Radar szumowy

Radar szumowy – radar wykorzystujący do mikrofalowego „oświetlania” wykrywanych obiektów sygnał szumowy generowany przez własny nadajnik. Radar szumowy pracuje zwykle z falą ciągłą i do emisji sygnału oświetlającego wykorzystuje zwykle oddzielną antenę. Antena ta może być umieszczona w pobliżu anteny odbiorczej (np. nad nią lub tuż obok niej – w konfiguracji monostatycznej) lub w innym miejscu niż antena odbiorcza (konfiguracja bistatyczna).

Obecnie radary szumowe są w świecie nauki w stadium badawczo-eksperymentalnym i nie mają jeszcze znaczenia praktycznego^{[potrzebny przypis]}. Jednak posiadają wiele interesujących cech: są prawie niewykrywalne, nie zakłócają w istotny sposób pracy innych urządzeń, pozwalają na precyzyjne określanie nie tylko położenia i prędkości obiektu, ale również jego istotnych cech, np. kształtu (dzięki technice ISAR – odwrotnej do techniki SAR). Radar szumowy o mocy sygnału nadawanego rzędu 100 mW pozwala na wykrywanie obiektów ruchomych w odległości kilku kilometrów.

Zasada działania

Sygnał odbity od obiektu ruchomego jest opóźnioną, osłabioną i przesuniętą w częstotliwości kopią sygnału nadawanego. Opóźnienie czasowe wynika z konieczności przejścia fali elektromagnetycznej na drodze radar-obiekt-radar i wynosi $t={\tfrac {2R}{c}},$ gdzie R jest odległością obiektu od radaru, zaś c jest prędkością światła. Przesunięcie częstotliwościowe sygnału odebranego jest proporcjonalne do prędkości obiektu względem radaru (prędkości radialnej) i wynika z efektu Dopplera. Wartość przesunięcia to $f={\tfrac {2vF}{c}}$ gdzie v jest prędkością radialną, zaś F jest częstotliwością nośną sygnału szumowego wysyłanego przez radar. Radar szumowy zwykle ma długi czas oświetlenia obserwowanych obiektów, a zatem może być zastosowany do obserwacji i wykrywania efektów mikrodopplerowskich wynikających z drgań własnych obiektów (np. spowodowanych pracą silnika, przekładni, rotorów, turbin), a analiza widma mikrodopplerowskiego pozwala na rekonstrukcję drgań mechanicznych (akustycznych) rozchodzących się na powierzchni obserwowanego obiektu^[a]^[1].

Do wykrycia obiektu w radarze szumowym konieczne jest wykrycie kopii nadawanego sygnału w sygnale odbieranym. W tym celu wyznacza się funkcję niejednoznaczności wzajemnej pomiędzy sygnałem nadawanym a sygnałem odbitym i wykrywa maksima tej funkcji. W celu usunięcia sygnału bezpośredniego (przecieku pomiędzy anteną nadawczą i odbiorczą) przed wyznaczeniem funkcji niejednoznaczności wzajemnej stosuje się filtrację adaptacyjną.

Badania

Badania nad radarami szumowymi prowadzi się w wielu ośrodkach naukowych w USA, Szwecji, Australii, Polsce, na Ukrainie, we Włoszech i innych krajach. Bada się możliwości zastosowania sygnałów szumowych do wykrywania obiektów ruchomych, do sporządzania obrazów radarowych, do obserwacji „przez ścianę” itp.

