A rádiólokációval kapcsolatos felhasználói követelmények gazdaságos megvalósítása kikényszeríti az iker megoldások elterjedését.

Átírás

1 A rádiólokációval kapcsolatos felhasználói követelmények gazdaságos megvalósítása kikényszeríti az iker megoldások elterjedését. Napjainkig az elv megvalósításának legnagyobb akadálya a költséghatékonyság alacsony szintje (?), az új szoftver alapú fejlesztés és kiszolgálás következtében folyamatosan javul és az elv alkalmazói számára egyre kedvezőbbé válik. 1

2 Az előadás céljai: Áttekintés a legújabb radar fejlesztések eredményeiről és irányairól, Felhívni a figyelmet azokra a területekre, melyek a hazai mérnökök, kutatók számára is fontosak lehetnek, Felhívni a figyelmet a nagy értékű haditechnikai eszközök oktatás területén történő hasznosíthatóságára, Alacsony költséggel megvalósítható, nemzetközi publikációra alkalmas feladatok bemutatása. 2

3 A korszerű érzékelés fejlődése megköveteli a megfigyelések szabadságfokának (DOF Degree Of Freedom) folyamatos növelését. 3

4 Eddig miért nem sikerült megoldani a problémákat? Főbb okok: A jelek leírása nem pontos a detektálás és a becslések szempontjából. A különféle jelalakok alkalmazása folyamatosan bővül és változásának dinamikája gyorsul. Az alkalmazott légtér nagysága az autópályák szintjétőla Földet körülvevő 500 km s alacsonypályás műholdak magasságáig terjed. A fejlesztők miközben egy feladat megoldására koncentrálnak elhanyagolják a rendszer egészének áttekintésével kapcsolatos elvárásokat. 4

5 A fejlődés napjainkra eljutott a vezeték nélküli kommunikációs hálózatok kínálta eszközök minél teljesebb kihasználásáig. Mai ismereteink szerint ennek legolcsóbban megvalósítható eszközrendszere a MIMO koncepciók alkalmazásában rejlik. Előnyeik miatt valószínűsíthető a koherens jelfeldolgozáson alapuló iker radarok széleskörű elterjedése. 5

6 A mai rendszerek hiányosságai: Jól behatárolt követelmények és nem a képességek kerültek/kerülnek kidolgozásra. A katonai alkalmazók nem ismerik az új műszaki lehetőségeket, a gyártók csak azt ajánlják fel aminek gyártásában jók és profitot látnak. A fejlesztési idők elhúzódása következtében nincs lehetőség a rendszerek teljes koncepcióváltására. 6

7 Az új koncepciók az intelligens érzékelők hálózatalapú, különböző platformokon való megalkotását jelenti. 7

8 Az új érzékelők rugalmasan alkalmazkodhatnak a megváltozott környezeti elvárásokhoz/körülményekhez. 8

9 A cél a tudás alapú jelfeldolgozás, a vezeték nélküli hálózatok, a robotika és az internet alkotta lehetőségek ötvözése, a folyamatosan fejleszthető és bővíthető érzékelő rendszerek kifejlesztése. 9

10 A rendszerelemek átveszik a természet által évmilliók alatt tökéletesre fejlesztett megoldásokat. 10

11 A legfontosabb motiváció a drága és költségesen fenntartható eszközök olcsó drónokkal történő leváltása. 11

12 A tudás alapú érzékelők kihasználják a környezetünkről már rendelkezésre álló a priori információk nyújtotta lehetőségeket. 12

13 A jelfeldolgozás hatékonysága elvárja a környezetünkben található érzékelők működési paramétereinek elvárt pontosságú ismeretét. 13

14 A jövőben korszerűnek számító Kognetiv érzékelők a jelenleginél hatékonyabb adaptív rendszerekkel és tudás alapon feljavított jel visszacsatolásokkal rendelkeznek. 14

