Γιπλωματική Δργασία ηος θοιηηηή ηος Τμήμαηορ Ηλεκηπολόγυν Μησανικών και Τεσνολογίαρ Υπολογιζηών ηηρ Πολςηεσνικήρ Σσολήρ ηος Πανεπιζηημίος Παηπών

Transcript

1 ΠΑΝΔΠΙΣΗΜΙΟ ΠΑΣΡΧΝ ΣΜΗΜΑ ΗΛΔΚΣΡΟΛΟΓΧΝ ΜΗΥΑΝΙΚΧΝ ΚΑΙ ΣΔΥΝΟΛΟΓΙΑ ΤΠΟΛΟΓΙΣΧΝ ΣΟΜΔΑ: Σομέας Σηλεπικοινωνιών και Σεχνολογίας Πληρουορίας ΔΡΓΑΣΗΡΙΟ Δργαστήριο Θεωρητικής Ηλεκτροτεχνίας & Παραγωγής Β Γιπλωματική Δργασία ηος θοιηηηή ηος Τμήμαηορ Ηλεκηπολόγυν Μησανικών και Τεσνολογίαρ Υπολογιζηών ηηρ Πολςηεσνικήρ Σσολήρ ηος Πανεπιζηημίος Παηπών Κοςηζοςπίδη Αλέξανδπος ηος Γευπγίος Απιθμόρ Μηηπώος: 5363 Θέμα «Φηυιακή Απεικόνιση Αναλογικού Ραντάρ» Επιβλέπυν Θεόδυπορ Ανηυνακόποςλορ Αριθμός Γιπλωματικής Δργασίας: Πάηπα, Μάπηιορ

2 ΠΙΣΟΠΟΙΗΗ Πιζηοποιείηαι όηι η Διπλυμαηική Επγαζία με θέμα «Φηυιακή Απεικόνιση Αναλογικού Ραντάρ» Τος θοιηηηή ηος Τμήμαηορ Ηλεκηπολόγυν Μησανικών και Τεσνολογίαρ Υπολογιζηών Κοςηζοςπίδη Αλέξανδπος ηος Γευπγίος Απιθμόρ Μηηπώος: 5363 Παποςζιάζηηκε δημόζια και εξεηάζηηκε ζηο Τμήμα Ηλεκηπολόγυν Μησανικών και Τεσνολογίαρ Υπολογιζηών ζηιρ.../../ Ο Επιβλέπυν Ο Διεςθςνηήρ ηος Τομέα Καθηγηηήρ, Θεόδυπορ Ανηυνακόποςλορ Καθηγηηήρ, Νίκορ Φακυηάκηρ 2

3 Αριθμός Γιπλωματικής Δργασίας: Θέμα: «Φηυιακή Απεικόνιση Αναλογικού Ραντάρ» Φοιηηηήρ: Κοςηζοςπίδηρ Αλέξανδπορ Επιβλέπυν: Θεόδυπορ Ανηυνακόποςλορ Πεπίλητη Ζ κεγάιε ζεκαζία ησλ ζπζηεκάησλ ξαληάξ είηε ζε πνιηηηθό επίπεδν κε ηα ξαληάξ ελαέξηαο θπθινθνξίαο, θαηξνύ θηι, είηε ζε ζηξαηησηηθό επίπεδν ξαληάξ αεξάκπλαο, παξαθνινύζεζεο θηι, νδεγνύλ ζηελ ζπλερή κειέηε λέσλ ηερλνινγηώλ θαη βειηίσζε ησλ ζπζηεκάησλ απηώλ. ηα πιαίζηα ηεο κειέηεο θαη θαηαλόεζεο ησλ αξρώλ πνπ δηέπνπλ έλα ζύζηεκα ξαληάξ θηλείηαη ε παξνύζα δηπισκαηηθή εξγαζία. Γηα ιόγνπο ζαθήλεηαο ζηελ παξνπζίαζε ηελ ρσξίζακε ζε δπν κέξε, ζην ζεσξεηηθό θνκκάηη θαη ζην πξαθηηθό θνκκάηη. ην πξώην κέξνο αλαπηύζζνπκε ηηο βαζηθέο αξρέο ιεηηνπξγίαο ελόο ξαληάξ θαη εμάγνπκε ηηο δηάθνξεο καζεκαηηθέο εθθξάζεηο πνπ ζα καο ρξεηαζηνύλ ζηελ πεξεηαίξσ κειέηε. Δζηηάδνπκε ζε κηα ζεηξά επηκέξνπο ιεηηνπξγηώλ πνπ ζα καο ρξεηαζηνύλ ζηελ θαηαζθεπή ηνπ πξνζνκνησηή. Καηόπηλ γίλεηαη εθηελήο αλαθνξά ζηα ππνζπζηήκαηα θαη ζηηο ζπζθεπέο, θεξαίεο, δέθηεο, πνκπνί, επεμεξγαζηέο ζήκαηνο, ζπζθεπέο έλδεημεο, από ηα νπνία απνηειείηαη έλα ζύζηεκα ξαληάξ. ην δεύηεξν κέξνο παξνπζηάδνπκε ηελ δηαδηθαζία ηεο πξνζνκνίσζεο. Σελ δηαδηθαζία ηεο πξνζνκνίσζεο ελόο ζπζηήκαηνο ξαληάξ γηα ιόγνπο πην ξεαιηζηηθώλ απνηειεζκάησλ ζε πξαγκαηηθό ρξόλν ηελ ρσξίζακε ζε δπν επηκέξνπο δηεξγαζίεο. ηελ πξνζνκνίσζε ιεηηνπξγηθώλ ραξαθηεξηζηηθώλ, όπσο κεηάδνζε θαη ιήςε ζήκαηνο, δηαδηθαζία αλίρλεπζεο ζηόρσλ, όπνπ γίλεηαη ε κειέηε ηεο επηξξνήο δηαθόξσλ παξακέηξσλ ζηε ιεηηνπξγία ελόο ξαληάξ. Ζ δεύηεξε δηεξγαζία πνπ πξνζνκνηώζακε είλαη ε παξαγσγή ζεκάησλ πνπ λα είλαη ηθαλά λα νδεγήζνπλ κηα νζόλε, ζηελ παξνύζα εξγαζία έλα παικνγξάθν θαη κε κηα κηθξή αιιαγή κηα ςεθηαθή νζόλε, ώζηε λα δίλεηαη ε νπηηθή αίζζεζε πνπ δίλεη κηα θιαζζηθή αλαινγηθή νζόλε ξαληάξ. 3

4 Περιεχόμενα Μέξνο Α... 9 Θεσξεηηθή κειέηε ζπζηεκάησλ ξαληάξ... 9 Κεθάιαην 1 ν Βαζηθέο αξρέο ιεηηνπξγίαο ηνπ ξαληάξ (1) (2) (3) Δηζαγσγή Σαμηλόκεζε ησλ ξαληάξ Αθηηληθή απόζηαζε Απόζηαζε επθξίλεηαο πρλόηεηα Doppler Δμίζσζε ηνπ ξαληάξ Κεθάιαην 2 ν Μειέηε εηδηθώλ ιεηηνπξγηώλ ξαληάξ (1) (2) (4) Αλίρλεπζε ζήκαηνο παξνπζία ζνξύβνπ Πηζαλόηεηα ιάζνο αλίρλεπζεο Πηζαλόηεηα αλίρλεπζεο ηαζεξνύ ξπζκνύ πηζαλόηεηα ιάζνο αλίρλεπζεο (CFAR) Μέζεο ηηκήο θπςειώλ CFAR (κνλόο παικόο) Γείθηεο θηλνύκελνπ ζηόρνπ (Moving Target Indicator-MTI) Σν θάζκα ηνπ clutter MTI Δπηθάλεηα ζθέδαζεο (Radar Cross Section-RCS) Κεθάιαην 3 ν Κεξαίεο ξαληάξ (1) (5) Λεηηνπξγηθόηεηα θεξαηώλ Υαξαθηεξηζηηθά θεξαηώλ Πόισζε θεξαίαο Παξαβνιηθή θεξαία Κεξαίεο αλνηγκέλεο δέζκεο αθηηλνβνιίαο (fan beam) Κεξαίεο κε δηάγξακκα αθηηλνβνιίαο ηεηξαγσληθήο ζπληέκλνπζαο (cosecant squared pattern). 49 Κεθάιαην 4 ν Πνκπνί ησλ ξαληάξ (6) (2) Γεληθή επηζθόπεζε Pseudo-coherent ξαληάξ Πιήξσο ζύκθσλν (fully coherent) ξαληάξ Λεηηνπξγηθά ραξαθηεξηζηηθά Κεθάιαην 5 ν Γέθηεο ησλ ξαληάξ (2) (7)

5 5.1 Τπεξ-εηεξόδπλνο δέθηεο Κεθάιαην 6 ν Δπεμεξγαζία ήκαηνο Ραληάξ (1) (4) (8) Γεληθή επηζθόπεζε In phase & quadrature δηαδηθαζία ύγρξνλνο αληρλεπηήο (synchronous detector) Αληρλεπηήο (Detector) Δμαγσγέαο απεηθόληζεο (Plot Extractor) Δπεμεξγαζηήο απεηθόληζεο Κεθάιαην 7 ν πζθεπέο απεηθόληζεο ησλ ξαληάξ (Indicators) (9) Δηζαγσγή ζηηο ζπζθεπέο απεηθόληζεο Ραληάξ PPI-scope Μπινθ δηάγξακκα ιεηηνπξγίαο PPI νζόλεο Κύθισκα πύιεο (Gate Circuit) Γελλήηξηα πύιε εληάζεσλ (Intensity gate Generator) Βίληεν εληζρπηήο (Video Amplifier) Κύθισκα ειέγρνπ άμνλα ζάξσζεο (Sweep Control Circuit) Γελλήηξηα πξηνλσηώλ ξεπκάησλ (Sawtooth Generator) Καζνδηθόο ζσιήλαο (Cathode Ray Tube) Δληζρπηήο ξεύκαηνο απόθιηζεο (Deflection Current Amplifier) Πελία απόθιηζεο (Deflection Coils) Παξνρή ηζρύνο (Power Supply) Φεθηαθή απεηθόληζε ζάξσζεο (Raster Scan Monitor) Β Μέξνο Γηαδηθαζία πξνζνκνίσζεο Δηζαγσγή Κεθάιαην 8 ν Σν γξαθηθό πεξηβάιινλ ηνπ πξνζνκνησηή ξαληάξ (10) Γεληθή επηζθόπεζε Κύξηα θνπκπηά ειέγρνπ Start/Pause/Continue Buffer Analyze Reset Πξαγκαηηθή ζέζε ζηόρσλ Παξάκεηξνη ξαληάξ Δπηινγή PRI Δπηινγή δηάξθεηαο παικνύ

6 8.4.3 Δπηινγή peak ηάζεο ηνπ παικνύ Δπηινγή ηαρύηεηαο πεξηζηξνθήο θεξαίαο Δπηινγή θαησθιίνπ αλίρλεπζεο Δπηινγή ξπζκνύ δεηγκαηνιεςίαο Δπηινγή εύξνπο δώλεο Αξηζκόο παικώλ ζηνλ buffer Δπηινγή MTI θίιηξνπ Δπηινγή πξνζαξκνζκέλνπ θίιηξνπ Δπηινγή ηύπνπ θεξαίαο Δπηινγή ηνπ ρξόλνπ αλαλέσζεο ηεο νζόλεο ηνπ πξνζνκνησηή Δπηινγή επηκέλνπζαο νζόλεο (Persistent Display) Παξάκεηξνη ζηόρσλ θαη πεξηβάιινληνο Δπηινγή ζηόρσλ θαη clutter Δπηινγή RCS Παξάκεηξνη ζνξύβνπ Κνπκπί ηνπνζέηεζεο clutter Κνπκπί εκθάληζεο ζηόρσλ Κύξηα νζόλε πξνζνκνησηή ξαληάξ ηνηρεία αλαινγηθνύ ειέγρνπ Κεθάιαην 9 ν Αλάιπζε δηαδηθαζίαο πξνζνκνίσζεο (10) Γηάγξακκα ειέγρνπ ξνήο ηεο runradarsim Γηάβαζκα παξακέηξσλ, αξρηθνπνίεζε κεηαβιεηώλ θαη δεκηνπξγία δνκώλ πξνζνκνίσζεο απνζηνιήο θαη ιήςεο ηνπ ξαληάξ Γηάβαζκα παξακέηξσλ Αξρηθνπνίεζε κεηαβιεηώλ Γεκηνπξγία δνκώλ πξνζνκνίσζεο παικώλ απνζηνιήο θαη ιήςεο ηνπ ξαληάξ Δηζαγσγή ζην θεληξηθόο βξόγρνο πξνζνκνίσζεο Δπεμεξγαζία buffer Γεκηνπξγία ζνξύβσλ θαη πέξαζκα από ηνλ δέθηε Δμέηαζε γηα ζηόρν Δπεμεξγαζία ζηόρνπ Δπεμεξγαζία ζηόρνπ πνπ έρεη ήδε αληρλεπζεί Γεκηνπξγία απεηθνλίζεσλ GUI πγρξνληζκόο θαη αλαλέσζε θύξηαο νζόλεο ηνπ GUI Αλαλέσζε mini map νζόλεο Αλαλέσζε ζέζεο, ηαρύηεηαο θαη επηηάρπλζεο ζηόρσλ Αλάιπζε buffer

7 9.5.6 Λεηηνπξγία ήρνπ Αλαινγηθή έλδεημε Γεκηνπξγία αξρείνπ κε ηα δεδνκέλα ησλ ζηόρσλ αλίρλεπζεο Κεθάιαην 10 ν Γεκηνπξγία βίληεν ζεκάησλ ξαληάξ (11) (12) (13) Δηζαγσγή πλάξηεζε παξαγσγήο δηαλπζκάησλ X, Y, Z Γεληθό δηάγξακκα ξνήο Γηάβαζκα παξακέηξσλ θαη αξρείνπ DispObjs.mat Γεκηνπξγία δνκήο απεηθόληζεο ζηόρσλ Γεκηνπξγία δηαλπζκάησλ άμνλα ζάξσζεο Γεκηνπξγία δηαλπζκάησλ ζηόρσλ πλέλσζε δηαλπζκάησλ ζηόρσλ θαη άμνλα ζάξσζεο Γεκηνπξγία αξρείνπ κε ηα ζπλνιηθά δηαλύζκαηα πλάξηεζε απνζηνιήο δεδνκέλσλ ζηε ζπζθεπή DAQ Γεληθό δηάγξακκα απνζηνιήο δεδνκέλσλ ζε DAQ πλάξηεζε απνζηνιήο δεδνκέλσλ ζηε θάξηα Ζ θάξηα NI PCI Κάξηα αθξνδεθηώλ NI CB-68LP Κεθάιαην 11 ν Πεηξακαηηθή δηάηαμε, απνηειέζκαηα θαη ζπκπεξάζκαηα (12) (13) Πεηξακαηηθή δηάηαμε Λνγηζκηθό & ζπλαξηήζεηο πινπνίεζεο Τιηθό πινπνίεζεο Απνηειέζκαηα & ζπκπεξάζκαηα Απνηειέζκαηα & ζπκπεξάζκαηα πξνζνκνησηή ξαληάξ Απνηειέζκαηα & ζπκπεξάζκαηα πξνζνκνίσζεο ησλ βίληεν ζεκάησλ γηα ηνλ παικνγξάθν Βηβιηνγξαθία & πεγέο

