PŘEDNÁŠKA 3 Jiří Šebesta MRAR – Radiolokační a radionavigační systémy

PŘEDNÁŠKA 3 Jiří Šebesta MRAR – Radiolokační a radionavigační systémy
Jiří Šebesta Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně

MRAR: PŘEDNÁŠKA 3 Elektronické systémy radarů Antény radarů
Vf. subsystémy radarů Vf. výkonové prvky radarů Subsystémy pro zpracování radarových signálů

MRAR-P3: El. systémy radarů (1/22)
 Aktivní radary  Radary s kontinuálním provozem (CW radar)  do km  s konstantní frekvencí (Doppler radar)  zjišťování pohyblivých cílů  s lineární frekvenční modulací (FM-CW radar)  výškoměry, dálkoměry, antikolizní radary

Dopplerovský CW radar Odražený signál od objektů v měřeném prostoru je zachycen anténou senzoru a na směšovací Schottkyho diodě je směšován s referenčním signálem oscilátoru Při pohybu objektu v prostoru je vlivem Dopplerova jevu rozdílový kmitočet směšování nenulový (záznějový signál) V případě pohybového čidla se určí, zda-li je prostor narušen V případě radaru pro měření rychlosti se FFT zpracováním signálu určí radiální rychlost

 Nutná velká izolace mezi výstupem vysílače a vstupem přijímače – duplexer (izolace cca 30 dB) zabraňuje pronikání vysílaného výkonu na přijímací stranu - nesmí zahltit nebo dokonce zničit LNA (max. cca jednotky dBm) Radarová čidla pohybu (Doppler Radar, Radar Motion Sensor) Prac. frekvence: 2,45 GHz – 5,8 GHz – 9,35 GHz – 24 GHz – 33,5 GHz Požadavek dostatečné izolace mezi výstupem vysílače a vstupem přijímače zajistí dvouanténní systém – (izolace více než 30 dB)

Frekvence přijímané ozvy: fTX je nosná frekvence vysílaného signálu fRX je frekvence přijímané ozvy po odrazu vysílaného signálu od cíle, přičemž vr je radiální rychlost cíle vůči senzoru Vyhodnocení záznějové frekvence (Beat Frequency):

Příklad 9: Určete Dopplerův kmitočet RLS s  = 3 cm vznikající snímáním letadla přibližujícího se k RSL rychlostí vr = 450 km/h.

 Jeden detekční systém = nejednoznačné určení směru od/k (jen absolutní hodnota radiální rychlosti)  Dva detekční systémy = kvadraturní detekce – stačí pseudokvadraturní detekce (radiální rychlost i znaménko)

 Dvoudetekční systém

Příklad - technické údaje čidla HB410: - napájení senzoru: 5V - odběr proudu: max. 40mA - výstupní šum: max. 3uV rms - citlivost přijímače 80 až 200uV - vyzařovací úhel - AZIMUT -3dB: 80° - vyzařovací úhel - ELEVATION - 3dB: 40° - vysílací kmitočet: 9,345 až 9,355 GHz - vyzařovací výkon: 10 až 17dBm - pracovní teplota: -15°C až +55°C - rozměry: 40 x 46,5 x 10mm

 FM-CW radary  Aplikace lineární frekvenční modulace – pilovitým signálem  Měření statických cílů, výškoměry (4,3 GHz), antikolizní automobilové systémy (77 GHz), průmyslové měření výšek např. v zásobníku (94 GHz), meteoradary – měření mraků, výškový profil větru (94 GHz)

 Určení vzdálenosti objektu R na základě podobnosti trojúhelníků:

Antikolizní radar 76,5 GHz (příklad) Technické parametery Transceiver # ELFI71-1B (I/Q směšování) Výstupní výkon dBm Střední frekvence ,5 +/- 0.2 GHz Frekvenční zdvih MHz Fázový šum..-95 dBc/Hz pro 250 kHz ofset Šumové číslo přijímače…<22 dB Antenna # ELAM70-A (s fixním svazkem) Zisk > 28 dBi Šířka svazku v azimutu ,5° Šířka svazku v elevaci ,2° Potklačení bočních laloků...> 15 dB Polarizace lineární H