15 A repülő eszközökben alkalmazható műszaki megoldások kiegészülnek a lopakodó képességek passzív (alak, meta anyagok) elemein túl az aktív (plazma, vagy a vett radar impulzussal megegyező teljesítményű, de ellentétes fázisban kisugárzott jelek) módszerek alkalmazásával és széleskörű elterjedésével. 15

16 A légtérellenőrzés központi eleme az útvonal képzés és fenntartás. (Ellenséges katonai rendszerek esetén ezt kell bénítani, illetve megtéveszteni.) 16

17 A több célt párhuzamosan követő útvonal képzés módszereinek újragondolása. 17

18 Az útvonalak egyesítése új módszerek alkalmazását várja el. 18

19 A polgári légtérellenőrzés kihívásai jelentősen nőnek: A meglévő pl. az évente 2 milliárd USD kárt okozó madarak mellett előtérbe kerülnek a polgári alkalmazású drónok. A meglévő primer radar rendszer elavul és üzemeltetése, logisztikája költséges/nehezen biztosítható. 19

20 A drónok manőverező képessége meghaladta azt a határt, melyet a jelenlegi polgári rendszerek még képesek hatékonyan kezelni. 20

21 Az adatfrissítési (plot) idő biztosítása összetett és körülményes mivel a mérési eredmények a környezettől és az érzékelő eszköztől is függnek. Ezért a radar performanciákat az élettartam során folyamatosan ellenőrizni kell. 21

22 A radarok csoportosítása: Mono vagy Gausi monostatikus, Bi statikus (az antennák által bezárt bi statikus szög nagyobb mint 3 5 fok), Multi statikus az előző két megoldás kombinációja. 22

23 A bi statikus rendszerek legnagyobb előnye, hogy az adórendszer üzemeltetése máshol történik, így a vétel rejtve pl. egy UAV fedélzetére is telepíthető. 23

24 Ki kell használni a COFDM kód előállítás nyújtotta előnyöket. 24

25 A hátrányok leküzdéséhez hálózati rendszer alkalmazások és kifinomult Doppler frekvencia mérés szükséges. 25

26 Alkalmazása a fő légtérellenőrző rendszerek kiegészítő elemeiként. 26

27 Néhány alkalmazási példa. 27

28 Mérési eredmények bizonyítják a pontos doppler sebesség meghatározásban rejlő lehetőségek kihasználhatóságát. 28

29 Alacsony magasságon repülő eszközök detektálására a Digitális DVB T rendszerek a legígéretesebbek. 29

30 A fázisvezérelt rácsantennák (továbbiakban: fázisrács antenna) elterjedésének oka, hogy a nyaláb mozgatás szabadságfoka a gyorsan változó feladatokhoz alkalmazkodva rugalmas. 30

31 A fázisrács antenna nyaláb főbb jellemzői. 31

32 Az első fázisrács antennát a németek építették rádió iránymérési célokra. 32

33 USA VHF m radar a WII ban. Vivőfrekvenciája 106 MHz. 33

34 Magyar VHF radar. Vivőfrekvenciája 120 MHz és először alkalmaz jelintegrálást. 34

35 Az antennarendszerek fejlődésének iránya az analóg rendszerektől a minél teljesebb nagyon nagy sebességű digitalizálás irányába mutat. 35

36 A digitális felépítésű radarok előnyei koherens jelfeldolgozással maximalizálhatók. 36

37 A következő generációs radarok, digitális nyaláb formálással, megnövelt dinamika tartománnyal és zavar elnyomással rendelkeznek, melyet az egyszerűen megvalósítható rendszer kalibrálás tesz lehetővé. 37

38 A megvalósítás költségei miatt a nyaláb kialakításban az alrendszerek kevert elrendezése dominál. 38

39 A rácsantenna alrendszerek legfontosabb performanciáit a nyalábok átfedési együtthatója határozza meg. 39

40 A széles frekvencia tartományban alkalmazható irány karakterisztikákhoz nagy átfedési együtthatót kell alkalmazni az oldalnyaláb szintek minimalizálásával. 40