8 8

9 Μέξνο Α Θεσξεηηθή κειέηε ζπζηεκάησλ ξαληάξ 9

10 10

11 1.1 Δηζαγσγή Κεθάιαην 1 ν Βαζηθέο αξρέο ιεηηνπξγίαο ηνπ ξαληάξ (1) (2) (3) Σν ξαληάξ είλαη έλα ειεθηξνκαγλεηηθό ζύζηεκα γηα ηελ αλίρλεπζε θαη εληνπηζκό αληηθεηκέλσλ. Ζ αξρή ιεηηνπξγίαο ηνπ βαζίδεηαη ζηε κεηάδνζε κηαο ζπγθεθξηκέλεο κνξθήο θπκαηνκνξθήο, γηα παξάδεηγκα κηα αθνινπζία από εκηηνλνεηδήο παικνύο, θαη ζηελ αλίρλεπζε ηνπ ζήκαηνο επηζηξνθήο. Σν ξαληάξ ρξεζηκνπνηείηαη γηα λα επεθηείλεη ηελ δπλαηόηεηα ηνπ αλζξώπνπ λα αηζζαλζεί θαη λα παξαηεξήζεη ην πεξηβάιινλ, εηδηθόηεξα ηελ αίζζεζε ηεο όξαζεο. Ζ ζεκαληηθόηεηα ελόο ξαληάξ δελ έγθεηηαη ζην λα αληηθαηαζηήζεη ην αλζξώπηλν κάηη, αιιά λα θάλεη απηά πνπ ην κάηη δελ κπνξεί. Σν ξαληάξ δελ κπνξεί λα απνθαλζεί γηα ιεπηνκέξεηεο όπσο ην κάηη, νύηε έρεη ηελ δπλαηόηεηα αλαγλώξηζεο ηνπ ρξώκαηνο ζηνλ βαζκό ηεο πνιππινθόηεηαο πνπ ην κάηη κπνξεί. Χζηόζν, έλα ξαληάξ κπνξεί λα ζρεδηαζηεί γηα λα δεη κέζα από ζπλζήθεο πνπ γηα ηελ αλζξώπηλε όξαζε είλαη αδηαπέξαζηεο, όπσο ην ζθνηάδη, νκίριε, βξνρή θαη ρηόλη. Δπηπξόζζεηα,ην ξαληάξ έρεη ην πιενλέθηεκα ηεο κέηξεζεο ηεο απόζηαζεο ή εκβέιεηαο ηνπ αληηθείκελνπ. Απηό πηζαλόηαηα είλαη θαη ην ζεκαληηθόηεξν γλώξηζκά ηνπ. Μία ζηνηρεηώδεο κνξθή ξαληάξ απνηειείηαη από κία θεξαία εθπνκπήο πνπ εθπέκπεη ειεθηξνκαγλεηηθή αθηηλνβνιία παξαγόκελε από ηαιαλησηή θάπνηαο κνξθήο, κηα θεξαία δέθηε θαη κηα ζπζθεπή αλίρλεπζεο ελέξγεηαο ή δέθηεο. Μέξνο ηνπ κεηαδηδόκελνπ ζήκαηνο επαλεθπέκπεηαη πξνο όιεο ηηο θαηεπζύλζεηο πξνζπίπηνληαο ζε έλα αληηθείκελν αληαλάθιαζεο (ζηόρνο). Ζ ελέξγεηα πνπ αληαλαθιάηαη πίζσ είλαη θύξηνο πνπ ελδηαθέξεη ην ξαληάξ. Ζ θεξαία ηνπ δέθηε ζπιιέγεη ηελ επηζηξεθόκελε ελέξγεηα θαη ηελ παξαδίδεη ζηνλ δέθηε, όπνπ γίλεηαη ε επεμεξγαζία γηα λα αληρλεπζεί ε παξνπζία ηνπ αληηθεηκέλνπ θαη λα εμαρζνύλ ε ζέζε ηνπ θαη ε ζρεηηθή ηαρύηεηά ηνπ. Ζ απόζηαζε κέρξη ην αληηθείκελν πξνζδηνξίδεηαη κεηξώληαο ηνλ ρξόλν πνπ ρξεηάδεηαη ην ζήκα λα ηαμηδέςεη κέρξη ην ζηόρν θαη πίζσ. Ζ θαηεύζπλζε ή ε γσληαθή ζέζε κπνξεί λα πξνζδηνξηζζεί απ ηελ δηεύζπλζε ηνπ κεηώπνπ ηνπ θύκαηνο πνπ αληαλαθιάηαη από ην ξαληάξ. Ζ ζπλήζεο κέζνδνο κέηξεζεο ηεο δηεύζπλζεο ηνπ ζήκαηνο επηζηξνθήο είλαη κε ρξήζε θεξαίαο εθπνκπήο κε κηθξό εύξνο ινβώλ. Αλ ππάξρεη ζρεηηθή θίλεζε κεηαμύ ηνπ αληηθεηκέλνπ θαη ηνπ ξαληάξ, ε νιίζζεζε ζηε ζπρλόηεηα ηνπ θέξνληνο ζήκαηνο αλάθιαζεο (θαηλόκελν Doppler) είλαη έλα κέηξν ηεο ζρεηηθήο (αθηηληθήο) ηαρύηεηαο θαη κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί γηα λα δηαθξίλεη ηα θηλεηά απ ηα ζηαζεξά αληηθείκελα. ηα ξαληάξ πνπ παξαθνινπζνύλ ζπλερώο ηελ θίλεζε ησλ αληηθεηκέλσλ, δηαηίζεηαη κηα ζπλερή έλδεημε ηνπ ξπζκνύ αιιαγήο ηεο ζέζεο ησλ αληηθεηκέλσλ. Ζ ιέμε ξαληάξ (radar) δείρλεη ηελ έκθαζε πνπ είρε δνζεί από ηνπο επηζηήκνλεο γηα κηα ζπζθεπή πνπ ζα αληρλεύεη έλα αληηθείκελν θαη ζα πξνζδηνξίδεη ηελ ζέζε ηνπ. Radar είλαη ζύληκεζε ησλ ιέμεσλ radio detection θαη ranging. Αξρηθά είρε αλαπηπρζεί σο ζπζθεπή πξνεηδνπνίεζεο γηα επηδξνκή ερζξηθώλ αεξνζθαθώλ θαη θαηάιιειε θαηεύζπλζε αληηαεξνπνξηθώλ όπισλ. Χζηόζν έλα θαιά ζρεδηαζκέλν ζύγρξνλν ξαληάξ κπνξεί λα εμάγεη πεξηζζόηεξεο πιεξνθνξίεο απ ην ζήκα πνπ αληαλαθιάηαη θαη όρη κόλν ηελ ζέζε. 1.2 Σαμηλόκεζε ησλ ξαληάξ Σα ξαληάξ κπνξνύλ λα θαηεγνξηνπνηεζνύλ ζε εδάθνπο,αεξνκεηαθεξόκελα, λαπηηθά. Μπνξνύλ επίζεο λα ηαμηλνκεζνύλ ζε πνιιέο θαηεγνξίεο βαζηζκέλα ζε ζπγθεθξηκέλα ραξαθηεξηζηηθά όπσο, ε ζπρλόηεηα ιεηηνπξγίαο, ν ηύπνο ηεο θεξαίαο, ηξόπνο αμηνπνίεζεο ησλ θπκαηνκνξθώλ. Μηα δηαθνξεηηθή ηαμηλόκεζε κπνξεί λα γίλεη κε βάζε ην ζθνπό ή ιεηηνπξγία ηνπ ξαληάξ. Απηή πεξηιακβάλεη ξαληάξ: θαηξνύ, εκπινθήο θαη έξεπλαο, παξαθνινύζεζεο, πξνεηδνπνίεζεο θαη άιια. Σα phased array (ζπζηνηρίαο θάζεσλ) ξαληάξ ρξεζηκνπνηνύλ phased array θεξαίεο θαη ζπρλά 11

12 απνθαινύληαη πνιύηξνπα ξαληάξ. Μηα ζπζηνηρία θάζεσλ είλαη κηα ζύλζεηε θεξαία πνπ απνηειείηαη από δύν ή πεξηζζόηεξα ζηνηρεία αθηηλνβνιίαο. Οη θεξαίεο ζπζηνηρίαο ζρεκαηίδνπλ ζηελνύο θαηεπζπληηθνύο ινβνύο ησλ νπνίσλ ηελ θίλεζε κπνξνύκε λα ειέγμνπκε είηε ειεθηξνληθά είηε κεραληθά. Ζ ειεθηξνληθή νδήγεζε κπνξεί λα επηηεπρηεί ειέγρνληαο ηελ θάζε ηνπ ξεύκαηνο πνπ εθαξκόδεηαη ζηα ζηνηρεία ηεο θεξαίαο, εμ νπ θαη ην όλνκα ζπζηνηρίαο θάζεσλ. Σα ξαληάξ ηηο πεξηζζόηεξεο θνξέο ηαμηλνκνύληαη κε βάζε ηελ κνξθή ησλ θπκαηνκνξθώλ πνπ ρξεζηκνπνηνύλ ή ηελ ζπρλόηεηα ιεηηνπξγίαο. Χο αλαθνξά ηηο θπκαηνκνξθέο πξώηα, ηα ξαληάξ κπνξεί λα είλαη ζπλερνύο θπκαηνκνξθήο (Continuous Wave - CW) ε παικηθά ξαληάξ (Pulsed Radar PR). Ραληάξ ζπλερνύο θπκαηνκνξθήο (CW) είλαη απηά πνπ ζπλερώο εθπέκπνπλ ειεθηξνκαγλεηηθή ελέξγεηα θαη ρξεζηκνπνηνύλ μερσξηζηέο θεξαίεο εθπνκπήο θαη ιήςεο. Με δηακνξθσκέλνπ ζήκαηνο CW ξαληάξ κπνξνύλ κε αθξίβεηα λα κεηξήζνπλ ηελ αθηηληθή ηαρύηεηα ελόο αληηθεηκέλνπ (νιίζζεζε Doppler) θαη ηελ γσληαθή ζέζε. Ζ πιήξεο πιεξνθνξία γηα ηελ ζέζεο ελόο αληηθεηκέλνπ δελ κπνξεί λα εμαρζεί αλ δελ ρξεζηκνπνηήζνπκε θάπνηνπ είδνπο δηακόξθσζε. Ζ πξσηαξρηθή ρξήζε κε δηακνξθσκέλνπ ζήκαηνο CW ξαληάξ είλαη γηα ηελ εύξεζε ηεο ηαρύηεηαο ηνπ αληηθεηκέλνπ θαη παξαθνινύζεζε ηεο ηξνρηάο ηνπ θαζώο θαη γηα νδήγεζε βαιιηζηηθώλ βιεκάησλ. Σα παικηθά ξαληάξ PR ρξεζηκνπνηνύλ κηα αθνινπζία παικώλ, πνπ έρνπλ πξνθύςεη θπξίσο κε δηακόξθσζε. απηή ηελ θαηεγνξία, ε ηαμηλόκεζε ησλ ζπζηεκάησλ ξαληάξ κπνξεί λα γίλεη κε βάζε ηελ ζπρλόηεηα επαλάιεςεο ησλ παικώλ (Pulse Repetition Frequency-PRF), ζε ξαληάξ ρακεινύ PRF, κεζαίνπ PRF θαη πςεινύ PRF. Σα ρακεινύ PRF ξαληάξ θπξίσο ρξεζηκνπνηνύληαη γηα εληνπηζκό ζέζεο όηαλ ε ηαρύηεηα ηνπ αληηθείκελνπ δελ καο ελδηαθέξεη. Τςεινύ PRF ξαληάξ αληηζέησο γηα ηνλ πξνζδηνξηζκό θύξηα ηεο ηαρύηεηαο. Σα ζπλερνύο θπκαηνκνξθήο θαζώο θαη ηα παικηθά ξαληάξ κπνξνύλ θαη ηα δπν λα ππνινγίζνπλ ηελ ζέζε θαη ηελ αθηηληθή ηαρύηεηα ελόο αληηθεηκέλνπ ρξεζηκνπνηώληαο δηαθνξεηηθέο ηερληθέο δηακόξθσζεο. ρήκα 1.1. πρλόηεηεο ιεηηνπξγίαο ησλ ξαληάξ. 12

13 Σα πςειήο ζπρλόηεηαο ξαληάξ (High Frequency-HF) ρξεζηκνπνηνύλ ηελ αλάθιαζε ησλ ειεθηξνκαγλεηηθώλ θπκάησλ ζηελ ηνλόζθαηξα γηα ηνλ εληνπηζκό αληηθεηκέλσλ πέξα από ηνλ νξίδνληα. Οη πνιύ πςειέο ζπρλόηεηεο (Very High Frequency-VHF) θαη νη ππεξύςειεο ζπρλόηεηεο (Ultra High Frequency-UHF) ρξεζηκνπνηνύληαη γηα κεγάινπ εύξνπο πξνεηδνπνηεηηθά ξαληάξ(early Warning Radars-EWR). Δμαηηίαο ηνπ κεγάινπ κήθνπο θύκαηνο θαη ηεο επαηζζεζίαο πνπ απαηηείηαη ζε ζπζηήκαηα ξαληάξ γηα κεηξήζεηο κεγάιεο αθηίλαο δξάζεο, ρξεηαδόκαζηε κεγάιν άλνηγκα (aperture) θεξαίαο. Σα ξαληάξ ηεο L-κπάληαο (L-band) είλαη θπξίσο εδάθνπο ή λαπηηθά πνπ ρξεζηκνπνηνύληαη ζε κεγάιεο αθηίλαο ζηξαηησηηθέο επηρεηξήζεηο ή γηα έιεγρν ελαέξηαο θπθινθνξίαο. Σα πεξηζζόηεξα ξαληάξ εδάθνπο αιιά θαη λαπηηθά κε κεζαίνπ κήθνπο αθηίλαο δξάζεο ιεηηνπξγνύλ ζηελ S-κπάληα (S-band). Σα ξαληάξ ειέγρνπ θαηξνύ ιεηηνπξγνύλ ζηελ C-band. Ζ X-band ρξεζηκνπνηείηαη ζε ζπζηήκαηα ξαληάξ όπνπ ην κέγεζνο ηεο θεξαίαο απνηειεί θπζηθό πεξηνξηζκό, όπσο πνιύηξνπα αεξνκεηαθεξόκελα ζηξαηησηηθά ξαληάξ. πζηήκαηα ξαληάξ πνπ απαηηνύλ πνιύ θαιέο δπλαηόηεηεο αλίρλεπζεο ζηόρσλ θαη σζηόζν δελ κπνξνύλ λα αλερζνύλ ηελ απόζβεζε ζηηο πςειέο ζπρλόηεηεο ιόγν ηεο αηκόζθαηξαο επίζεο κπνξνύλ λα είλαη X-band. Οη κπάληεο πςειώλ ζπρλνηήησλ (Ka, K θαη Ka) ππνθέξνπλ από δηάθνξεο εμαζζελίζεηο ιόγν θαηξηθώλ ή αηκνζθαηξηθώλ ζπλζεθώλ. Δπνκέλσο, ξαληάξ πνπ ιεηηνπξγνύλ ζε απηέο ηηο ζπρλόηεηεο είλαη πεξηνξηζκέλα ζε κηθξήο αθηίλαο εθαξκνγέο, όπσο ξαληάξ ειέγρνπ θπθινθνξίαο, απνθπγήο εκπνδίσλ κηθξήο εκβέιεηαο θαη παξαθνινύζεζεο εδάθνπο. ηα ζρήκαηα 1.1 θαη 1.2 κπνξνύκε λα δνύκε ηηο θαηεγνξίεο ησλ ξαληάξ θαη ηηο ζπρλόηεηεο ιεηηνπξγίαο ηνπο. ρήκα 1.2. Καηεγνξίεο θαη ζπρλόηεηεο ιεηηνπξγίαο ξαληάξ. 13

