Waldemar SUSEK Wojskowa Akademia Techniczna, nsyu Radioelekroniki Demonsraor radaru szumowego bliskiego zasięgu z korelaorem analogowym w paśmie X Sreszczenie. W arykule przedsawiono zasadę kwadraurowej deekcji korelacyjnej sygnałów szumowych za pomocą analogowego szerokopasmowego korelaora mikrofalowego. Zaprezenowano wyniki pomiarów funkcji korelacji sygnałów szumowych oraz pokazano zasosowanie akiego rozwiązania w radarze szumowym do precyzyjnego określania zmian odległości a akże szybkości ych zmian. Przedsawiono wyniki działania radaru szumowego bliskiego zasięgu w odniesieniu do obieków sałych i ruchomych. Arykuł zakończono wnioskami i planami zasosowania prezenowanej echniki deekcji w szerokopasmowych radarach szumowych. Absrac. A principle of quadraure correlaion deecion of noise signals using an analog broadband microwave correlaor is presened in he paper. Measuremen resuls for he correlaion funcion of noise signals are shown and applicaion of such soluion in he noise radar for precise deerminaion of disance changes and velociy of hese changes is also presened. Resuls for shor range noise radar operaion are presened boh for saic and moving objecs. Conclusions and fuure plans for applicaions of presened deecion echnique in broadband noise radars bring he paper o an end (Demo of Noise radar wih analog X-band correlaor) Słowa kluczowe: Telekomunikacja, radar, sygnał szumowy, korelacja. Keywords: Telecommunicaions, radar, noise signal, correlaor, Wsęp Radary szumowe o radary, kóre wykorzysują sygnały losowe lub pseudolosowe do oświelenia celu. ch podsawowe paramery o szerokie widmo sygnału, mała gęsość widmowa mocy i możliwość uzyskania dużej czułości urządzeń odbiorczych []. Odbiornik korelacyjny sanowi jeden z podsawowych układów radaru szumowego. Zasada korelacyjnej deekcji koherennej sygnału szumowego pozwala na pracę wielu urządzeń w ym samym zakresie częsoliwości bez wzajemnego zakłócania się. W doychczasowej lieraurze prezenowane są rzy podsawowe ypy odbiorników korelacyjnych: całkowicie analogowy odbiornik korelacyjny, analogowocyfrowy odbiornik korelacyjny i całkowicie cyfrowy odbiornik korelacyjny. Rozwój radarów szumowych obserwowany jes od ponad 50 la. Analiza i przegląd lieraurowy pokazuje, że w osanim czasie znacznie wzrosło zaineresowanie ego ypu radarami. Rocznie ukazuje się kilkadziesią arykułów na ema radarów szumowych i znacząca ich część doyczy koncepcji budowy radaru i jego analizy oraz przewarzania sygnałów. Należy zauważyć, że radary szumowe w pełni wyczerpują własności radarów LP (Low Probabiliy of nercep), przez co należy się spodziewać w najbliższym czasie znaczącego wzrosu ich goowych aplikacji zarówno w zasosowaniach cywilnych jak i wojskowych. Już w 000 roku raporowano o 3 szumowych radarach LP spełniających 5 funkcji zasosowań wojskowych i zasosowań cywilnych. Funkcje miliarne o rozpoznanie pola walki, radary obrony powierznej -D i 3-D czy naziemne sysemy kierowania ogniem. Raporowane funkcje cywilne o jeden radar morski i jeden radar anykolizyjny. Jak każdy akywny radar, ak i radar szumowy wykrywa obieky wysyłając w ich kierunku sygnał radiowy i odbierając odbie od niego echo. Wybór sygnału sondującego jes jednym z podsawowych problemów przy projekowaniu radaru. Właściwości sygnału sondującego z punku widzenia zasosowań radarowych opisuje się za pomocą funkcji niejednoznaczności. Sygnał losowy o dużym iloczynie czasu rwania i szerokości pasma umożliwia uzyskanie funkcji niejednoznaczności w kszałcie