CHARAKTERYSTYKA RADARU NA FALĘ CIĄGŁĄ

PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO nr 21 AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI 2008 RYSZARD WAWRUCH TADEUSZ STUPAK Akademia Morska w Gdyni Katedra Nawigacji CHARAKTERYSTYKA RADARU NA FALĘ CIĄGŁĄ Radary pracujące na fali ciągłej zastąpią w przyszłości obecnie stosowane statkowe radary impulsowe. W artykule omówiono parametry, możliwości wykrywacze i dokładności pomiarów realizowanych za pomocą obu typów tych urządzeń oraz przedstawiono wymagania, które powinny spełniać radary statkowe niezależnie od zasady ich działania. Porównano również podstawowe parametry eksploatacyjne nawigacyjnego radaru impulsowego z pracującym na fali ciągłej. 1. WSTĘP Statkowe radary impulsowe generują sygnały o szerokim widmie częstotliwości i, w porównaniu z innymi używanymi nadajnikami mikrofalowymi, o bardzo dużej mocy szczytowej. Jest to źródłem poważnych zakłóceń elektromagnetycznych. Z tych też względów użytkownicy cywilni skłaniają się do zastosowania w radiolokacji morskiej wykorzystujących mniejsze moce szczytowe urządzeń pracujących na fali ciągłej. 2. ZASADA DZIAŁANIA RADARU PRACUJĄCEGO NA FALI CIĄGŁEJ Zasadę działania radaru pracującego na fali ciągłej przestawiono na przykładzie radaru Hi Vision produkowanego przez niemiecką firmę Daimler- -Benz Aerospace. Obecnie jest realizowanych w skali przemysłowej wiele skomplikowanych technologii elektronicznych, których koncepcje powstały już wiele lat temu. Jedną z takich koncepcji jest konstrukcja radaru pracującego na fali ciągłej z modulacją częstotliwości, tzw. Frequency Modulated Continuous Wave (FM-CW). Radar taki od wielu lat jest stosowany do celów militarnych, między 113

innymi w wojskowych systemach rozpoznania na okrętach, a ostatnio znalazł również zastosowanie w służbach cywilnych. Dla pozyskania obrazu wysokiej rozdzielności quasi optycznej z wysokim współczynnikiem aktualizacji może on wykorzystywać technologię nieruchomej anteny płytkowej z przestrajaniem elektronicznym. Radary FM-CW firmy Daimler-Benz Aerospace stosuje się od końca lat dziewięćdziesiątych XX wieku na niektórych lotniskach i w niektórych portach w Niemczech. Na rys. 1 i 2 przedstawiono przykładowe zdjęcia zobrazowań na ekranach radarów zainstalowanych w porcie w Hamburgu i na lotnisku w Monachium. Rys. 1. Obraz portu w Hamburgu [1] Rys. 2. Obraz radarowy lotniska w Monachium [1] W omawianych radarach zastosowano trzy nowe cechy w porównaniu z radarami impulsowymi: zasadę modulacji częstotliwości fali ciągłej (FM CW), falę nośną o częstotliwości 34 GHz (fale milimetrowe), antenę z przestrajaniem elektronicznym. Rozwiązania o niższych parametrach eksploatacyjnych można uzyskać, stosując tradycyjne technologie, jak szczelinową antenę obrotową i dotychczasowe pasma częstotliwości radiolokacji morskiej. 2.1. Zasada działania radaru FM-CW W odróżnieniu od tradycyjnego radaru impulsowego, urządzenie FM-CW pracuje z sygnałem na fali ciągłej. Określenie odległości do echa jest możliwe, jeżeli sygnał ten jest modulowany przebiegiem piłokształtnym. Częstotliwość 114