14 1.3 Αθηηληθή απόζηαζε Σν ζρήκα 1.3 καο δείρλεη έλα απινπνηεκέλν κπινθ δηάγξακκα ελόο παικηθνύ ξαληάξ. Σν κπινθ έιεγρνο ρξνληζκνύ παξάγεη ηα δηάθνξα ζήκαηα πνπ ρξεηάδνληαη γηα ζπγρξνληζκό ηνπ ζπζηήκαηνο. Μέζν ηνπ κπινθ ηνπ δηακνξθσηή/εθπνκπνύ παξάγεηαη θαη ζηέιλεηαη ζηελ θεξαία έλα δηακνξθσκέλν ζήκα. Ζ ελαιιαγή ηεο θεξαίαο ζε θαηαζηάζεηο ιεηηνπξγίαο εθπνκπνύ-δέθηε ειέγρεηαη από ην κπινθ ηνπ duplexer. Ο duplexer επηηξέπεη ζε κηα θεξαία θαη λα ιακβάλεη θαη λα εθπέκπεη. Καηά ηελ δηάξθεηα ηεο εθπνκπήο θαηεπζύλεη ηελ ειεθηξνκαγλεηηθή ελέξγεηα ηνπ ξαληάξ πξνο ηελ θεξαία. Αληηζέησο, θαηά ηελ ιήςε, θαηεπζύλεη ηελ αλαθιώκελε αθηηλνβνιία από ηα αληηθείκελα πξνο ηνλ δέθηε. Ο δέθηεο εληζρύεη ηελ επηζηξεθόκελε αθηηλνβνιία θαη ηελ πξνεηνηκάδεη γηα πεξεηαίξσ επεμεξγαζία. Ζ εμαγσγή ηεο πιεξνθνξίαο γηα ην αληηθείκελν ζηόρνπ γίλεηαη ζην κπινθ επεμεξγαζίαο ζήκαηνο. Ζ αθηηληθή απόζηαζε, R, ππνινγίδεηαη κεηξώληαο ηελ ρξνληθή θαζπζηέξεζε, Γt, πνπ ρξεηάδεηαη έλαο παικόο γηα λα ηαμηδέςεη από ην ξαληάξ κέρξη ην αληηθείκελν ζηόρνπ θαη πίζσ. Δθόζνλ ηα ειεθηξνκαγλεηηθά θύκαηα ηαμηδεύνπλ κε ηελ ηαρύηεηα ηνπ θσηόο, c = 3 x 10 8 m/sec, νπόηε R = cδt 2 (1.1) Όπνπ ην R είλαη ζε κέηξα θαη Γt ζε δεπηεξόιεπηα. Ο παξάγνληαο 1 ρξεηάδεηαη γηα λα 2 ζπλππνινγίζνπκε ηελ θαζπζηέξεζε πήγαηλε έια ηνπ ζήκαηνο. Γεληθά, έλα παικηθό ξαληάξ κεηαδίδεη θαη ιακβάλεη κηα αθνινπζία παικώλ, όπσο απεηθνλίδεηαη ζην ζρήκα 1.4. Ζ πεξίνδνο κεηαμύ ησλ παικώλ (Inter Pulse Period-IPP) ζα ηελ ζπκβνιίδνπκε T, θαη ην πιάηνο ηνπ παικνύ η. Ζ IPP ζπρλά αλαθέξεηαη θαη σο πεξίνδνο επαλάιεςεο παικώλ (Pulse Repetition Interval-PRI).Σν αληίζηξνθν ηεο PRI είλαη ε PRF, ε νπνία ζπκβνιίδεηαη κε f r. f r = 1 PRI = 1 T (1.2) ρήκα 1.3. Απινπνηεκέλν κπινθ δηάγξακκα παικηθνύ ξαληάξ. Καηά ηελ δηάξθεηα θάζε PRI ην ξαληάξ εθπέκπεη ειεθηξνκαγλεηηθή ελέξγεηα κόλν γηα τ δεπηεξόιεπηα θαη αθνύεη γηα ηηο επηζηξεθόκελεο αλαθιάζεηο γηα ην ππόινηπν δηάζηεκα PRI. Ο 14

15 παξάγνληαο duty cycle ηεο εθπνκπήο ηνπ ξαληάξ d t νξίδεηαη από ηνλ ιόγν d t = η/t. Ζ κέζε κεηαδηδόκελε ηζρύο ηνπ ξαληάξ είλαη P av = P t d t (1.3) Όπνπ P t είλαη ε κέγηζηε (peak) ηηκή ηεο κεηαδηδόκελεο ηζρύνο. Ζ ελέξγεηα ηνπ παικνύ είλαη E p = P t τ = P av T = P av /f r. Ζ απόζηαζε πνπ αληηζηνηρεί ζηελ ρξνληθή θαζπζηέξεζε T πήγαηλεέια ηνπ ζήκαηνο ηνπ ξαληάξ είλαη γλσζηή σο απόζηαζε ζαθήλεηαο (unambiguous range), R u. Αο ζεσξήζνπκε ηελ πεξίπησζε πνπ απεηθνλίδεηαη ζην ζρήκα 1.5. Ο αλαθιώκελνο παικόο 1 αλαπαξηζηά ην ζήκα επηζηξνθήο από ην αληηθείκελν ζηόρνπ πνπ βξίζθεηαη ζε αθηηληθή απόζηαζε R 1 = cδt/2 ιόγν ηνπ παικνύ 1. Ο αλαθιώκελνο παικόο 2 κπνξεί λα εξκελεπζεί σο ην ζήκα επηζηξνθήο από ην ίδην αληηθείκελν ιόγν ηνπ παικνύ 2 ή κπνξεί λα είλαη ην ζήκα αλάθιαζεο από έλα πην καθξηλό αληηθείκελν ζηόρνπ ζε αθηηληθή απόζηαζε R 2 ιόγν ηνπ παικνύ 1 πάιη. ε απηή ηελ πεξίπησζε έρνπκε, R 2 = cδt 2 ή R 2 = c Τ + Δt 2 (1.4) ρήκα 1.4. Αθνινπζία κεηαδηδόκελσλ θαη ιεθζέλησλ παικώλ. Παξαηεξνύκε όηη ε αζάθεηα σο αλαθνξά ηελ απόζηαζε ηνπ αληηθεηκέλνπ ζρεηίδεηαη κε ηνλ αλαθιώκελν παικό 2. Οπόηε, θαζώο έλαο παικόο κεηαδίδεηαη ην ξαληάξ πξέπεη λα πεξηκέλεη γηα έλα επαξθέο ρξνληθό δηάζηεκα έηζη ώζηε ηα επηζηξεθόκελα ζήκαηα από αληηθείκελα πνπ βξίζθνληαη ζηελ κέγηζηε απόζηαζε ιεηηνπξγίαο ηνπ ξαληάξ λα έρνπλ πξνιάβεη λα επηζηξέςνπλ πξηλ κεηαδνζεί ν επόκελνο παικόο. Πξνθύπηεη επνκέλσο πσο ε κέγηζηε απόζηαζε ζαθήλεηαο (maximum unambiguous range) πξέπεη λα αληηζηνηρεί ζην κηζό PRI, R u = c T 2 = c 2f r (1.5) 1.4 Απόζηαζε επθξίλεηαο Ζ απόζηαζε επθξίλεηαο (Range Resolution), ζπκβνιίδεηαη κε ΔR, είλαη έλα κέηξν ησλ ξαληάξ πνπ πεξηγξάθεη ηελ ηθαλόηεηα ηνπο λα αληρλεύνπλ ζηόρνπο πνπ βξίζθνληαη θνληά ν έλαο ζηνλ άιινλ, σο δηαθνξεηηθνύο. Σα ζπζηήκαηα ησλ ξαληάξ ζπλήζσο ζρεδηάδνληαη λα ιεηηνπξγνύλ κεηαμύ ελόο 15

16 ειάρηζηνπ εύξνπο R min θαη ελόο κέγηζηνπ R max. Ζ απόζηαζε κεηαμύ R min θαη R max δηαηξείηε ζε Μ δέζκεο εύξνπο(θπςέιεο), ε θαζεκία πιάηνπο ΔR, ρήκα 1.5. Απεηθόληζε απόζηαζεο ζαθήλεηαο. M = R max R min ΔR (1.6) Αληηθείκελα πνπ απέρνπλ ηνπιάρηζηνλ θαηά ΔR κπνξνύλ απόιπηα λα δηεπθξηληζηνύλ σο δηαθνξεηηθά. ηόρνη ζηελ ίδηα δέζκε εύξνπο κπνξνύλ λα δηεπθξηληζηνύλ κέζσ θαηάιιεισλ ηερληθώλ επεμεξγαζίαο ζήκαηνο θαηά ην αδηκνύζην. Θεσξείζηε δπν αληηθείκελα πνπ βξίζθνληαη ζε απνζηάζεηο R 1 θαη R 2, πνπ ζε αληηζηνηρνύλ ζε ρξνληθέο θαζπζηεξήζεηο t 1 θαη t 2, αληίζηνηρα. Έζησ ΔR ε δηαθνξά απηώλ ησλ απνζηάζεσλ: ΔR = R 2 R 1 = c t 2 t 1 2 = c δt 2 (1.7) Σώξα, αο πξνζπαζήζνπκε λα απαληήζνπκε ζην αθόινπζν εξώηεκα: πνηό είλαη ην ειάρηζην δt ώζηε ην αληηθείκελν 1 ζε απόζηαζε R 1 θαη ην αληηθείκελν 2 ζε απόζηαζε R 2 λα εκθαληζηνύλ πιήξσο δηαθξηηά σο αλαθνξά ηελ απόζηαζε (λα βξίζθνληαη ζε δηαθνξεηηθή δέζκε εύξνπο); Ή κε άιια ιόγηα πνην είλαη ην ειάρηζην ΔR; Αξρηθά, αο ζεσξήζνπκε όηη ηα αληηθείκελα απέρνπλ θαηά cτ/4, όπνπ τ ην κήθνο ηνπ παικνύ. ε απηή ηελ πεξίπησζε, όηαλ ε πίζσ αθκή ηνπ παικνύ ρηππάεη ζην αληηθείκελν 2 ε κπξνζηηλή αθκή ζα έρεη ήδε ηαμηδέςεη πξνο ηα πίζσ θαηά απόζηαζε cτ, θαη ν επηζηξεθόκελνο παικόο ζα είλαη κηα επαιιειία ησλ επηζηξεθόκελσλ παικώλ θαη από ηα δπν αληηθείκελα (δειαδή κε επθξηλήο επηζηξνθή), όπσο απεηθνλίδεηαη ζην ζρήκα 1.6 α. Χζηόζν, αλ ηα δπν αληηθείκελα απέρνπλ ηνπιάρηζηνλ θαηά cτ/2, ηόηε θαζώο ε πίζσ αθκή ρηππάεη ην αληηθείκελν 1 ε κπξνζηηλή αθκή ζα αξρίζεη λα επηζηξέθεη από ην αληηθείκελν 2, θαη έηζη ζα δεκηνπξγεζνύλ δπν δηαθξηηνί 16

17 επηζηξεθόκελνη παικνί, όπσο απεηθνλίδεηαη ζην ζρήκα 1.6 β. Οπόηε, ην ΔR ζα πξέπεη λα είλαη κεγαιύηεξν ή ίζν ηνπ cτ/2. Δπίζεο εθόζνλ ην εύξνο δώλεο B ηνπ ξαληάξ είλαη 1/τ, ηόηε ΔR = cτ 2 = c 2Β (1.8) Γεληθά, νη ρξήζηεο θαη νη ζρεδηαζηέο ησλ ξαληάξ επηζπκνύλ λα ειαρηζηνπνηήζνπλ ην ΔR έηζη ώζηε λα βειηηώζνπλ ηελ απόδνζε ηνπ. Όπσο θαίλεηαη από ηελ εμίζσζε (1.8), γηα λα επηηύρνπκε κηθξή απόζηαζε επθξίλεηαο πξέπεη λα ειαρηζηνπνηήζνπκε ην πιάηνο ηνπ παικνύ. Χζηόζν, θάηη ηέηνην ζα κεηώζεη ηελ κέζε εθπεκπόκελε ηζρύ θαη ζα απμήζεη ην εύξνο δώλεο ιεηηνπξγίαο. Ζ επίηεπμε κηαο θαιήο απόζηαζεο επθξίλεηαο θαη ηαπηόρξνλα θξαηώληαο ηελ κέζε εθπεκπόκελε ηζρύ ζε ηθαλνπνηεηηθά επίπεδα κπνξεί λα γίλεη κε ηερληθέο ζπκπίεζεο παικώλ. 1.5 πρλόηεηα Doppler ρήκα 1.6. (a) Γπν κε επθξηλή ζηόρνη. (b) Γπν επθξηλήο ζηόρνη. Σα ξαληάξ ρξεζηκνπνηνύλ ηελ ζπρλόηεηα Doppler γηα λα εμάγνπλ ηελ αθηηληθή ηαρύηεηα (ξπζκό αιιαγήο δεζκώλ εκβέιεηαο), θαζώο θαη γηα λα μερσξηζηνύλ ηα θηλνύκελα από ηα ζηάζηκα αληηθείκελα ή από αλεπηζύκεηα αληηθείκελα (clutter). Σν θαηλόκελν Doppler πεξηγξάθεη ηελ νιίζζεζε ζηε ζπρλόηεηα από ηελ θεληξηθή ζπρλόηεηα κηαο πξνζπίπηνπζαο θπκαηνκνξθήο ζ έλα 17

