Alla scoperta dei sensori RADAR

RADAR Sensors

Alla scoperta dei sensori RADAR

Una breve panoramica sui sensori con tecnologia RADAR

Radar: che tecnologia è? Come funziona? Quali sono i vantaggi dell’utilizzo dei sensori RADAR?

La parola RADAR, anche se tecnica, è ormai prepotentemente entrata nel vocabolario di tutti. È una parola talmente usata e molto comune che pur essendo un acronimo (nome formato con iniziali di altre parole e che normalmente si scrivono sempre in maiuscolo) è ormai accettata, addirittura, la grafia in minuscolo!

Tecnologia RADAR: Come funziona?

L’acronimo RADAR sta per “Radio Detection And Ranging”, la sua traduzione è “Rilevamento Radio (onde radio) e misurazione a distanza”.
Il funzionamento si basa su un principio molto semplice: si utilizzano le onde radio, a frequenza specifica, per trasmette e ricevere un segnale. Il segnale viene trasmesso e irradiato nello spazio libero: se questo viene intercettato da oggetti (bersagli o, in inglese, target), torna riflesso (eco) verso il radar e viene codificato.
Nell’elaborazione dell’eco, innanzitutto, si valuta se è stato ricevuto realmente un segnale target, dopodiché si misura il tempo di andata e ritorno del segnale per determinarne velocità, distanza, posizione e altri dati.

Un po’ di storia

I primi concetti di funzionamento furono dimostrati a partire dal 1885, con poi ulteriori sviluppi via via negli anni. Anche il nostro Guglielmo Marconi nel 1922 ne parlò in un discorso tenuto presso l’Institute of Radio Engineers (oggi IEEE).
Lo sviluppo di un vero e proprio apparato radar lo dobbiamo, però, agli importanti usi militari durante la Seconda Guerra Mondiale soprattutto da parte delle Forze Alleate (in primis Britanniche), anche se il primo a sviluppare un sistema radar funzionante fu Robert Watson-Watt nel 1935 (con un radar che rilevava oggetti di grandi dimensioni e molto distanti, quindi poco efficace).

Un mondo di sensori RADAR

Come molte altre applicazioni nate prima per uso militare, i sensori radar hanno poi trovato un collocamento anche per uso civile. Ad esempio, nei sistemi automotive moderni si possono trovare i sensori radar per la frenata assistita, i sensori radar per anticollisione o i misuratore di livello radar. Addirittura esistono, e sono presenti nel portafoglio CONSYSTEM, sensori Radar per il rilevamento della direzione, del movimento e della velocità.

Alcuni dei sensori/sistemi Radar distribuiti da CONSYSTEM
Alcuni dei sensori e moduli RADAR distribuiti da CONSYSTEM (© InnoSenT GmbH)

 

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Le frequenze RADAR

Come detto in precedenza, il segnale viene trasmesso ad una data frequenza, che può variare da 230 MHz fino a 110 GHz. Ogni range di frequenza ha una denominazione e, soprattutto, un uso specifico.
Sempre nel portafoglio CONSYSTEM troviamo sensori radar con frequenze da 10 GHz (denominata banda X), a 24 GHz (chiamata banda K) e sensori in banda 60-64 GHz (nominata banda V o mm – che sta per “millimetrica”).

I segnali

Per completezza d’informazione, i vari sensori radar si differenziano, oltre per la frequenza del segnale, anche per il modo in cui questi segnali vengono trasmessi.
Senza addentraci in lunghe spiegazioni ultra tecniche, vediamo le principali tipologie. Bisogna sottolineare che il sensore radar per ogni tipo di applicazione viene scelto in base alla sua frequenza operativa, come detto in precedenza, e alla tipologia del segnale (anche se i principi di funzionamento sono uguali, il sensore radar per applicazioni di sorveglianza avrà frequenza e tipologia differenti dal sensore radar per applicazioni automotive, al fine di dare informazioni e risultati ottimali nell’applicazione specifica).
Vediamo queste sigle:

CW: Radar Continuos Wave – Ad onda continua
FMCW: Radar Frequency-Modulated Continuous Wave – Onda continua modulata in frequenza
FSK: Radar Frequency Shift Keying – A cambio di frequenza
MIMO: Radar Multiple input Multiple out – Ingresso multiplo Uscita multipla (con più antenne sia in TX che in RX e segnali non correlati irradiati simultaneamente in più direzioni o in una sola direzione)
SIMO: Radar single-input-multiple-output. Ingresso singolo Uscita multipla, come il precedente solo che c’è una singola trasmissione e più antenne in ricezione.

