Metody przeszukiwania przestrzeni oraz fizyczne zasady
Transkrypt
Metody przeszukiwania przestrzeni oraz fizyczne zasady
PODSTAWY TELEDETEKCJI-ćwiczenia rachunkowe Temat 1. Metody przeszukiwania przestrzeni oraz fizyczne zasady wykrywania obiektów. Zadanie1. Obliczyć okres obserwacji radaru realizującego dookólne przeszukiwanie przestrzeni oraz liczbę impulsów oświetlających cel punktowy za jeden obrót anteny dla następujących danych: częstotliwość obrotów anteny f A = 12 obr/min, szerokość charakterystyki antenowej w azymucie Θ α = 2,7 0 , częstotliwość powtarzania impulsów sondujących F p = 600 Hz. T obs = 60 60 otrzymujemy =5s fA 12 Tobs otrzymujemy w [s] jeśli fA podstawiamy w [ obr / min ] t opr = θa Ωa = θa 6 fA 2,7 0 otrzymujemy =0,037[s] 6 ⋅ 12obr / min Liczbę impulsów w paczce znajdujemy z wyrażenia: n = t opr ⋅ F p = 0.037 s ⋅ 600[1 / s ] = 22 Odp.22impulsy Zadanie 2. Antena radaru obraca się z prędkością 6obr/min. Szerokość charakterystyki antenowej w płaszczyźnie azymutu θ a = 10 . Określić odległość Rmax wynikającą z jednoznacznego pomiaru odległości, przy której cel jest opromieniowany nie mniej niż 10-cioma impulsami. Odp.416km Zadanie3. Obliczyć czas opromieniowania obiektu punktowego i liczbę odebranych impulsów jeśli radar ma antenę o wiązce w kształcie symetrycznego cygara o szerokości Θ az = Θ el = 30 i realizuje przeszukiwanie sektorowe w strefie ograniczonej kątami: w azymucie Φ az = 900, w elewacji Φ el = 250. Okres obserwacji Tobs = 2[s] , a częstotliwość powtarzania radaru Fp = 2000 Hz. Korzystając z wyrażenia : Tobs = t opr φ az ⋅ φ el , otrzymujemy 16 impulsów. θ a ⋅θe Odp: 16 impulsów Zadanie 4. Radar realizujący metodę przeszukiwania przestrzeni typu rastru telewizyjnego posiada następujące parametry techniczne: szerokość charakterystyki antenowej w azymucie Θ a = 2,50, w elewacji Θ e =40, sektor przeszukiwania w płaszczyźnie azymutu α a =400, w płaszczyźnie elewacji β e =300, czas obserwacji sektora Tobs= 5[s]. Obliczyć częstotliwość 1 powtarzania impulsów Fp przy założeniu, że wykrywany obiekt powinien być opromieniowany przynajmniej 10-cioma impulsami. Zależności: ilość linii w rastrze N = β e / θ e ; czas przeszukiwania jednej linii T A = Tobs / N ; prędkość kątowa przeszukiwania w płaszczyźnie azymutu Ω a = α A / TA ; czas opromieniowania t opr = θ a / Ω a Liczba impulsów w paczce n = t opr ⋅ F p Odp.257Hz. Zadanie 5. Radar realizuje przeszukiwanie metodą rastru telewizyjnego. Obliczyć szerokość sektora w azymucie α A przy następujących parametrach radaru: sektor przeszukiwania w płaszczyźnie elewacji β e = 240, szerokość charakterystyki antenowej w płaszczyźnie azymutu Θ A = 30, w płaszczyźnie elewacji Θ e =30, częstotliwość powtarzania radaru F p = 400 Hz, czas przeszukiwania rastrowego Tobs = 10 s. Cel powinien być oświetlony przynajmniej 12-toma impulsami. Odp. α A = 1250 Zadanie 6 Radar kontroli ruchu lotniczego ma płaską wiązkę antenową w azymucie o szerokości Θ az = 10 . Antena obraca się z prędkością fA= 6obr/min. Obliczyć czas opromieniowania