18 αληηθείκελν ιόγν ηεο ζρεηηθήο θίλεζεο ηνπ αληηθεηκέλνπ θαη ηεο πεγήο ηεο αθηηλνβνιίαο. Αλάινγα κε ηελ δηεύζπλζε θίλεζεο ηνπ αληηθεηκέλνπ, ε νιίζζεζε απηή κπνξεί λα είλαη ζεηηθή ή αξλεηηθή. Μηα πξνζπίπηνπζα θπκαηνκνξθή ζε αληηθείκελν έρεη ηζνθαζηθά κέησπα θύκαηνο πνπ απέρνπλ θαηά λ, πνπ είλαη ην κήθνο θύκαηνο. Έλα πιεζηάδσλ αληηθείκελν ζα πξνθαιέζεη ηα αλαθιώκελα ηζνθαζηθά κέησπα θύκαηνο λα πιεζηάζνπλ κεηαμύ ηνπο (κηθξόηεξν κήθνο θύκαηνο). Αληηζέησο, έλα αληηθείκελν πνπ απνκαθξύλεηαη από ην ξαληάξ ζα πξνθαιέζεη ηελ δηαζηνιή ησλ ηζνθαζηθώλ κεηώπσλ (κεγαιύηεξν κήθνο θύκαηνο), όπσο απεηθνλίδεηαη ζην ζρήκα 1.7. ρήκα 1.7. Δπίδξαζε ηεο θίλεζεο ησλ ζηόρσλ ζηα αλαθιώκελα ηζνθαζηθά κέησπα θπκαηνκνξθώλ. Θεσξνύκε έλα παικό πιάηνπο τ (δεπηεξνιέπησλ) πνπ πξνζπίπηεη ζε αληηθείκελν θηλνύκελν πξνο ην ξαληάξ κε ηαρύηεηα v, όπσο δείρλεη ην ζρήκα 1.8. Έζησ d ε απόζηαζε (ζε κέηξα) πνπ δηαλύεη ην αληηθείκελν κέζα ζην παικό θαηά ηε δηάξθεηα ρξνληθνύ δηαζηήκαηνο Δt, d = vδt (1.9) Όπνπ Δt είλαη ίζν κε ην ρξνληθό δηάζηεκα πνπ κεζνιαβεί κεηαμύ ηεο πξόζπησζεο ηεο κπξνζηηλήο αθκήο ηνπ παικνύ θαη ηεο πίζσ αθκήο. Δθόζνλ ν παικόο θηλείηε κε ηελ ηαρύηεηα ηνπ θσηόο ε πίζσ αθκή ηνπ παικνύ έρεη θηλεζεί θαηά cτ-d, νπόηε cτ = cδt + vδt (1.10) 18

19 θαη cτ = cδt vδt (1.11) ρήκα 1.8. Απεηθόληζε ηεο πξόζπησζεο παικνύ ζε θηλνύκελν ζηόρν. Γηαηξώληαο ηελ εμίζσζε (1.11) κε ηελ (1.10) πξνθύπηεη, cτ cτ = cδt vδt cδt + vδt (1.12) Ζ νπνία ύζηεξα από ηελ απαινηθή ησλ όξσλ c θαη Δt από ην αξηζηεξό θαη δεμί κέξνο ηεο εμίζσζεο (1.12) αληίζηνηρα, καο δίλεη ηελ ζρέζε κεηαμύ ηνπ πιάηνπο ηνπ πξνζπίπηνληνο θαη αλαθιώκελνπ παικνύ τ = c v c + v τ (1.13) ηελ πξάμε, ν παξάγνληαο (c-v)/(c+v) ζπρλά αλαθέξεηαη θαη σο παξάγνληαο ρξνληθήο θαζπζηέξεζεο. Παξαηεξνύκε όηη γηα v = 0, έρνπκε τ = τ. Με παξόκνην ηξόπν κπνξνύκε λα ππνινγίζνπκε ην τ γηα έλα αληηθείκελν πνπ απνκαθξύλεηαη. ηελ πεξίπησζε απηή, τ = v + c c v τ (1.14) Γηα λα εμάγνπκε κηα έθθξαζε γηα ηελ ζπρλόηεηα Doppler, ζεσξνύκε ηελ απεηθόληζε ηνπ ζρήκαηνο 1.9. Ζ κπξνζηηλή αθκή ηνπ παικνύ 2 ρξεηάδεηαη Δt δεπηεξόιεπηα γηα λα ηαμηδέςεη κηα απόζηαζε c/f r d γηα λα πξνζθξνύζεη ζην αληηθείκελν. ην ίδην ρξνληθό δηάζηεκα, ε κπξνζηηλή αθκή ηνπ παικνύ 1 δηαλύεη ηελ ίδηα απόζηαζε cδt. Γηα ηελ αθξίβεηα, d = vδt 19 (1.15)

20 c f r d = cδt (1.16) Λύλνληαο σο πξνο Δt έρνπκε ρήκα 1.9. Απεηθόληζε ηεο επίδξαζεο ηεο θίλεζεο ησλ ζηόρσλ. Δt = c/f r c + v (1.17) d = cv/f r c + v (1.18) Σν αλαθιώκελν δηάζηεκα κεηαμύ ησλ παικώλ είλαη s d θαη ην λέν PRF είλαη f r, όπνπ s d = c f r = cδt cv/f r c + v (1.19) Πξνθύπηεη επνκέλσο ε ζρέζε κεηαμύ λένπ θαη παιηνύ PRF πνπ είλαη f r = c + v c v f r (1.20) 20

21 Χζηόζν, εθόζνλ ν αξηζκόο ησλ θύθισλ δελ αιιάδεη, ε ζπρλόηεηα ηνπ αλαθιώκελνπ ζήκαηνο ζα αιιάμεη θαηά ηνλ ίδην παξάγνληα. πκβνιίδνληαο ηη λέα ζπρλόηεηα κε f 0, έρνπκε f 0 = c + v c v f 0 (1.21) Όπνπ f 0 είλαη ε θέξνπζα ζπρλόηεηα ηνπ πξνζπίπηνληνο ζήκαηνο. Ζ ζπρλόηεηα Doppler f d νξίδεηαη σο ε δηαθνξά f 0 f 0. Γηα ηελ αθξίβεηα f d = f 0 f 0 = c + v c v f 0 f 0 = 2v c v f 0 (1.22) Αιιά εθόζνλ v c θαη c = λf 0, έρνπκε f d 2v c f 0 = 2v λ (1.23) Ζ εμίζσζε (1.23) καο δείρλεη όηη ε ζπρλόηεηα Doppler είλαη αλάινγε ηεο ηαρύηεηαο ηνπ αληηθεηκέλνπ, νπόηε κπνξνύκε λα εμάγνπκε ηελ f d από ην ξπζκό αιιαγήο ησλ δεζκώλ θαη αληηζηξόθσο. Σν απνηέιεζκα ηεο εμίζσζεο (1.23) κπνξνύκε λα ην εμάγνπκε θαη κε ηελ αθόινπζε πξνζέγγηζε: ην ζρήκα 1.10 δείρλεη έλα αληηθείκελν πνπ πιεζηάδεη κε ηαρύηεηα v. Έζησ R 0 ε απόζηαζε ηνπ από ην ξαληάξ ηε ρξνληθή ζηηγκή t 0 (ρξνληθή ζηηγκή αλαθνξάο), ηόηε ε απόζηαζε γηα νπνηαδήπνηε ρξνληθή ζηηγκή t είλαη R t = R 0 v t t 0 (1.24) Σν ζήκα πνπ ιακβάλεη ην ξαληάξ ηόηε δίλεηαη από ηελ ζρέζε x r t = x t ψ t (1.25) ρήκα Κηλνύκελνο ζηόρνο κε θαηεύζπλζε πξνο ην ξαληάξ. 21

22 Όπνπ x t είλαη ην κεηαδηδόκελν ζήκα θαη ψ t = 2 c R 0 vt + t 0 (1.26) Αληηθαζηζηώληαο ηελ εμίζσζε (1.26) ζηελ (1.25) θαη αλαδηαηάζζνληαο ηνπο όξνπο έρνπκε x r t = x 1 + 2v c t ψ 0 (1.27) Όπνπ ε ζηαζεξά ψ 0 είλαη ψ 0 = 2R 0 c + 2v c t 0 (1.28) Οξίδνπκε ηνλ παξάγνληα ζπκπίεζεο ή θιηκάθσζεο γ ίζν κε γ = 1 + 2v c (1.29) Να ζεκεηώζνπκε όηη γηα έλα αληηθείκελν πνπ απνκαθξύλεηαη ν παξάγνληαο θιηκάθσζεο είλαη γ = 1 (2v/c). Υξεζηκνπνηώληαο ηελ εμίζσζε (1.29) κπνξνύκε λα μαλά γξάςνπκε ηελ (1.27) σο x r t = x γt ψ 0 (1.30) Ζ εμίζσζε (1.30) είλαη κηα ρξνληθά ζπκπηεζκέλε έθδνζε επηζηξεθόκελνπ ζήκαηνο από έλα ζηάζηκν αληηθείκελν (v=0). Οπόηε, βαζηδόκελε ζηελ ηδηόηεηα θιηκάθσζεο ηνπ κεηαζρεκαηηζκνύ Fourier, ην θάζκα ηνπ ιεθζέληνο ζήκαηνο ζα δηεπξπλζεί ζηε ζπρλόηεηα θαηά ηνλ παξάγνληα γ. Θεσξνύκε ηελ εηδηθή πεξίπησζε όηαλ x t = y t cos ω 0 t (1.31) όπνπ ω 0 ε θεληξηθή ζπρλόηεηα ηνπ ξαληάξ ζε αθηίληα αλά δεπηεξόιεπην. Σν ιεθζέλ ζήκα x r t δίλεηαη ηόηε από ηελ ζρέζε x r t = y γt ψ 0 cos γω 0 t ψ 0 (1.32) Ο κεηαζρεκαηηζκόο Fourier ηεο εμίζσζεο (1.32) είλαη X r ω = 1 2γ Y ω γ ω 0 + Y ω γ + ω 0 (1.33) 22

23 όπνπ γηα απιόηεηα έρεη παξαιεθζεί ε επίδξαζε ηεο ζηαζεξάο θάζεο ψ 0. Δπνκέλσο, ε θεληξηθή ζπρλόηεηα ηνπ θάζκαηνο δηέιεπζεο ηνπ ιεθζέληνο ζήκαηνο είλαη γω 0 αληί γηα ω 0. Ζ δηαθνξά κεηαμύ ησλ δπν ηηκώλ αληηζηνηρεί ζην πνζό ηεο νιίζζεζεο Doppler ιόγν ηεο θίλεζεο ηνπ αληηθεηκέλνπ, ω d = ω 0 γω 0 (1.34) ε ω d είλαη ε ζπρλόηεηα Doppler ζε αθηίληα αλά δεπηεξόιεπηα. Αληηθαζηζηώληαο ηελ ηηκή ηνπ γ ζηελ εμίζσζε (1.34) θαη ρξεζηκνπνηώληαο ηελ ζρέζε 2πf = ω πξνθύπηεη f d = 2v c f 0 = 2v λ (1.35) απνηέιεζκα πνπ είλαη ίδην κε απηό ηεο εμίζσζεο (1.23). Μπνξεί λα δεηρζεί όηη γηα έλα αληηθείκελν πνπ απνκαθξύλεηαη ε νιίζζεζε Doppler είλαη f d = 2v/λ. Σν γεγνλόο απηό απεηθνλίδεηαη ζην ζρήκα ρήκα Φάζκα πνπ απεηθόληζεο ηεο νιίζζεζεο Doppler ησλ ιεθζέλησλ ζεκάησλ. Καη ζηηο δύν εμηζώζεηο (1.35) θαη (1.23) ε αθηηληθή ηαρύηεηα ηνπ αληηθεηκέλνπ ζε ζρέζε κε ην ξαληάξ είλαη ίζε κε v, θάηη ηέηνην όκσο δελ είλαη ε γεληθόηεξε πεξίπησζε. ηελ πξαγκαηηθόηεηα, ε ηηκή ηεο ζπρλόηεηαο Doppler εμαξηάηαη από ηελ ζπληζηώζα ηεο ηαρύηεηαο ηνπ αληηθεηκέλνπ πνπ είλαη παξάιιειε ζηελ επζεία ξαληάξ αληηθεηκέλνπ (αθηηληθή ηαρύηεηα). Σν ζρήκα 1.12 παξνπζηάδεη ηξία αληηθείκελα πνπ έρνπλ όια ηαρύηεηα v. Σν αληηθείκελν 1 έρεη κεδεληθή νιίζζεζε Doppler, ην αληηθείκελν 2 έρεη κέγηζηε νιίζζεζε ζπρλόηεηαο θαηά Doppler όπσο νξίδεηαη από ηελ εμίζσζε (1.35). Ζ ηηκή ηεο ζπρλόηεηαο Doppler ζηελ πεξίπησζε ηνπ αληηθεηκέλνπ 3 είλαη f d = 2v cos θ/λ, όπνπ v cos θ είλαη ε αθηηληθή ηαρύηεηα θαη θ είλαη ε νιηθή γσλία κεηαμύ ηνπ δηαλύζκαηνο θίλεζεο αληηθεηκέλνπ θαη ηεο επζείαο ξαληάξ-αληηθεηκέλνπ. Οπόηε, κηα πην γεληθή έθθξαζε γηα ηελ f d πνπ ζα ζπλππνινγίδεη θαη ηελ νιηθή γσλία κεηαμύ ξαληάξ-αληηθεηκέλνπ είλαη θαη γηα αληηθείκελν πνπ απνκαθξύλεηαη f d = 2v λ cos θ (1.36) 23

24 f d = 2v λ cos θ (1.37) όπνπ cos θ = cos θ e cos θ a. Οη γσλίεο θ e θαη θ a είλαη γσλία αλύςσζεο θαη αδηκνύζηνπ αληίζηνηρα. Όπσο θαίλεηαη ζην ζρήκα ρήκα Ο ζηόρνο 1 παξάγεη κεδεληθή νιίζζεζε Doppler. Ο ζηόρνο 2 ηελ κέγηζηε. Ο ζηόρνο 3 κηα ελδηάκεζε ηηκή. ρήκα Ζ αθηηληθή ηαρύηεηα είλαη αλάινγε ησλ γσληώλ αδηκνύζηνπ θαη αλύςσζεο. 1.6 Δμίζσζε ηνπ ξαληάξ Αο ζεσξήζνπκε έλα ξαληάξ κε ηζνηξνπηθή θεξαία (εθπέκπεη ίζε ελέξγεηα πξνο όιεο ηηο θαηεπζύλζεηο). Δθόζνλ απηνύ ηνπ είδνπο νη θεξαίεο έρνπλ ζθαηξηθό δηάγξακκα αθηηλνβνιίαο, κπνξνύκε λα νξίζνπκε ηελ peak ηηκή ηεο ππθλόηεηαο ηζρύνο (ηζρύο αλά κνλάδα επηθάλεηαο) ζε θάζε ζεκείν ηνπ ρώξνπ σο 24