Cosa misura un sensore radar e quali sono le sue applicazioni

sensori radar_applicazione sicurezza e antintrusione
I sensori RADAR trovano applicazione in numerosi settori, tra cui quello della Sicurezza e Sorveglianza-Antintrusione.

Un sensore radar, come già detto in precedenza, può elaborare diversi dati per dare informazioni come la presenza del target, il rilevamento di movimento, velocità, distanza (del target dal sensore), la direzione del movimento e la posizione angolare.

Grazie alle informazioni delle misurazioni degli oggetti appena visti, i sensori possono essere utilizzati in molteplici settori: applicazioni di sicurezza, sorveglianza perimetrale, sorveglianza di area, rilevamento intrusioni, sistemi di allarme, door opener (apriporta), smart home, controllo illuminazione, domotica, interruttore touchless, applicazioni industriali mobili e stazionarie, sensore touchless per vending machine, building automation, risparmio energetico, controllo di scale mobili, traffico, prevenzione delle collisioni, allarme pre-crash, gestione degli incroci, robotica, smart factory, misurazioni di livello, misurazione degli spazi (sensori radar per rilevamento velocità)… Chiaramente, per ogni applicazione specifica è consigliabile utilizzare sensori radar con la frequenza e tipologia del segnale più adatta, per una migliore efficienza del sensore e dell’applicazione.

Come vediamo le applicazioni possibili sono tantissime, diverse e utilizzabili in tanti settori differenti. Sicuramente la lista esposta non è completa né esaustiva, poiché il sensore radar può essere ancora applicabile in altri mercati e ambiti  grazie ai diversi moduli radar presenti sul mercato (ad esempio per lo stato di occupazione  – presenza o meno di un veicoli in un posteggio).

 

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Caratteristiche e vantaggi dei sensori radar

Vediamo quali sono le caratteristiche chiave che un sensore radar possiede, con i conseguenti vantaggi e benefici.

  1. Anonimo

    Il rilevamento è anonimo, non si trasmettono immagini consentendo la sola misurazione dei contorni. Niente identificazione della persona o raccolta di dati personali: le rigide regole della sorveglianza (rispetto della privacy ecc…) sono così attuate.

  2. Multitarget

    Il rilevamento e monitoraggio di una specifica area tiene traccia, distingue e riconosce più target (obiettivi o bersagli) e non di un solo singolo target. Il riconoscimento è per target statici o in movimento, persone o cose.

  3. Multitasking

    Le informazioni complete sui target disponibili, relativa al monitoraggio, vengono trasmesse tutte contemporaneamente (ad esempio, velocità, distanza, direzione, ecc…).

  4. Condizioni Meteo

    Il sensore radar funziona e, soprattutto, non è influenzato dalle condizioni meteo, dunque è attivo con caldo (temperature caldissime), freddo (temperature negative a due cifre), sole, maltempo, pioggia, neve, gelo, foschia, nebbia.

  5. Ambienti difficili o “harsh”

    Funziona in ambienti difficili, comunemente chiamati anche “harsh” dall’inglese, in modo affidabile e senza causare problemi, come polvere, inquinamento, sporcizia, formazione di schiume, vapore, umidità, pressione, rumore, riverbero e vibrazioni.

  6. Per interni ed esterni (indoor e outdoor)

    Può essere utilizzato sia per ambienti esterni (outdoor) che per ambienti interni (indoor), poiché non è influenzato da luce o da oscurità (giorno e notte).

  7. Privo di manutenzione

    Non essendo condizionato da influssi e insensibile alle condizioni ambientali, una volta installato non è necessaria una manutenzione regolare, anche in sistemi radar complessi. Si ricorda che il sensore (con i suoi componenti funzionali) è protetto da una copertura in plastica che non compromette il funzionamento.

  8. Durevoli e sicuri

    Grazie alle sue caratteristiche di funzionamento è estremamente robusto e durevole. Inoltre, non essendo i sensori radar esposti, visibili facilmente e con dimensione compatte, si evitano i pericoli di manomissioni e atti vandalici.

