Il radar nelle applicazioni smart IoT

Alla base delle applicazioni IoT intelligenti ci sono i sensori. Questi dispositivi permettono di raccogliere dati dall’ambiente circostante e, dalla loro elaborazione, le applicazioni IoT smart possano comprendere e interagire in modo proattivo con l'ambiente. Le informazioni raccolte abilitano l’IoT intelligente ad un’ampia gamma di applicazioni in diversi settori. Sebbene siano disponibili molti tipi diversi di sensori, il radar è uno dei più potenti date le funzionalità che rende possibili. In questo articolo, andremo a vedere come i radar possano essere utilizzati da sensori per abilitare applicazioni IoT intelligenti.

Introduzione

L'applicazione più comune dei radar è quella che un pò tutti conoscono, ovvero la rilevazione della presenza e del movimento di un oggetto, soprattutto in ambito militare. Tuttavia, l'evoluzione tecnologica ne ha consentito l'utilizzo anche in un'ampia gamma di applicazioni IoT. I sistemi radar inviano impulsi a RF e raccolgono gli echi prodotti dall'ambiente per valutare la presenza e la distanza (o portata) di possibili oggetti. Oltre a questo, i radar possono essere utilizzati per determinare molte più informazioni sull'oggetto rilevato, comprese le sue dimensioni, la velocità, la direzione e, con l'aiuto dell'Intelligenza Artificiale, anche il suo comportamento. Con la giusta configurazione, l’IoT che sfrutta il radar può persino tracciare più oggetti contemporaneamente. Prima di addentrarci nelle applicazioni IoT che possono trarre vantaggio dall'utilizzo dei radar, facciamo una breve descrizione del loro funzionamento generale.

Il Radar

RADAR è l’acronimo di RAdio Detection And Ranging, traducibile come "radiorilevamento e misurazione di distanza". Si tratta di un sensore elettromagnetico utilizzato per rilevare, localizzare, inseguire e riconoscere oggetti di vario genere a distanze considerevoli. Funziona trasmettendo energia elettromagnetica verso oggetti, comunemente indicati come bersagli (target), e osservando gli echi restituiti da essi. Oltre a determinare la presenza, la posizione e la velocità di tali oggetti, il radar a volte può anche ricavarne le dimensioni e la forma. Ciò che distingue il radar dai dispositivi di rilevamento ottici e ad infrarossi è la sua capacità di rilevare oggetti lontani in condizioni meteorologiche avverse e di determinare la portata, o distanza, con precisione.

Il radar è un dispositivo di rilevamento “attivo” in quanto dispone di una propria fonte di illuminazione (un trasmettitore) per localizzare i bersagli. Funziona tipicamente nella regione delle microonde dello spettro elettromagnetico, a frequenze che si estendono da circa 300 megahertz (MHz) a 60 gigahertz (GHz). Le dimensioni dei componenti hardware dei sistemi radar variano con la frequenza utilizzata, da quelli abbastanza piccoli da stare nel palmo di una mano a quelli così grandi da riempire diversi campi da calcio.

Funzionamento del Radar

Il radar tipicamente incorpora l'irradiazione di uno stretto raggio di energia elettromagnetica nello spazio da un'antenna. Lo stretto raggio dell'antenna scansiona una regione in cui sono previsti bersagli. Quando un bersaglio viene illuminato dal raggio, intercetta parte dell'energia irradiata e ne riflette una parte verso il sistema radar. Poiché la maggior parte dei sistemi radar non trasmette e riceve contemporaneamente, viene spesso utilizzata un'unica antenna in condivisione sia per la trasmissione che per la ricezione.

Un ricevitore collegato all'elemento di uscita dell'antenna estrae i segnali riflessi desiderati e (idealmente) respinge quelli che non sono di interesse. Ad esempio, un segnale di interesse potrebbe essere l'eco di un aereo. I segnali che non interessano potrebbero essere echi provenienti dal suolo o dalla pioggia, che possono mascherare e interferire con il rilevamento dell'eco desiderato proveniente dall'aereo. Il radar misura la posizione del bersaglio in termini di portata e direzione angolare. La portata, o distanza, viene determinata misurando il tempo totale impiegato dal segnale radar per compiere il viaggio di andata e ritorno verso il bersaglio. La direzione angolare di un bersaglio si trova dalla direzione in cui punta l'antenna nel momento in cui viene ricevuto il segnale dell'eco. Attraverso la misurazione della posizione di un bersaglio in istanti di tempo successivi, è possibile determinare la traccia recente del bersaglio. Una volta stabilite queste informazioni, è possibile prevedere il percorso futuro del bersaglio.

Struttura del Radar

In Figura 1 viene illustrato lo schema generale di un sistema radar.

Figura 1: Schema generale di un sistema radar

I blocchi elementari del radar sono:

Trasmettitore - genera un’appropriata forma d’onda per l’applicazione in essere. Molti radar usano forme d’onda con impulsi stretti così che una singola antenna possa essere condivisa, in intervalli di tempo differenti, da trasmettitore e ricevitore.
Duplexer - permette la condivisione dell’antenna. In particolare, protegge il (sensibile) ricevitore dal bruciare quando il trasmettitore è attivo, e dirige l’eco ricevuto nel ricevitore piuttosto che nel trasmettitore.
Antenna - quasi tutti i radar utilizzano un'antenna direttiva, ovvero un'antenna che dirige la sua energia in un raggio stretto. L'ampiezza del fascio di un'antenna di dimensioni fisse è inversamente proporzionale alla frequenza radar. La direzione di un bersaglio può essere trovata dalla direzione in cui punta l'antenna quando l'eco ricevuto è al massimo.
Ricevitore - come la maggior parte degli altri ricevitori, il ricevitore radar è un classico supereterodina. Deve filtrare i segnali di eco desiderati dai disturbi che interferiscono con il rilevamento. Deve anche amplificare i deboli segnali ricevuti. La tecnologia del ricevitore radar è ben consolidata e raramente pone un limite alle prestazioni del radar. [...]

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