Documentazione tecnica

Come funziona un radar di sicurezza FMCW

Un radar di sicurezza non guarda un’immagine: misura. Come ricava distanza, velocità e angolo di chi si muove, e perché la banda a 24 GHz e quella a 60 GHz servono a lavori diversi.

Misurare invece di guardare

Una telecamera restituisce un’immagine e lascia a un algoritmo, o a una persona, il compito di capire cosa contiene. Un radar fa il percorso inverso: non produce nessuna immagine, ma per ogni bersaglio che si muove nel suo campo restituisce numeri. Dove si trova, a che distanza, in che direzione va e con quale velocità.

Questa differenza spiega quasi tutte le qualità per cui un radar entra in un impianto di sicurezza. Non dipende dalla luce, quindi lavora allo stesso modo di giorno e di notte. Non dipende dal contrasto, quindi non lo disturbano il controluce, i fari di un’auto o il sole basso. Attraversa nebbia, pioggia e neve con perdite contenute, perché le onde che usa sono lunghe millimetri e non nanometri come la luce.

Il tipo di radar usato nella sicurezza perimetrale si chiama FMCW, dall’inglese frequency modulated continuous wave: onda continua modulata in frequenza. Il nome descrive esattamente come funziona.

La rampa di frequenza

Un radar FMCW trasmette di continuo, senza impulsi. Quello che cambia nel tempo è la frequenza: parte da un valore, sale in modo lineare fino a un altro e ricomincia. Ogni salita si chiama rampa, o chirp, e dura una frazione di millisecondo.

L’onda colpisce un bersaglio e una piccola parte torna indietro. Quando arriva, il radar sta già trasmettendo una frequenza più alta, perché nel frattempo la rampa è salita. Il radar mescola la frequenza che sta trasmettendo con quella che riceve e ottiene la loro differenza, che è un segnale lento e facile da misurare.

La distanza dal ritardo

L’eco impiega a tornare un tempo pari al doppio della distanza diviso la velocità della luce. Siccome la rampa sale con una pendenza nota, quel ritardo si traduce in una differenza di frequenza proporzionale alla distanza: più lontano è il bersaglio, più alta è la frequenza del segnale misurato. Un solo bersaglio produce una frequenza, dieci bersagli a distanze diverse ne producono dieci, e il radar le separa con un’analisi spettrale.

Quanto vicini possono stare due bersagli perché il radar li veda come due? Dipende da quanta banda copre la rampa, secondo una relazione semplice: la risoluzione in distanza è la velocità della luce divisa il doppio della banda. Con 100 MHz di escursione si ottengono 1,5 metri, con 300 MHz mezzo metro. Nelle schede tecniche GVision la risoluzione dichiarata va dai 67 centimetri del GV-RDS060 a 60 GHz al metro del GV-RDS180, fino agli 1,5 metri del GV-RDS600 e del GV-RDL300: conta l’escursione che la rampa usa davvero, non l’ampiezza della banda assegnata.

La precisione è un’altra cosa: dice quanto bene il radar colloca un bersaglio isolato, e in genere è migliore della risoluzione. Un radar con risoluzione di 1,5 metri può misurare la distanza di una persona con una precisione di pochi decimetri.

La velocità dall’effetto Doppler

Un bersaglio che si avvicina comprime l’onda riflessa, uno che si allontana la allunga: è l’effetto Doppler, lo stesso per cui la sirena di un’ambulanza cambia tono quando passa. A 24 GHz la lunghezza d’onda è di circa 12 millimetri e una persona che cammina a un metro al secondo sposta la frequenza di circa 160 hertz; a 60 GHz lo spostamento è due volte e mezzo più grande.

Nella pratica il radar non misura quello spostamento direttamente, ma la variazione di fase dell’eco da una rampa alla successiva. Una sequenza di rampe fornisce così una seconda dimensione oltre alla distanza, e ogni bersaglio diventa un punto in un piano distanza e velocità. Due persone alla stessa distanza che si muovono in modo diverso restano separate.