25 P D = η peak εκπεμπ όμενη ιςχ ύσ επιφ άνεια ςφα ίρασ Watt m 2 (1.38) Ζ ππθλόηεηα ηζρύνο ζε απόζηαζε R από ην ξαληάξ (ζεσξώληαο όηη ην κέζν κεηάδνζεο δελ έρεη απώιεηεο) είλαη P D = P t 4πR 2 (1.39) όπνπ P t είλαη ε peak κεηαδηδόκελε ηζρύο θαη 4πR 2 είλαη ε επηθάλεηα ζθαίξαο κε αθηίλα R. Σα ξαληάξ ρξεζηκνπνηνύλ θαηεπζπληηθέο θεξαίεο γηα λα απμήζνπλ ηελ ππθλόηεηα ηζρύνο πξνο κηα νξηζκέλε θαηεύζπλζε. Οη θαηεπζπληηθέο θεξαίεο ραξαθηεξίδνληαη ζπλήζσο από ην θέξδνο ηεο θεξαίαο G θαη ηελ ελεξγή επηθάλεηα A e ηεο θεξαίαο. Σα νπνία ηθαλνπνηνύλ ηελ ζρέζε G = 4πA e λ 2 (1.40) όπνπ λ είλαη ην κήθνο θύκαηνο. Ζ ζρέζε κεηαμύ ελεξγήο θαη θπζηθήο επηθάλεηαο ηεο θεξαίαο είλαη A e = ρa 0 ρ 1 (1.41) ην ρ αλαθέξεηαη σο βαζκόο απόδνζεο ηεο θεξαίαο, θαιέο θεξαίεο απαηηνύλ ρ 1. ηα πιαίζηα ηεο δηπισκαηηθήο ζα ζεσξήζνπκε, εθηόο αλ επηζεκαλζεί αιιηώο, όηη A θαη A e είλαη ην ίδην. Δπίζεο ζα ζεσξήζνπκε όηη νη θεξαίεο ησλ ξαληάξ έρνπλ ην ίδην θέξδνο θαη θαηά ηελ κεηάδνζε θαη θαηά ηελ ιήςε. ηελ πξάμε κηα θνηλά απνδεθηή ηηκή είλαη ρ=0.7. Σν θέξδνο ζρεηίδεηαη επίζεο κε ην εύξνο ησλ ινβώλ ηεο θεξαίαο θαηά ηηο γσλίεο ηνπ αδηκνύζηνπ θαη ηεο αλύςσζεο κέζσ ηεο ζρέζεο G = k 4π θ e θ a (1.42) όπνπ k 1 θαη εμαξηάηαη από ην θπζηθό ζρήκα ηεο επηθάλεηαο. Οη γσλίεο θ e θαη θ a είλαη ηα πιάηε ησλ ινβώλ θαηά ηηο δηεπζύλζεηο αλύςσζεο θαη αδηκνύζηνπ, αληίζηνηρα, ζε αθηίληα. Μηα πνιύ θαιή πξνζέγγηζε ηεο εμίζσζεο (1.42) έρεη δνζεί από ηνλ Stutzman θαη αλαθέξεηαη ζην βηβιίν ηνπ Skolnik [1] είλαη G θ e θ a (1.43) ζ απηή ηελ πεξίπησζε νη γσλίεο αλύςσζεο θαη αδηκνύζηνπ είλαη ζε κνίξεο. Ζ ππθλόηεηα ηζρύνο ζε απόζηαζε R από ξαληάξ πνπ ρξεζηκνπνηεί θαηεπζπληηθή θεξαία θέξδνπο G δίλεηαη από ηελ ζρέζε P D = P tg 4πR 2 (1.44) 25

26 Όηαλ ε αθηηλνβνινύκελε ελέξγεηα από ην ξαληάξ πξνζπίπηεη ζην αληηθείκελν ζηόρνπ, ηα επαγόκελα ξεύκαηα ζηελ επηθάλεηα ηνπ αληηθεηκέλνπ εθπέκπνπλ ειεθηξνκαγλεηηθή ελέξγεηα πξνο όιεο ηηο δηεπζύλζεηο. Σν πνζό ηεο αθηηλνβνινύκελεο ελέξγεηαο είλαη αλάινγν ηνπ κεγέζνπο ηνπ αληηθεηκέλνπ, ηνπ πξνζαλαηνιηζκνύ ηνπ, ηνπ ζρήκαηνο θαη ηνπ πιηθνύ από ην νπνίν απνηειείηαη. Σα νπνία όια καδί ζπζζσξεύνληαη ζε κία παξάκεηξν πνπ ραξαθηεξίδεη ην αληηθείκελν ζηόρνο θαη νλνκάδεηαη ξαδηνηνκή ή ειεθηξνκαγλεηηθό ίρλνο ή επηθάλεηα ζθέδαζεο (Radar Cross Section- RCS) θαη ζπκβνιίδεηαη κε ην γξάκκα σ. Σν RCS νξίδεηαη σο ν ιόγνο ηεο ηζρύνο πνπ αληαλαθιάηαη πίζσ ζην ξαληάξ πξνο ηελ ππθλόηεηα ηζρύνο πνπ πξνζπίπηεη ζην αληηθείκελν, ς = P r P D m 2 (1.45) όπνπ, P r ε ηζρύο πνπ αλαθιάηαη από ην αληηθείκελν. Οπόηε, ε ζπλνιηθή ηζρύο πνπ παξαδίδεηαη ζηνλ επεμεξγαζηή ζήκαηνο ηνπ ξαληάξ από ηελ θεξαία είλαη P Dr = P tgς 4πR 2 2 A e (1.46) Αληηθαζηζηώληαο ηελ ηηκή ηεο A e από ηελ εμίζσζε (1.40) ζηελ παξαπάλσ ζρέζε έρνπκε P Dr = P tg 2 λ 2 ς 4π 3 R 4 (1.47) Αο ζπκβνιίζνπκε κε S min ηελ ειάρηζηε αληρλεύζηκε ηζρύ ηνπ ζήκαηνο. Πξνθύπηεη ηόηε όηη ην κέγηζην εύξνο ηνπ ξαληάξ R max είλαη R max = P tg 2 λ 2 ς 4π 3 S min 1/4 (1.48) Ζ εμίζσζε (1.48) ππνδεηθλύεη όηη γηα λα δηπιαζηάζνπκε ην κέγηζην εύξνο ελόο ξαληάξ ζα πξέπεη λα απμήζνπκε ηελ κέγηζηε κεηαδηδόκελε ηζρύ P t θαηά δεθαέμη θνξέο. ηελ πξάμε ηα επηζηξεθόκελα ζήκαηα πνπ ιακβάλνληαη από ην ξαληάξ αιινηώλνληαη από θάπνην είδνπο ζνξύβνπ, ν νπνίνο εηζάγεη αλεπηζύκεηεο ηάζεηο ζε όιεο ηηο ζπρλόηεηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ ξαληάξ. Ο ζόξπβνο είλαη ζηνραζηηθόο από ηελ θύζε ηνπ θαη πεξηγξάθεηαη από ηελ ζπλάξηεζε ηεο Φαζκαηηθήο Ππθλόηεηαο Ηζρύνο(Power Spectral Density-PSD). Ζ ηζρύο ηνπ ζνξύβνπ (Noise) N είλαη ζπλάξηεζε ηνπ εύξνπο δώλεο ιεηηνπξγίαο ηνπ ξαληάξ, B. Γηα ηελ αθξίβεηα N = Noise PSD B (1.49) Ο ζόξπβνο εηζόδνπ ζε κηα θεξαία ρσξίο απώιεηεο είλαη N i = kt e B (1.50) 26

27 Όπνπ k = joule/kelvin είλαη ε ζηαζεξά ηνπ Boltzman θαη T e είλαη ε ελεξγή ζεξκνθξαζία ηνπ ζνξύβνπ ζε βαζκνύο Kelvin. Πάληα είλαη επηζπκεηό λα έρνπκε ην ειάρηζην αληρλεύζηκν ζήκα (S min ) κεγαιύηεξν από ηελ ηζρύ ηνπ ζνξύβνπ. Ζ απόδνζε ηνπ δέθηε ελόο ξαληάξ ζπλήζσο πεξηγξάθεηαη από έλα αξηζκεηηθό ιόγν απόδνζεο (merit of figure) πνπ νλνκάδεηαη noise figure F. Σν noise figure νξίδεηαη σο εμήο F = SNR i SNR o = S i N i S o No (1.51) SNR i θαη SNR o είλαη, αληίζηνηρα, ν ιόγνο ζήκαηνο πξνο ζόξπβν (Signal to Noise Ratio-SNR) ζηελ είζνδν θαη ζηελ έμνδν ηνπ δέθηε. S i είλαη ε ηζρύο ηνπ ζήκαηνο εηζόδνπ, N i είλαη ε ηζρύο ηνπ ζνξύβνπ ζηελ είζνδν. S o θαη N o είλαη, αληίζηνηρα, ε ηζρύο ηνπ ζήκαηνο θαη ηνπ ζνξύβνπ ζηελ έμνδν ηνπ δέθηε. Αληηθαζηζηώληαο ηελ εμίζσζε (1.50) ζηελ (1.51) θαη αλαδηαηάζζνληαο ηνπο όξνπο πξνθύπηεη S i = kt e BF SNR o (1.52) Οπόηε, ε ειάρηζηε αληρλεύζηκε ηζρύο ηνπ ζήκαηνο κπνξεί λα γξαθεί σο S min = kt e BF SNR omin (1.53) Σν θαηώθιη αλίρλεπζεο ηνπ ξαληάξ ζπλήζσο ηίζεηαη ίζν κε ην ειάρηζην SNR εμόδνπ, SNR omin. Αληηθαζηζηώληαο ηελ εμίζσζε (1.53) ζηελ (1.48) καο δίλεη R max = P t G 2 λ 2 ς 4π 3 kt e BF SNR omin 1/4 (1.54) ή ηζνδύλακα SNR omin = P t G 2 λ 2 ς 4π 3 kt e BFR4 max (1.55) ηελ γεληθόηεξε πεξίπησζε, θάπνηεο απώιεηεο ηνπ ξαληάξ πνπ ηηο ζπκβνιίδνπκε κε L κεηώλνπλ ην νιηθό SNR θαη νπόηε έρνπκε SNR ο = P t G 2 λ 2 ς 4π 3 kt e BFLR 4 (1.56) Αλ θαη κπνξεί λα πάξεη πνιιέο κνξθέο, ε εμίζσζε (1.56) είλαη θύξηα κνξθή ηεο εμίζσζεο ηνπ ξαληάξ. 27

28 28

29 Κεθάιαην 2 ν Μειέηε εηδηθώλ ιεηηνπξγηώλ ξαληάξ (1) (2) (4) ην θεθάιαην απηό ζα παξαζέζνπκε πην αλαιπηηθά θάπνηνπο ππνινγηζκνύο, ζην ζεσξεηηθό επίπεδν ηνπο, πνπ ζα ρξεηαζηνύλ γηα ηελ θαηαλόεζε ηεο δηαδηθαζίαο πξνζνκνίσζεο πνπ αθνινπζεί ζην Μέξνο Β ηεο παξνύζαο δηπισκαηηθήο εξγαζίαο. Θα κειεηεζνύλ ε αλίρλεπζε ζήκαηνο παξνπζία ζνξύβνπ, νη ηερληθέο CFAR, MTI, staggered PRI θαη ζα δνζεί έλαο πην αλαιπηηθόο νξηζκόο ηνπ RCS. 2.1 Αλίρλεπζε ζήκαηνο παξνπζία ζνξύβνπ Σν καζεκαηηθό κνληέιν ηεο αλίρλεπζεο Έλα απινπνηεκέλν κπινθ δηάγξακκα ελόο δέθηε ξαληάξ πνπ ρξεζηκνπνηεί έλαλ αληρλεπηή πεξηβάιινπζαο αθνινπζνύκελν από θαηώθιη απόθαζεο απεηθνλίδεηαη ζην ρήκα 2.1. Σν ζήκα εηζόδνπ ζην δέθηε ζπληίζεηαη απ ην ζήκα επηζηξνθήο s t ηνπ ξαληάξ θαη ηνλ πξνζζεηηθό κεδεληθήο κέζεο ηηκήο Gaussian ζόξπβν n t, δηαζπνξάο ψ 2. Ο ζόξπβνο εηζόδνπ ζεσξνύκε όηη είλαη αζπζρέηηζηνο κε ην ζήκα θαη ηπραία ρσξηθά θαηαλεκεκέλνο. ρήκα 2.1. Απινπνηεκέλν κπινθ δηάγξακκα αληρλεπηή πεξηβάιινπζαο θαη δέθηε κε θαηώθιη απόθαζεο Ζ έμνδνο ηνπ δσλνδηαβαηνύ θίιηξνπ IF είλαη ην ζήκα v(t), ην νπνίν κπνξεί λα γξαθεί σο v t = v I t cos ω 0 t + v Q t sin ω 0 t = r t cos ω 0 t φ t v I t = r t cos φ t (2.1) v Q t = r t sin φ t Όπνπ ω 0 = 2πf 0 είλαη ε ζπρλόηεηα ιεηηνπξγίαο ηνπ ξαληάξ, r t είλαη ε πεξηβάιινπζα ηνπ ζήκαηνο v t, ε θάζε είλαη φ t = tan 1 (v Q /v I ) θαη νη δείθηεο I,Q, αλαθέξνληαη ζηελ ζπκθαζηθή θαη ζηελ ηεηξαγσληθή (δηαθνξά θάζεο 90 ν ) ζπληζηώζα, αληίζηνηρα. Ζ έμνδνο ηνπ IF θίιηξνπ είλαη κηα κηγαδηθή ηπραία κεηαβιεηή πνπ απνηειείηαη είηε κόλν από ζόξπβν είηε από ζόξπβν ζπλ ην επηζηξεθόκελν ζήκα (εκηηνλνεηδέο ζήκα πιάηνπο Α). Οη ηεηξαγσληθέο ζπληζηώζεο πνπ αληηζηνηρνύλ ζηελ πξώηε πεξίπησζε είλαη θαη γηα ηελ δεύηεξε πεξίπησζε, v I t = n I (t) v Q t = n Q (t) (2.2) 29