41 A korszerű radarokban a jelkorreláció nagyságát a jelelőállítás tisztasága és hatékony megvalósíthatósága határozza meg. 41

42 Az analóg front end elemeken kívül a korszerű radarok tisztán szoftver, digitális felépítésűek. 42

43 Ma a 4 k generációs radarok alkalmazásánál tartunk. Ez utóbbiak nagy valószínűséggel nem észlelhető jelalakokat használnak, ahol a radar impulzus teljesítménye 10 db lel alatta lehet a környezet átlag elektro mágneses zajteljesítményének. 43

44 A rádiólokátorokban alkalmazott adó vevő moduloknak öt műszaki elvárásnak kell megfelelniük. 44

45 A hasított cső tápvonalak alkalmazása még napjainkban is széleskörűen elterjedt. 45

46 Akeskenysávú dipól és a széles sávban is alkalmazható Vivaldi antenna elemekbőlépített fázis antennák. 46

47 A ballonra vagy léghajóra telepített radarok új nemzedékének prototípusa a spirál antenna elemekben rejlő lehetőségeket kutatja.. 47

48 Az X sávban üzemelő tengeren mozgatható SBX radarok 2000 km távolságban kell, hogy detektáljanak több egymástól távol mozgó rögbi labda nagyságú céltárgyat. A performanciák elméletileg megduplázhatók két radar iker üzemmódban történő alkalmazásával. 48

49 A Chilében kiépülő rádióasztronómiai célokat szolgáló fázisantenna egy elemének átmérője 12 m nagyságú. 49

50 150x150 km nagyságú a Dél Afrikában és Ausztráliában épül, e jelenlegi rendszereknél legalább 50 szer érzékenyebb és nagyobb felbontású több hullámtartományt párhuzamosan pásztázó fázis antenna. Miért éri meg ilyen nagy antennákat építeni? 50

51 A kaliforniai Halál völgyében a kiöregedett rádió /kommunikációs/radar érzékelési feladatokat is ellátó teleszkópokat az állam tartja fent, de lehetőséget biztosít gyerekek számára kutatási feladatok ellátására. A hozzáférés és a rendszerek irányítása interneten keresztül általuk történik. 51

52 A Magyarországon elfekvő haditechnikai készleteket részben fel lehetne használni oktatási és kutatási célokra. Bizonyos társadalmi rétegek (pl. rádióamatőrök) érdeklődését felkeltve izgalmas kutatásra, valamint a kapott eredményeknek az oktatásban való hasznosítására nyílik lehetőség, pl. a Hold mint visszaverő felület, a passzív rádiólokáció (ahol a Nap az energiaforrás) a korszerű világűrkutatás, a sötét anyag és/vagy energia viselkedésének mérése révén. A lehetőségek érzékelésére a képen látható két K1 radar antenna az X sávban több mint 50 db antenna erősítéssel és két hasonló antenna közötti legalább 60 db s izolációval rendelkezik. 52

53 Az előző képen látható radar évtizedeken keresztül biztosította a magyar légtérbe berepülő nem együttműködő repülő eszközök azonosítását újlenyomat képek alapján. Működésének alapja a repülő eszköz különböző részei által keltett rezgések spektrumának mérése. A rezgések által keltett Doppler frekvencia változás legmarkánsabb összetevője a rotorok által modulált jelek mérésében jelentkezik. 53

54 A rotor moduláció egyszerű eszközökkel megvalósított szimulációja. 54

55 A szélmalom energia termelő farmok által jelentkező veszélyek csökkentésére alacsony költséggel megvalósítható passzív radar rendszereket is alkalmaznak. 55

56 A MIMO radarok előnye, hogy a rendszer komplexitásának növelésével csökkenthetők az antennarendszerek méretei, vagy azonos méretek mellett növelhető a felbontás. 56

