TADEUSZ STUPAK RYSZARD WAWRUCH Akademia Morska w Gdyni Katedra Nawigacji BADANIE WŁAŚCIWOŚCI DETEKCYJNYCH RADARU PRACUJĄCEGO NA FALI CIĄGŁEJ W artykule przedstawiono zasadę działania radaru pracującego na fali ciągłej z modulacją częstotliwości oraz wyniki badań takiego radaru, wyprodukowanego przez Przemysłowy Instytut Telekomunikacji. Badania prowadzone były na Zatoce Gdańskiej. 1. WSTĘP Radar nawigacyjny, pracujący impulsowo, wysyła sygnał o bardzo wysokiej amplitudzie, który niekorzystnie oddziałuje na organizmy żywe i może też zakłócać inne systemy radiokomunikacyjne. Dlatego szuka się nowych rozwiązań. Jednym z nich jest stosowanie techniki przestrajania częstotliwościowego fali ciągłej. Radar wykorzystujący tę technikę jest obecnie (2009/2010) testowany w Akademii Morskiej w Gdyni. W artykule omówiono wyniki pierwszego etapu tych badań. 2. STANOWISKO BADAWCZE Radar pracujący na fali ciągłej ma możliwość regulacji mocy wyjściowej sygnału nadajnika, automatycznego poziomu wzmocnienia ARW, regulacji integracji i korelacji sygnału. Układ regulacji zakłóceń stałych nie był w badanym egzemplarzu aktywny. Celem badań prowadzonych na Zatoce Gdańskiej było sprawdzenie w warunkach rzeczywistych wpływu poszczególnych regulatorów na możliwości wykrywcze i obraz radaru oraz ocena przydatności tego urządzenia do prowadzenia nawigacji na morskiej jednostce pływającej, zwanej dalej jednostką, lub w systemie kontroli ruchu statków, który wykorzystuje zdalne stanowiska monitorowania i integruje obraz z kilku urządzeń. Poziom generowanej mocy w badanym egzemplarzu może być zmieniany skokowo i przyjmować następujące wartości: 1 mw, 10 mw, 100 mw, 2 W. Poziom wzmocnienia toru odbiorczego można zmieniać według skali umownej od 1 do 25.
T.Stupak, R. Wawruch, Badanie właściwości detekcyjnych radaru pracującego na fali ciągłej 87 Reguła integracji w testowanej wersji oprogramowania przedstawia się następująco: Radar pracuje w cyklach przestrajania o okresie 1 ms. W tym czasie nadajnik jest przestrajany częstotliwościowo, a odległość do obiektu jest określana przez pomiar różnicy częstotliwości sygnału wysyłanego i odbieranego. Różnica ta jest całkowana przez cały okres pracy, dzięki czemu uzyskuje się odpowiedni poziom sygnału echa przy małym poziomie amplitudy sygnału nadajnika. Odebrany sygnał różnic jest przekształcany na postać cyfrową, gdzie w kolejnych szczelinach odległościowych jest zapisywany poziom 1, gdy jest sygnał, lub 0, gdy jego brak (analogicznie do radaru impulsowego). Kolejne cykle sondowania są w postaci zero-jedynkowej porównywane ze sobą. Reguła integracji polega na porównaniu, czy w kolejnych cyklach sygnał w danej odległości od anteny się powtarza. Reguła integracji jest podawana jako ułamek, w którym mianownik określa liczbę kolejnych cykli porównywanych ze sobą, np. 9, a licznik wymaganą liczbę sygnałów o poziomie 1, w tym przypadku 3. Jeżeli ustawiona jest integracja 3/9, to znaczy, że sygnał jest sprawdzany w kolejnych 9 przebiegach i jeżeli uzyskamy po raz trzeci sygnał 1, to w tej linii jest generowany obraz echa. Maksymalna liczba zapisywanych w pamięci przebiegów wynosi 16. W programie nie wprowadzono ograniczenia mianownika do tej wartości i dlatego można wpisać większe wartości do 72. W tym wypadku nie wiadomo jednak, co program liczy, ponieważ do pamięci dopisywane są nowe losowo wybrane wartości. W programie nie jest zdeterminowane, co jest