odwróconej pinezki, co zapewnia jednoznaczny pomiar odległości i prędkości radialnej celu. Typową funkcję niejednoznaczności sygnału losowego opisano zależnością () i przedsawiono na rys.. Rys.. Przykładowa posać dwuwymiarowej funkcji nieoznaczoności wąskopasmowego sygnału szumowego. () τ,α α s s τ gdzie: =-v/c współczynnik skalowania czasu, v prędkość radialna obieku, c prędkość świała, - opóźnienie, s() sygnał odebrany przez radar. W arykule przedsawiono wyniki działania szumowego radaru bliskiego zasięgu, pracującego w paśmie X z mikrofalowym analogowym odbiornikiem korelacyjnym. Zasada pracy radaru szumowego Na rys. przedsawiono główne bloki funkcjonalne wchodzące w skład radaru szumowego. Sygnał szumowy jes wysyłany w przesrzeń za pomocą nadajnika i aneny nadawczej, a po opóźnieniu o czas T równym czasowi, w jakim fala elekromagneyczna przebywa drogę od radaru do celu i z powroem, odbierany jes przez anenę odbiorczą. Jednocześnie część sygnału nadawanego podawana jes na linię opóźniającą, gdzie ulega opóźnieniu o czas T DL. Czas opóźnienia linii może być sały lub regulowany. Odbiornik superheerodynowy wyposażony jes w dwa kanały: jeden dla sygnału odebranego, a drugi dla części sygnału nadawanego opóźnionego przez linię opóźniającą. Na wyjściu odbiornika po deekcji kwadraurowej uzyskiwana jes para sygnałów i leżących w paśmie podsawowym. Na podsawie ych d 06 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNCZNY (Elecrical Review), SSN 0033-097, R. 88 NR 0a/0
sygnałów wyznaczana jes ich wzajemnej funkcji korelacji. Jeżeli czas opóźnienia będzie się zmieniał wysarczająco szybko, o w momencie T DL =T na wyjściu korelaora pojawi się pik korelacyjny na podsawie, kórego możliwa jes esymacja odległości. Rys.. Schema blokowy radaru szumowego z zewnęrzną linią opóźniającą. Możliwe jes akże określenie prędkości celu względem radaru, dzięki określeniu przesunięcia dopplerowskiego częsoliwości nośnej sygnału sondującego. Paramer T DL w linii opóźniającej i współczynnik skalowania czasu r w bloku przewarzania korelacyjnego ulegają zmianie ak długo, aż uzyskana zosanie warość maksymalna funkcji korelacji na wyjściu. Paramery e przyjmują wedy warości T DL0 i r0 na podsawie, kórych obliczana jes odległość do celu i jego względna prędkości według zależności: () D T c 0 DL0 v c Bezpośrednia kwadraurowa deekcja korelacyjna sygnału szumowego W ym rozdziale zaprezenowana zosanie idea wyznaczenia warości funkcji korelacji sygnałów szumowych o ograniczonym paśmie w zakresie mikrofalowym. Rys. 3. Schema ideowy kwadraurowego korelaora mikrofalowego sygnałów szumowych. Analizę korelaora mikrofalowego przeprowadzono w oparciu o schema ideowy przedsawiony na rys. 3. Zakładamy, że nadajnik generuje sygnał w posaci szumu o ograniczonym paśmie i rozkładzie normalnym z zerową warością średnią i wariancją równą. Sygnał generowany r 0 przez nadajnik można opisać zależnością (3) [], naomias przebiegi w poszczególnych punkach układu opisują zależności (4) i (5). (3) S N X cos 0 Y sin 0 S k S T (4) NDL N DL D (5) S k S O N c gdzie: D odległość chwilowa między radarem a obiekem, 0 częsoliwość środkowa pasma sygnału szumowego, k, k współczynniki, X() i Y() niezależne sacjonarne procesy losowe o rozkładzie gaussowskim z zerową warością średnią. Wyrażenie opisujące chwilową odległość D między radarem a obiekem ma posać: ct (6) D v M cos m gdzie: M i m są odpowiednio ampliudą i pulsacją dodakowego ruchu harmonicznego pewnych części obieku. Obiek, jako całość może