30 v I t = Α + n I t = r t cos φ t n I t = r t cos φ t Α v Q t = n Q t = r t sin φ t (2.3) όπνπ νη ηεηξαγσληθέο ζπληζηώζεο ηνπ ζνξύβνπ n I (t) θαη n Q (t) είλαη αζπζρέηηζηεο κεδεληθήο κέζεο ηηκήο Gaussian κεηαβιεηέο κη ίδηα δηαζπνξά, ψ 2. Ζ από θνηλνύ ππθλόηεηα πηζαλόηεηαο ησλ ηπραίσλ κεηαβιεηώλ n I ; n Q είλαη f n I, n Q = 1 2πψ 2 exp n I n Q 2ψ 2 = 1 2πψ 2 exp r cos φ Α 2 + r sin φ 2 2ψ 2 (2.4) Οη ζπλαξηήζεηο ππθλόηεηαο πηζαλόηεηαο ησλ ηπραίσλ κεηαβιεηώλ r t θαη φ t, αληίζηνηρα, αλαπαξηζηνύλ ην κέηξν θαη ηε θάζε ηνπ ζήκαηνο v t. Ζ από θνηλνύ ζπλάξηεζε ππθλόηεηαο πηζαλόηεηαο ησλ ηπραίσλ κεηαβιεηώλ r t ; φ t δίλεηαη από όπνπ J είλαη πίλαθαο κεξηθώλ παξαγώγσλ πνπ νξίδεηαη σο εμήο f r, φ = f n I, n Q J (2.5) J = n I r n Q r n I φ n Q φ = cos φ r sin φ sin φ r cos φ (2.6) Ζ νξίδνπζα ηνπ πίλαθα ησλ κεξηθώλ παξαγώγσλ νλνκάδεηαη Jacobian, θαη ζε απηή ηελ πεξίπησζε είλαη J = r(t) (2.7) Αληηθαζηζηώληαο ηηο εμηζώζεηο (2.4) θαη (2.7) ζηελ (2.5) θαη αλαδηαηάζζνληαο ηνπο όξνπο έρνπκε f r, φ = r 2πψ 2 exp r2 + A 2 ra cos φ 2ψ 2 exp ψ 2 Ζ ζπλάξηεζε ππθλόηεηαο πηζαλόηεηαο κόλν γηα ηελ r πξνθύπηεη νινθιεξώλνληαο ηελ παξαπάλσ ζρέζε σο πξνο υ. (2.8) 2π f r = f r, φ dφ = r 0 ψ 2 exp r2 + A 2 2ψ 2 1 2π 0 2π exp ra cos φ ψ 2 dφ (2.9) Όπνπ ην νινθιήξσκα ζηελ εμίζσζε (2.9) είλαη γλσζηό σο ε ηξνπνπνηεκέλε ζπλάξηεζε Bessel κεδεληθήο ηάμεο 30

31 I 0 β = 1 2π 2π e β cos θ dθ 0 (2.10) Οπόηε, f r = r ψ 2 I ra 0 ψ 2 exp r2 + A 2 2ψ 2 (2.11) ε νπνία είλαη ε Rician ζπλάξηεζε ππθλόηεηαο πηζαλόηεηαο. Αλ Α ψ 2 = 0 (κόλν ζόξπβνο), ηόηε ε εμίζσζε (2.11) γίλεηαη ε Rayleigh ζπλάξηεζε ππθλόηεηαο πηζαλόηεηαο f r = r r2 exp ψ2 2ψ 2 (2.12) Δπίζεο, όηαλ ην Α ψ 2 γίλεηαη πνιύ κεγάιν ε εμίζσζε (2.11) γίλεηαη Gaussian ζπλάξηεζε ππθλόηεηαο πηζαλόηεηαο κε κέζε ηηκή Α θαη δηαζπνξά ψ 2. f r 1 2πψ exp r A 2 2 2ψ 2 (2.13) Ζ ζπλάξηεζε ππθλόηεηαο πηζαλόηεηαο γηα ηελ ηπραία κεηαβιεηή υ πξνθύπηεη από f φ = r f r, φ dr 0 (2.14) ν ππνινγηζκόο ηνπ νινθιεξώκαηνο (2.14) καο δίλεη ηελ έθθξαζε f φ = 1 2π A2 A cos φ exp + 2ψ2 2πψ exp A sin φ 2 2 2ψ 2 F A cos φ φ (2.15) όπνπ F x = x 1 ξ 2 2π e 2 dξ (2.16) Ζ ζπλάξηεζε F x βξίζθεηαη ζπρλά ζε ππνινγηζηηθνύο πίλαθεο. Να παξαηεξήζνπκε όηη γηα Α=0 (κόλν ζόξπβνο), ε εμίζσζε (2.15) εθθπιίδεηαη ζηελ νκνηόκνξθε θαηαλνκή ζην δηάζηεκα [0,2π] Πηζαλόηεηα ιάζνο αλίρλεπζεο Ζ πηζαλόηεηα ιάζνο αλίρλεπζεο (false alarm) P fa νξίδεηαη σο ε πηζαλόηεηα έλα δείγκα R ηνπ ζήκαηνο r(t) λα ππεξβεί ηελ ηάζε θαησθιίνπ V T παξνπζία κόλν ζνξύβνπ ζην ξαληάξ, 31

32 P fa = V T r r2 exp ψ2 2ψ 2 dr = exp V 2 T 2ψ 2 (2.17a) V T = 2ψ 2 ln 1 P fa (2.17b) Σν ρήκα 2.2 απεηθνλίδεη ηελ θαλνληθνπνηεκέλε ηάζε θαησθιίνπ ζπλαξηήζεη ηεο πηζαλόηεηαο ιάζνο αλίρλεπζεο. Δίλαη εκθαλέο από ηελ γξαθηθή απηή παξάζηαζε πσο ην ζθάικα αλίρλεπζεο είλαη επαίζζεην σο αλαθνξά ηελ ηηκή ηνπ θαησθιίνπ απόθαζεο. ρήκα 2.2. Καλνληθνπνηεκέλν θαηώθιη απόθαζεο ζπλαξηήζεη ηεο πηζαλόηεηαο ιάζνο αλίρλεπζεο. Ο ρξόλνο ιάζνο αλίρλεπζεο Τ fa ζρεηίδεηαη κε ηελ πηζαλόηεηα ιάζνπο αλίρλεπζεο κέζν ηεο ζρέζεο Τ fa = t int P fa (2.18) όπνπ t int είλαη ν ρξόλνο νινθιήξσζεο ηνπ ξαληάξ ή ν κέζνο ρξόλνο πνπ ε έμνδνο ηνπ αληρλεπηή πεξηβάιινπζαο ζα ππεξβαίλεη ηελ ηάζε θαησθιίνπ. Δθόζνλ ην εύξνο δώλεο ιεηηνπξγίαο ηνπ ξαληάξ B είλαη ην αληίζηξνθν ηνπ t int, ηόηε αληηθαζηζηώληαο ηελ εμίζσζε (2.17) ζηελ (2.18) κπνξνύκε λα εθθξάζνπκε ην Τ fa σο 32

33 Τ fa = 1 Β exp V T 2 2ψ 2 (2.19) Διαρηζηνπνηώληαο ην Τ fa απμάλνπκε ζηελ νπζία ηελ ηηκή ηνπ θαησθιίνπ θαη σο απνηέιεζκα κεηώλεηαη ε κέγηζηε απόζηαζε αλίρλεπζεο. Οπόηε, ε επηινγή κηαο απνδεθηήο ηηκήο γηα ην Τ fa έξρεηαη ζε ζπκβηβαζκό κε ηελ επηινγή ηνπ ηξόπνπ ιεηηνπξγίαο ηνπ ξαληάξ. πρλά ζηελ βηβιηνγξαθία νξίδεηαη ν αξηζκόο ιάζνο αλίρλεπζεο (false alarm number) σο n fa = ln 2 ln 1 P ln 2 fa P fa (2.20) Χζηόζν ππάξρνπλ θαη ιίγν πην δηαθνξεηηθή νξηζκνί γηα αξηζκό ιάζνο αλίρλεπζεο Πηζαλόηεηα αλίρλεπζεο Ζ πηζαλόηεηα αλίρλεπζεο P D είλαη ε πηζαλόηεηα έλα δείγκα R ηνπ ζήκαηνο r(t) λα ππεξβεί ηελ ηάζε θαησθιίνπ παξνπζία ηνπ ζνξύβνπ θαη ηνπ ζήκαηνο, r P D = ψ 2 I ra 0 ψ 2 exp r2 + A 2 2ψ 2 dr V T (2.21) Αλ ζεσξήζνπκε όηη ην ζήκα ηνπ ξαληάξ είλαη έλα εκηηνλνεηδέο θύκα πιάηνπο Α, ηόηε ε ηζρύο ηνπ είλαη Α 2 /2. Σώξα, ρξεζηκνπνηώληαο SNR = Α 2 /2ψ 2 (SNR κνλνύ παικνύ) θαη V T 2 ηόηε ε εμίζσζε (2.21) κπνξεί λα μαλαγξαθεί 2ψ 2 = ln 1/P fa P D = r ψ 2 I ra 0 ψ 2 exp r2 + A 2 2ψ 2 dr = 2ψ 2 ln 1 P fa (2.22) Q A 2 ψ 2, 2 ln 1 P fa Q α, β = ζι 0 αζ e ζ 2 +α 2 2 dζ β (2.23) Ζ Q νλνκάδεηαη Q-ζπλάξηεζε ηνπ Marcum. Όηαλ ην P fa είλαη αξθεηά κηθξό θαη ε P D είλαη ζρεηηθά κεγάιε έηζη ώζηε θαη ην θαηώθιη λα είλαη κεγάιν, ε εμίζσζε (2.22) κπνξεί λα πξνζεγγηζηεί από ηελ 33

34 P D F A ψ 2 ln 1 P fa (2.24) Όπνπ F(x) δίλεηαη από ηελ (2.16). ηελ βηβιηνγξαθία κπνξνύλ ππάξρνπλ αξθεηέο πξνζεγγίζεηο γηα ηνλ ππνινγηζκό ηεο ζπλάξηεζεο Q ηαζεξνύ ξπζκνύ πηζαλόηεηα ιάζνο αλίρλεπζεο (CFAR) Σν θαηώθιη αλίρλεπζεο ππνινγίδεηαη έηζη ώζηε ν δέθηεο ηνπ ξαληάξ λα ρεηξίδεηαη κηα ζηαζεξή πξν-νξηζκέλε πηζαλόηεηα ιάζνο αλίρλεπζεο. Ζ εμίζσζε (2.17b) δίλεη ηελ ζρέζε κεηαμύ ηεο ηηκήο ηνπ θαησθιίνπ απόθαζεο V T θαη ηεο πηζαλόηεηαο ιάζνο αλίρλεπζεο P fa. Αλ ε ηζρύο ηνπ ζνξύβνπ ψ 2 ζεσξεζεί όηη είλαη ζηαζεξή, ηόηε κπνξεί λα επηηεπρηεί θαη έλα ζηαζεξό θαηώθιη εμίζσζε (2.17b). Χζηόζν, ιόγν δηαθόξσλ παξαγόλησλ απηή ε ζπλζήθε είλαη ζπαλίσο αιεζήο. Οπόηε, γηα λα επηηύρνπκε ζηαζεξή πηζαλόηεηα ιάζνο αλίρλεπζεο ε ηηκή ηνπ θαησθιίνπ απόθαζεο ζα πξέπεη ζπλερώο λα αλαλεώλεηαη βαζηδόκελν ζε εθηηκήζεηο ηεο δηαζπνξάο ηνπ ζνξύβνπ. Ζ δηαδηθαζία ηεο ζπλερήο αιιαγήο ηνπ θαησθιίνπ απόθαζεο γηα λα έρνπκε λα θάλνπκε κε κία ζηαζεξή πηζαλόηεηα ιάζνο αλίρλεπζεο είλαη γλσζηή σο ζηαζεξνύ ξπζκνύ πηζαλόηεηα ιάζνο αλίρλεπζεο (Constant False Alarm Rate-CFAR). Σξία δηαθνξεηηθά είδε CFAR επεμεξγαζηώλ θπξίσο ρξεζηκνπνηνύληαη. Τπάξρνπλ νη πξνζαξκνδόκελνπ θαησθιίνπ CFAR, νη κε παξακεηξηθνί CFAR θαη νη κε γξακκηθώλ ηερληθώλ δέθηε. Οη πξνζαξκνζκέλνη CFAR ζεσξνύλ όηη ε θαηαλνκή ησλ παξεκβνιώλ είλαη γλσζηή θαη πξνζεγγίδνπλ ηηο άγλσζηεο παξακέηξνπο ζύκθσλα κε απηή ηελ θαηαλνκή. Οη κε παξακεηξηθνί επεμεξγαζηέο CFAR ηείλνπλ λα πξνζαξκνζηνύλ κε άγλσζηεο θαηαλνκέο παξεκβνιώλ. Οη κε γξακκηθέο ηερληθέο δέθηε πξνζπαζνύλ λα θαλνληθνπνηήζνπλ ηελ κέζε ηεηξαγσληθή ηηκή ηνπ πιάηνπο ησλ παξεκβνιώλ Μέζεο ηηκήο θπςειώλ CFAR (κνλόο παικόο) Ο κέζεο ηηκήο θπςειώλ (cell-averaging) CA- CFAR επεμεξγαζηήο απεηθνλίδεηαη ζην ρήκα 2.3. Σν cell-averaging εθηειείηαη ζε κηα ζεηξά από δέζκεο απνζηάζεσλ (θπςέιεο-cells). Σν επηζηξεθόκελν ζήκα από θάζε παικό αληρλεύεηαη από έλα square-low αληρλεπηή. ε αλαινγηθέο εθαξκνγέο απηέο νη θπςέιεο πινπνηνύληαη κε κηα γξακκή θαζπζηέξεζεο. Ζ θπςέιε εμέηαζεο (cell under test-cut) είλαη ε θεληξηθή θπςέιε. Οη άκεζα γεηηνληθέο θπςέιεο κε ηελ CUT εμαηξνύληαη απ ηελ δηαδηθαζία ηεο κέζεο ηηκήο ιόγν ζεκαληηθήο επηξξνήο κε ηελ θεληξηθή. Ζ έμνδνο Μ θπςειώλ Μ/2 από θάζε πιεπξά ηεο CUT ζπλεηζθέξεη ζηελ κέζε ηηκή. Ζ ηηκή θαησθιίνπ ιακβάλεηαη πνιιαπιαζηάδνληαο ηελ κέζε εθηίκεζε όισλ ησλ θπςειώλ κε κηα ζηαζεξά K 0 (ζηαζεξά θιηκάθσζεο). Μηα αλίρλεπζε έρεη εληνπηζηεί ζηελ CUT όηαλ Y 1 K 0 Z (2.25) ε έλα CA-CFAR επεμεξγαζηή ζεσξνύκε όηη ην αληηθείκελν ελδηαθέξνληνο βξίζθεηαη ζε κηα θεληξηθή θπςέιε θαη όιεο νη άιιεο πεξηέρνπλ κεδεληθήο κέζεο ηηκήο Gaussian ζόξπβν δηαζπνξάο ψ 2. Οπόηε, ε έμνδνο ηεο θπςέιεο αλαθνξάο, Ε, αλαπαξηζηάηαη από κηα ηπραία κεηαβιεηή θαηαλνκήο γάκκα (εηδηθή πεξίπησζε χ 2 -θαηαλνκήο) κε 2Μ βαζκνύο ειεπζεξίαο. ε απηή ηελ πεξίπησζε ε θαηαλνκή γάκκα είλαη 34