FMCW Radar module 94 GHz (příklad ELVA-1) Technické parametry: Střední frekvence GHz Frekvenční stabilita ·10-6 °C-1 Frekvenční zdvih > 200 MHz Min. doba rozmítání μs Linearita < 0,7% Citlivost ladění MHz/V Výstupní výkon > +23 dBm Izolace TX-RX > 25 dB Mezifrekvence kHz - 2 MHz RF - MF Zisk dB Šumové číslo < 20dB Vlnovod WR-10 Rozměry x100x50 mm Hmotnost < 1500 g

Výškový profil větru Výškový profil mraků GPR aplikace

Impulsní radary (nad 1 km) nekoherentní systémy koherentní systémy – je schopen vyhodnotit rozdíl fází mezi vysílaným a přijímaným signálem Časové řízení citlivosti STC (Sensitivity Time Control)

Dělení podle opakovací frekvence PRF (Pulse Repetition Frequency) Pro jednoznačné určení dálky musí platit: Pro pohybující se cíl je Dopplerův frekvenční posuv: kde vr je radiální rychlost cíle vůči radaru, vr << c

Pro určení Dopplerovy frekvence musí platit vzorkovací teorém: Srovnáním podmínek pro jednoznačné určení dálky a radiální rychlosti platí: Pro praktické hodnoty je problém podmínku splnit – požadavky jsou protichůdné

Důsledek pulsního tvaru signálu na vzorkování Dopplerovské frekvence: V případě koherentní demodulace u CW signálu získáme na výstupu signál s okamžitým kmitočtem odpovídajícím Dopplerovské frekvenci, pro pulsní signál pak obrázek vpravo

Příklad 10: Určete podmínky dosahu a opakovací frekvence pulsů pro radar s pracovním kmitočtem fTX = 10 GHz, dosahem Rmax = 150 km a cíle s maximální rychlostí vrmax = 300 m/s. Podmínky jsou s jedinou fOP nesplnitelné!!!

Grafické znázornění podmínek pro jednoznačné určení dálky a radiální rychlosti

Dělení impulzních radarů podle opakovací frekvence pulsů LPRF – Low PRF radar MPRF – Middle PRF radar HPRF – High PRF radar

 Pro pro zajištění daného dosahu i rozsahu měření rychlosti se používá změna opakovací periody, tzv. staggering  HPRF radary jsou výhodné z hlediska velkého činitele plnění => malý poměr mezi špičkovým pulsním výkonem a středním výkonem  Energie, kterou ozařujeme cíl:

Blokové schéma primárního radaru

MRAR-P3: Antény radiolokátorů (1/18)
 Parametry antén  vyzařovací diagram: horizontální rovina – f(), vertikální rovina – f(), 3D – f(,)  zisk v hlavním směru (dBi, dBd)  šířka hlavního laloku pro potlačení o 3 dB (šířka hlavního svazku), předozadní poměr, potlačení bočních laloků  vstupní impedance => přizpůsobení  šířka pásma a frekvenční závislost uvedených parametrů

 Parametry antén H V

 Parametry antén 3D kart. souř. V 3D sférické souř. H

 Zisk vs. efektivní plocha antény (efektivní apertura):  Pro dobře navrženou anténu platí přibližný vztah mezi ziskem a šířkami svazků ve stupních v horizontální a vertikální rovině:  Pro aperturové antény s potlčením postranních laloků cca -25 dB je definován přibližný vztah mezi rozměrem v příslušné rovině D a šířkou svazku -3dB:

Příklad 11: Vypočtěte přibližný zisk a šířky svazku ve vertikální a horizontální rovině pro radar pracující s frekvencí 10 GHz, přičemž výška apertury antény je 1 m a šířka 3 m. Zpětně určete „uvažovanou“ účinnost antény vzhledem k aproximačním vztahům. Nyní určíme vztah pro plochu apertury antény (plná plocha) skládající se ze dvou úsečí a obdélníkové plochy:

Ze vztahu pro zisk: Výsledná účinnost antény okolo 50% odpovídá běžné praxi.

