1 / 75

PŘEDNÁŠKA 2

MRAR – Radioloka ční a radionaviga ční systémy. PŘEDNÁŠKA 2. 1 . 10 .20 13. Jiří Šebesta Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně. MRAR : PŘEDNÁŠKA 2. Rad iolokační cíle Radiolokační rovnice Vliv šíření elmag. vlny na činnost radarů Metody snímání prostoru.

nadine
Download Presentation

PŘEDNÁŠKA 2

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. MRAR – Radiolokační a radionavigační systémy PŘEDNÁŠKA 2 1.10.2013 Jiří Šebesta Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně

  2. MRAR:PŘEDNÁŠKA 2 • Radiolokační cíle • Radiolokační rovnice • Vliv šíření elmag. vlny na činnost radarů • Metody snímání prostoru Radiolokační a radionav. systémy

  3. MRAR-P2:Radiolokační cíle (1/30) • Radiolokační cíle se definují pomocí odrazových vlastností cílů (statistických veličiny): • střední hodnota výkonu odraženého signálu, která závisí na odrazových vlastnostech cíle • tvar spektrálních funkcí amplitudy a fáze, které jsou závislé na parametrech pohybu cíle v prostoru • Dopplerův posuv kmitočtu, jenž závisí na relativní rychlosti cíle (jeho odrazných částí) vzhledem k radaru => dopplerovské spektrum Radiolokační a radionav. systémy

  4. MRAR-P2:Radiolokační cíle (2/30) • Sekundární vyzařování dělíme na: • odraz, který nastává jsou-li rozměry cíle velké vůči použité vlnové délce měřícího signálu a odrazná plocha je "hladká", (platí Snellovy zákony) • rozptyl, jenž vzniká jsou-li rozměry cíle velké vůči použité vlnové délce měřícího signálua povrch cíle je "drsný" • rezonanční zařízení, které nastává jsou-li rozměry cíle srovnatelné s vlnovou délkou měřícího signálu a orientované rovnoběžně s vektorem elektrického pole záření • difrakci, jež nastává jsou-li rozměry cíle malé ve srovnání s vlnovou délkou měřícího signálu, energie přímé vlny se kolem cíle ohýbá (obtékání cíle) Radiolokační a radionav. systémy

  5. MRAR-P2:Radiolokační cíle (3/30) • Elementární cíl je objekt jednoduchého tvaru zhotovený z je-dnoduchého materiálu, např. koule, pravoúhlý kovový list, dipól, úhlový odražeč apod. U těchto cílů lze popsat jejich odrazivé vlastnosti matematicky, obvykle vztahem v uzavřeném tvaru. • Složený cíl je souborem elementárních cílů konstrukčně spojených v jeden celek nebo volně rozptýlených v prostoru a volně se vůči sobě pohybujících. Matematický popis vlastností vychází ze shrnutí příspěvků k celko-vému sekundárnímu záření od jednotlivých elementů (elementár-ních cílů). Často může být geometrie složeného cíle natolik kompli-kovaná, že je výhodnější ke stanovení jejich odrazivých vlastností provést empirická měření. Radiolokační a radionav. systémy

  6. MRAR-P2:Radiolokační cíle (4/30) • Rozlišovací buňka RB radaru (Resolution Cell)definuje v daném časovém okamžiku prostor, v němž nelze rozlišit dva separátní cíle při vyhodnocení odraženého radarového signálu získáme. Výstupem měření je jediný cíl. Radiolokační a radionav. systémy

  7. MRAR-P2:Radiolokační cíle (5/30) • Délka strany RB v hori-zontálním směru: • Pro malý úhel -3dB apro-ximujeme: • Délka strany RB ve vertikálním směru: • Příčná plocha RB: Radiolokační a radionav. systémy

  8. MRAR-P2:Radiolokační cíle (6/30) Příklad 1: --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Vypočtěte délky stran a příčnou plochu rozlišovací buňky a pro radar se šířkou anténního svazku 1,5° ve vertikální rovině a 2,5° v horizontání rovině ve vzdálenosti 50 km a 150 km od vysílací antény radaru. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- Pro využití aproximujících vztahů převedeme úhlové šířky svazků na radiány: Délky stran RB: Příčné plochy RB: Radiolokační a radionav. systémy