57 A MIMO rendszerek alkalmazására példa a folyóvölgyek rejtett légtérellenőrzése. 57

58 Kiemelten fontos alkalmazási terület a víz felszín közelében repülő eszközök HORIZONTON TÚLI detektálása, mely Magyarország esetén a Duna völgyében történő repülések ellenőrzését minimális eszközráfordításokkal megoldhatja. 58

59 A Szintetikus Apertúrájú Rádiólokáció nélkülözhetetlen eleme a korszerű távérzékelésnek pl. mezőgazdaságban és katasztrófa elhárításban. 59

60 A SAR VHF frekvenciatartomány előnye pl. az erdők aljnövényzetében található eltérő visszaverő radar keresztmetszettel rendelkező tárgyak (pl. elveszett biciklik) kimutatása. 60

61 Az interferometrikus SAR képes kihasználni a vett két azonos kép között jelentkező fázis különbségeket. 3D s képalkotás. 61

62 A többszörös hullámterjedés is kihasználható Interferometrikus SAR rendszerekkel. Pl. VHF radar rendszerek alkalmazásával. 62

63 A radarok performanciájának in situ mérésekkel való ellenőrzése alapvető elvárás és kiterjed a radar élettartam ciklusának meghatározására. 63

64 Az in situ mérések költséghatékony kivitelezése, az adatok kiértékelése a mérnöki megoldásokon túlmutató tudományos feladat. 64

65 Az elvégzendő tesztek kiegészítik és átfedik egymás eredményeit. Számuk és fontossági sorrendjük radar típusonként változik. 65

66 Az antenna irány karakterisztikák mérése a fizikai folyamatok ismeretében a közel térben és a távoltérben hajtható végre. Az ábra számítási eredményei egy átlagos polgári SSR radarra vonatkoznak. 66

67 Irány karakterisztikák mérésére példa az antenna felületen a közel térben (jobb oldali képen) és a távoltérben (baloldali képen) bemutatott megoldások. 67

68 Mérési környezet körpalás mentén közel téri mérés esetén. (bal oldali kép) A távoltéri irány karakterisztikák meghatározása FFT számítások alkalmazásával valósul meg. (jobb oldali kép) 68

69 Körpalás mentén közel téri mérés esetére szimulált (baloldal) és mért (jobboldal) valós eredmények. 69

70 Holografikus eredmények a szimulált (baloldal) és valós (jobboldal) mérési adatokkal. 70

71 A kompresszív érzékelés módszereinek alkalmazása a radar technológiákban gyorsan terjed. 71

72 Az iker rádiólokáció előnyei bemutatásának struktúrája. 72

73 A radarok antenna/adó/vételi és jelfeldolgozó rendszerei elérték a gazdaságosan megvalósítható méreteket és paramétereket. Ezek növelése a költségek exponenciális növekedésével járnak. A megoldás a radarok hálózatba kapcsolása oly módon, hogy biztosítható legyen a jelkorreláció nyújtotta előnyök kihasználása. Ez akkor oldható meg, ha a bi statikus szög a két radar antenna és a céltárgy között kisebb mint 0.3 fok és az antennák egymáshoz viszonyított távolsága a távoltári távolságon belülre esik. Ezáltal a rendszer céltárgy detekcióra vonatkozó performancia állandó minden irányban. 73

74 Történelmileg a legjelentősebb iker radar a K 66 komplexum, melyből Magyarország 2 és fél rendszert vásárolt. (Az érdi rendszer korszerűsítésre került az 1990 s évek elején.) 74

75 A VHF frekvencia tartományban (a rádió navigációs célokra fenntartott 210 Hz n) is található alkalmazás az iker rádiólokációra. 75

76 Az S, L és a VHF radar performanciákat hasonlítja össze a táblázat különböző céltárgyak fluktuációjára és méretére vonatkozóan. Az S és L sávú radarok esetén a többszörös hullámterjedés zavaró tényező, míg a VHF radar kihasználja ezt. Az alacsonyabb céltárgy fluktuáció miatt a VHF radarok számára elfogadott az alacsonyabb detekciós valószínűségi elvárások alkalmazása, szemben a magasabb frekvenciákon üzemelő radarokkal, melyek számára ez a jelenség jelfluktuációs veszteség. 76