oraz liczbę odebranych impulsów, jeśli częstotliwość ich powtarzania wynosi Fp= 500Hz. Odp: 14 impulsów Zadanie 7. Radar realizuje elektroniczne częstotliwościowe przeszukiwanie przestrzeni w płaszczyźnie elewacji poprzez zmianę częstotliwości generowanych drgań według zależności : f (t ) = f 0 + Δf t T dla t ∈ [0, T ] gdzie: f0 = 3.109Hz ; Δf = 3.107Hz ; T = 1s. Wyznaczyć czas promieniowania celu, jeżeli pasmo przenoszenia jednego kanału odbiornika wynosi ΔFk = 3MHz. Wyrażenia opisujące częstotliwościową metodę przeszukiwania przestrzeni: - Szybkość zmian częstotliwości v f = df (t ) ; dt 2 f + ΔFk ∫ - Czas opromieniowania obiektu t opr = f ΔFk - Czas opromieniowania obiektu t opr = νf df (t ) przy zmiennej szybkości zmian f; ν f (f ) przy stałej szybkości zmian częstotliwości Odp. 0.1s Zadanie 8. W radarze zastosowano elektroniczną metodę przeszukiwania w płaszczyźnie elewacji, natomiast mechaniczną w płaszczyźnie azymutu. Obliczyć czas opromieniowania obiektu, jeśli przesunięcie fazy w dwóch kolejnych elementach promieniujących zmienia się z prędkością dΦ / dt = 11 rad / s , odległość między elementami promieniującymi d=10cm, długość fali λ =10cm, szerokość wiązki w płaszczyźnie elewacji Θ e =10, maksymalny. kąt odchylenia wiązki ≤150. Opis metody przeszukiwania częstotliwościowego z liniowym szykiem antenowym w płaszczyźnie elewacji. Kierunek propagacji Φ = 2π d λ sinα α 5Φ Front falowy d sin α Generator bwcz f(t) 0 Φ 2Φ 5Φ d a L Falowód zasilający Sztuczne obciążenie Rys. Poziomy wiersz (lub pionowa kolumna) sieci antenowej a – szerokość dłuższej ścianki falowodu Zależności: λ Liniowa rozróżnialność w danej współrzędnej kątowej Δra = R Odchylenie wiązki od normalnej do apertury anteny α = arcsin L λ ⋅ Φ , gdzie Φ 2πd fazowe przesunięcie drgań w sąsiednich elementach promieniujących. λ Dla małych kątów odchylenia α ≤ 150 α≅ Φ. 2πd λ Minimalna szerokość wiązki Θ e (przy α = 0) Θ e. min = [rad], gdzie L L szerokość apertury anteny płaszczyźnie elewacji. Θ Θ e ≈ min . Przy rosnącym α szerokość Θ e zmienia się zgodnie z zależnością cos α 3 Kątowa prędkość przemieszczania wiązki w płaszczyźnie elewacji Ω = Czas opromieniowania celu punktowego t opr = Odp. 0.01s λ dΦ (t ) dα = ⋅ dt 2πd dt Θe . Ω Zadanie 9. W pokładowym koherentno-impulsowym radarze z syntetyzowaną charakterystyką antenową i obróbką nieoptymalną wymagany okres integracji winien wynosić T ≤ 0.15s . Na jakiej maksymalnej odległości można obserwować cele, jeśli λ=3cm, v=2000km/godz?. Jaka winna być częstotliwość powtarzania impulsów Fp jeśli sumowaniu winno podlegać 100 impulsów? Czy w takich warunkach spełniony będzie warunek jednoznacznego pomiaru odległości? Opis metody obserwacji powierzchni ziemi z wykorzystaniem radaru typu SAR vp Sygnał z kierunku α d sin α = v pTp sin α Położenia anteny realnej w kolejnych Tp Sygnał od obiektów na osi głównej α d Rys.1 Sposób kształtowania syntetyzowanej apertury anteny Zd Zd L L h0 vp vp θa h0 Obserwowany pas terenu R0 Xd Xd L Yd Ślad charakterystyki anteny Rys.2 Układ współrzędnych SAR Yd Rys.3 Schemat obserwacji bocznej Zależności Przesunięcia fazy Φ w antenie odbieranego sygnału w kolejnych jej położeniach, czyli w kolejnych okresach powtarzania impulsów sondujących wynoszą 4 Φ = 4π dla α ≤ 15 0 d λ Φ ≅ 4π sin α = 4π v pT p λ v pT p λ sin α α SAR z obróbką optymalną Dla SAR z anteną o szerokości na poziomie połowy mocy wynoszącej θ a = θ 0.5 czas opromieniowania celu punktowego znajdującego się na odległości R0 wynosi t opr = T = R0θ 0.5 / v na drodze samolotu L = R0θ 0.5 , gdzie v jest prędkością samolotu, T–okres integracji impulsów odebranych za czas przelotu drogi L. Przyjmując, że θ 0.5 = λ / d a , gdzie da stanowi wymiar apertury anteny radaru, otrzymujemy L = R0 λ / d a , a czas opromieniowania t opr = T = R0 λ /(vd a ) . W czasie odbioru sygnałów w okresie T na skutek zmiany odległości zmienia się częstotliwość Dopplera w zakresie f 0 − FD. max ≤ f odb ≤ f 0 + FD. max FD. max = vθ 0.5 / λ = v / d a Zatem przy ciągłym sygnale sondującym odbierany jest „impuls” o długości T i dewiacji częstotliwości Δf M = 2 FD max = 2v / d a . Taki impuls podlega kompresji ze współczynnikiem K = Δf M T Długość impulsu po kompresji t i.wy = 1 / Δf M = d a / 2v Rozróżnialność dwóch obiektów wynosi λ 1 Δra = R0θ 0.5.s = R0 , gdzie θ 0.5 s szerokość syntetyzowanej charakterystyki 2 L na poziomie połowy mocy, L długość syntetyzowanej apertury anteny. SAR z obróbką nieoptymalną (SAR niezogniskowany) Czas opromieniowania celu punktowego (okres integracji T) w przypadku obróbki bez ogniskowania wynosi t opr = T = (1 / v ) R0 λ / 2 . Rozróżnialność dwóch obiektów wynosi Δra = R0 λ / 2 Liczba odebranych w okresie integracji impulsów wynosi Odpowiedzi: Rmax ≅ 460km , n = T / T p = TF p . F p = 666.66 imp/s, Z jednoznacznego zakresu pomiaru odległości wynika, że Rmax ≤ 225km a zatem warunek jednoznaczności nie jest spełniony. 5 Zadanie 10. W pokładowym koherentno-impulsowym radarze z syntetyzowaną charakterystyką antenową i obróbką optymalną maksymalna odległość obserwacji wynosi Rmax=100km. Obliczyć czas opromieniowania celu punktowego jeśli λ=3cm, v=2000km/godz, długość apertury anteny da=1m. Jaka winna być częstotliwość powtarzania impulsów Fp jeśli sumowaniu winno podlegać 3000 impulsów? Czy w takich warunkach spełniony będzie warunek jednoznacznego pomiaru odległości? Odp t opr = 5.4 s , F p = 556 imp/s, Rmax = 270 km Zadanie 11 Wyznaczyć czas opromieniowania celu punktowego z wykorzystaniem zogniskowanego impulsowo-koherentnego radaru, jeśli Θ 0.5 = 10 , R=300km, v=1000km/godz. Porównać czas opromieniowania z czasem dla radaru niezogniskowanego przy fali o λ=3cm. t opr = 18.8s dla zogniskowanego, t opr = 0.242 s dla niezogniskowanego Zadanie 12 Wymagane jest elektroniczne przeszukiwanie sektora azymutu. Dopuszczalne rozszerzenie wiązki antenowej przy maksymalnym odchyleniu od normalnej do apertury anteny wynosi 1,5 Θ min .Określić rozwartość sektora przy którym spełniony będzie ten warunek. Posługujemy się wyrażeniem Θe ≈ Θ min cos α Odp. α max ≤ 48,5 0 6