Transcript přednáška 5 - Ústav radioelektroniky

MRAR – Radiolokační a radionavigační systémy
PŘEDNÁŠKA 5
20.10.2014
Jiří Šebesta
Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně
MRAR: PŘEDNÁŠKA 5.
 Radary se syntetickou aperturou
 Sekundární radar
strana 2
MRAR-P5: Syntetická apertura (1/13)
 Obecný princip
 SAR = Synthetic
Aperture Radar
 Podstatné zvětšení
rozlišení radarového zobrazení
 Instalace:
- letadla (airborne
SAR)
- družice (spaceborne SAR)
strana 3
MRAR-P5: Syntetická apertura (2/13)
 Vytváří se umělá anténní řada ve směru pohybu radaru (na letadle
nebo družici)
strana 4
MRAR-P5: Syntetická apertura (3/13)
 Jednotlivá měření (odezvy na pulzní signál vysílače) se uloží do paměti a při vyhodnocení se aplikuje součet signálů s váhováním (fázové) k vytvoření umělého úzkého svazku
strana 5
MRAR-P5: Syntetická apertura (4/13)
 Doba apertury (Aperture Time) definuje čas pro získání sady záznamů
pro postprocessingový beamforming
strana 6
MRAR-P5: Syntetická apertura (5/13)
 Signál na n-té pozici antény
rn t   A  e
 2

j t   R nd sin  
c


 Celkový signál ze všech pozic a
pro svazek ve směru měřeného
bodu:
 Vzdálenost k měřenému bodu od
jednotlivých pozic antén:
Rn  R  n  d  sin 
r t  
M
M
 r t   A   e
n M
 e jt  e
n
 2

j  t   R  nd sin  
 c

n M



sin   2 M 1d sin  

R
1
c
 j 4 
 



 2 M 1

sin  d sin 


c



strana 7

MRAR-P5: Syntetická apertura (6/13)
 Systém SLAR (Side Looking Airborne Radar)
 Hlavní svazek anténa pulsního
SAR radaru míří do boku pod
úhlem  (look angle) .
 Šířka bočního svazku V (pro
pokles o 3 dB v radiánech) je
svázána s rozměrem apertury
LV:

V 
LV
 Šířka pásu stopy (swath width)
pro radiální vzdálenost R0 do
středu stopy:
R
WV 
0
LV  cos
strana 8
MRAR-P5: Syntetická apertura (7/13)
 Rozlišení v příčném (bočním)
směru je dáno šířkou pulsu
(V<<WV):
c 
V 
p
2 sin 
 Šířka svazku v podélném smě-ru
je dáno podélným rozměrem
apertury (radiány):
H 

LH
 Rozlišení v podélném směru je dáno jen podélným rozměrem
apertury a radiální vzdáleností:
R0  
 H  R0  H 
LH
strana 9
MRAR-P5: Syntetická apertura (8/13)
 Uvažujme SAR měření na délce L, pak
interval přeletu pro konstantní rychlost
v (odpovídá aperture time) bude:
TA  L  v
 Radiální vzdálenost k bodu P na zemi
lze vyjádřit:
2
2
2
R  x0   y0  v  t   h0
kde:
t   TA / 2;  TA / 2
R0  x  y  h
2
0
2
0
2
0
L  R
x0
cos 0 
R0
strana 10
MRAR-P5: Syntetická apertura (9/13)
 Po úpravě a aplikaci Taylorova rozvoje:
 vt

v 2t 2
R  R0 1  cos 0  2 sin 2  0 
2 R0
 R0

se zpožděním impulsu na trase tam i zpět :
2R 2R0 2vt
v 2t 2



cos0 
sin 2 0
c
c
c
R0 c
 Argument přijatého signálu je závislý na
tomto zpoždění:
2TX R0 2TX vt
TX v 2t 2 2
 t   TX t     TX t 

cos0 
sin 0
c
c
R0 c
 Se zavedením vlnové délky:

2c
TX
zjednodušíme na:
4R0
4vt
2v 2t 2
 t   TX t 

cos0 
sin 2 0


R0 
strana 11
MRAR-P5: Syntetická apertura (10/13)
 Okamžitá frekvence přijatého signálu je:
f iRX  fTX
2v 2t
 cos0 
sin 2 0

R0 
2v
fi 
1 d t 

2 dt
 Vyjádříme–li Doppler. posuvy pro cíl v bodě P
a P’:
f dP 
2v

cos  0
f dP ' 
za t jsme dosadili :
2v

cos0 
t  D sin
a rozdíl mezi Doppler. posuvy mezi P a P’ je :
vD
sin 0
R0 
0
2v
f d 
vD
sin 0
R0 
strana 12
MRAR-P5: Syntetická apertura (11/13)
 Pro rozlišení dvou cílů musí být SAR data ukládána (doba
apertury):
1
TA 
f d
a délka L pak musí být:
L  v  TA 
R0 
D sin  0
odtud pro rozlišení platí v podélném směru platí:
 H  SAR 
R0 
D