odebranego sygnału wizyjnego jest proporcjonalna do odległości do echa (rys. 3). Konwersja do zakresu częstotliwości za pomocą FFT (Fast Fourier Transform) dająca sygnał wizyjny jest analogiczna jak dla radaru impulsowego. Dla tego rodzaju zastosowania wykorzystywany jest procesor ADSP (procesor dużej mocy i czasu rzeczywistego Advanced Digital Signal Procesor). Zasadę pracy radaru FM-CW prezentuje rysunek 3, na którym zastosowano następujące oznaczenia: Df/Dt szybkość wzrostu częstotliwości modulującej, df mierzona różnica częstotliwości, dt opóźnienie czasowe, F częstotliwość, T czas. F sygnał nadawczy sygnał odbiorczy Df dt df Dt T Rys. 3. Zasada działania radaru FM-CW Df/Dt szybkość wzrostu częstotliwości modulującej, df mierzona różnica częstotliwości, dt opóźnienie czasowe, F częstotliwość, T czas W radiolokacji odebrany sygnał jest opóźniony (proporcjonalnie do odległości do echa) w stosunku do sygnału nadajnika o Δt równe: Δt = 2r/c (1) gdzie: c prędkość fali, r odległość do obiektu odbijającego (echa). W radarze pracującym na fali ciągłej opóźnienie nie jest mierzone jako czas powrotu sygnału, ale pośrednio za pomocą obliczenia różnicy częstotliwości, która, w przypadku modulacji liniowej, też zmienia się proporcjonalnie do opóźnienia czasowego w proporcji określonej stosunkiem zakresu przestrajania częstotliwości Df do czasu przestrajania Dt. Dlatego, korzystając z zależności 1 115

możemy zapisać, że dla szybkości wzrostu częstotliwości modulującej Df/Dt, różnica częstotliwości df między sygnałem odebranym i wysłanym wynosi: df = 0,5dt c (Dt/Df) (2) Stąd, odstęp czasu pomiędzy momentami wysłania sygnału i jego powrotu dt, wynosi: dt = 2df/(c Dt/Df) (3) a mierzona odległość do echa r jest równa: r = cdt/2 = df/(dt/df) (4) 2.2. Budowa radaru FM-CW i jego podstawowe parametry techniczno-eksploatacyjne Radar FM-CW składa się z następujących bloków: anteny z zintegrowanym blokiem nadawczo- odbiorczym, generatora sygnałowego (nadajnika), wzmacniacza wysokiej częstotliwości, mieszacza i wzmacniacza wizyjnego, procesora realizującego szybką transformatę Fouriera (FFT) i procesora obrazu (procesora sygnałowego z zintegrowanym ekstraktorem echa i układem śledzenia), wskaźnika. Schemat blokowy radaru przedstawia rys. 4. generator częstotliwości piłokształtnej wzmacniacz wyjściowy Wzmacniacz mocy Antena nadawcza Antena odbiorcza wideo procesor sygnałowy wzmacniacz wizyjny mieszacz przedwzmacniacz wskaźnik procesor obrazu Rys. 4. Schemat blokowy radaru CW-FM 116

W radarze CW-FM wymagana jest oddzielna antena nadawcza i odbiorcza dla separacji sygnału z nadajnika od odbieranego. Dla stosowanej często tliwości radaru pasma K (34 GHz) wymiary anteny są małe (kilkadziesiąt centymetrów). Zaletą opisywanego urządzenia jest możliwość zastosowania anteny przestrajanej elektronicznie i posiadającej budowę kompaktową, niewymagającą ciężkich konstrukcji. Nie wymaga ona postumentu, ani części obrotowych, konstrukcja jej jest lekka, a kierunek promieniowania jest zmieniany elektronicznie. Przestrajanie kierunku promieniowania jest realizowane w funkcji zmian częstotliwości RF. Gdy sygnał nadajnika (i odbierany sygnał) jest modulowany piłokształtnym sygnałem FM, antena jest przestrajana w kierunku od lewej do prawej z częstotliwością przebiegu piłokształtnego (15Hz). Antena składa się z reflektora o dwóch powierzchniach (nadawczej i odbiorczej), dwóch fiderów i falowodów. Zakres przestrajania jednej anteny wynosi 60 o (±30 o symetrycznie w stosunku do osi anteny). Jeżeli wymagany jest większy sektor obserwacji, stosowany jest układ dwóch bądź trzech anten sekwencyjnie aktywowanych. Podstawowymi zaletami radaru FM CW są: bardzo mała moc emisji brak ryzyka szkodliwego oddziaływania na organizmy żywe, wysoka rozdzielczość (5 m lub lepsza), małe wymiary i niewielka waga, mały pobór mocy, możliwość zasilania z baterii słonecznych, brak ruchomych części mechanicznych, brak szumów i wibracji, zintegrowany układ detekcji i śledzenia, wysoki współczynnik aktualizacji danych echa, półprzewodnikowy nadajnik i odbiornik, modułowa budowa umożliwiająca spełnienie różnorodnych wymagań użytkowników. Tabela 1 przedstawia porównanie wybranych parametrów technicznoeksploatacyjnych radaru morskiego przeznaczonego do pracy na brzegu, pracującego na fali ciągłej i impulsowego. Dla porównania wybrano wyposażony w antenę 18 stopową radar impulsowy pasma X produkowany dla służb VTS o parametrach eksploatacyjnych (zasięg wykrycia, rozdzielczość zobrazowania, itp.) znacznie lepszych od parametrów eksploatacyjnych radarów impulsowych stosowanych obecnie na statkach. 117