  9. Efficienti dal punto di vista energetico

    I sensori radar possono concorrere in modo molto significativo per l’efficienza energetica, ad esempio, nella smart home o nella building automation, spegnendo le luci automaticamente o aprendo le porte in maniera ridotta.

  10. Flessibilità applicativa, adattabili e versatili

    Non solo per il settore sorveglianza e della sicurezza, ma è una soluzione per molteplici applicazioni (dal sensore di posteggio alla prevenzione anticollisione), con la capacità di rilevare diversi materiali (liquidi, materiali sfusi, polveri). Senza contare che hanno anche una facile adattabilità in impianti o prodotti esistenti o in nuovi progetti dove possono essere integrati facilmente e nascosti (le onde radio del sensore radar penetrano in diverse plastiche e non sono percepibili, dunque senza alcun contatto).

  11. Piccole o grandi distanze

    I sensori radar possono essere utilizzati per rilevamenti in piccole distanze (meno di 10 metri, ad esempio) oppure per grandi distanze (oltre 100 metri). Anche per le grandi dimensioni, è sufficiente un solo sistema radar di rilevamento. Infine, la precisione di misura è un punto di forza di questa tecnologia.

  12. Tecnologia perspicace

    I sensori radar possono apprendere tramite i filtri. Durante un rilevamento è possibile escludere una tipologia di target e possono distinguere target e classificarli in diverse categorie. In questa maniera, si escludono falsi allarmi (ad esempio, se in una zona protetta entrano animali o persone, tramite il filtro, e nelle successive rilevazioni, l’animale viene escluso).

  13. Efficaci

    Grazie alle caratteristiche sopra esposte, gli allarmi sono dati solo in determinate situazioni e considerata la loro precisione possono essere attivate le giuste contromisure in maniera efficace (ad esempio, allarme ad addetti di sorveglianza o attivazioni di telecamere nel luogo preciso dell’allarme).

Altre tecnologie di sensori

Esistono altre tecnologie di sensori che possono essere utilizzate per varie applicazioni ma nessuna di queste ha tutti i vantaggi (assieme!) della tecnologia radar.
I sensori di altra tecnologia più comuni in generale sono i sensori PIR (Passive InfraRed), molto utilizzati per la sorveglianza e sicurezza, ma per la loro natura questi sensori devono essere collocati lontani da fonti di calore (sole, fuoco, ecc.) e possono risentire di variazioni elettromagnetiche repentine.
Inoltre, possono essere visibili, hanno portata limitata, copertura limitata (dunque bisogna utilizzare più sensori in un sistema), hanno bisogno di manutenzione (con relativi costi), e non distinguono i target e questi non sono gli unici svantaggi di questa tecnologia.
I sensori ad ultrasuoni sono anch’essi molto utilizzati, ma la particolarità più evidente è che hanno un cortissimo range di rilevamento (fino a 10 metri), risentono delle condizioni meteo (vento, variazione di temperatura) e anche di varie interferenze e pressione, infine la rilevazione del target non è ottimale (solo per distanza e non per velocità e angolo).
Poi bisogna sicuramente menzionare i sensori laser che hanno alcune proprietà interessanti, ma sono molto costosi, poco versatili, di dimensioni più grandi rispetto ai sensori radar e il raggio laser, come quello degli ultrasuoni, non penetra nei materiali (il raggio non deve essere ostacolato) oltre ad essere pericoloso per l’occhio umano e sensibili alle variazioni ambientali. Anche per questi sensori il rilevamento del target non è ottimale (per angolo e distanza, non per velocità).

Tanti Pro. E i contro? Pochi!

La domanda sorge spontanea: ma i sensori radar hanno degli svantaggi? Quali sono? Chiaramente non esiste la tecnologia perfetta e anche i sensori radar hanno degli svantaggi, ma veramente pochi!
Allo stato attuale forse il costo iniziale è un po’ più alto rispetto ad altri tipi di sensori, ma bisogna poi valutare gli ammortamenti nel tempo (manutenzione, efficienza, vandalismo ecc…).
Altri svantaggi evidenti non ci sono, dunque hanno versatilità, adattabilità, efficienza, intelligenza e tanto altro! Cosa si vuole di più da un sensore? Magari uno specialista dedicato a cui rivolgere domande e curiosità tecniche 😀

 

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