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
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
A korszerű érzékelés fejlődése megköveteli a megfigyelések szabadságfokának (DOF Degree Of Freedom) folyamatos növelését. 3
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
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
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
Az új koncepciók az intelligens érzékelők hálózatalapú, különböző platformokon való megalkotását jelenti. 7
Az új érzékelők rugalmasan alkalmazkodhatnak a megváltozott környezeti elvárásokhoz/körülményekhez. 8
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
A rendszerelemek átveszik a természet által évmilliók alatt tökéletesre fejlesztett megoldásokat. 10
A legfontosabb motiváció a drága és költségesen fenntartható eszközök olcsó drónokkal történő leváltása. 11
A tudás alapú érzékelők kihasználják a környezetünkről már rendelkezésre álló a priori információk nyújtotta lehetőségeket. 12
A jelfeldolgozás hatékonysága elvárja a környezetünkben található érzékelők működési paramétereinek elvárt pontosságú ismeretét. 13
A jövőben korszerűnek számító Kognetiv érzékelők a jelenleginél hatékonyabb adaptív rendszerekkel és tudás alapon feljavított jel visszacsatolásokkal rendelkeznek. 14
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
A légtérellenőrzés központi eleme az útvonal képzés és fenntartás. (Ellenséges katonai rendszerek esetén ezt kell bénítani, illetve megtéveszteni.) 16
A több célt párhuzamosan követő útvonal képzés módszereinek újragondolása. 17
Az útvonalak egyesítése új módszerek alkalmazását várja el. 18
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
A drónok manőverező képessége meghaladta azt a határt, melyet a jelenlegi polgári rendszerek még képesek hatékonyan kezelni. 20
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
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
A bi statikus rendszerek legnagyobb előnye, hogy az adórendszer üzemeltetése máshol történik, így a vétel rejtve pl. egy UAV fedélzetére is telepíthető. 23
Ki kell használni a COFDM kód előállítás nyújtotta előnyöket. 24
A hátrányok leküzdéséhez hálózati rendszer alkalmazások és kifinomult Doppler frekvencia mérés szükséges. 25
Alkalmazása a fő légtérellenőrző rendszerek kiegészítő elemeiként. 26
Néhány alkalmazási példa. 27
Mérési eredmények bizonyítják a pontos doppler sebesség meghatározásban rejlő lehetőségek kihasználhatóságát. 28
Alacsony magasságon repülő eszközök detektálására a Digitális DVB T rendszerek a legígéretesebbek. 29
A fázisvezérelt rácsantennák (továbbiakban: fázisrács antenna) elterjedésének oka, hogy a nyaláb mozgatás szabadságfoka a gyorsan változó feladatokhoz alkalmazkodva rugalmas. 30
A fázisrács antenna nyaláb főbb jellemzői. 31
Az első fázisrács antennát a németek építették rádió iránymérési célokra. 32
USA VHF m radar a WII ban. Vivőfrekvenciája 106 MHz. 33
Magyar VHF radar. Vivőfrekvenciája 120 MHz és először alkalmaz jelintegrálást. 34
Az antennarendszerek fejlődésének iránya az analóg rendszerektől a minél teljesebb nagyon nagy sebességű digitalizálás irányába mutat. 35
A digitális felépítésű radarok előnyei koherens jelfeldolgozással maximalizálhatók. 36
A következő generációs radarok, digitális nyaláb formálással, megnövelt dinamika tartománnyal és zavar elnyomással rendelkeznek, melyet az egyszerűen megvalósítható rendszer kalibrálás tesz lehetővé. 37
A megvalósítás költségei miatt a nyaláb kialakításban az alrendszerek kevert elrendezése dominál. 38
A rácsantenna alrendszerek legfontosabb performanciáit a nyalábok átfedési együtthatója határozza meg. 39
A széles frekvencia tartományban alkalmazható irány karakterisztikákhoz nagy átfedési együtthatót kell alkalmazni az oldalnyaláb szintek minimalizálásával. 40
A korszerű radarokban a jelkorreláció nagyságát a jelelőállítás tisztasága és hatékony megvalósíthatósága határozza meg. 41
Az analóg front end elemeken kívül a korszerű radarok tisztán szoftver, digitális felépítésűek. 42