Tabela 1 Porównanie parametrów technicznych radaru impulsowego i FM-CW Parametr Radar impulsowy FM-CW radar Częstotliwość nośna (F n ) 9,4 GHz 34 GHz Moc szczytowa impulsu (P p ) 20 Kw Nie stosowane Długość impulsu (τ) 60 ns Nie stosowane Szerokość pasma przenoszenia 1/τ 5% F n Szerokość pozioma charakterystyki anteny 0,4 o - 0,6 o 0,5 o Szerokość pionowa charakterystyki anteny Wzór +/- 15 o o 10 FAN lub inv.cosec 2 FAN lub inv.cosec 2 Poziom tłumienia listków bocznych >25 Db >28 Db Poziom wzmocnienia kierunkowego anteny 35 Db >33 Db Polaryzacja promieniowania Pozioma Kołowa Szybkość skanowania 20 30 min -1 Do 7 Hz Wymiary urządzenia 5,4m x1m 1,4 m x 0,5 m Waga 240 kg 20 kg Pobór mocy 1,0 Kva Brak danych Częstotliwość impulsowania (f pi ) Do 4 000 Hz Nie stosowane Cykl pracy 0,024 % 100% Średnia moc (P av ) 4,8 W 0,5 1,0 W Poziom szumów odbiornika 4,5 Db 5,0 Db Dynamika odbiornika >80 Db 80 Db Dynamika układu zasięgowej regulacji wzmocnienia (ZRW) 45 Db Nie stosowane Całkowita dynamika sygnału wizyjnego >125 Db 80 Db Odległość wykrywania obiektu o RCS * = 10m 2 przy braku zakłóceń hydrometeorologicznych 20 km 16 km Zakres wykrywania obiektu o RCS * = 10m 2 podczas deszczu 5 mm/h Zakres wykrywania obiektu o RCS * = 10m 2 podczas deszczu 10 mm/h 17 km 8 km 15 km 5 km Rozdzielczość odległościowa 1,7 12 m 5 m lub mniej Pobór mocy Min. 0,8 Kw Max 0,4 Kw Koszt infrastruktury Wysoki Niski * RSC skuteczne powierzchnia odbicia (radar cross section). 118

Radar FM-CW ma wiele zalet, jeżeli sektor obserwacji wynosi 60 o, 120 o lub 180, a zakres obserwacji nie przekracza 3 do 5 km. Może on być wykorzystywany przez służby VTS do obserwacji w kanałach, śluzach i basenach portowych. Instalacja jest łatwa, a szkodliwy wpływ na środowisko znacznie mniejszy niż w przypadku radarów impulsowych. Ze względu na duże rozdzielczości kątowe i odległościowe oraz łatwość instalacji radary te mogą być wykorzystywane do ochrony mostów, baz paliwowych i innych strategicznych obiektów. Bardzo dobrze nadają się również do nadzoru ruchu lotniczego oraz ruchu lądowego. Opisywany radar jest urządzeniem wykorzystywanym na małych akwenach portów i kanałów, pozwalającym, dzięki wykorzystaniu bardzo wysokich częstotliwości i pracujących sektorowo kierunkowych anten, na uzyskanie bardzo wysokiej rozdzielczości przy niewielkim zasięgu wykrywania. Stosując pasmo X radiolokacji morskiej możemy zapewnić większe zasięgi wykrywania. W tym paśmie, ze względu na koszty urządzenia, proponowane są anteny szczelinowe. Różnią się one od tradycyjnych anten radarów morskich stosowanych na statkach, ponieważ wymagane są odrębne anteny do nadawania i do równoczesnego odbioru sygnałów echa. Stosowane anteny umieszczone są jedna nad drugą, niekiedy w tej samej obudowie. 3. PARAMETRY RADARÓW PRACUJĄCYCH NA FALI CIĄGŁEJ Obecnie nie produkuje się jeszcze radarów statkowych pasma X (9 GHz) pracujących na fali ciągłej dla użytkowników cywilnych, jednak firmy modernizują konstrukcje morskich radarów brzegowych i okrętowych radarów wojskowych by spełnić w niedalekiej przyszłości również te wymagania. Poniżej przedstawiono dane urządzeń dwóch, innych niż Daimler-Benz Aerospace, czołowych producentów opisywanych urządzeń: firm ARS Technologies GmbH i ELTA Systems Ltd. 3.1. Radar firmy ARS Technologies GmbH Niemiecka firma ARS Technologies BmbH (Applied Radar and Sonar Technologies GmbH) produkuje radar FM-CW QSR 2000 dla kontroli ruchu na morzu i w porcie, którego podstawowe parametry przedstawiono w tabeli 2. 119