poruszać się z prędkością radialną v lub pozosawać w spoczynku. W wyniku wykonania operacji mnożenia sygnałów S NDL () z S O () oraz S O/ () z S NDL () i operacji całkowania, orzymuje się wyrażenia na dwa kwadraurowe sygnały wyjściowe R i R w posaci v M cos0 T cos m c c (7) R τ A τ v M sin0 T cos m c c (8) R τ A τ gdzie: T =(T-T DL ), =T+(/c)(v+Mcos( m )) Wyrażenia (7) i (8) są składowymi kwadraurowymi funkcji korelacji sygnału szumowego nadawanego i odbieranego przez radar. Z przeprowadzonej analizy wynika, że w układzie sprzęowym zrealizowanym w oparciu o schema ideowy z rys. 3, w odróżnieniu od przewarzania cyfrowego [3], wyznaczana jes funkcja korelacji sygnału szumowego o ograniczonym paśmie [4]. Jeżeli R() jes zespoloną reprezenacją funkcji korelacji, o analogicznie do zespolonej reprezenacji sygnału analiycznego można zdefiniować chwilową ampliudę A, fazę i pulsację przebiegu funkcji korelacji, jako: (9) Aτ R τ R τ (0) arcan R τ R τ / d () ω( ) d Szczególnego znaczenia, w przedsawionym sposobie korelacyjnej deekcji sygnału szumowego nabierają zależności (7) i (8). Pokazują one, że możliwe jes wykrywanie nieznacznych ruchów obieku względem szumowego radaru obserwacyjnego. W zależności od warości częsoliwości środkowej pasma sygnału szumowego, wielkość ych zmian może przybierać warości od dziesiąków mm dla pasma S do ułamków milimera dla pasma K. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNCZNY (Elecrical Review), SSN 0033-097, R. 88 NR 0a/0 07
Rys.4. Schema blokowy demonsraora radaru szumowego bliskiego zasięgu pracującego w paśmie X. W przypadku, gdy =0, chwilowa ampliuda osiąga warość maksymalną A(0) k. Warość a jes proporcjonalna do całkowiej mocy nadawanego sygnału szumowego. Budowa i koncepcja wykorzysania radaru szumowego na pasmo X z analogowym korelaorem mikrofalowym Na rys. 4 przedsawiono schema blokowy radaru szumowego bliskiego zasięgu [5]. Składa się on z obwodów wejściowych, niskoszumnego wzmacniacza mikrofalowego, szerokopasmowego mikrofalowego korelaora kwadraurowego [6], analogowej linii opóźniającej, wzmacniaczy mcz. o dużym wzmocnieniu oraz układu zobrazowania informacji. Obwody wejściowe wyposażono w wymienne filry mikrofalowe wykonane w echnice NLP. Pasmo filrów można zmieniać od 50 MHz do 800 MHz, a ich częsoliwość środkowa wynosi 9. GHz. Wzmacniacz niskoszumny jes układem szerokopasmowym o wzmocnieniu 55 db i współczynniku szumów nie gorszym niż.5 db w paśmie pracy równym 800 MHz. Zarówno wzmacniacz w.cz. jak i filry mikrofalowe zosały zaprojekowane, wykonane i przebadane w Zakładzie Mikrofal nsyuu Radioelekroniki WAT. Na wyjściu deekora kwadraurowego wysępują dwa sygnały i opisane wzorami (7) i (8). Sygnały e podlegają wzmocnieniu we wzmacniaczach pomiarowych o regulowanym wzmocnieniu napięciowym od 00 do 0000. Pasmo sygnałów wyjściowych korelaora jes ograniczane w filrach dolnoprzepusowych. Zakres zmian pasma podeekcyjnego wynosi od 0 Hz do 0 khz. Tak przygoowane sygnały są dygializowane w przeworniku A/C i łączem USB przekazywane do kompuera klasy PC, spełniającego funkcję układu przewarzania i zobrazowania informacji. Nadajnik radaru szumowego składa się z półprzewodnikowego źródła szumów pierwonych średniej mocy oraz ciągu wzmacniaczy i filrów mikrofalowych. Uzyskano w en sposób źródło sygnału szumowego pracujące na częsoliwości środkowej f 0 = 9. GHz z pasmem B 3dB = 70 MHz i gęsością widmową mocy G sz = - 64 dbm/hz. Widmo mocy szumów kszałowane było osaecznie przez wyjściowy filr