35 f z = z M 2 1 e z 2ψ 2 2 M ψ M Γ Μ 2 ; z > 0 (2.26) Ζ πηζαλόηεηα ιάζνο αλίρλεπζεο πνπ αληηζηνηρεί ζε ζηαζεξή ηηκή θαησθιίνπ έρεη εμαρζεί λσξίηεξα. Όηαλ έλα CA-CFAR εθαξκόδεηαη, ηόηε ε πηζαλόηεηα ιάζνο αλίρλεπζεο κπνξεί λα εμαρζεί από ηελ ππό ζπλζήθε πηζαλόηεηα ιάζνο αλίρλεπζεο, ηεο νπνίαο παίξλνπκε ηελ κέζε ηηκή γηα όιεο ηη πηζαλέο ηηκέο ηνπ θαησθιίνπ γηα λα επηηύρνπκε όζν ην δπλαηόλ αλεμάξηεηε πηζαλόηεηα ιάζνο αλίρλεπζεο. Ζ ππό ζπλζήθε πηζαλόηεηα ιάζνο αλίρλεπζεο όηαλ y = V T κπνξεί λα γξαθεί σο y P fa V T = y = e2ψ 2 (2.27) ρήκα 2.3. πκβαηηθόο CA-CFAR. Δπνκέλσο ε αλεμάξηεηε πηζαλόηεηα ιάζνο αλίρλεπζεο είλαη P fa = P fa V T = y f(y) dy 0 (2.28) όπνπ f(y) είλαη ε ζπλάξηεζε ππθλόηεηαο πηζαλόηεηαο ηνπ θαησθιίνπ, ε νπνία εθηόο από ηελ ζηαζεξά K 0 είλαη ίδηα κε απηή πνπ έρεη νξηζζεί ζηελ εμίζσζε (2.26). Οπόηε 35

36 y 2K 0 ψ 2 f y = ym 1 e 2K 0 ψ 2 Μ Γ Μ ; y > 0 (2.29) Τπνινγίδνληαο ην νινθιήξσκα ηεο εμίζσζεο (2.28) βξίζθνπκε 1 P fa = 1 + K Μ 0 (2.30) Παξαηεξώληαο ηελ παξαπάλσ εμίζσζε βιέπνπκε όηη ε πηζαλόηεηα ιάζνο αλίρλεπζεο ηώξα είλαη αλεμάξηεηε ηεο ηζρύο ηνπ ζνξύβνπ, πξάγκα ην νπνίν είλαη θαη ην αληηθείκελν ελόο επεμεξγαζηή CFAR. 2.2 Γείθηεο θηλνύκελνπ ζηόρνπ (Moving Target Indicator-MTI) Σν θάζκα ηνπ clutter Σν θάζκα ηζρύνο ζηάζηκνπ clutter (κεδεληθή νιίζζεζε Doppler) κπνξεί λα αλαπαξαζηαζεί κε κηα δέιηα ζπλάξηεζε. Χζηόζν, ην clutter δελ είλαη πάληα ζηάζηκν, ζηελ πξαγκαηηθόηεηα ππάξρεη νιίζζεζε Doppler ιόγν ηεο ηαρύηεηαο ηνπ αλέκνπ θαη ηεο θίλεζεο ηεο θεξαίαο ηνπ ξαληάξ. Γεληθά ε ηζρύο ηνπ θάζκαηνο ηνπ clutter ζπγθεληξώλεηαη γύξν από ηε ζπρλόηεηα f=0 θαη ηα αθέξαηα πνιιαπιάζηα ηεο PRF f r. Μπνξεί λα παξνπζηάδεη θαη κηα δηαζπνξά γύξν από απηέο ηηο ζπρλόηεηεο. Σν θάζκα ηζρύνο ηνπ clutter κπνξεί λα γξαθεί ζαλ άζξνηζκα δπν όξσλ, ελόο ζηαζεξνύ (ζηάζηκν) θαη ελόο ηπραίνπ (ιόγν δηαζπνξάο ζηε ζπρλόηεηα). ηηο πεξηζζόηεξεο πεξηπηώζεηο ν ηπραίνο όξνο είλαη κηα Gaussian θαηαλνκή. Αλ ζπκβνιίζνπκε ηνλ ιόγν ηζρύνο ζηαζεξνύ πξνο ηπραίν όξν κε W 2, ηόηε κπνξνύκε λα γξάςνπκε ην θάζκα ηνπ clutter σο εμήο S c ω = ς 0 W2 1 + W 2 δ ω ς (1 + W 2 ) 2πς exp ω ω ω 2ς2 ω (2.31) όπνπ ω 0 = 2πf 0 είλαη ε ζπρλόηεηα ιεηηνπξγίαο ηνπ ξαληάξ ζε αθηίληα αλά δεπηεξόιεπην, ς ω είλαη ε rms ηηκή ηνπ όξνπ δηαζπνξάο ζηε ζπρλόηεηα (νξίδεη ηε δηαζπνξά ζηηο ζπρλόηεηεο νιίζζεζεο Doppler) θαη ς 0 είλαη ε παξάκεηξνο Weibull. Ο πξώηνο όξνο ηεο εμίζσζεο (2.31) αλαπαξηζηά ηελ θαζκαηηθή ππθλόηεηα ηζρύνο ελόο ζηάζηκνπ clutter ελώ ν δεύηεξνο όξνο ηε δηαζπνξά ζηε ζπρλόηεηα. Παξ όια απηά, εθόζνλ ε πεξηζζόηεξε ηζρύο ηνπ clutter ζπγθεληξώλεηαη γύξν από κεδεληθέο νιηζζήζεηο Doppler κε κεξηθή δηαζπνξά (ηππηθά ιηγόηεξε από 100 Hz), είλαη ζύλεζεο γηα ιόγνπο επθνιίαο λα κνληεινπνηνύκε ην clutter κε έλα Gaussian κνξθήο θάζκα ηζρύνο. Γειαδή S c ω = P c 2πς exp ω ω ω 2ς2 ω (2.32) όπνπ P c είλαη ε ζπλνιηθή ηζρύο ηνπ clutter. Σν ζρήκα 2.4 απεηθνλίδεη ηελ κνξθή ηεο θαζκαηηθήο ππθλόηεηαο ηζρύνο ελόο ηππηθνύ ζήκαηνο επηζηξνθήο ηνπ ξαληάξ. Παξαηεξνύκε όηη ε ηζρύο είλαη ζπγθεληξσκέλε γύξν από ηε DC θαη ηα αθέξαηα πνιιαπιάζηα ηεο PRF. 36

37 ρήκα 2.4. Σππηθή θαζκαηηθή ππθλόηεηα ηζρύνο παξνπζία ζηόρνπ θαη clutter MTI Σν θάζκα ηνπ clutter ζπλήζσο είλαη καδεκέλν γύξν από ηελ DC (f=0) ζπρλόηεηα θαη ηα αθέξαηα πνιιαπιάζηα ηεο PRF f r, όπσο απεηθνλίδεηαη ζην ζρήκα 2.5 (a). ε CW ξαληάξ, ην clutter απνθεύγεηαη ή θαηαζηέιιεηαη αγλνώληαο ηελ έμνδν ηνπ δέθηε γύξν από ηελ DC ζπρλόηεηα. Δθόζνλ ε πεξηζζόηεξε ηζρύο θαηαλέκεηαη εθεί. ηα παικηθά ζπζηήκαηα ξαληάξ ρξεζηκνπνηνύκε εηδηθά θίιηξα πνπ κπνξνύλ λα μερσξίζνπλ ζηαηηθνύο ή αξγά θηλνύκελνπο ζηόρνπο από ζηόρνπο κε κεγάιε ηαρύηεηα. Απηνύ ηνπ είδνο ηα θίιηξα είλαη γλσζηά σο Moving Target Indicator (MTI). Με άιια ιόγηα ν ζθνπόο ελόο MTI θίιηξνπ είλαη λα θαηαζηέιιεη ηα επηζηξέθνληα ζήκαηα από clutter πνπ έρνπλ ηελ κνξθή ζεκάησλ ζηόρνπ θαη λα επηηξέπεη ζηα ζήκαηα από θηλνύκελνπο ζηόρνπο λα πεξλάλε κε κηθξή ηξνπνπνίεζε. Γηα λα κεηώζνπκε δξαζηηθά ηηο επηζηξνθέο από clutter πξέπεη ην θίιηξν MTI λα απνθόβεη ηζρπξά ηηο ζπρλόηεηεο γύξν από ην κεδέλ θαη ηα αθέξαηα πνιιαπιάζηα ηεο PRF. ην ζρήκα 2.5 (b) θαίλεηαη κηα ηππηθή απόθξηζε ηνπ θίιηξνπ MTI, ελώ ζην ζρήκα 2.5 (c) απεηθνλίδεηαη ε έμνδνο ηνπ θίιηξνπ όηαλ δέρεηαη ζαλ είζνδν θαζκαηηθή ππθλόηεηα ηζρύνο ηεο κνξθήο ηνπ ζρήκαηνο 2.5 (a). Σν θίιηξν MTI κπνξεί λα πινπνηεζεί κε delay line canceller δηαηάμεηο. Ζ απόθξηζε ζπρλόηεηαο ηέηνησλ θίιηξσλ είλαη πεξηνδηθή κε κεδεληθά ζηα αθέξαηα πνιιαπιάζηα ηεο PRF. Οπόηε ζηόρνη κε ζπρλόηεηα Doppler αθέξαηα πνιιαπιάζηα ηεο f r απνζβέλνληαη ηειείσο. Δθόζνλ ε ζπρλόηεηα Doppler είλαη αλάινγε ηεο ηαρύηεηαο ηνπ ζηόρνπ (f d = 2v/λ), ηαρύηεηεο πνπ πξνθαινύλ ζπρλόηεηεο Doppler αθέξαηα πνιιαπιάζηα ηεο f r δελ ζα αλαγλσξηζζνύλ θαη νλνκάδνληαη ηπθιέο ηαρύηεηεο. Γηα ηελ αθξίβεηα v blind = λ nf r ; n 0 2 (2.33) Σα ζπζηήκαηα ησλ ξαληάξ κπνξνύλ λα ειαρηζηνπνηήζνπλ ηελ εκθάληζε ηπθιώλ ηαρπηήησλ ρξεζηκνπνηώληαο ζρήκαηα κε δηαθνξεηηθά PRF (ηερληθή PRF staggering) ή ρξεζηκνπνηώληαο πςειή ζπρλόηεηα PRF. Χζηόζν ζηελ ηειεπηαία πεξίπησζε ράλνπκε ζηελ απόζηαζε αζάθεηαο. ηελ ηερληθή staggering ζηέιλνληαη αξθεηνί παικνί κε δηαθνξεηηθή πεξίνδν επαλάιεςεο ώζηε λα κεηώζνπκε ηελ πηζαλόηεηα λα πέζνπκε ζε ηπθιή ηαρύηεηα. 37

38 ρήκα 2.5. (a) ηππηθή κνξθή θαζκαηηθήο ππθλόηεηαο ηζρύνο επηζηξέθνληνο ζήκαηνο ξαληάξ. (b) Απόθξηζε ζπρλόηεηαο MTI θίιηξνπ. (c) Έμνδνο ΜΣΗ θίιηξνπ. ην ζρήκα 2.6 θαίλεηαη ην κπινθ δηάγξακκα ελόο ζύγρξνλνπ (coherent) ΜΣΗ ξαληάξ. Ζ ζύγρξνλε κεηάδνζε ειέγρεηαη από έλα θύθισκα STALO (STAble Local Oscillator). Ζ έμνδνο ηνπ STALO, f LO, θαη ε έμνδνο ηνπ COHerent Oscillator (COHO), f C, πεξλάλε από ηνλ κίθηε θαη παξάγνπλ ηελ ζπρλόηεηα κεηάδνζεο f LO + f C. Ζ ελδηάκεζε ζπρλόηεηα (ΗF), f C + f d, παξάγεηαη ύζηεξα από ηελ κίμε ηνπ ιεθζέληνο ζήκαηνο κε ηελ f LO. Ύζηεξα από ηνλ IF εληζρπηή ην ζήκα πεξλάεη από ηνλ αληρλεπηή θάζεο θαη κεηαθέξεηαη ζε βαζηθή δώλε. Καη ελ ηέιεη ην ζήκα πνπ πξνθύπηεη (βίληεν ζήκα) εθαξκόδεηαη ζην θίιηξν MTI. Σα παξαπάλσ θπθιώκαηα ζα αλαιπζνύλ ζε επόκελα θεθάιαηα. 38

39 ρήκα 2.6. Μπινθ δηάγξακκα ζύγρξνλνπ ΜΣΗ ξαληάξ. 2.3 Δπηθάλεηα ζθέδαζεο (Radar Cross Section-RCS) ε απηή ηελ ελόηεηα, εμεηάδνπκε ην θαηλόκελν ηεο ζθέδαζεο ελόο αληηθεηκέλνπ ζηόρνπ. Οη κεηαβνιέο ηνπ RCS ιόγν γσλίαο πξόζπησζεο, ηεο ζπρλόηεηαο θαη πόισζεο επίζεο ζα αλαθεξζνύλ. Σα ειεθηξνκαγλεηηθά θύκαηα, νπνηαζδήπνηε πόισζεο, θαηά θαλόλα ζθεδάδνληαη θαη παζαίλνπλ πεξίζιαζε πξνο όιεο ηηο θαηεπζύλζεηο όηαλ πξνζπίπηνπλ ζε έλα αληηθείκελν. Σα θύκαηα πνπ ζθεδάδνληαη κπνξνύλ λα αλαιπζνύλ ζε δπν κέξε. Σν πξώην κέξνο απνηειείηαη από ηα θύκαηα πνπ έρνπλ ηελ ίδηα πόισζε κε ηελ θεξαία ηνπ δέθηε. Σν άιιν κέξνο ησλ θπκάησλ πνπ έρνπλ ζθεδαζηεί ζα έρνπλ κηα δηαθνξεηηθή πόισζε ζηελ νπνία ε θεξαία ηνπ δέθηε δελ απνθξίλεηαη. Οη δπν πνιώζεηο απηέο είλαη νξζνγώληεο κεηαμύ ηνπο θαη αλαθέξνληαη σο βαζηθή πόισζε (Principal Polarization-PP) θαη νξζνγώληα πόισζε (Orthogonal Polarization-OP), αληίζηνηρα. Ζ έληαζε ηεο ελέξγεηαο ηεο ειεθηξνκαγλεηηθήο αθηηλνβνιίαο πνπ ζθεδάδεηαη πίζσ ζηελ θεξαία θαη έρεη ηελ ίδηα πόισζε κε απηή νξίδεηαη σο ε RCS ηνπ αληηθεηκέλνπ ζηόρνπ. Όηαλ έλα αληηθείκελν δέρεηαη ειεθηξνκαγλεηηθή αθηηλνβνιία, ζπκπεξηθέξεηαη σο θεξαία, ζα έρεη θνληηλά θαη καθξηλά πεδία (από ζεσξία θεξαηώλ). Σα θύκαηα πνπ αλαθινύληαη ζην θνληηλό πεδίν, είλαη γεληθά, ζθαηξηθά. Αληηζέησο ζην καθξηλό πεδίν ηα κέησπα ησλ θπκάησλ αλαιύνληαη ζε γξακκηθό ζπλδπαζκό επίπεδσλ θπκάησλ. Αο ζεσξήζνπκε όηη ε ππθλόηεηα ηζρύνο ελόο θύκαηνο πνπ πξνζπίπηεη ζε αληηθείκελν πνπ βξίζθεηαη ζε απόζηαζε R από ην ξαληάξ είλαη P Di, όπσο θαίλεηαη ζην ρήκα

