ΕΘΝΙΚΟ ΚΑΙ ΚΑΠΟΔΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΚΑΙ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

1. FFT FFT FFT FFT FFT FFT FFT FFT FFT FFT FFT FFT FFT FFT FFT FFT FFT FFT FFT FFT FFT FFT FFT FFT Πρώτες Μετρήσεις με το SBEDAR To πειραματικό πρωτότυπο (SBEDAR) που αναπτύχθηκε, χρησιμοποιήθηκε για ποσοτικές και ποιοτικές μετρήσεις κυρίως της ταχύτητας του ανέμου. To πειραματικό πρωτότυπο (SBEDAR) που αναπτύχθηκε, χρησιμοποιήθηκε για ποσοτικές και ποιοτικές μετρήσεις κυρίως της ταχύτητας του ανέμου. Τα ακουστικά ραντάρ ΦΙΛΤΡΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ ΔΙΑΚΟΠΤΕΣ T/R Το ακουστικό ραντάρ είναι μια διάταξη τηλεπισκόπισης (remote sensing) και λειτουργεί όπως τα συμβατικά ραντάρ, με τη διαφορά ότι εκπέμπει σύντομους ηχητικούς παλμούς. Τα ακουστικά αυτά κύματα υφίστανται σκέδαση από ατμοσφαιρικές διαταραχές και από την επεξεργασία του σήματος που επιστρέφει στη κεραία εξάγονται μετρήσεις για διάφορες παραμέτρους της ατμόσφαιρας. Ανάλογα με το πλήθος των κεραιών που περιλαμβάνει ένα ακουστικό ραντάρ και τον τρόπο λειτουργίας του χαρακτηρίζεται ως μονοστατικό, διστατικό, τριστατικό και στρεφόμενου λοβού. Με ένα μονοστατικό σύστημα (μία κεραία) μπορεί να μετρηθεί η ακτινική συνιστώσα της ταχύτητας του ανέμου και η παράμετρος θερμοκρασιακής δομής CT2.Με ένα διστατικό σύστημα (δύο κεραίες) μπορεί να μετρηθεί η οριζόντια συνιστώσα της ταχύτητας του ανέμου, η κατεύθυνση της και η παράμετρος δομής ταχύτητας CV2. Με ένα τριστατικό σύστημα (τρεις κεραίες) μπορεί να μετρηθεί και το πλήρες άνυσμα της ταχύτητας του ανέμου. Με το ακουστικό ραντάρ στρεφόμενου λοβού μπορούν να μετρηθούν οι ίδιες παράμετροι με αυτές που μετρά ένα τριστατικό σύστημα αλλά με χρήση μόνο μίας κεραίας, η οποία δύναται να στρέφει ηλεκτρονικά το λοβό της. Τα πλεονεκτήματα της φιλοσοφίας αυτής είναι ο μικρότερος όγκος, η ευελιξία μεταφοράς του, το μικρότερο κόστος υλοποίησης και η αυξημένη αξιοπιστία. Το μειονέκτημα είναι η πολυπλοκότητα της σχεδίασης των ηλεκτρονικών μονάδων. Η απεικόνιση της έντασης του σήματος που λαμβάνει ένα ακουστικό ραντάρ ως συνάρτηση του ύψους και του χρόνου, αποτελεί χρήσιμο εργαλείο για την ανάδειξη (σε πραγματικό χρόνο) της παρουσίας, δομής και εξέλιξης διάφορων ατμοσφαιρικών φαινομένων, γεγονός που προσφέρει ένα ακόμα ελκυστικό χαρακτηριστικό στα συστήματα αυτά. Σε σύγκριση με τις άλλες τεχνικές τηλεπισκόπισης, τα ακουστικά ραντάρ παρουσιάζουν σημαντικά πλεονεκτήματα, όπως: • Ευαισθησία σε διαταραχές θερμοκρασίας ή ταχύτητας μικρής κλίμακας οι οποίες είναι δύσκολο να ανιχνευτούν με άλλες μεθόδους • Οι καταγραφές τους χορηγούν σε πραγματικό χρόνο ‘εικόνες' δομής της ατμόσφαιρας • Ύψη λειτουργίας εκτεινόμενα από λίγα μέτρα μέχρι λίγα Km με τυπικές διακριτικές ικανότητες της τάξης των 10 μέτρων • Η επεξεργασία των δεδομένων είναι άμεση • Μικρό κόστος, κυμαινόμενο από αρκετές εκατοντάδες μέχρι λίγες χιλιάδες δολάρια. Προηγήθηκαν αρκετές μετρήσεις των επιδόσεων του συστήματος που επιβεβαίωσαν τη συμφωνία των χαρακτηριστικών του συστήματος με τις προδιαγραφές που είχαν αρχικά τεθεί ως στόχοι. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων το SBEDAR λειτούργησε ως μονοστατικό και ως ραντάρ στρεφόμενου λοβού.