  9. MRAR-P2:Radiolokační cíle (7/30) • Rozlišení v dálce – rozlišení dvou cílů, které leží na společné přímce radar - cíl • Délka ozářeného úseku v dálce: • Ozářený objem: • Rozlišovací schopnost v dálce: Radiolokační a radionav. systémy

  10. MRAR-P2:Radiolokační cíle (8/30) • Odražený výkon od cíle je závislý na směru příchodu ozařující elektromagnetické vlny: kde |tar| je hustota výkonu elmag. energie v prostoru cíle a jeodrazná plocha cíle RCS(Radar Cross Section) v m2 nebo dBm2(10 log – spjato s výkonem) • RCS je závislý na materiálu cíle, rozměrech vůči vlnové délce a směru příchodu ozařující elektro-magnetické vlny => směrové charakteristiky sekundárního záření (3D, 2D – H/V nebo směr obvyklý) Radiolokační a radionav. systémy

  11. MRAR-P2:Radiolokační cíle (9/30) • Odrazná plocha je náhodná veličina,hledáme její charakteristiky: • Střední hodnota • Rozložení hustoty pravděpodobnosti PDF • Dva body – „dumbbell“ konfigurace Radiolokační a radionav. systémy

  12. MRAR-P2:Radiolokační cíle (10/30) • Př. „Dva body“ – dumbbell konfigurace RCS  = 1 m, D = 2 • Funkce pro Matlab: RCSDumbBell.m Radiolokační a radionav. systémy

  13. MRAR-P2:Radiolokační cíle (11/30) • Mnoho bodůrovnoměrně rozdělených v prostoru = přiblížení k reálnému cíli • Součtový signál na přijímači radaru: • Simulace v Matlabu: • Amplituda součtového signálu: • Celková RCS: • Funkce pro Matlab: RCSMultPointsUD.m Radiolokační a radionav. systémy

  14. MRAR-P2:Radiolokační cíle (12/30) • Odrazná plocha elementárních cílů • Půlvlnný dipól • Střední hodnota při obecné orientaci s rovnoměrným rozdělením úhlu : • Koule • Pro poloměr ku vlnové délce r/< 0,13 (difrakce): Radiolokační a radionav. systémy

  15. MRAR-P2:Radiolokační cíle (13/30) • Pro vztah poměru ku vlnové délcer/> 1 (odpovídá obsahu průmětu do roviny vlny - apertuře): • Plochý disk (r/> 1) • Střední hodnota při obecné orientaci s rovnoměrným rozdělením úhlu  : Radiolokační a radionav. systémy

  16. MRAR-P2:Radiolokační cíle (14/30) • Čtvercová plocha (r/> 1) • Střední hodnota při obecné orientaci s rovnoměrným rozdělením úhlu  : Radiolokační a radionav. systémy

  17. MRAR-P2:Radiolokační cíle (15/30) • Válec (r/> 1, v/> 1) • Střední hodnota při obecné orientaci s rovnoměrným rozdělením úhlu  : • Aplikace při určování odrazivých vlastností srážek Radiolokační a radionav. systémy

  18. MRAR-P2:Radiolokační cíle (16/30) • Trojúhelníkový koutový odražeč • Aplikace pro dosažení minima celkové efektivní odrazné plochy cíle - Stealth • Čtvercový koutový odražeč kde a je délka hrany odražeče. Radiolokační a radionav. systémy

  19. MRAR-P2:Radiolokační cíle (17/30) • Složené cíle prvního typu s geometrickými i úhlovými rozměry obvykle mnohem menšími než jsou odpovídající rozlišovací schopnosti radaru v úhlech a v dálce - bodové, např. o letadlo ve velké vzdálenosti od radaru. • Odrazná plocha u bodových cílů závisí na • směru dopadající rovinné vlny • polarizaci dopadající rovinné vlny • materiálu cíle • vlnové délce Radiolokační a radionav. systémy

