SYSTEMY ROZPOZNANIA POLA WALKI

Transkrypt

1 SYSTEMY ROZPOZNANIA POLA WALKI ppłk dr inż. Mateusz PASTERNAK bud. 61 p. 25, tel strony.aster.pl/mpasternak konsultacje: czwartki oraz poprzez dostępne media elektroniczne Akustyczna detekcja obiektów na polu walki Zdalna detekcja skażeń Radar przeznaczony do wykrywania min 1

2 minimalne długości fal -10 gazy 3,4 10 m -9 ciecze 1,5 10 m -9 ciała stałe 5 10 m -7 gazy 3,4 10 m -6 ciecze 1,5 10 m -6 ciała stałe 5 10 m -2 gazy 2 10 m ciecze 0,1 m ciała stałe 0,3 m gazy 20 m ciecze 100 m ciała stałe 300 m częstotliwość Debye a infradźwięki dźwięki ultradźwięki hiperdźwięki 1GHz 16 khz 16 Hz 0 Hz metody generacji i detekcji przetworniki piezoelektryczne, elektrostrykcyjne głośniki, piszczałki, lasery, przetworniki termiczne piezoelektryczne, elektrostrykcyjne mikrofony głośniki, układy mechaniczne mikrofony detonacje układy mechaniczne sejsmometry f max = v 3 3N 4πV N/V liczba atomów na jednostkę objętości 2

3 Częstotliwości najniższe - sejsmometria Źródła zdeterminowane celowe detonacje i wystrzały wibratory i impulsatory mechaniczne specjalne głośniki metody pomiaru - mechaniczne - elektromechaniczne - optoelektroniczne - akustoelektroniczne Źródła pseudolosowe drgania urządzeń technicznych drgania komunikacyjne napełnianie zbiorników Źródła losowe sejsmika Ziemi eksploatacja złóż 3

4 Geofony - metody elektromechaniczne detektor kroków Metody opto- i akustoelektroniczne 4

5 MIKROFONY detekcja częstotliwości słyszalnych U p magnetoelektryczny i pojemnościowy elektretowy wy i i węglowy wartości orientacyjne czułość [mv/µbar] pasmo [khz] impedancja [MΩ] poziom zniekształceń równomierność charakterystyki węglowe ,2-3 0,001 wysoki mała pojemnościowe 0,5 10 0, b. Niski ± 3dB elektretowe 0,5 10 0, b. niski ± 3dB piezoelektryczne 0,2 2 > niski duża magnetoelektryczne 0,05 1 0, ,0001 niski do 20 db typ KEC-1042PBL elektretowy kierunkowość kwazi-izotropowy czułość -42 ±3 dba przy f=1khz, 1Pa, 0 dba=1v/pa redukcja czułości -3 dba przy spadku napięcia zasilania o 0.5V S/N 58 dba przy f=1khz, 1Pa pasmo 20 Hz 20 KHz impedancja wyjściowa 2.2 kω napięcie zasilania 2-10 V pobór prądu 0.5 ma przy 2 V i R L =2.2 kω zakres temperatur pracy ºC średnica 6 mm wysokość (bez wyprowadzeń) 1 mm masa 0,3 g obudowa Al 5

6 MEMS dwukierunkowy ( kwazi-dookólny ) temp. pracy -40 C +100 C prąd zasilania 0,5 ma przy napięciu 2V pasmo 100Hz - 10 khz poziom szumów 35 db czułość -42 dba zakres napięć zailania 1,5 5,5 V Podstawowe rodzaje charakterystyk dookólna subkardioidalna kardioidalna superkardioidalna hiperkardioidalna dwukierunkowa kierunkowa Zależność charakterystyki od częstotliwości 6

7 Szyki źródeł (lub detektorów) Przykłady zastosowań szyków detektorów Wykrywanie i rozpoznawanie pojazdów 7

8 Wykrywanie i rozpoznawanie samolotów Wykrywanie i rozpoznawanie wybuchów 8

9 Wykrywanie snajperów 9

10 Wykrywanie i rozpoznawanie źródeł dźwięku różnego pochodzenia azymut elewacja ULTRADŹWIĘKI Metody generacji i detekcji ultradźwięków nieodwracalne - termiczne - optyczne termopary wiązka laserowa odwracalne - elektrostatyczne pojemnościowe piezoelektryczne elektrostrykcyjne - elektromagnetyczne - magnetoelektryczne absorber - magnetyczne piezomagnetyczne magnetostrykcyjne z indukcją prądów wirowych korpus miedziany 10