Η ένταση του σήματος λήψης (μία τυπική μορφή του παρουσιάζεται στο Σχήμα 4) απεικονιζόταν σε πραγματικό χρόνο στην οθόνη του P/C, ενώ η επεξεργασία των μετρήσεων και η εξαγωγή της ταχύτητας του ανέμου πραγματοποιήθηκε μετά από την ολοκλήρωση κάθε πειράματος. ΦΙΛΤΡΑ ΛΗΨΗΣ ΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΣΤΕΣ ΠΡΟΕΝΙΣΧΥΤΕΣ D11 Σχήμα 4: Μορφή του σήματος λήψης του SBEDAR Τα αποτελέσματα δύο τυπικών πειραμάτων με το SBEDAR να λειτουργεί ως μονοστατικό και ως σύστημα στρεφόμενου λοβού, παρουσιάζονται στα Σχήματα 5 και 6 αντίστοιχα. Για τη περίπτωση της λειτουργίας με στροφή του λοβού ακολουθιακά σε 3 μη συνεπίπεδες διευθύνσεις, παρουσιάζεται και ο αλγόριθμος επεξεργασίας των μετρήσεων (μέσες τιμές των αντίστοιχων φασμάτων), μια τακτική που εφαρμόζεται πάντα στα ακουστικά ραντάρ για βελτίωση του σήματος προς θόρυβο. P1111 D12 D13 D21 D22 D23 ….….….. DN1 DN2 DN3 …………. FFT FFT FFT …………. S111 S112 … S11L S121 S122 … S12L S131 S132 … S13L S211 S212 … S21L S221 S222 … S22L S231 S232 … S23L SN11 SN12 … SN1L SN21 SN22 … SN2L SN31 SN32 … SN3L ΕΠΕΞΗΓΗΣΕΙΣ DIJ:Δεδομένα που συλλέχτηκαν κατά τη λειτουργία στο κύκλο Ι κατεύθυνση J (J=1,2,3) SIJK:Αποτελέσματα επεξεργασίας (με FFT) του πακέτου δεδομένων K από το κύκλο Ι κατεύθυνση J (φάσματα συχνοτήτων) ΜIJ: μέση τιμή φασμάτων, ΜIJ= (S1IJ + S2IJ)/2 E:Η διαδικασία εξαγωγής του ανύσματος του ανέμου από τις 3 συνιστώσες του, που προκύπτουν από υπολογισμό μετατόπισης συχνότητας κατά Doppler. + + + + + + + + + α) γ) M11 M12 ….. M1L M21 M22 ….. M2L M31 M32 ….. M3L ΚΕΡΑΙΑ(Συστοιχία) ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗΣ (PC) ΛΗΨΗ ΣΗΜΑΤΩΝ RC ΑΠΟ ΤΗΝ ΚΕΡΑΙΑ ΑΠΟΣΤΟΛΗ ΣΗΜΑΤΩΝ TR ΣΤΗΝ ΚΕΡΑΙΑ E E E ..….……… Στόχος Στόχος της έρευνας ήταν η αντικειμενοστραφής σχεδίασηκαι ανάπτυξη του πειραματικού πρωτοτύπου ενός ολοκληρωμένου συστήματος ψηφιακού ακουστικού ραντάρ(ονομαζόμενο SBEDAR) που θα περιλαμβάνει κεραία (array) από συνήθη ακουστικά στοιχεία του εμπορίου (tweeters). Η σχεδίαση και η ανάπτυξη αφορά το υλικό αλλά και το λογισμικό σε επίπεδο συστήματος (driver συσκευής και λογισμικό λειτουργίας) όσο και εφαρμογών (επεξεργασία μετρήσεων για εξαγωγή ακτινικής συνιστώσας και συνολικού ανύσματος ταχύτητας ανέμου). β) ΓραμμέςΕκπομπής ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΤΗΣ ΛΟΒΟΥ (BEAMFORMER) Σχήμα 6: Σχηματικό διάγραμμα επεξεργασίας μετρήσεων & προφίλ ανύσματος ταχύτητας ανέμου (λειτουργία στρεφόμενου λοβού) ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΕΝΤΑΣΗΣ ΕΠΙΣΤΡΟΦΩΝ Δομή & Λειτουργία του συστήματος SBEDAR Αποτελέσματα ΓραμμέςΛήψης Η ανάλυση του συστήματος οδήγησε στην αρχιτεκτονική που παρουσιάζεται σχηματικά στο Σχήμα 1. Κύρια μονάδα είναι ο μορφοποιητής λοβού (beamformer). Η μονάδα αυτή είναι προγραμματιζόμενη. Ο προγραμματισμός της γίνεται μέσω μιας απλής, προσανατολισμένης στο σύστημα γλώσσας προγραμματισμού, η οποία αναπτύχθηκε για αυτό το σκοπό. Η επικοινωνία με τον Η/Υ γίνεται μέσω της παράλληλης θύρας. Στο Σχήμα 2 παρουσιάζεται το SBEDAR από τη σκοπιά του λογισμικού, ως μηχανή λογισμικού πραγματικού χρόνου. Η μεθοδολογία ανάπτυξης επιτρέπει στο χρήστη να ρυθμίσει μέσω κατάλληλων μενού επιλογών όλες τις παραμέτρους λειτουργίας του συστήματος, όπως τις κατευθύνσεις λειτουργίας, τη διάρκεια εκπομπής και λήψης, το χρόνο αποκατάστασης, τη διακριτική ικανότητα ως προς ύψος κλπ. Επίσης παρέχει τη πρωτοποριακή δυνατότητα αλλαγής κεραίας, με ελάχιστες ή καθόλου αλλαγές στις υπόλοιπες μονάδες, μέσω κατάλληλου προγραμματισμού