 Pro účelné hospodaření s výkonem vysílače RLS je třeba, aby byl tvarem vyzařovacího diagramu antény ozářen pouze prostor v němž jsou očekávané cíle.  Ve vertikálním řezu prostoru je výskyt cílů omezen:  maximální předpokládanou výškou letu cílů (Hmax)  maximálním dosahem radaru (rmax)  nejmenší velikostí polohového úhlu (min) - pozemní překážky  největší velikostí polohového úhlu (max)

 Optimálním řešením je soustředit energii vysílače tak, aby pro cíl, který se bude pohybovat ve výšce H, byl přijímán odražený výkon sekundárního vyzařování cíle stejný bez ohledu na šikmou dálku – přehledový radar, přibližovací radar (rovina dráhy + sestupová dráha)

 Pro šikmou dálku cíle platí:  Má-li RLS společnou anténu pro vysílání i příjem platí DTX = DRX = DRLS získáme:  Pro dané podmínky jsou PTX, , av i H konstantní. Aby bylo konstantní i PRX musí platit:  což lze upravit na tvar:

Oříznutý paraboloid (truncated/cut paraboloid)  Pencil beam

 Vícesvazkové systémy – posunutí ozařovače:

Reflektorové antény (soufázové) obecně  Parabolická anténa (SA rovno ploše apertury antény)  Ozařovač (v ohnisku) – trychtýřová anténa, dipól

Reflektorové antény – řešení ozařovačů

 Anténní řady (pole) Neřízené Zúžení hlavního svazku vyzařovací anténní charakteristiky Řízené Elektronické vychylování svazku

 Řízené anténní řady (pole) Řízení fáze (i amplitudy) do každého elementu (trychtýřová anténa, dipól, patch) řady Elektronické vychylování svazku Nastavování fáze a amplitudy digitálně => Digital Beamforming Úkoly Změna směru vyzařování hl. svazku Vytvoření charakteristiky s více maximy (MIMO systémy) Potlačení směrů k nežádoucím zdrojům

1-D beamforming 2-D beamforming Lineární řada izotropických zářičů

Lineární řada obecných zářičů Se() reprezentuje vyzařovací diagram izolovaného elementu ai reprezentuje přidané napěťové zesílení (útlum) v i-tém elementu k0 je vlnové číslo (= 2/) d je rozteč mezi elementy i reprezentuje přidanou fázi v i-tém elementu Se() = element factor Sa() = array factor

Lineární řada obecných zářičů Maximum zisku v daném směru může kopírovat obálku vyzařovacího diagramu jednoho elementu Pokud je prováděno pouze přidané fázování elementů: Maximum ve směru x lze získat pro nastavení jednotlivých fází:

MRAR-P3: Vf. subsystémy radarů (1/7)
Polarizátory, polarizační filtry Polarizátor – transformace polarizace, lineární => kruhová (nebo eliptická) a naopak Diferenciální posouvač fáze – šíří se dvě ortogonální vlny s různou fázovou rychlostí

Polarizační filtr – propouští pouze vlnu s danou polarizací Kovové vodivé desky pro nepropouštěnou polarizaci představují zkrat – vlna se odrazí zpět Využívá se pro potlačení nebo filtraci cílů se specifickými odrazovými vlastnostmi, např. hydrometeory, od kterých se vlna s kruhovou polarizací odráží opět s kruhovou polarizací, ale ortogonální Vstupní signál primárního radaru rozdělen na kanál cílů a meteokanál

Polarizátor pro frekvenci 2,9 GHz

Rotační spojky (Rotary Joints) Pro přenos vf. signálů z nepohyblivé do pohyblivé (anténní) části Koaxiální Vlnovodné Musí přenést velký výkon s malým útlumem (prakticky 0,3 dB) Koaxiální rotační spojka Vlnovodná rotační spojka

Příklady rotačních spojek Rotační spojka pro pásmo 2,9 GHz

Oddělovací obvody RX-TX (duplexery)  Cirkulátor  nereciproký trojbran  aplikace magnetovaného feritu, který je pak anizotropním matriálem, jehož vlastnosti závisí na směru působení elmag. vlny