  20. MRAR-P2:Radiolokační cíle (18/30) • Odrazná plochaje fiktivní plochouS, kterou pokládáme za isotropní a nepohltivou a která po umístění do místa cíle vyvolá v místě antény radaru stejnou intenzitu pole jakou vyvolává skutečný cíl, je tedy mírou výkonu odraženého cílem ve směru k radaru • Efektivní odrazná plocha je průměrem (střední hodnota) přes měření ve všech směrech natočení cíle vůči radaru nebo směrech obvyklých (např. horizontální rotace nebo pohled zespodu pod určitým úhlem) Radiolokační a radionav. systémy

  21. MRAR-P2:Radiolokační cíle (19/30) • Odrazná plocha u obecného bodového cíle: • Sprojje projekce cíle do roviny ozařující elmag. vlny • R je materiálová odrazivost specifikovaná jako poměr výkonu odrážejícího se ku vstupujícímu do cíle • D specifikuje (sekundární) směrovost cíle Radiolokační a radionav. systémy

  22. MRAR-P2:Radiolokační cíle (20/30) • Hustota rozdělení pravděpodobnosti RCS běžných bodových cílů: • Jeden RX systém (monostatický radar) • Diverzitní RX systém (bistatický radar) Radiolokační a radionav. systémy

  23. MRAR-P2:Radiolokační cíle (21/30) • Do jednoho směru je prováděno několik měření(cca 50 – 100), vzhle-dem k pohybu cíle (letadla) lze jako tzv. efektivní RCS uvažovat střední hodnotu RCS. • Výkonová spektrální hustota resp. autokorelační funkce – gaussovské rozdělení, šířka spektra B => korelační doba cíle • Ve vztahu k opakovací periodě nebo celkové době měření (ozáření) cíle pak definujeme cíle s pomalou a rychlou fluktuací (např. velké letadlo má pomalou fluktuaci a exp. rozdělení odrazné plochy, malé letadlo má rychlou fluktuaci a exp. rozdělení odrazné plochy) • Cíle s pomalou fluktuací: kdeTMje celková doba měření ve směru cíle: Radiolokační a radionav. systémy

  24. MRAR-P2:Radiolokační cíle (22/30) kdeTrepje opakovací perioda měření a M je počet měření v jednom směru • Cíle s rychlou fluktuací: nebo alespoň • Swerlingova kategorizace bodových cílů • Pohyblivé cíle obvykle mají exponenciální rozdělení – hluboké fluktuace až 30 dB Radiolokační a radionav. systémy

  25. MRAR-P2:Radiolokační cíle (23/30) • Efektivní odrazné plochy složených cílů prvního typu Radiolokační a radionav. systémy

  26. MRAR-P2:Radiolokační cíle (24/30) • Složené cíle druhého typu s rozměry značně převyšující příslušné rozlišovací schopnosti RLS - rozptýlené. Mohou být takové, že emitují odraz všemi elementy svého objemu a pak je nazýváme objemové (mrak, déšť), nebo jsou zdrojem odrazu pouze svým povrchem a pak je nazýváme plošné (vodní hladina, zemský povrch atd.). Radiolokační a radionav. systémy

  27. MRAR-P2:Radiolokační cíle (25/30) • Složené cíle druhého typu  Odražený signál od všech elementů cíle Elementy cíle jsou stejné (stejně velké) Radiolokační a radionav. systémy

  28. MRAR-P2:Radiolokační cíle (26/30) • Složené cíle druhého typu objemové • σ0 je reflektivita (deště) v m2/m3 = střední odrazná plocha 1 m3 (deště) • S rostoucí vzdáleností a vlivem útlumu v hydrometeorech klesá hustota elmag. pole, navíc se mění současně ozařovaný objem (rozlišovací buňka) – pro určení reflektivity nutno korigovat Radiolokační a radionav. systémy

  29. MRAR-P2:Radiolokační cíle (27/30) • Složené cíle druhého typu plošné  Předpokládejme, že se prostorem šíří sférická vlna s tloušťkou "kulové vrstvy" c, kde c je rychlost šíření elmag. vln a  je délka impulsu radaru. Radiolokační a radionav. systémy