των σημάτων του μορφοποιητή λοβού. Σχήμα 5: Καταγραφή έντασης επιστροφών & προφίλ κατακόρυφης συνιστώσας ταχύτητας ανέμου(μονοστατική λειτουργία). ΤΑΧΥΤΗΣ ΑΝΕΜΟΥ Η επιτυχής διεκπεραίωση της έρευνας απέφερε μια σειρά από σημαντικά συμπεράσματα και αποτελέσματα σε θεωρητικό και τεχνολογικό επίπεδο: • Είναι δυνατή η ανάπτυξη ενός τέτοιου συστήματος με σχετικά μικρό κόστος • Μία ψηφιακά τροφοδοτούμενη ακουστική κεραία στρέφει το λοβό της σε ένα διακριτό σετ διευθύνσεων στο χώρο • Η χρήση 8bits για κωδικοποίηση της διαφοράς φάσης οδηγεί σε ένα σετ διευθύνσεων επαρκές για κάλυψη του χώρου και για παρακολούθηση κινούμενων αέριων μαζών • Τα τυχαία σφάλματα (σε φυσιολογικά όρια) δεν επηρεάζουν σημαντικά τη κατεύθυνση στροφής του λοβού • Η χρήση μνήμης αποθήκευσης δειγμάτων ανά κανάλι λήψης οδηγεί σε ένα πολύπλοκο σύστημα με δυνατότητα προσδιορισμού κατεύθυνσης έλευσης σήματος επιστροφής • Η ακουστική ισχύς που πρέπει να εκπέμπει ένα σύστημα στρεφόμενου λοβού είναι μεγαλύτερη από ένα αντίστοιχο τριστατικό σύστημα ίδιου βεληνεκούς. ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΡΑΜΠΑΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ ΑΝΕΜΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ TOY SBEDAR ΚΑΘΟΡΙΣΜΟΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΡΟΛΟΪ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ Σχήμα 1: Συνοπτική αρχιτεκτονική του συστήματος SBEDAR Δημοσιεύσεις 1 2 3 • D.Martakos,T.Liaskas & G.Stephanou (1990): 'A microprocessor based beam forming system, for a digital switched beam acoustic radar', Proceedings of 5th Intern. Symp. on Acoustic Remote Sensing of Atmosphere & Oceans, New Delhi, India, Feb. 6-9, σελ. 135-140 • T.Liaskas, G.Stephanou & D.Martakos (1994): 'Beam pointing errors of phased arrays for digital switched beam acoustic radars', International Journal of Remote Sensing, V.15(2), σ.333-344. • T.Liaskas, D.Martakos & E.Kayafas (1995): 'A novel design of a digitally controled multichannel pattern generator', Proc. of 7th Intern. Symp. on Modern Electrical & Magnetic Measurements, IMEKO TC-4, Prague, Sept. 13-14, σελ. 442-446 • T.Liaskas, D.Martakos & G.Stephanou (1996): 'Development of a modular switched beam digital acoustic radar', Proc. of 8th Intern. Symp. on Acoustic Remote Sensing of Atmosphere & Oceans, Moscow, May 27-31, σελ. 3.43-3.48 • T.Liaskas, G.J. Stephanou & D. Martakos (1999): "Wind Measurements with One Switched-Beam Digital Acoustic Radar using Independent Control on the Array Antennae's Transducers", Proc. of 3rd IMACS (CSCC'99), Athens, July 4-8, σελ.4741-4745 • T.J.Liaskas, D.Martakos, G.J.Stephanou (1999): "Development of a switched-beam, digital acoustic radar: an object oriented modeling and design approach", Proc. of 3rd IMACS (CSCC'99), Athens, July 4-8, σελ. 6561-6565 Σχήμα 2: To σύστημα SBEDAR ως μηχανή λογισμικού 4 5 6 Σχήμα 3: Φωτογραφίες του συστήματος SBEDAR. (1) Σύστημα (χωρίς κεραία) (2) Κύριες ηλεκτρονικές μονάδες (3) Η ακουστική κεραία (4) Ο θώρακας (αποσυναρμολογημένος) (5) Η κεραία μέσα στο θώρακα (6) Πλήρως συναρμολογημένος θώρακας Ανάπτυξη Συστήματος Ψηφιακού Ακουστικού Ραντάρ Στρεφόμενου Λοβού Επιστημονικός Υπεύθυνος: Γ. Στεφάνου Κύριοι Ερευνητές: Τ.Λιάσκας, Δ. Μαρτάκος ΕΘΝΙΚΟ ΚΑΙ ΚΑΠΟΔΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΚΑΙ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