 Iontovka (TR-cell)  Při průchodu velkého výkonu vzniká mezi elektrodami elektrický výboj, vodivá plasma vyplní prostor iontovky, ta se chová jako zkrat, prochází jen malý výkon (cca do 1W)  Iontovka = výkonový limitér

MRAR-P3: Vf. výkonové prvky radarů (1/7)
 Vysílač TX:  Vakuové elektronky Přechod od rychlostní k hustotní modulaci – soustava katoda – anoda urychlí elektronový svazek (až 0,1 c), následně je svazek modulován v interakční dutině, následuje několik interakčních komor, kde dochází k dalšímu zesilování, z poslední komory je odebírán výkon, zbytek elektronů je zachycen kolektorem – velký výkon, velký zisk, obtížné ladění  klystron  permaktron, elektronka s postupnou vlnou TWT (Traveling Wave Tube)  magnetron

Klystron (velmi úzkopásmový – dáno dutinami)  Katoda (žhavená) je zdrojem volných elektronů  Anoda elektrony urychlí do svazku  V 1. rezonanční dutině se svazek rychlostně moduluje vstupním vf. napětím  Na dráze mezi rezonančními dutinami je hustotně modulovaný svazek zesilován  Ze 2. rezonanční dutiny je pak odebírán zesílený signál  Zbylé volné elektrony jsou zachyceny kolektorem

Permaktron (TWT)  Katoda (žhavená) je zdrojem volných elektronů  Anoda elektrony urychlí do svazku  Elektrony prochází vf. vedením – zpožďovací struktura - svazek rychlostně moduluje vstupním vf. napětím, postupně je svazek hustotně modulován svazek zesilován  Elmag. pole elektronů interaguje s polem selenoidu  Zbylé volné elektrony jsou zachyceny kolektorem

Magnetron  Soustava oscilačních dutin v silném magnetickém poli  Do jedné se moduluje  Z druhé se odebírá zesílený signál  Velmi úzkopásmové - dáno dutinami

PA 750 kW v pulsu na 2,9 GHz s magnetronem

Polovodiče  Tranzistory HBT (Hetero Junction Bipolar Transistor) na GaAs/GaAlAs (stovky W v pulsu na GHz)  LDMOS (Lateral DMOS) cca do 4 GHz  slučování výkonů několika PA, buzení elementů anténních (fázovaných) polí

Polovodiče  LDMOS – Doherty architektura s vysokou účinností

MRAR-P3: Subsystémy pro SP (1/2)
Signálový procesor (primární zpracování signálu)  klasická technologie DSP vs. FPGA  Operace v signálovém procesoru  pulsní kompresor – filtrace přizpůsobeným filtrem  dopplerovský filtr – filtrace signálu odpovídající různým radiálním rychlostem  detekor – rozhodování o přítomnosti cíle v dané rozlišovací buňce (metody CFAR – adaptivní řízení prahování)  extraktor – určení polohy a dalších parametrů cílů

MRAR-P3: Subsystémy pro SP (2/2)
Datový procesor (sekundární zpracování signálu)  klasická technologie MCU vs. DSP vs. FPGA  Operace v datovém procesoru Fůze signálů zpracování signálů z několika přeběhů antény přes cíl filtrace přizpůsobeným filtrem sloučení signálů z několika radarů fůze dat z dalších systémů (SSR)

Děkuji za vaši pozornost
Zobrazení informace pro sekundárním zpracování u přehledového letištního radiolokátoru

PŘEDNÁŠKA 3 Jiří Šebesta MRAR – Radiolokační a radionavigační systémy

Podobné prezentace

Prezentace na téma: "PŘEDNÁŠKA 3 Jiří Šebesta MRAR – Radiolokační a radionavigační systémy"— Transkript prezentace:

Podobné prezentace

O projektu

Kontaktní formulář

Přihlásit se

Přihlásit se přes sociální síť:

PŘEDNÁŠKA 3 Jiří Šebesta MRAR – Radiolokační a radionavigační systémy

Podobné prezentace

Prezentace na téma: "PŘEDNÁŠKA 3 Jiří Šebesta MRAR – Radiolokační a radionavigační systémy"— Transkript prezentace:

Podobné prezentace

O projektu

Kontaktní formulář