La velocità è il dato che rende il radar così adatto alla sicurezza. Chi cammina, chi corre, chi striscia lentamente verso una recinzione, un veicolo che entra: ciascuno ha un comportamento riconoscibile, e su quel comportamento si costruiscono la classificazione e le regole di allarme.

L’angolo dall’antenna a schiera

Distanza e velocità non bastano per mettere un bersaglio su una mappa: serve anche la direzione. Per questo il radar non riceve con un’antenna sola, ma con una schiera di elementi affiancati. L’eco di un bersaglio che non sta esattamente di fronte arriva a ciascun elemento con un piccolo ritardo rispetto al vicino, perché deve percorrere una strada un po’ più lunga.

Da quella differenza di fase il radar ricava l’angolo. Più elementi ha la schiera e più è larga in rapporto alla lunghezza d’onda, più fine è la misura. I radar di sicurezza dichiarano tipicamente una precisione di un grado, che a breve distanza vale pochi centimetri e a qualche centinaio di metri diventa qualche metro: lo vediamo nella guida su copertura e geometria del campo radar.

Perché serve il movimento

Un radar in un piazzale riceve echi da tutto: il cancello, i pali, gli alberi, i container, il terreno stesso. Se ogni eco diventasse un allarme il sistema sarebbe inutilizzabile. Per questo l’elaborazione separa ciò che è fermo da ciò che cambia: gli oggetti immobili hanno velocità zero e restano sempre nella stessa posizione, e il radar li impara come sfondo.

Restano i bersagli che si muovono, anche molto lentamente: i radar più sensibili seguono spostamenti di pochi centimetri al secondo, il passo di chi cerca di avvicinarsi senza farsi notare. Poi intervengono il tracciamento, che lega i punti successivi in una traiettoria, e la classificazione, che dalla forma dell’eco e dal modo di muoversi distingue una persona da un veicolo. Sul lungo raggio i bersagli possono essere molti nello stesso momento: il GV-RDS600 ne traccia fino a 32 contemporaneamente.

Alberi mossi dal vento e cespugli producono echi in movimento ma senza una traiettoria coerente, e il tracciamento li riconosce come tali. Dove la vegetazione è fitta si aggiunge una zona di esclusione, come spiegato nella guida su radar e telecamere PTZ.

24 GHz e 60 GHz

Le due bande più usate nei radar di sicurezza civili sono intorno a 24 GHz e intorno a 60 GHz. Non sono una più moderna dell’altra: servono a lavori diversi.

A 24 GHz l’atmosfera è quasi trasparente e la portata può arrivare a centinaia di metri: è la banda dei radar a medio e lungo raggio come il GV-RDS180 e il GV-RDS600, e del fascio stretto per recinzioni GV-RDL300. A 60 GHz l’ossigeno assorbe una parte dell’energia e la portata si accorcia, ma la lunghezza d’onda di mezzo centimetro e la banda più ampia danno una risoluzione più fine e una sensibilità maggiore ai bersagli piccoli. È la banda del GV-RDS060, che lavora entro sessanta metri e separa in distanza due bersagli lontani fra loro appena 67 centimetri.

La dimensione minima del bersaglio segue la stessa logica. Un bersaglio riflette tanto meglio quanto più è grande rispetto alla lunghezza d’onda: a 60 GHz anche un oggetto piccolo produce un’eco netta, a 24 GHz servono bersagli più grandi o più vicini. Per questo un veicolo si vede sempre più lontano di una persona, e una persona più lontano di un animale.

Quale radar per quale lavoro

Esigenza	Banda	Radar GVision
Cortile, giardino, ingresso, entro 60 m	60 GHz	GV-RDS060
Piazzale o lotto di media grandezza, fino a 180 m	24 GHz	GV-RDS180
Grandi aree aperte, fino a 600 m sui veicoli	24 GHz	GV-RDS600
Recinzioni lineari, fino a 300 m per lato	24 GHz	GV-RDL300

Come si dispongono sul campo, a che altezza e quanti ne servono lo trattano le guide su copertura e geometria e sui casi tipici di progetto.