zapisywane po przekroczeniu 16 cykli, nie muszą to być kolejne cykle. Opisany wyżej sposób analizy sygnału i budowy obrazu ma wady, gdyż obiekt jest oświetlany, jeżeli znajduje się na kierunku głównego promieniowania, a im jest dalej od niego, to odbierany sygnał jest słabszy, w związku z czym liczba kolejnych sygnałów odbieranych po odbiciu od obiektu zależy od kątowego wymiaru tego obiektu i amplitudy odbitego sygnału. Im amplituda sygnału jest większa, tym więcej sygnałów zostaje odebranych i tym większe jest prawdopodobieństwo odebrania wymaganej do zarejestrowania echa liczby impulsów. Powoduje to zmniejszenie zasięgu wykrywania. Ustawienie w liczniku niskiej wartości wymaganych jedynek powoduje możliwość detekcji zakłóceń, a z kolei ustawienie wysokiej wartości powoduje przesunięcie echa obiektu zgodnie z kierunkiem ruchu anteny, ponieważ sygnał jest generowany dopiero po uzyskaniu wymaganej liczby powtórzeń i na kierunku ostatniego zarejestrowanego sygnału. Liczba impulsów oświetlających obiekt w czasie jednego obrotu anteny zależy od jej prędkości obrotowej i szerokości charakterystyki promieniowania. W radarze można regulować prędkość obrotową i to do niej automatycznie dostosowywana jest liczba integrowanych przebiegów. Operator może ją jednak zmieniać. Może zatem zaistnieć sytuacja, że np. dla 4/16 wymagana liczba powtórzeń zostanie uzyskana po 16 przebiegu, z których 3 były w pierwszych trzech sygnałach, a czwarty w 16, przy 4 impulsach w paczce o szerokości charakterystyki 0,7 o, obiekt zostanie pokazany na kierunku odpowiadającym ostatniemu sygnałowi, czyli 3 o dalej w kierunku ruchu anteny. Prędkość obrotową anteny można w tym urządzeniu zmieniać od 12 do 30 obrotów/minutę, co przy
88 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 23, 2009 szerokości charakterystyki promieniowania w azymucie 0,7 o daje od 4 do 10 przebiegów/cykl pracy, a dla radaru o szerokości charakterystyki w azymucie 0,5 o od 3 do 6 impulsów w paczce. Korelacja to w tym urządzeniu porównanie przebiegów na tym samym kierunku w dwóch kolejnych obrotach anteny. Układ ten pozwala zmniejszyć liczbę rejestrowanych odbić od powierzchni morza. Na rysunku 1 przedstawiono stanowisko badawcze radaru CW-FM w laboratorium radarowym. Rys.1. Badany radar CW FM typ CRM 203 Podczas eksperymentu układ korelacji zakłóceń stałych nie był aktywny. Prezentowane w artykule wyniki pomiarów zostały zarejestrowane w sprzyjających warunkach hydrometeorologicznych, bez opadów i gdy zakłócenia od powierzchni morza były minimalne. Celem badań było głównie sprawdzenie, w jakim stopniu ustawienie obrazu może sprawiać trudności operatorowi. W radarach produkowanych w latach siedemdziesiątych XX wieku do regulacji obrazu, oprócz zmiany jasności ekranu i strojenia, służyły trzy potencjometry: wzmocnienie, zasięgowa regulacja wzmocnienia i rozróżnialnik, co umożliwiało nawet mało doświadczonemu operatorowi uzyskanie poprawnego zobrazowania. Obecnie operator ma dostęp do zmian parametrów wielu funkcji, ale czy dzięki temu obraz radarowy jest lepszy? Postęp techniczny umożliwił dostęp do elementów elektronicznych o wyższych parametrach, zmniejszenie poziomu szumów, cyfrowa analiza obrazu pozwala na porównywanie sygnałów z wielu obrotów anteny celem eliminacji zakłóceń. Operator, niestety, ani nie posiada wystarczającej wiedzy, jak z tego skorzystać, ani nie może znaleźć szczegółowych informacji w instrukcjach.