  30. MRAR-P2:Radiolokační cíle (28/30) • Uvážíme-li časové zpoždění odražených signálů od vzdálených částí povrchu zjistíme, že lineární rozměr horizontální dálky odrážejícího povrchu je: Lineární rozměr povrchu v horizontální rovině v mezích úhlu rozevření  je přibližněD. Geometrická velikost povrchu, která odráží energii v současných okamžicích je tedy rovna výrazu: Při zjišťování efektivní odrazné plochy je třeba uvážit vlastnosti odrazného povrchu.Nalezenou hodnotu geometrické plochy rozptylu vynásobíme výrazem Ksin, kde K je koeficient odrazu a  je úhel mezi paprskem a vodorovnou rovinou. Pro efekt. odraznou Radiolokační a radionav. systémy

  31. MRAR-P2:Radiolokační cíle (29/30) plochu získáme rovnici: Pro malé úhly  platí tg()  a vztah lze zjednodušit: Pro malé úhly  platí také H/Da výraz opět zjednodušíme: Čím bude délka impulsu kratší, tím větší bude rozlišení jednotlivých drobných objektů na zemském povrchu. Radiolokační a radionav. systémy

  32. MRAR-P2:Radiolokační cíle (30/30) • Složené cíle druhého typu plošné – koeficient odrazu Radiolokační a radionav. systémy

  33. MRAR-P2:Radiolokační rovnice (1/16)  Pro odvození radiolokační rovnicepředpokládámenásledující idealizující podmínky:  mezi RLS a cílem nejsou žádné objekty  elmag. energie se do prostoru cíle dostává po jediné trajektorii (bez odrazů)  prostředí mezi RLS a cílem je homogenní Radiolokační a radionav. systémy

  34. MRAR-P2:Radiolokační rovnice (2/16)  Scénář pro odvození radiolokační rovnice Radiolokační a radionav. systémy

  35. MRAR-P2:Radiolokační rovnice (3/16) • Výkon na svorkách vysílací antény: • Hustota vyzářené energie v prostoru cíle: • EIRPtx je efektivní vyzářený výkon vysílací části radaru Radiolokační a radionav. systémy

  36. MRAR-P2:Radiolokační rovnice (4/16)  Cíl s efektivní odraznou plochou avje při ozáření elmag. energií RLS zdrojem sekundárního zářeníovýkonu:  Hustota odražené energiev oblasti přijímací antény radaru:  Parametr definuje celkové polarizační ztráty, 1 Radiolokační a radionav. systémy

  37. MRAR-P2:Radiolokační rovnice (5/16) • Výkon odraženého signálu na výstupu antény s efektivní plochou SARX je: • Efektivní plocha antény SAerx je dána geometrickou plochou apertury antény násobenou účinností (cca 0,5 – 0,7): • Výkon na vstupu přijímače: Radiolokační a radionav. systémy

  38. MRAR-P2:Radiolokační rovnice (6/16) • Pokud jsou antény vysílače a přijímače radaru směrována optimálně na cíl pak pro přijímaný výkon bude platit: • Efektivní plocha antény SAe je se ziskem antény svázána vztahem: Radiolokační a radionav. systémy

  39. MRAR-P2:Radiolokační rovnice (7/16) • Jestliže za efektivní plochu přijímací antény dosadíme zisk, pak přijímaný výkon bude: • Pro společnou vysílací a přijímací anténu: = radiolokační rovnice Radiolokační a radionav. systémy

  40. MRAR-P2:Radiolokační rovnice (8/16) • Známe-li požadovaný minimální výkon Prxmin na vstupu přijímače pro příslušnou pravděpodobnost detekce, mužeme určit maximální dosah radaru: Radiolokační a radionav. systémy