77 További céltárgy hatótávolság növekedés érhető el a vaklárma és céltárgy detektálási valószínűségek változtatásával. Mono radarok performanciák meghatározásához az antenna nyereségeket (adásra és vételre) azonosra választottam az S és L sávban, míg ezek az értékek (valósághűen) lényegesen alacsonyabbak a VHF sávban. 77

78 Az iker radar performanciáját mutatja a táblázat A teljesítmény növekedés 9dB, és kb. 67% a hatótávolság növekedés. A VHF radar antennája a 6 db es (3 db adó és 3 vételi ) antennanyereség által elérhető hatótávolság növekedést szemléltet. 78

79 Az iker radar vételi és céltárgy detektálási blokk diagramja látható az ábrán. A céltárgydetektálás modelljei napjainkra elérték a valósághű eredmények reprodukálhatóságát. A legígéretesebb modellek a kszi négyzetes K kétszeres szabadságfokú eloszlás függvényeken alapulnak. Ezek alkalmazhatósága megköveteli három elvárás teljesülését. Az elvárások teljesíthetőségének legnagyobb akadálya, a távoltéri irány karakterisztika kialakulásán belül elhelyezkedő az antenna rendszerek egymásra hatásának folyamatos változása. 79

80 Az iker rádiólokáció további előnye a vett jelek számának megduplázódása,mely a Pd és Pfa jelentős javulásával jár. Vegyük észre, hogy a Pd és a Pfa változása nem lineáris a vevőrendszer működési görbéje mentén. 80

81 Több küszöb párhuzamos alkalmazása lehetővé teszi a útvonal képzés/fenntartás és a nem együttműködő céltárgy azonosítás valószínűségének növelését. A módszert az 1990 s elején a magyar radar plot extraktorokban sikerrel alkalmaztuk. 81

82 Passzív rádiólokációs mérések végzése az 1990 s évek elején. A fő cél a repülőgépek VHF sávú levegő föld kommunikációs és a fedélzeti válaszadó jeleinek követése. 82

83 Új kutatási terület a VHF és az S (L) sávban üzemelő radarok iker szinkron működési lehetőségeiben rejlő előnyök feltárása és rendszereinkben való alkalmazása. 83

84 Az iker radar rendszer polgári környezetben történő alkalmazásakor megőrizhetők a vezetési rendszer által bevált plot/útvonal képzésen alapuló módszerek előnyei. Jelfeldolgozó központok beiktatásával kihasználható a jelek integrálásával keletkező jelzaj(zavar) javulás. Az ábrán fix egységként jelölt rendszer elemek a napjainkban is meglévő radarokat jelölik. A mobil eszközök az iker megvalósításhoz szükséges kiegészítések. A mobil radarok képesek mono, egymáshoz képest késleltetett és iker működésre is, így katasztrófa sújtotta területek légtérellenérzése az elvárások szerint modulárisan bővíthető. A rendszer szerves részei a passzív és az iker interferometrikus elven működő SAR rendszerek. A rendszer közepén található az megfigyelés szabadságfokát növelő jeladattömb. A céltárgydetektálás növekedés köztes lehetőségeit (a becsült veszteségek figyelembevételével) szemlélteti az ábra alsó része. 84

85 A legfontosabb következtetések magukban foglalják az alacsony magassági tartományokban kis radar hatásos keresztmetszettel és nagy manőverező képességgel rendelkező céltárgyakra vonatkoztatott radar rendszer performancia (céltárgy detektálás) megduplázását. 85

86 A javasolt rendszer kihasználja a meglévő rendszer nyújtotta infrastruktúra és logisztika előnyeit. 86

87 Felhasznált és atémához kapcsolódó irodalmak. 87

88 88

89 89

90 Témák, melyekre társtéma felelősként is szívesen várom az érdeklődő kutatókat. 90