11 Przetworniki piezoelektryczne i elektrostrykcyjne Płytka piezoelektryczna pod wpływem pola elektrycznego ulega deformacji na wiele sposobów metal ~ piezoelektryk ~ Podstawowe wielkości opisujące piezoelektryk odkształcenie S = d E k ij l macierz modułów piezoelektrycznych d11 d11 0 d dˆ = d 2d C m = N V S S 1 = d11e1 S2 d11e1 4 = d14e1 S5 d14e2 = S 3 = 0 = S6 = 2d11E2 11

12 Przykładowe wartości BaTiO 3 PZT twarda PZT miękka LiNbO 3 PbTiO 3 k 2 0,38 0,57 0,61 0,035 - d , , d g g ε T tgδ 7 0,4 1,8 - - T C Przykładowe sposoby drgań płytek piezoelektrycznych (Kazis) drgania grubościowe podłużne drgania wzdłużne b h b h a a,b h a a b,h drgania ścinające drgania radialne h b h a a,b h a 12

13 materiały inteligentne aktywatory Nadajnik kodu zasilany naciśnięciem palca ręczna ładowarka radiokomunikacja Elektryczne buty 13

14 Szyki fazowane przetworników - formowanie wiązki szyki przetworników przykłady wykonań 14

15 Testy nieniszczące SONOLOKACJA 15

16 AKUSTOLOKACJA ECHOLOKACJA SONOLOKACJA Sonar (echolokator) to ultradźwiękowy czujnik służący do obliczania przybliżonej odległości do najbliższego obiektu 16

17 nietoperze delfiny ryjówki niektóre ptaki (jerzykowate, lelkowate) khz do 280 KHz khz 4 7 khz początek rozwoju ultradźwiękowych urządzeń do nawigacji, pomiaru głębokości i odległości w wodzie - używanych przede wszystkim na łodziach podwodnych S. Sokołow w Instytucie Elektrotechnicznym w Leningradzie opracował koncepcję ultradźwiękowego wykrywania wad w metalach i stopach odlewniczych F. Firestone z Uniwersytetu Michigan opracował urządzenie pod nazwą supersonic reflektoscope do wykrywania wad w metalach. W następnych latach nastąpił znaczny rozwój ultradźwiękowych metod badań materiałów głównie za sprawą firm SIEMENS w Niemczech i KRETZ TECHNIK z Austrii 17

18 najprostszy echolokator impuls nadany przeszkoda impuls odebrany s vt s = 2 Urządzenia akustolokacyjne echosondy pomiar odległości echolokatory namiar kierunku i prędkości obiektów) Zastosowania - diagnostyka - mikroskopia - medycyna - geodezja - nawigacja - hydrografia - rybołówstwo - inne 18

19 Woda morska obowiązuje zasada Fermata prędkość dźwięku w wodzie ustalona została empirycznie empiryczne równanie Wooda 19

20 Zależność długości fali w wodzie od częstotliwości T=23 o C S=15 [m] [khz] Optymalna częstotliwość sondowania (ustalona empirycznie) f OPT 40 = h 2/3 max Tłumienie fali w wodzie spadek natężenia fali f I = e 2 r β r 0,23 I β = 10log + 20log r r I0 r odległość między nadajnikiem a odbiornikiem lub podwojona odległość do celu współczynnik pochłaniania formuła Naviera-Stokesa 2 2µω α = 3 3ρv µ współczynnik lepkości wody ρ gęstość wody v prędkość dźwięku w wodzie ω pulsacja β = 2α 20

21 Empiryczna wartość wsp. tłumienia 2 43 f β = f f 6 2 f [Hz] β [db/km] Maksymalny zasięg echosondy h max = ΓPS 4Ω J Γ wsp. odbicia S apertura przetwornika odbiorczego [m 2 ] Ω kątowa szerokość wiązki wypromieniowanej [srad] J czułość odbiornika P moc wypromieniowana Współczynniki odbicia dźwięku na granicy woda-materiał 21