  41. MRAR-P2:Radiolokační rovnice (9/16)  Radiolokační rovnice v log. jednotkách: Radiolokační a radionav. systémy

  42. MRAR-P2:Radiolokační rovnice (10/16) Příklad 2: ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- Pulsní radar pracuje na vlnové délce 10 cm s výkonem v impulsu Ptx = 50 kW. Prahová citlivost přijímače je Prxmin = 10-12 W. Radar má společnou anténu - parabolu o průměru 1,8 m s účinností 0,6, která je napájena napáječi se útlumem 1dB. Duplexer má v obou směrech rovněž útlum 1dB. Jaký je dosah radaru pro stíhací letouny se střední hodnotou av = 5 m2, jsou-li polarizační ztráty nulové. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Radiolokační a radionav. systémy

  43. MRAR-P2:Radiolokační rovnice (11/16) Příklad 3: ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- Pulsní radar pracuje na vlnové délce 10 cm s výkonem v impulsu Ptx = 47dBW. Prahová citlivost přijímače je Prxmin = -90 dBm. RLS má společnou anténu - parabolu se ziskem 32,8 dBi, která je napájena napaječi se útlumem 1dB. Duplexer má v obou směrech rovněž útlum 1dB. Jaký je dosah radaru pro stíhací letouny se minimální střední hodnotou av = 7 dBm2, jsou-li polarizační ztráty nulové. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Radiolokační a radionav. systémy

  44. MRAR-P2:Radiolokační rovnice (12/16) • Sekundární radar  Výkon sekundárního záření od pasivního cíle o av : Příklad 4: --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Vypočtěte střední výkon sekundárního záření cíle pro stíhací letoun z předchozího příkladu. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Radiolokační a radionav. systémy

  45. MRAR-P2:Radiolokační rovnice (13/16) • Výkon sekundárního záření je velmi malý.Pokud bude vysílače odpovídače odevzdávat výkon o několik řádů vyšší, bude vyšší i dosah soustavy.  Pro první cyklus práce soustavy, kdy přijímač odpovídače ve vzdálenosti r přijímá dotazovací signál, získáme rovnici:  Pro druhý cyklus práce systému, kdy pozemní část systému přijí-má signál odpovídače analogicky platí: Radiolokační a radionav. systémy

  46. MRAR-P2:Radiolokační rovnice (14/16) a pro GAret = 1 (všesměrová anténa pro RX i TX) dostaneme výrazy:  Dosah sekundárního radiolokátoru (určen cestou odpovídače, protože palubní odpovídač bude mít podstatně menší výkon než primární radar), pak je dosah dán: Radiolokační a radionav. systémy

  47. MRAR-P2:Radiolokační rovnice (15/16) Příklad 5: ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- Vypočtěte dosah sekundárního radiolokátoru s odpovídačem pro stíhací letoun v předchozím příkladu s výstupním výkonem odpovídače 10 W, vlnová délka retranslační trasy je 10 cm: ----------------------------------------------------------------------------------------------------------  O řád více než dosah stejného radaru při pasivním cíli Radiolokační a radionav. systémy

  48. MRAR-P2:Radiolokační rovnice (16/16) • Citlivost přijímače •  Rozhodují šumové vlastnosti přijímače a antény spolu a potřebný poměr signál/šum pro detekci cíle s danou pravděpodobností Pd.  Efektivní výkon šumu na výstupu z antény v šířce pásma přizpůsobeného filtru: Radiolokační a radionav. systémy

  49. MRAR-P2:Vliv šíření elmag. vln (1/18) • Při praktickém návrhu RLS je nutno uvažovat následující vlivy šíření elektromagnetických vln: •  vlastnosti šíření nad rovinným rozhraním dvou prostředí (zemský povrch - vzduch, nebo vodní hladina - vzduch) •  vliv zakřivení zemského povrchu a refrakce vln v atmosféře •  důsledky anomálie šíření – superrefrakce •  útlum způsobený atmosférou •  ohyb (difrakce) elektromagnetické vlny Radiolokační a radionav. systémy

  50. MRAR-P2:Vliv šíření elmag. vln (2/18)  Šíření elektromagnetických vln nad rovinným rozhraním  Ve fázi (max):  V protifázi (min):  Princip vícecestného šíření Radiolokační a radionav. systémy

More Related