2 2 L sin  0
Příklad 14:
---------------------------------------------------------------------------------------------------------SAR instalovaný na stratosférickém průzkumném letadle s výškou letu 25 km pracuje
na kmitočtu 1,5 GHz. Rozměry apertury antény v obou souřadnicích (příčná i podélná)
jsou 2 m. Úhel snímání je 45°, délka pulsu 1 s a rychlost letadla je 800 km/h. Určete
šířku snímaného pásu a rozlišení na povrchu, je-li doba apertury SAR 0,2 s.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------strana 13
MRAR-P5: Syntetická apertura (12/13)
 Vlnová délka:
c
3 108


 0,2 m
fTX 1,5 109
 Radiální dálka:
 Šířka pásu:
 Příčné rozlišení:
 Rychlost pohybu: v  800 km/h  800/ 3,6  222 m/s
h0
25103
R0 

 35,4 km
sin  0 sin 45
  R0
0,2  35,4 103
WV 

 5 km
LV  cos
2  cos45
c  p
3 108 1106
V 

 212 m
2  sin 
2  sin 45
 Podélné rozlišení bez SAR:
R0   35,4 103  0,2
H 

 3,54 km
LH
2
 Podélná délka syntetické apertury:
 Podélné rozlišení se SAR:
 H SAR
L  v  TA  222 0,2  44,4 m
L   H
R0 
35,4 103  0,2


 113m
2L sin 0 2  44,4  sin 45
strana 14
MRAR-P5: Syntetická apertura (13/13)
 SAR systémy (komprese LFM, 1-30 GHz)
 Průzkum Země (oceánografie, monitoring ledu a sněhu,
měření znečištení, těžařství, klasifikace terénu, mapování) s
rozlišením i pod 10 m
 AIRBORNE – (první 1953, Godyear research, na DC-3, 930
MHz), AIRSAR (NASA JPL), YSAR
 SPACEBORNE
 RADARSAT (Kanada)
 ERS (ESA – European Remote Sensing)
 ENVISAT (ESA 2002 - studium změn v životním
prostředí, včetně globálního oteplování a tání ledovců)
strana 15
MRAR-P5: Sekundární radar (1/8)
 SSR (Secondary Surveillance Radar)
 Aplikace v ATC, pozemní systém je dotazovačem
(Interrogator) , palubní systém automatickým odpovídačem
(Transponder), vojenské módy IFF (Identification Friend –
Foe)
 Odpovědi obsahují základní
identifikační údaje a aktuální
měřené letové parametry
 IM modulace
 Uplink 1030 MHz, vert. polarizace
 Downlink 1090 MHz, vert. polarizace
strana 16
MRAR-P5: Sekundární radar (2/8)
 Dvousvazkový anténní systém dotazovače
 Měření azimutu
 Odpovědi pouze od odpovídačů v daném azimutálním směru
strana 17
MRAR-P5: Sekundární radar (3/8)
 Mód „A“ = ID odpovídače, resp. číslo letu
strana 18
MRAR-P5: Sekundární radar (4/8)
 Odpověď v módu „A“
 Číslo letu tvoří čtyři oktalové cifry (00008 – 77778 , tj. 4096
kombinací – pro lety nad Evropou přidělováno Eurocontrolem
 Speciální kódy:
 75008 - únos
 76008 – ztráta spojení
 77008 - nouze
strana 19
MRAR-P5: Sekundární radar (5/8)
 SPI (Special Pilot Identification) – aktivuje pilot na 20 s po
žádosti řídícího ATC
 Mód „C“ = barometrická výška letadla
 Barometrické měření ve
stovkách stop s korekcí
 Hodnota kódována tzv.
Gillhamovým kódem
 Rozsah -1000 až 126750 ft.
strana 20
MRAR-P5: Sekundární radar (6/8)
 Odpověď v módu „C“
 Gillhamův kód
strana 21
MRAR-P5: Sekundární radar (7/8)
 Mód S (Adresný nebo všeobecný dotaz)
 Z módu S se vyvinul systém ADS-B (Automatic dependent
surveillance-broadcast)
strana 22
MRAR-P5: Sekundární radar (8/8)
 ADS-B
 DF – zdroj dat
 AA – aircraft address
 ME – parametry (poloha z
GPS, rychlost, výška z
výškoměru)
strana 23
Děkuji za vaši pozornost
Anténa dotazovače SSR
strana 24