Tabela 2 Podstawowe parametry radaru FM-CW QSR 2000 firmy ARS Technologies GmbH PARAMETR Częstotliwość pracy Moc nadajnika Szerokość pasma Szybkość skanowania Nadajnik WARTOŚĆ Pasmo X 1,0 W 0,50 MHz 0,50 MHz/ min Liniowość < 0,001 % Poziom szumów < -75 db Odbiornik Poziom szumów Częstotliwość pośrednia Szerokość pasma przenoszenia Zasięg wykrycia, przy braku zakłóceń hydrometeorologicznych, obiektu o RCS * = 2m 2 3 db 1 MHz 0,50 MHz do około 55 km Antena Szybkość skanowania Typ Polaryzacja Poziom izolacji anten nadawczej i odbiorczej Długość anteny Poziomy kąt promieniowania Pionowy kąt promieniowania 360 / 4 s Podwójna antena szczelinowa Pozioma > 55 db do 2 m 0,8 o 7 o Procesor radarowy Przetwornik analogowo-cyfrowy połączony za pomocą PCI z komputerem. Układ ATT (filtr Kalmana) jest aktywowany dla wszystkich ech. Wskaźnik Dane są wyświetlane na wskaźniku z jasnością (1600 cd/m 2 ) na 17 LCD ekranie * RSC skuteczne powierzchnia odbicia (radar cross section). Schemat blokowy tego urządzenia jest bardzo podobny do schematu radaru Daimler-Benz Aerospace. W urządzeniu tym zastosowano układ anten szczelinowych pokazanych na rysunku 5. 120

Rys. 5. Podwójna antena szczelinowa radaru FM-CW QSR 2000 [2] Obecnie są wytwarzane dwie wersje opisywanego radaru różniące się gęstością promieniowanej mocy: 10mW i 200mW, wykorzystywane do lokalizacji i śledzenia pojazdów oraz ostrzegania przez możliwą kolizją. Nowym produktem firmy ARS Technologies GmbH jest radar FM-CW bazujący na diodach ELVA IMPATT (Active Frequency Multiplier AFM), które pozwalają na przestrajanie mikrofalowego sygnału wyjściowego w zakresie częstotliwości od 20 GHz do 150 GHz. Częstotliwości pracy z tego zakresu mogą być dobierane do indywidualnych potrzeb użytkownika. Obecnie częstotliwość pracy została ustalona na 94 GHz w oknie niskiego tłumienia atmosferycznego (pomiędzy 80 GHz i 100 GHz). Dla zapewnienia wymaganych parametrów czułości i dokładności wykrycia, dokonywana jest liniowa zmiana częstotliwości sygnału, którą uzyskuje się dzięki otwartej pętli sprzężenia zwrotnego. Przewagą tego rozwiązania nad dotychczas stosowanym jest możliwość uzyskania wyższego o 15-20 db poziomu sygnału wyjściowego pozbawionego szumów i o dobrej liniowości. Zaletą radaru IMPATT Diode Active Frequency Multiplier (AFM) jest też możliwość uzyskania wysokiego współczynnika wzmocnienia. Problem liniowego przestrajania częstotliwości został rozwiązany dla zakresu fal centymetrowych, lecz w dalszym ciągu jest trudny do zrealizowania dla pasm fal milimetrowych. AFM, stosując niskie napięcia zasilania oscylatora lokalnego (podobnie jak w przypadku diody Gunna), pozwala generować sygnały VCO na równie wysokich częstotliwościach jak diody Gunna, lecz o większej liniowości. Dostępne generatory na fale centymetrowe zapewniają wysoką liniowość przestrajania z wykorzystaniem generatorów na diodzie Gunna z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego. Przewaga rozwiązania z otwartą pętlą sprzężenia polega na możliwości stosowania większych prędkości 121