pasmowo-przepusowy FPP o równomiernie płaskiej charakerysyce ransmiancji. negralną częścią radaru jes analogowa linia opóźniająca wykonana ak, że jej opóźnienie odpowiada odległości pokonywanej przez falę elekromagneyczną od radaru do celu i z powroem równej 60 m. Tak, więc zasosowanie linii o sałej długości zdeerminowało odległość, na jakiej będzie wykrywany obiek zn. 30 m. Tego ypu radar umożliwia sworzenie pewnych ściśle określonych w przesrzeni sref obserwacji, kórych wycinek przedsawiono poglądowo na rys. 5. Wszelkie naruszenia ych sref będą sygnalizowane przez radar szumowy, jak również określana będzie prędkość, z jaką obiek przekroczył daną srefę. Sosując linię o zmiennej długości można zmieniać odległość, w jakiej zosanie usanowiona srefa ochronna. Rys. 5. Koncepcja wykorzysania różnych długości linii opóźniających w radarze szumowym bliskiego zasięgu dla celów uworzenia sref ochronnych. 08 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNCZNY (Elecrical Review), SSN 0033-097, R. 88 NR 0a/0
Regulacja szerokości bariery ochronnej D B odbywa się w sposób bardzo prosy na drodze sprzęowej. Polega ona na doborze odpowiedniej szerokości pasma B zajmowanego przez sygnał szumowy. Szerokość bariery można obliczyć z nasępującej zależności: c () D B B W przypadku analizowanego radaru szerokość a wynosi. m. Z uwagi na fak, że radar promieniuje sygnał szumowy ciągły o małej mocy (40 W), o wykrycie jego obecności saje się bardzo urudnione, a jednocześnie może on pracować w ooczeniu innych urządzeń bez wzajemnego zakłócania się. Radary szumowe ego ypu mogą być skuecznie wykorzysane w sysemach ochrony i moniorowania jak również mogą dawać informację o prędkości poruszającego się obieku w wybranej srefie obserwacji. Wyniki pomiarów W układzie pomiarowym przedsawionym na rys. 6 przeprowadzono pomiary odległości i prędkości radialnej różnych obieków. Wykorzysano do ego celu radar szumowy zbudowany według schemau blokowego z rys. 4 o średniej mocy nadajnika P T = 40 W, kórym wygnano pomiary nasępujących obieków: reflekor rogowy, przełączaną anenę i człowiek. Rys. 6. Schema blokowy układu pomiarowego Reflekor rogowy Do pomiarów prędkości użyo reflekora rogowego, kórego średnia prędkość radialna v wynosiła około 5 m/s, a skueczna powierzchnia rozproszenia = m. Na rys. 7 przedsawiono przebieg napięcia na wyjściu demonsraora radaru w czasie, gdy reflekor rogowy z prędkością 5 m/s przekraczał srefę obserwacji radaru. Maksimum zarejesrowanego przebiegu wysępuje dla odległości D=D 0 =30 m, co jednocześnie odpowiada czasowi opóźnienia = 0, funkcji korelacji sygnałów nadawanego i odebranego. Rys. 7. Przebieg napięcia na wyjściu demonsraora radaru szumowego pracującego w paśmie X, podczas przekraczania srefy obserwacji przez reflekor rogowy. Zmiana czasu opóźnienia odbywała się poprzez zmianę odległości D reflekora rogowego od radaru szumowego według zależności =(D 0 D)/c. W związku z powyższym można narysować przebieg z rys. 7 w układzie współrzędnych funkcji korelacji [7] zn. warość R() w funkcji opóźnienia. Przebieg en przedsawiono na rys. 8. Rys. 8. Unormowana funkcja korelacji sygnałów szumowych nadawanego i odebranego w przypadku przekraczania srefy obserwacji przez reflekor rogowy. Zmiana warości czasu opóźnienia funkcji korelacji z rys. 8, związana jes z ruchem reflekora rogowego według zależności v c (3) f τ Doppler Z zależności (3) wynika, że pulsacja przebiegu wyjściowego korelaora mikrofalowego jes wpros pulsacją dopplerowską, a przebieg en można