22 Zjawisko wielokrotnego echa Uproszczony sonar monoimpulsowy Rx UKI ADC N/O GI US M 22

23 Najczęściej stosowane typy prostych impulsów sondujących video lub radiowych A A A t t t A t Impulsy złoŝone g(t) t sygnał nadany (sondujący) g(-t) we T T t 1 t2 t3 t 4 t sygnał odbity linia opóźniająca sumator wy T-t -t 4 3 T-t -t 4 2 T-t -t 4 1 h(t) t 23

24 Sygnał chirp i jego widmo g(t) t G(f) f(t) f 1 f 2 T S 1 minimalny czas rozróżnialny (relacja nieostrości) t f T maksymalna liczba rozróżnialnych odcinków czasowych t 2 wartość średnia szumów na wyjściu Nσ n = N 2 Sn( f ) df 0 t f 1 f 2 f S N = = TS f gęstość widmowa szumu wartość skuteczna (odchylenie standardowe) szumu na wyjściu wartość kwadratu sygnału szczytowego (po kompresji) ( ) 2 Ns Stosunek mocy sygnału do szumu na wyjściu wyniesie więc SNR WY ( ) 2 2 Ns Ns = = Nσ σ 2 2 n n zaś na wejściu wynosił tylko SNR WE 2 s = σ 2 n SNR polepszył się zatem N razy czyli T t S N = = TS f 24

25 Przed filtracją sygnał bez szumów Po filtracji Przed filtracją sygnał zaszumiony Po filtracji 25

26 Sygnały z manipulacją fazy Kod PSK o długości 6 cykli z sekwencją Najbardziej znane kody Barkera 26

27 Kody komplementarne Golaya echo z szumem gaussowskim sygnał sondujący typu chirp 4 µs echo z szumem gaussowskim sygnał sondujący 13-bitowy kod Barkera echo z szumem gaussowskim sygnał sondujący 16-bitowy kod Golaya 27

28 Akustyczna detekcja obiektów na polu walki Zdalna detekcja skażeń Radar przeznaczony do wykrywania min Stosunek koncentracji par w fazie stałej do koncentracji w fazie gazowej jest stały C K = C s v parametry empiryczne log K = c + rr + sπ + a α + b β + l log L H H H wskaźnik zdolności wskaźnik do polaryzowalności stabilizacji wskaźnik sąsiednich kwasowości ładunków wskaźnik lub zasadowości wskaźnik dipoli podziału ciecz/gaz dla rozpuszczania w heksadekanie przy 298 K 28

29 OH P4V O n CF 3 CF 3 OH CF 3 CF 3 CF 3 CF 3 CF 3 CF CF3 3 CF 3 SXFA Si CH 3 O OH CF 3 OH O CF 3 n O FPOL O O Si O Si O CH 3 SXPH n CH 3 (CH 2 ) 12 PVTD O O OH n F F n O PECH O F F F F F O F F m CH2CL PIB CH2CL O CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 F O n ZDOL n n QCM 29

30 30

31 Wzór Sauerbraya f 0 częstotliwość podstawowa nieobciążonego rezonatora, n numer owertonu, m - zmiana masy warstwy chemoczułej spowodowana sorpcją cząstek A - powierzchnia rezonatora ρ k - gęstość kwarcu µ k - moduł ścinania dla kwarcu. 2 2 nf 0 m f = A ρ µ k k poprawka Kanazawy f = f 2/3 0 ρ c η c πρ µ k k ρ c gęstość cieczy η c lepkość cieczy 31

32 Ewolucja przetwornik fal objętościowych => przetwornik fal powierzchniowych (IDT) przetwornik IDT - międzypalczasty 32

33 Symulacja fali Rayleigha R. Dunn 2001 Zasada działania czujnika gazu z AFP miernik częstotliwości warstwa chemoczuła AFP wykrywany gaz 33

34 Wzór Aulda v v h 4µ λ + µ v P v 2 2 R R = ρ vr + Y ρ 2 vr Z R 4 R R λ + 2µ y= 0 Wzór mój h - grubość warstwy ρ - gęstość warstwy λ i µ stałe Lamé dla warstwy P R gęstość mocy fali Rayleigha, v R prędkość fali Rayleigha (składowa poprzeczna = 0). vɶ f 2 2 2ωτ xr 4ω τ xr 2ωτ xr i = = i + 2ωτ 4ω τ + 1 4ω τ + 1 tor pomiarowy substancja chemoczuła AFP f wy tor odniesienia 34