T.Stupak, R. Wawruch, Badanie właściwości detekcyjnych radaru pracującego na fali ciągłej 89 W celu określenia wpływu poszczególnych regulatorów na możliwości wykrywcze radaru przebadano wpływ poszczególnych parametrów na rejestrowany obraz dla zakresów pracy od 0,5 Mm do 24 Mm. 3. OBSERWACJE NA ZAKRESIE 0,5 MM Obraz radarowy na tym zakresie pracy uzyskiwany jest przy małej mocy emitowanej równej 1mW. Zwiększenie mocy do 100 mw pogarsza detekcję, Rys. 2. Zakres 3 Mm, moc 100 mw, ARW 10, Rys. 3. Zakres 3 Mm, moc 100 mw, integracja 2/6 ARW 10, integracja 3/6 Rys.4. Zakres 3 Mm, moc 100 mw, ARW 10, Rys. 5. Zakres 3 Mm, moc 100 mw, integracja 2/15 ARW 10, integracja 3/15
90 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 23, 2009 pojawiają się szumy i zakłócenia, które udaje się wytłumić za pomocą ARW (Automatyczna Regulacja Wzmocnienia) ustawionego na poziomie 25. Poprawny obraz uzyskuje się przy niskim poziomie integracji dla nastaw 1/3, 1/5, ewentualnie 3/15. Przy wymaganej powtarzalności większej liczby impulsów (5/9, 5/15) uzyskany obraz jest jednak mało czytelny, prezentowanych jest bowiem wiele ech o zwiększonej szerokości i wysokim poziomie jasności. Zwiększanie próby powyżej możliwości programu (np. 5/30) pogarszało jakość obrazu. 4. OBSERWACJE NA ZAKRESIE 3 MM Na zakresie 3 Mm dla mocy sygnału nadawczego 1 mw i ARW 1 detekcja sygnału jest niewłaściwa. W odległości od anteny powyżej 1,5 Mm generowane są szumy o dużym poziomie i rejestrowane są echa o dużym wymiarze kątowym. Dla wszystkich dostępnych nastaw integracji nie można uzyskać poprawnego obrazu. Dla mocy nadawanej na poziomie 100 mw i integracji 3/15 zwiększenie ARW do 15 pozwala na uzyskanie poprawnego obrazu. Dla maksymalnej mocy nadajnika równej 2 W zwiększenie poziomu ARW do 20 lub 25 pozwala na uzyskanie poprawnego obrazu dopiero po włączeniu korelacji (rys. 2 5). Dla minimalnej mocy nadajnika poziom ARW musi być również niski (1) dla uzyskania dobrego zobrazowania. Zmieniając reguły integracji, można uzyskać duże różnice w jakości obrazu przy niewielkich zmianach wartości tej funkcji. Dla reguł integracji 2/6, 3/6, 4/9 amplituda ech jest niewielka i zasięg wykrywania praktycznie ograniczony do 1,0 1,5 Mm, ponieważ w większej odległości echa są bardzo mało widoczne na tle silnych szumów. Dla prób liczniejszych, ale o wymaganej mniejszej powtarzalności 2/15, obraz jest poprawny. Dla wprowadzanych zbyt wysokich liczebności prób wykorzystywanych do sprawdzania integracji sygnałów uzyskuje się różne efekty przy niewielkiej zmianie wymaganych powtórzeń, np. dla 4/30, 5/30 uzyskiwano zaskakująco dobry obraz, ale przy próbie 3/40 poziom rejestrowanych szumów był bardzo wysoki. Dla emitowanej mocy równej 100 mw były rejestrowane optymalne poziomy ech i znikome szumy. 5. OBSERWACJE NA ZAKRESIE 12 MM W czasie żeglugi morskiej, zwykle w celu uniknięcia sytuacji nadmiernego zbliżenia i nawigacji, używany jest zakres 12 Mm, jedynie co pewien czas radar powinien być przełączony na zakres 3 Mm dla detekcji małych obiektów. Zmniejszenie mocy emitowanej na tym zakresie nie jest korzystne, ponieważ zmniejsza zasięg wykrywania. Użycie wysokich poziomów ARW (25) powoduje całkowite wytłumienie ech obiektów położonych w odległości do 2 3 mil od
T.Stupak, R. Wawruch, Badanie właściwości detekcyjnych radaru pracującego na fali ciągłej 91 anteny. Poziom 20 w warunkach panujących w czasie badań okazał się maksymalnym, jaki można zalecić. Integracja sygnału na wysokim poziomie 3/6 zmniejsza zasięg wykrywania w niewielkim stopniu. Próbki o poziomach 2/9 i 3/15, które pozwalały uzyskać poprawny obraz na zakresie 3 Mm, tu się nie sprawdzają. Przy tych nastawach generowanych jest dużo szumów i zakłóceń, echa obiektów mają dużą jasność i szerokość kątową. Optymalne poziomy obrazu uzyskuje się przy integracji niewielkich prób dla nastaw 3/6 oraz 3/10. Poprawę jakości obrazu uzyskuje się po włączeniu korelacji. Dla mocy generowanej równej 100 mw nastawa ARW powinna wynosić co najmniej 10, a optymalny poziom, przy braku zakłóceń, to 15 i więcej. Wysoki poziom integracji dla niewielkiej liczebnie próby, jak 5/7, 5/10, powoduje, że na ekranie jest mała liczba ech, a zasięg wykrywania jest ograniczony. Najlepsze wyniki uzyskano dla integracji 3/15 i 4/15 (rys. 6 i 7). Rys. 6. Zakres 12 Mm, moc 2 W, ARW 25, Rys. 7. Zakres 12 Mm, moc 2 W, ARW 25, integracja 2 z 6, korelacja wyłączona integracja 3 z 6, korelacja wyłączona Dla sygnałów pełnej mocy (2 W) włączenie korelacji pozwala na znaczną poprawę obrazu. Użycie niskich poziomów ARW powoduje generację szumów na ekranie. Optymalny poziom to 20. Reguła integracji jest właściwa na tym zakresie dla nastaw od 3/15 do 5/15. Dla małej liczebności prób integracji obraz jest generowany z zakłóceniami ech wielokrotnych i pośrednich i z dużym poziomem szumów.