przestrajania. Charakteryzujący się tymi zaletami prezentowany radar FMCW ma niższą cenę, wyższy poziom mocy wyjściowej sygnału i zapewnia lepszą dokładność pomiaru w stosunku do innych tego typu urządzeń dostępnych na rynku. 3.2. Radar firmy ELTA SYSTEMS Ltd Firma ELTA SYSTEMS Ltd powstała w 1967 roku i wchodzi w skład holdingu IAI (Israel Aircraft Industries). Jest ona jednym ze światowych liderów w opracowywaniu i produkcji wojskowych systemów elektronicznych, używanych w ponad 50 krajach świata. Urządzenia firmy ELTA ochraniają i nadzorują wiele obiektów cywilnych i wojskowych w Izraelu, USA i innych krajach. Rozwiązania stosowane przez producenta są zawsze dostosowywane do konkretnych potrzeb klienta. Taki sposób projektowania prowadzi do znacznych oszczędności finansowych i pozwala zastosować najlepsze rozwiązania. Konstrukcje radarowe firmy ELTA testowane są obecnie przez Straż Graniczną RP i wykazują się wysokimi parametrami wykrywania, łatwością obsługi oraz bezawaryjną pracą. Podstawowe parametry produkowanego aktualnie przez tą firmę radaru ELM 21/29 przedstawia tabela 3. Parametry RADARU ELM 21/29 Tabela 3 PARAMETR WARTOŚĆ ODLEGŁOŚCI WYKRYCIA Zasięg maksymalny 59 m do 30 km Przemieszczający się człowiek (RCS * = 0.5 m²) Do 7 km Mała łódź (RCS * = 1m²) 10-12 km w zależności od warunków hydrometeorologicznych Statek (RCS * = 200m²) Do 30 km (spokojne morze) Przemieszczający się helikopter 10-15 km (w zależności o typu helikoptera) Ciężki pojazd (RCS * = 20 m²) Do 25 km DOKŁADNOŚĆ POMIARU Dokładność pomiaru odległości ±25 m Dokładność pomiaru kąta ±0,0005 * RSC skuteczne powierzchnia odbicia. W Polsce prowadzone są również prace zmierzające do uruchomienia produkcji radaru pracującego na fali ciągłej w morskim paśmie radiolokacyjnym. Badania w tym zakresie prowadzi i prace konstrukcyjne realizuje Państwowy Instytut Telekomunikacyjny (PIT). 122

WNIOSKI Radary pracujące na fali ciągłej nie zakłócają innych urządzeń pracujących w zakresach mikrofalowych, ponieważ generują falę sinusoidalną, która nie zawiera harmonicznych. Radary te wysyłają tyle samo energii, co klasyczny radar impulsowy, więc na środowisko naturalne oddziaływają w takim samym stopniu. W porównaniu z radarami impulsowymi, urządzenia te mogą zapewnić lepszą dokładność i rozdzielczość pomiaru i prezentacji obrazu. Nie w pełni rozwiązanym obecnie problemem jest kwestia tłumienia sygnałów zakłócających (głównie odbić od powierzchni morza i od opadów atmosferycznych). LITERATURA 1. Stupak T., Wawruch R.: Analiza charakterystyki radarów na falę. Praca wykonana na zlecenie Urzędu Morskiego w Gdyni, Gdynia 2007. 2. Materiały firmy ARS TECH. 3. Materiały firmy ELTA SYSTEMS Itd. CONTINUES WAVE RADAR CHARACTERISTIC (Summary) Radars working on continuous wave will replace ship pulse radars in the nearest future. In the article are described principle of work and construction of the Frequency Modulated Continuous Wave (FM-CW) radars. Their basic parameters, detection possibilities and measurement accuracies are presented and compared with pulse radar parameters. 123