Radar FMCW avec le Pluto+

Le full-duplex du Pluto+ permet de créer un radar simple.

Principe du radar FMCW

Le radar FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) :

Émet un signal dont la fréquence varie linéairement (chirp)
Reçoit l'écho réfléchi par les cibles
Mélange émission et réception
La fréquence de battement est proportionnelle à la distance

Formules de base

Distance = (f_beat × c) / (2 × (BW / T_chirp))

Où :
- f_beat : fréquence de battement mesurée
- c : vitesse de la lumière (3×10⁸ m/s)
- BW : bande passante du chirp
- T_chirp : durée du chirp

Configuration matérielle

Isolation TX/RX

L'isolation entre TX et RX est critique. Utiliser des antennes séparées et orientées différemment.

Composant	Spécification
Antenne TX	Cornet ou patch directif
Antenne RX	Identique, séparée de TX
Fréquence	2.4 GHz (ISM) ou 5.8 GHz
Bande passante	20-50 MHz

Implémentation GNU Radio

# Génération chirp FMCW avec GNU Radio
import numpy as np
from gnuradio import gr, iio, blocks

class fmcw_radar(gr.top_block):
    def __init__(self):
        gr.top_block.__init__(self)

        # Paramètres radar
        self.center_freq = 2.4e9
        self.bandwidth = 50e6      # 50 MHz de sweep
        self.chirp_duration = 1e-3 # 1 ms par chirp
        self.sample_rate = 10e6

        # Génération du chirp
        t = np.arange(0, self.chirp_duration, 1/self.sample_rate)
        chirp = np.exp(1j * np.pi * self.bandwidth/self.chirp_duration * t**2)
        self.chirp_signal = chirp.astype(np.complex64)

        # Source chirp (répétition)
        self.chirp_source = blocks.vector_source_c(
            self.chirp_signal.tolist(),
            repeat=True
        )

        # TX Pluto+
        self.tx = iio.fmcomms2_sink_fc32(
            "ip:192.168.2.1", [True, True], 32768
        )
        self.tx.set_frequency(int(self.center_freq))
        self.tx.set_samplerate(int(self.sample_rate))
        self.tx.set_attenuation(0, 10)

        # RX Pluto+
        self.rx = iio.fmcomms2_source_fc32(
            "ip:192.168.2.1", [True, True], 32768
        )
        self.rx.set_frequency(int(self.center_freq))
        self.rx.set_samplerate(int(self.sample_rate))

        # Connexions
        self.connect(self.chirp_source, self.tx)

Traitement du signal

import numpy as np
from scipy import signal

def process_radar(tx_signal, rx_signal, sample_rate, bandwidth, chirp_duration):
    """
    Traitement radar FMCW
    """
    # Mélange (dérampage)
    mixed = rx_signal * np.conj(tx_signal)

    # FFT pour obtenir le spectre de distance
    range_fft = np.fft.fft(mixed)
    range_fft = np.fft.fftshift(range_fft)

    # Calcul des distances
    freq_axis = np.fft.fftfreq(len(mixed), 1/sample_rate)
    freq_axis = np.fft.fftshift(freq_axis)

    c = 3e8  # Vitesse de la lumière
    range_axis = (freq_axis * c * chirp_duration) / (2 * bandwidth)

    return range_axis, np.abs(range_fft)

Résolution et portée

Paramètre	Formule	Exemple (BW=50MHz, T=1ms)
Résolution distance	c / (2 × BW)	3 m
Portée max	(c × T_chirp × fs) / (4 × BW)	150 m
Résolution vitesse	λ / (2 × T_total)	Dépend de l'intégration

Améliorations possibles

Radar Doppler

Ajouter la mesure de vitesse :

# Accumulation de plusieurs chirps
n_chirps = 64
chirp_data = np.zeros((n_chirps, samples_per_chirp), dtype=np.complex64)

for i in range(n_chirps):
    chirp_data[i, :] = capture_chirp()

# FFT 2D : distance (axe 1) et vitesse (axe 0)
range_doppler = np.fft.fft2(chirp_data)

MIMO (2 canaux)

Utiliser les 2 canaux RX pour :

Amélioration du SNR (diversity)
Estimation d'angle (direction finding)

Applications

Application	Configuration
Détection de mouvement	Faible portée, haute sensibilité
Mesure de niveau	Antenne vers le bas
Détection véhicules	Grande portée
Expérimentation	Cibles connues

Réglementation

L'émission radar est soumise à réglementation. Utiliser uniquement dans les bandes ISM (2.4 GHz, 5.8 GHz) avec les puissances autorisées, ou obtenir les autorisations nécessaires.

Radar FMCW