρωτικό φακό στο μπροστά μέρος που συγκεντρώνει τις ακτίνες φωτός σε έναν δέκτη που είναι μία φωτοδίοδος PIN. Γενικά, δίοδος είναι μία ηλεκτρονική διάταξη που μπορεί να διαρρέεται από ρεύμα μόνο προς μία κατεύθυνση. Οι φωτοδίοδοι, είναι ειδικές δίοδοι που όταν φωτίζονται από κάποια πηγή φωτός, επιτρέπουν στο ρεύμα να τις διαρρέει. Στηρίζονται στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, όπου η ενέργεια των φωτονίων του φωτός, είναι αρκετή για να εξάγει ένα ηλεκτρόνιο από τα άτομα και να δημιουργήσει μία οπή (έλλειψη ηλεκτρονίου) στη θέση του. Χρησιμοποιώντας την κατάλληλη τάση (πολώνουμε τη δίοδο) και την κατάλληλη δίοδο (στο σωστό μήκος κύματος), όταν πέσει φως στη φωτοδίοδο, αυτομάτως αυτή διαρρέεται από ρεύμα που δίνει στον ανιχνευτή την ένδειξη ότι δεχόμαστε ακτινοβολία από κάποιο πιστόλι. Ταυτοχρόνως, χρησιμοποιούνται και διάφορα φίλτρα, όπως και ένα κομμάτι επεξεργασίας σήματος (πρωτόγονο τελείως, στηριζόμενο σε κάτι σαν σκανδαλιστή) που ελέγχει αν λαμβάνει παλμικό σήμα, οπότε ειδοποιεί ή συνεχές σήμα, οπότε και απορρίπτει την ένδειξη.
Οι δίοδοι που χρησιμοποιούνται συνήθως έχουν μήκος κύματος λήψης ~904 nm, όπως τα πιστόλια που χρησιμοποιεί η Αστυνομία και ο χρόνος αντιδράσεώς τους είναι ελάχιστος. Στην πράξη όμως, λόγω του γεγονότος ότι μία μέτρηση κρατάει από 0,5 s μέχρι μερικά δευτερόλεπτα, ακόμα και αν ο ανιχνευτής δώσει ένδειξη, οι δυνατότητες αντίδρασης του οδηγού είναι περιορισμένες...
(Υπομονη..Τελειωνει!!
)