Uwagi

↑ Jest tak, ponieważ prędkość i dźwięk mają wspólne składowe częstotliwościowe. Dźwięk rejestruje się jako położenie np. membrany głośnika, wychylonej w jedną lub drugą stronę w określonym stopniu, co można zapisać w postaci przebiegu czasowego albo widma częstotliwości. Natomiast prędkość chwilowa drgającego elementu, jako funkcja pochodna jego położenia w czasie, pozwala odtworzyć składniki sygnału (zob. pochodne funkcji sinus i cosinus). Bardzo dokładnie stwierdzona prędkość (przesunięcie Dopplera) niesie zatem informację o dźwięku. W ten sam sposób, również przez interpretowanie przesunięć Dopplera, rekonstruują dźwięk mikrofony laserowe (przykładowy patent podaje: „the signal beam which experiences a Doppler frequency shift directly analogous with the sound waves” – „wiązka sygnałowa, która doświadcza dopplerowskiego przesunięcia częstotliwości bezpośrednio analogicznego z falami dźwiękowymi”).

Przypisy

↑ Jerry L. Eaves, Edward K. Reedy: Principles of Modern Radar. Springer 2011, s. 605, Audio Output (Wyjście dźwiękowe). Tekst online (ang.).

Bibliografia

Axelsson, S.R.J. (2000). On the Theory of Noise Doppler Radar, Geoscience and Remote Sensing Symposium Proceedings 2000, s. 856–860, Honolulu, USA.
Lukin, K.A. (2002). The Principles of Noise Radar Technology, First International Workshop on the Noise Radar Technology, NTRW’2002 Proceedings, s. 13–22, Yalta, Ukraine.
Bell D.C., Naryanan R.M. (2001). Theoretical Aspects of Radar Imaging Using Stohastic Waveforms, IEEE Trans. on Signal Processing, Vol. 49, No. 2, s. 394–400.
Guosui L., Xiangquan S., Jinhui L., Guoyu Y., Yaoliang S. (1991). Design of noise FW-CW radar and its implementation, Proc. Inst. Elect. Eng. Radar Signal Process., Vol. 138, No. 5, s. 420–426.
Kulpa K., Czekała Z., Smolarczyk M., Long-Time-Integration Surveillance Noise Radar, First International Workshop On The Noise Radar Technology (NRTW 2002), Yalta, Crimea, Ukraine, September 18–20, 2002, s. 238–243.
Kulpa K., Czekała Z.: Short Distance Clutter Masking Effects in Noise Radars. Proceedings of the International Conference on the Noise Radar Technology. Kharkiv, Ukraine, 21–23 October 2003.
Kulpa K., Space Noise Synthetic Aperture Radar Proceedings of SPIE: Photonics Applications in Astronomy, Communications, Research and High Energy Physics Experiments. 2006. z. 6159, cz. IV. s. 61591I-1--61591I-8.
Narayanan R.M., Dawood M. (2000). Doppler estimation using a coherent ultra wide-band random noise radar, IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. 48, s. 868–878.
Kulpa Krzysztof: Signal Processing in Noise Waveform Radar, 2013, Artech House, ISBN 978-1-60807-661-1.

Linki zewnętrzne

[1] Jest tak, ponieważ prędkość i dźwięk mają wspólne składowe częstotliwościowe. Dźwięk rejestruje się jako położenie np. membrany głośnika, wychylonej w jedną lub drugą stronę w określonym stopniu, co można zapisać w postaci przebiegu czasowego albo widma częstotliwości. Natomiast prędkość chwilowa drgającego elementu, jako funkcja pochodna jego położenia w czasie, pozwala odtworzyć składniki sygnału (zob. pochodne funkcji sinus i cosinus). Bardzo dokładnie stwierdzona prędkość (przesunięcie Dopplera) niesie zatem informację o dźwięku. W ten sam sposób, również przez interpretowanie przesunięć Dopplera, rekonstruują dźwięk mikrofony laserowe (przykładowy patent podaje: „the signal beam which experiences a Doppler frequency shift directly analogous with the sound waves” – „wiązka sygnałowa, która doświadcza dopplerowskiego przesunięcia częstotliwości bezpośrednio analogicznego z falami dźwiękowymi”).

[2] Jerry L. Eaves, Edward K. Reedy: Principles of Modern Radar. Springer 2011, s. 605, Audio Output (Wyjście dźwiękowe). Tekst online (ang.).

[a]

[1]