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
A rádiólokátorokban alkalmazott adó vevő moduloknak öt műszaki elvárásnak kell megfelelniük. 44
A hasított cső tápvonalak alkalmazása még napjainkban is széleskörűen elterjedt. 45
Akeskenysávú dipól és a széles sávban is alkalmazható Vivaldi antenna elemekbőlépített fázis antennák. 46
A ballonra vagy léghajóra telepített radarok új nemzedékének prototípusa a spirál antenna elemekben rejlő lehetőségeket kutatja.. 47
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
A Chilében kiépülő rádióasztronómiai célokat szolgáló fázisantenna egy elemének átmérője 12 m nagyságú. 49
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
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
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
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
A rotor moduláció egyszerű eszközökkel megvalósított szimulációja. 54
A szélmalom energia termelő farmok által jelentkező veszélyek csökkentésére alacsony költséggel megvalósítható passzív radar rendszereket is alkalmaznak. 55
A MIMO radarok előnye, hogy a rendszer komplexitásának növelésével csökkenthetők az antennarendszerek méretei, vagy azonos méretek mellett növelhető a felbontás. 56
A MIMO rendszerek alkalmazására példa a folyóvölgyek rejtett légtérellenőrzése. 57
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
A Szintetikus Apertúrájú Rádiólokáció nélkülözhetetlen eleme a korszerű távérzékelésnek pl. mezőgazdaságban és katasztrófa elhárításban. 59
A SAR VHF frekvenciatartomány előnye pl. az erdők aljnövényzetében található eltérő visszaverő radar keresztmetszettel rendelkező tárgyak (pl. elveszett biciklik) kimutatása. 60
Az interferometrikus SAR képes kihasználni a vett két azonos kép között jelentkező fázis különbségeket. 3D s képalkotás. 61
A többszörös hullámterjedés is kihasználható Interferometrikus SAR rendszerekkel. Pl. VHF radar rendszerek alkalmazásával. 62
A radarok performanciájának in situ mérésekkel való ellenőrzése alapvető elvárás és kiterjed a radar élettartam ciklusának meghatározására. 63
Az in situ mérések költséghatékony kivitelezése, az adatok kiértékelése a mérnöki megoldásokon túlmutató tudományos feladat. 64
Az elvégzendő tesztek kiegészítik és átfedik egymás eredményeit. Számuk és fontossági sorrendjük radar típusonként változik. 65
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
Irány karakterisztikák mérésére példa az antenna felületen a közel térben (jobb oldali képen) és a távoltérben (baloldali képen) bemutatott megoldások. 67
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
Körpalás mentén közel téri mérés esetére szimulált (baloldal) és mért (jobboldal) valós eredmények. 69
Holografikus eredmények a szimulált (baloldal) és valós (jobboldal) mérési adatokkal. 70
A kompresszív érzékelés módszereinek alkalmazása a radar technológiákban gyorsan terjed. 71
Az iker rádiólokáció előnyei bemutatásának struktúrája. 72
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
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
A VHF frekvencia tartományban (a rádió navigációs célokra fenntartott 210 Hz n) is található alkalmazás az iker rádiólokációra. 75
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
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
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
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
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
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
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
Új kutatási terület a VHF és az S (L) sávban üzemelő radarok iker szinkron működési lehetőségeiben rejlő előnyök feltárása és rendszereinkben való alkalmazása. 83
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
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
A javasolt rendszer kihasználja a meglévő rendszer nyújtotta infrastruktúra és logisztika előnyeit. 86
Felhasznált és atémához kapcsolódó irodalmak. 87
88
89
Témák, melyekre társtéma felelősként is szívesen várom az érdeklődő kutatókat. 90