35 Możliwa jest także detekcja zakażeń 35

36 Elektroniczne nosy E-nos AFP 1 AFP 0 AFP 2 PE FDP UAiZD AFP N Warstwy chemoczułe reagują na obecność konkretnych gazów lub wielkości równania LSER cechy gazów 36

37 Z-nos dozowanie zawór pułapka dozowanie zawór pułapka pompa He detektor z AFP pompa He detektor z AFP 37

38 38

39 39

40 Akustyczna detekcja obiektów na polu walki Zdalna detekcja skażeń Radar przeznaczony do wykrywania min 40

41 Wstęp istotne fakty Znanych jest ok rodzajów min z czego 650 to miny przeciwpiechotne. Wg różnych szacunków w prawie 70 krajach świata zalega w ziemi od 50 do 150 mln różnego typu min. Roczną liczbę ofiar szacuje się na 4000 zabitych i drugie tyle rannych. Koszt usunięcia jednej miny waha się obecnie pomiędzy 300 a 1000 $ USA. Prawdopodobieństwo fałszywego alarmu przy zastosowaniu czujników indukcyjnych w przypadku niewielkich obiektów metalowych wynosi w przybliżeniu 1. Niewybuchy w postaci min (głównie przeciwczołgowych) i pocisków (głównie moździerzowych) stanowią podstawowe źródło materiałów wybuchowych do konstrukcji IED. Wstęp istotne fakty Wykrycie dużego obiektu metalowego na bądź pod powierzchnią ziemi nie stanowi większego problemu Dużym problemem jest wykrycie płytko zakopanych niewielkich obiektów, szczególnie niemetalowych bądź z małą zawartością metali Największym problemem jest precyzyjna identyfikacja takich obiektów 41

42 IED (Improvised Explosive Device, Fugas) prowizoryczna mina lądowa wykonana z ogólnie dostępnych materiałów zastępczych takich jak: - saperskie materiały wybuchowe, - pociski artyleryjskie, - bomby lotnicze, - głowice torpedowe, - granaty, - niewybuchy lub niewypały, - beczki z paliwem, - itp. IED są zakopywane w ziemi, lub maskowane na jej powierzchni wybuchają pod wpływem nacisku lub przez zdalne odpalenie IED są zakładane najczęściej w celu zniszczenia dużego i drogiego obiektu Improvised Explosive Devices 42

43 Efektywność IED - Afganistan /08/just-in-case-yo/ Efektywność IED - Irak /08/just-in-case-yo/ 43

44 Ofiary - Afganistan IRAK 2004 IED IED miny 44

45 Sposób detonacji IED mechaniczna zmian nacisku, naciągu linki itp. bariera optoelektroniczna bariera ultradźwiękowa czujnik pola magnetycznego czujnik wibracji urządzenie zegarowe fale elektromagnetyczne przykłady 45

46 IED sposób zakładania przy drodze EFP EFP - explosively formed projectile t ~ 400 µs, v ~ 2000 m/s ~ 6 M, p ~ 10 6 kg/cm 2 46

47 Fallujah 2004 wytwórnie IED/VBIED Inne obiekty niebezpieczne przykłady min przeciwczołgowych 47

48 Inne obiekty niebezpieczne przykłady min przeciwpiechotnych Krótka historia pierwszych detektorów Józef Kosacki (od 1964 r. Prof. WAT) Andrzej Garboś (Centrum Wyszkolenia Łączności w Zegrzu) Mine detector (Polish) Mark I (pokonał 6 projektów brytyjskich) Eduard Raven pierwszy GPR - patent USA z 1919 r. Rozwój Radzieckiej techniki GPR - na potrzeby badań wiecznej zmarzliny schyłek lat 60 Misje Apollo sondowanie Księżyca 30 MHz - początek lat 70 Pierwsze polskie GPR powstały w WAT w latach 80 48