92 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 23, 2009 6. OBSERWACJE NA ZAKRESIE 24 MM Dla warunków propagacyjnych panujących podczas badań największym zakresem obserwacji był zakres 24 Mm. W tym wypadku zmniejszenie poziomu mocy jest niecelowe. Aby uzyskać duży zasięg wykrywania, należy ostrożnie dobierać parametry toru odbiorczego oraz liczyć się z detekcją szumów i zakłóceń. Zasięg obserwacji łatwo jest ocenić na Zatoce Gdańskiej na podstawie zasięgu widzialności płaskiej linii brzegowej rejestrowanej w kierunku wschodnim. Bardzo wysoki poziom ARW (20, 25) powoduje brak możliwości wykrywania ech od lądu półwysep Hel znajduje się w odległości 10 Mm od anteny i powinien być dobrze widoczny. Zalecane są małe poziomy ARW (np. 5). Korelacja na poziomie 4/9, 4/10 czy 6/15 pozwala na uzyskanie stosunkowo dużego zasięgu wykrywania linii brzegowej, do około 20 Mm, ale równocześnie rejestrowane są liczne szumy. 7. WNIOSKI Jak wynika z powyższej analizy, regulacja obrazu prezentowanego radaru CW-FM jest skomplikowana i nie można jej ująć w zasady stosowane dla klasycznych radarów impulsowych, gdzie np. poziom ZRW należy zwiększać wraz ze zwiększaniem zakresu pracy (zwiększeniem czasu trwania impulsu) oraz używać większego jego poziomu dla wyższego stanu morza (wyższych wysokości fal morskich). Równocześnie należy zaznaczyć, że prezentowane badania prowadzone były podczas sprzyjających warunków hydrometeorologicznych. Podczas występowania opadów atmosferycznych zasięg wykrywania dla radaru CW-FM jest redukowany w większym stopniu niż dla radaru impulsowego ze względu na długi czas odbioru sygnału echa, na który nakładają się szumy opadu. Technika CW-FM jest ważnym kierunkiem rozwoju radiolokacji morskiej ze względu na to, że nie zakłóca pracy innych systemów radiokomunikacyjnych. Natomiast urządzenia te muszą być badane i doskonalone, aby uzyskać parametry wykrywania i śledzenia obiektów nawodnych spełniające wymagania bezpieczeństwa nawigacji. Należy podkreślić, że prezentowane doświadczenia były początkiem prób poligonowych tego urządzenia i parametry są zmieniane na bieżąco, dlatego też można się spodziewać, że podczas dalszych badań zaprezentowane w tym opracowaniu wady zostaną wyeliminowane.
T.Stupak, R. Wawruch, Badanie właściwości detekcyjnych radaru pracującego na fali ciągłej 93 LITERATURA 1. Barton D., Modern Radar Systems Analysis, Artech House, Inc, 1998. 2. Mahafza B., Radar Systems Analysis and Design Using Matlab, Chapman & Hall/CRC, 2000. 3. Przegląd możliwości wykonawczych morskiego radaru CRM, Praca zbiorowa. Przemysłowy Instytut Telekomunikacji. 4. Wawruch R., Stupak T., Charakterystyka radaru na falę ciągłą, Prace Wydziału Nawigacyjnego Akademii Morskiej w Gdyni, nr 21, 2008, s. 120 130. DETECTION POSSIBILITY OF FMCW RADAR INVESTIGATIONS Summary Paper presents results of selective tests performed in the area of the Gulf of Gdańsk to check the detection possibility and quality of information about detected and tracked vessels, obtained from the Maritime Coastal Surveillance Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) Radar CRM-203 type constructed by the Telecommunication Research Institute Ltd. Gdańsk Division and installed in the radar laboratory of the Gdynia Maritime University.