opisać nasępującą zależnością R τ A τ cos f (4) Doppler Wykorzysując dwa przebiegi i z wyjść korelaora mikrofalowego, opisane zależnościami (7) i (8), można dokonać obliczenia częsoliwości dopplerowskiej w przedziale czasu, dla kórego reflekor rogowy znajdował się w pobliżu punku odpowiadającego odległości D 0 od radaru. Dla akiego przypadku pulsacja określona wzorem () jes pulsacją dopplerowską, a częsoliwość Dopplera można wyznaczyć ze wzoru: (3) f D d d R arcan R τ τ Pozwala o na odmienny sposób wyznaczania częsoliwości Dopplera, niż jes o klasycznie przyjęe. W ujęciu klasycznym częsoliwość Dopplera wyznacza się przechodząc z dziedziny czasu na dziedzinę częsoliwości za pomocą ransformay Fouriera. W przypadku określenia składowych kwadraurowych funkcji korelacji na w.cz., dzięki zasosowaniu korelaora mikrofalowego, uzyskuje się możliwość określenia warości częsoliwości Dopplera w funkcji czasu. Oznacza o, że można określić, jak w poszczególnych fazach ruchu zmieniała się prędkość obieku. Przełączana anena Do oceny czułości i zasięgu demonsraora radaru szumowego z korelaorem analogowym pracującego w paśmie X zasosowano, jako imiaor celu przełączaną anenę. Jes o układ składający się z aneny do wyjścia, kórej podłączono odcinek zwarej linii ransmisyjnej, kórej długość jes zmieniana za pomocą generaora kluczującego. Częsoliwość pracy ego generaora symuluje częsoliwość Dopplera poruszającego się obieku. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNCZNY (Elecrical Review), SSN 0033-097, R. 88 NR 0a/0 09
Tak skonsruowana anena, odbija padające na nią promieniowanie mikrofalowe ak, jak odbijałby cel o skuecznej powierzchni rozproszenia równej skuecznej powierzchni rozproszenia aneny i prędkości radialnej v, dla kórej częsoliwość Dopplera wynosi yle, ile wynosi częsoliwość generaora kluczującego. Rys. 9. Napięcie na wyjściu korelaora mikrofalowego dla przypadku opromieniowania przełączanej aneny. Na rys. 9 przedsawiono przebieg napięcia na wyjściu korelaora dla przypadku, gdy w srefie obserwacji znalazł się obiek imiowany przez anenę, kórej skueczna powierzchnia rozproszenia A =0.3 m, a częsoliwość kluczowania f D = khz. Wynik en pokazuje, że możliwe jes wykrycie przekroczenia bariery ochronnej przez bardzo mały obiek, poruszający się z prędkością v = 6.3 m/s (58 km/h) z odległości 30 m, przy mocy ciągłej szumowego nadajnika rzędu 40 W. Człowiek w srefie obserwacji Przeprowadzono akże doświadczenia związane z wykrywaniem obecności ludzi w srefie obserwacji ze szczególnym uwzględnieniem deekcji ruchu w ej srefie. Na rys. 0 przedsawiono przebieg napięcia na wyjściu korelaora dla przypadku, gdy znajdujący się w srefie obserwacji człowiek wykonał szybkie ruchy rękami do przodu i do yłu w sosunku do radaru. LTERATURA Rys. 0. Napięcie na wyjściu korelaora mikrofalowego dla przypadku obecności w srefie obserwacji człowieka. Na rys. 0 ławo można rozpoznać fazę, gdy ręce człowieka poruszały się w srefie obserwacji w kierunku radaru, oraz fazę, gdy wykonywały ruch powrony. Pomimo, że sosunek sygnał/szum jes w ym przypadku wyraźnie mniejszy niż dla aneny, czy reflekora rogowego, o w dalszym ciągu możliwe jes wykrycie obecności obieku w srefie. Możliwe jak akże określenie prędkości radialnej poruszającego się obieku, jako całości, lub poruszających się jego poszczególnych części. Swierdzenie ego faku prowadzi do zaproponowania zasosowania opisanego urządzenia do moniorowania czynności życiowych organizmów żywych na odległość. Wnioski Zaproponowany