49 Przegląd metod detekcji AKUSTYCZNE OPTYCZNE RADAROWE INDUKCYJNE TERMICZNE/TERMOWIZYJNE RADIOSPEKTROSKOPOWE THz magnetycznego NMR kwadrupolowego NQR elektronowego paramagnetycznego EPR Metody akustyczne, optyczne i radiospektroskopowe wykrywanie obecności grup nitrowych TNT TETRYL RDX (HEKSOGEN) C 7 H 5 (NO 2 ) 3 (NO 2 ) 3 C 6 H 2 NCH 3 NO 2 C 3 H 6 N 3 (NO 2 ) 3 49

50 Akustyczne dość selektywne niewielka czułość Optyczne trudność w separacji widm dość kosztowne NMR 1 H - metoda słabo selektywna - jądra 1 H wchodzą w skład niemal każdej substancji NMR 14 N - wymaga wykorzystania silnego i jednorodnego pola magnetycznego EPR na paramagnetycznych centrach centra paramagnetycznie występują także w bardzo wielu substancjach NQR dobra selektywność ale częstotliwości rezonansowe jąder azotu 14 N i grup NO 2 leżą poniżej 1 MHz. Częstotliwość NMR protonów ( 1 H) ν 100 MHz, sygnał NQR 14 N ma amplitudę ~ razy mniejszą niż sygnał NMR 1 H. KHz NQR TNT 16 º C widmo absorpcyjne promieniowania w zakresie optycznym ultrafiolet podczerwień 50

51 akustyka w zakresie niskich częstotliwości Metody akustyczno-chromatograficzne pseudomonas aeruginosa staphylococcus aureus escherichia coli trotyl marihuana kokaina benzyna tytoń banknot $ 51

52 Metody termiczne/termowizyjne - detekcja niewielkich różnic temperatur Indukcyjne - niemożność detekcji obiektów niemetalowych - słaba selektywność THz - wysokie koszty - bardzo silne tłumienie - wysoka rozdzielczość 52

53 Konieczna wydaje się fuzja danych z różnych detektorów czujnik indukcyjny 90 db GPR 20 db akustyczny 30 db GPR ground penetrating radar radar tego typu widzi zmiany przenikalności elektrycznej otoczenia nie jest w stanie zobaczyć obiektu o przenikalności elektrycznej bardzo zbliżonej do przenikalności elektrycznej otoczenia 53

54 przykładowe wartości parametrów otoczenia Zasada działania GPR obróbka i zobrazowanie synchronizacja konwerter nadajnik odbiornik 54

55 E(t) A1 A2 A3 t głębokość A0 E(t) AO AN t dystans A B C D E 55

56 pozycje radaru czas przejścia 56

57 57

58 interpretacja radargram Podstawowe parametry GPR rodzaj sygnału sondującego moc sygnału sondującego pasmo sygnału sondującego rozróżnialność odległościowa (pionowa) rozróżnialność pozioma 58

59 Sygnały sondujące impulsowe w dziedzinie czasu Amplituda 1 0,5 0 db Czas [ns] Częstotliwość [MHz] 1 0 im krótszy impuls tym szersze pasmo Amplituda 0,5 0-0,5 db Czas [ns] Częstotliwość [MHz] 1 0 Amplituda 0,5 db Czas [ns] Częstotliwość [MHz] Sygnały sondujące impulsowe w dziedzinie częstotliwości częstotliwość pasmo dowolnie szerokie ograniczone tylko pasmem anteny częstotliwość czas czas amplituda częstotliwość czas czas 59

60 Moc sygnałów sondujących P SS = π r α P GAσγ o r odległość antena obiekt α współczynnik tłumienia fali P o moc odbierana G zysk antenowy A apertura anteny σ skuteczna powierzchnia odbicia γ stała propagacji Rozróżnialność ν c R p = = 2B 2B µε R poz = R λ 2 60

61 Metodyka detekcji AN/PSS-14 NITEK VISOR TM 2500 MINDER Zalety GPR - dość wysoka precyzja - dość duża czułość - możliwość miniaturyzacji Wady GPR - komplikacja interpretacyjna - złożoność metody - wysokie ceny sprzętu - trudności w eksploatacji w rzeczywistym terenie 61

62 Radar impulsowy 62

63 Nasz baza laboratoryjna Obraz GPR z syntezą impulsu 63

64 Obrazy w ortogonalnych polaryzacjach liniowych Zakład Teledetekcji 64