sposób analogowej deekcji korelacyjnej w paśmie X pozwoli na budowę radarów szumowych za pomocą, kórych możliwy będzie precyzyjny pomiar odległości i prędkości obieków. Zaproponowana koncepcja srefowej obserwacji w odległości daje możliwość zasosowania radaru z sygnałem ciągłym do moniorowania wybranych sref obserwacji. Radar szumowy z sygnałem ciągłym jes rudno wykrywalny, ponieważ jego sygnał jes nieinencjonalny. Zasosowany w nim deekor korelacyjny pozwala na osiąganie dużych zysków deekcji, a przez o relaywnie dużych zasięgów przy sosunkowo małej mocy sygnału nadajnika. Ze względu na pracę odbiornika radaru, jako odbiornika bezpośredniego wzmocnienia, wymagane jes użycie wzmacniacza w.cz. o dużym wzmocnieniu rzędu 60 db i niskim współczynniku szumów, w prakyce nie przekraczającym warość.5 db. Wzmacniacz aki powinien swobodnie współpracować z zesawem filrów pasmowo-przepusowych usalających pasmo sygnału w granicach od 50 do 800 MHz wokół częsoliwości środkowej f 0 =9. GHz. W akim eż paśmie powinien pracować wzmacniacz w.cz. Wymagania e powodują, że konsrukcja akiego bloku wzmacniająco-filrującego sawia przed konsrukorem wysokie wymagania. W Zakładzie Mikrofal nsyuu Radioelekroniki WAT auor skonsruował aki sopień wejściowy odbiornika demonsraora radaru szumowego z analogowym korelaorem pracującym w paśmie X. Obszary zasosowań radarów szumowych o: radary anykolizyjne [8], ochrony obieków, wykrywania ruchu, rozpoznawanie i peneracja obieków niedosępnych, peneracja obieków ukryych w płykich warswach ziemi, wykrywanie żywych iso w obszarach niedosępnych i zakryych [9]. Dalsze plany auora o zasosowanie przedsawionej w arykule koncepcji szerokopasmowego korelaora mikrofalowego do budowy wybranych ypów radarów szumowych bliskiego zasięgu. Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w laach 00-03 jako projek rozwojowy O R00 008. LTERATURA [] Li Z., Narayanan R., Doppler Visibiliy of Coheren Ulrawideband Random Noise Radar Sysems, EEE Trans. On Aerospace and Elecronic Sysems, vol. 4, No 3, 006. [] Axelson R. J. Noise Radar for Range Doppler Processing and Digial Beam-forming Using Low-Bi ADC, EEE Trans. On Geoscience and Remoe Sensing, vol. 4, No, 003. [3] Lai C.-P, Narayanan R.M., Ruan.,. Davydov A Hilber- Huang ransform analysis of human aciviies using hroughwall noise and noise-like radar, ET Radar Sonar Navig., 008, Vol., No. 4, pp. 44-55. [4] Susek W., Sec B.: Broadband microwave corerelaor of noise signals, Merology and Measuremen Sysems, Vol. XV(00), No., 00, [5] Susek W., Sec B., and Recko Cz., "Noise Radar wih Microwave Correlaion Receiver," Aca Physica Polonica A, 9(4), 483-487 (00) [6] Sec B., Analiza charakerysyk fazowych i ampliudowych mikrofalowego dyskryminaora fazy z deekorami pierścieniowymi, Biuleyn WAT, Nr (43), 987, sr. 7-76. [7] Susek W., Demodulacja kwadraurowa sygnałów szumowych, Przegląd Elekroechniczny, (00) Nr 8, sr. 4 3. [8] Lukin K. A., Mogyla A. A., Alexandrov Y. A., Zemlayaniy O. V., Lukina T., Shiyan Yu: W-band Noise Radar Sensor for Collision Warning Sysems, EEE Proc. 000. [9] Rukowski A. K., Adam Kawalec A, Sysem deekcji pasywnej obieków ruchomych ukryych za ścianą z wykorzysaniem sygnałów GSM, Przegląd Elekroechniczny, 86 (0) Nr 0, sr. 47 5. Auor: dr inż. Waldemar Susek, Wojskowa Akademia Techniczna, nsyu Radioelekroniki, ul. Kaliskiego, 00-908 Warszawa, E-mail: Waldemar.Susek@wa.edu.pl. 0 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNCZNY (Elecrical Review), SSN 0033-097, R. 88 NR 0a/0