40 ρήκα 2.7. Αληηθείκελν ζθέδαζεο ζε απόζηαζε R. Σν πνζό ηεο αλαθιώκελεο ηζρύνο από ην αληηθείκελν είλαη P r = ςp Di (2.34) Με ζ ζπκβνιίδνπκε ην RCS. Οξίδνπκε κε P Dr ηελ ππθλόηεηα ηζρύνο ησλ θπκάησλ πνπ έρνπλ ζθεδαζηεί ζηελ θεξαία ηνπ δέθηε. Δπνκέλσο ζα έρνπκε P Dr = P r /4πR 2 (2.35) Από ηηο εμηζώζεηο (3.1) θαη (3.2) πξνθύπηεη ς = 4πR 2 P Dr P Di (2.36) θαη γηα λα βεβαησζνύκε όηη ε θεξαία ηνπ δέθηε βξίζθεηαη ζην καθξηλό πεδίν (ηα θύκαηα πνπ έρνπλ ζθεδαζηεί είλαη επίπεδα) ε εμίζσζε (3.3) ηξνπνπνηείηαη ζηελ ς = 4πR 2 lim R P Dr P Di (2.37) Σν RCS έηζη όπσο νξίζηεθε από ηελ ζρέζε (3.4) ζπρλά αλαθέξεηαη σο ην κόλν-ζηαηηθό RCS ή απιώο RCS ελόο αληηθεηκέλνπ. Σν κόλν-ζηαηηθό RCS ππνινγίδεηαη από όια ηα θύκαηα πνπ έρνπλ ζθεδαζηεί πξνο ηελ θαηεύζπλζε ηνπ ξαληάξ θαη έρνπλ ηελ ίδηα πόισζε κε ηελ θεξαία ηνπ δέθηε. Αλαπαξηζηά έλα 40

41 κέξνο ηνπ ζπλνιηθνύ RCS ς t, όπνπ ς t > ς. Θεσξώληαο ζθαηξηθό ζύζηεκα ζπληεηαγκέλσλ πνπ νξίδεηαη από (ρ,θ,υ), ηόηε ζε απόζηαζε ρ ην RCS ελόο αληηθεηκέλνπ ζα είλαη ζπλάξηεζε ησλ (θ,υ). Έζησ όηη νη γσλίεο θ i, φ i νξίδνπλ ηελ δηεύζπλζε δηάδνζεο ησλ πξνζπηπηόλησλ θπκάησλ. Δπίζεο, έζησ όηη νη γσλίεο θ s, φ s νξίδνπλ ηελ δηεύζπλζε δηάδνζεο ησλ θπκάησλ πνπ ζθεδάδνληαη. Ζ εηδηθή πεξίπησζε, όηαλ θ s = θ i θαη φ s = φ i, νξίδεη ην κόλν-ζηαηηθό RCS. Σν RCS πνπ ππνινγίδεηαη γηα θ s θ i θαη φ s φ i νξίδεη ην δη-ζηαηηθό RCS. Σν νιηθό RCS ελόο αληηθεηκέλνπ δίλεηαη από ηελ έθθξαζε ς t = 1 4π 2π π φ s =0 θ s =0 ς θ s, φ s sin θ s dθ s d φ s (2.38) Σν πνζό ησλ επηζηξεθόλησλ θπκάησλ πνπ έρνπλ ζθεδαζηεί απ ην αληηθείκελν είλαη αλάινγν ηνπ ιόγνπ ηεο έθηαζεο ηνπ κεγέζνπο ηνπ πξνο ην κήθνο θύκαηνο, λ, ησλ θπκάησλ πξόζπησζεο. ηελ πξαγκαηηθόηεηα έλα ξαληάξ δελ κπνξεί λα αληρλεύζεη αληηθείκελα κηθξόηεξα από ην κήθνο θύκαηνο ιεηηνπξγίαο ηνπ. Γηα παξάδεηγκα, αλ έλα ξαληάξ θαηξνύ ιεηηνπξγεί ζηελ L κπάληα ζπρλνηήησλ ηόηε νη ζηαγόλεο ηεο βξνρήο είλαη κηθξόηεξεο απ ην κήθνο θύκαηνο θαη θαζίζηαληαη κε αληρλεύζηκεο. Οη κεηξήζεηο ηνπ RCS ζηελ πεξηνρή ζπρλνηήησλ, ζηελ νπνία ην κέγεζνο ηνπ αληηθεηκέλνπ είλαη ζπγθξίζηκν κε ην κήθνο θύκαηνο ιεηηνπξγίαο, αλαθέξεηαη σο πεξηνρή Rayleigh. Αληηζέησο ε πεξηνρή ζπρλνηήησλ όπνπ ην αληηθείκελν είλαη ζρεηηθά κεγαιύηεξν απ ην κήθνο θύκαηνο ιεηηνπξγίαο νλνκάδεηαη νπηηθή πεξηνρή. ηελ πξάμε ε πιεηνλόηεηα ησλ ξαληάξ εκπίπηεη ζηελ νπηηθή πεξηνρή. 41

42 42

43 Κεθάιαην 3 ν Κεξαίεο ξαληάξ (1) (5) Μηα θεξαία είηε ιακβάλεη ελέξγεηα από έλα ειεθηξνκαγλεηηθό πεδίν είηε εθπέκπεη ειεθηξνκαγλεηηθά θύκαηα πνπ παξάγνληαη από κηα γελλήηξηα πςειώλ ζπρλνηήησλ. ην παξόλ θεθάιαην ζα αζρνιεζνύκε ζπγθεθξηκέλα κε ραξαθηεξηζηηθά θεξαηώλ πνπ ρξεζηκνπνηνύληαη ζε εθαξκνγέο ξαληάξ. 3.1 Λεηηνπξγηθόηεηα θεξαηώλ Ζ θεξαία είλαη κηα ζπζθεπή πνπ δξα σο κεηαδόηεο πνπ παξέρεη θαιή εθαξκνγή κεηαμύ ηεο γξακκήο ηξνθνδνζίαο, πνπ είλαη ε ηνπηθή πεγή ελέξγεηαο, θαη ηνπ ειεύζεξνπ ρώξνπ. Αλ ε θεξαία δελ είλαη πξνζαξκνζκέλε ζηνλ ειεύζεξν ρώξν, ε ηζρύο ζα αληαλαθιαζζεί πίζσ ζηνλ πνκπό, ιεηηνπξγώληαο σο απώιεηα ηεο εθπεκπόκελεο ηζρύνο. Ζ θεξαία είλαη έλα από ηα ζεκαληηθόηεξα θνκκάηηα ελόο ζπζηήκαηνο ξαληάξ. Δθηειεί ηηο παξαθάησ βαζηθέο ιεηηνπξγίεο: Μεηαθέξεη ηελ εθπεκπόκελε ηζρύ ζε ζήκαηα ζην ρώξν ζηελ θαηάιιειε θαηαλνκή θαη απνδνηηθόηεηα. Απηή ε δηαδηθαζία εθαξκόδεηαη κε παξόκνην ηξόπν θαη ζηε ιήςε. Δμαζθαιίδεη όηη ην ζήκα ζα έρεη ην θαηάιιειν ζρήκα (pattern) ζην ρώξν. Γεληθά ζα πξέπεη λα είλαη ζηελό θαηά ηελ αδηκνύζηα γσλία γηα λα παξέρεη ηελ δεηνύκελε επθξίλεηα θαη αθξίβεηα. Πξέπεη λα παξέρεη ηελ θαηάιιειε ζπρλόηεηα επαλαπξνζδηνξηζκνύ ηεο ζέζεσο ησλ αληηθεηκέλσλ ζηόρσλ. ηελ πεξίπησζε κεραληθήο πεξηζηξνθήο θεξαίαο ε ζπρλόηεηα απηή είλαη ν ξπζκόο πεξηζηξνθήο ηεο θεξαίαο. Ζ πςειή ζπρλόηεηα πεξηζηξνθήο κπνξεί λα είλαη ζεκαληηθό κεραληθό πξόβιεκα δεδνκέλνπ όηη γηα κεξηθέο δώλεο ζπρλνηήησλ ιεηηνπξγίαο κηαο θεξαίαο ην θάηνπηξν κπνξεί λα είλαη ηεξαζηίσλ δηαζηάζεσλ δπγίδνληαο αξθεηνύο ηόλνπο. Πξέπεη λα ππνινγίδεη ηελ θαηεύζπλζε ηνπ ζηόρνπ κε πςειό βαζκό αθξίβεηαο. Ζ δνκή ηεο θεξαίαο πξέπεη λα δηαηεξεί ηα ραξαθηεξηζηηθά ιεηηνπξγίαο ηεο θάησ από όιεο ηηο πεξηβαιινληηθέο ζπλζήθεο. Πξνζηαηεπηηθά θαιύκκαηα ρξεζηκνπνηνύληαη ζπλήζσο όπνπ επηθξαηνύλ ζθνδξέο πεξηβαιινληηθέο ζπλζήθεο. Ζ θύξηα απόδνζε κηαο θεξαίαο κπνξεί λα απνδεηρζεί όηη είλαη αλάινγε ηνπ γηλνκέλνπ ηνπ εκβαδνύ επηθάλεηαο ηεο θεξαίαο θαη ηεο κεηαδηδόκελεο ηζρύνο. Σν λα επελδύζνπκε ινηπόλ ζε κηα θαιή θεξαία θέξλεη άκεζα απνηειέζκαηα ζηελ νιηθή απόδνζε ελόο ξαληάξ. πλππνινγίδνληαο ηηο παξαπάλσ ιεηηνπξγίεο θαη ηελ απαηηνύκελε απόδνζε ηεο θεξαίαο ελόο ξαληάξ, δπν θαηεγνξίεο θεξαηώλ ρξεζηκνπνηνύληαη ζπλήζσο: ε παξαβνιηθνύ θαηόπηξνπ θαη ε ζπζηνηρίαο θεξαηώλ. 3.2 Υαξαθηεξηζηηθά θεξαηώλ Κέξδνο θεξαίαο. Αλεμαξηήησο ηεο ρξήζεο κηα θεξαίαο σο δέθηε ή πνκπό, ζεκαληηθό ραξαθηεξηζηηθό ηεο είλαη ην θέξδνο(gain). Μεξηθέο θεξαίεο είλαη πςειά θαηεπζπληηθέο, δειαδή πεξηζζόηεξε ελέξγεηα θαηεπζύλεηαη πξνο ζπγθεθξηκέλεο δηεπζύλζεηο. Ο ιόγνο κεηαμύ ηνπ πνζνύ ηεο ελέξγεηαο πνπ κεηαδίδεηαη ζε απηέο ηηο θαηεπζύλζεηο πξνο ηελ ελέξγεηα πνπ ζα κεηαδηδόηαλ αλ ε θεξαία δελ ήηαλ θαηεπζπληηθή (ηζνηξνπηθή) νλνκάδεηαη θέξδνο ηεο θεξαίαο, όπσο αλαθέξακε θαη ζε πξνεγνύκελν θεθάιαην. Όηαλ κηα θεξαία εθπνκπήο ζπγθεθξηκέλνπ θέξδνπο ρξεζηκνπνηείηαη θαη σο θεξαία ιήςεο, έρεη ην ίδην θέξδνο. Γηάγξακκα αθηηλνβνιίαο. Οη πεξηζζόηεξνη πνκπνί εθπέκπνπλ κεγαιύηεξε αθηηλνβνιία ζε κία θαηεύζπλζε απ όηη ζε άιιε. Σέηνηνη πνκπνί νλνκάδνληαη αληζνηξνπηθνί. Χζηόζν, ππάξρεη κηα ζπλήζεο κέζνδνο πνπ επηηξέπεη ηα ζεκεία γύξν απ ηελ πεγή λα επηζεκαλζνύλ έηζη ώζηε έλα δηάγξακκα αθηηλνβνιία (radiation pattern) λα κπνξεί λα ζπγθξηζεί κε θάπνην άιιν. 43

44 Ζ ελέξγεηα πνπ αθηηλνβνιείηαη από κία θεξαία ζρεκαηίδεη έλα πεδίν πνπ έρεη έλα ζπγθεθξηκέλν δηάγξακκα αθηηλνβνιίαο. Σν δηάγξακκα αθηηλνβνιίαο είλαη έλαο ηξόπνο λα ζρεδηάζνπκε ηελ εθπεκπόκελε ελέξγεηα κηαο θεξαίαο. Ζ ελέξγεηα απηή κεηξηέηαη ζε δηάθνξεο γσλίεο ζε ζηαζεξή απόζηαζε απ ηελ θεξαία. Σν ζρήκα απηνύ ηνπ δηαγξάκκαηνο εμαξηάηαη από ηνλ ηύπν ηεο θεξαίαο. Γηα λα απεηθνλίζνπκε απηό ην δηάγξακκα, δπν δηαθνξεηηθά ζπζηήκαηα γξαθηθώλ παξαζηάζεσλ ρξεζηκνπνηνύληαη, νη πνιηθέο θαη νη θαξηεζηαλέο ζπληεηαγκέλεο. Σν δηάγξακκα πνιηθώλ ζπληεηαγκέλσλ έρεη απνδεηρζεί εμαηξεηηθά ρξήζηκν ζηε κειέηε δηαγξακκάησλ αθηηλνβνιίαο. ην ζύζηεκα πνιηθώλ ζπληεηαγκέλσλ, ηα ζεκεία ηνπνζεηνύληαη κε πξνβνιή θαηά κήθνο ελόο άμνλα πεξηζηξνθήο ζε ηνκή κε νξηζκέλνπο νκόθεληξνπο θαη ηζαπέρνληεο θύθινπο. Έλα παξάδεηγκα δηαγξάκκαηνο αθηηλνβνιίαο ζε πνιηθέο ζπληεηαγκέλεο θαίλεηαη ζην παξαθάησ ζρήκα 3.1. ρήκα 3.1. Γηάγξακκα αθηηλνβνιίαο ζε πνιηθέο ζπληεηαγκέλεο. Ζ θύξηα δέζκε (beam) ή θπξίσο ινβόο (lobe) είλαη ε πεξηνρή γύξν απ ηελ κέγηζηε αθηηλνβνιία (ζπλήζσο ε πεξηνρή πνπ είλαη ζε 3 db απόζηαζε απ ην κέγηζην ηεο δέζκεο). Ο θπξίσο ινβόο ζην παξαπάλσ ζρήκα είλαη απηόο πνπ έρεη θαηεύζπλζε πξνο ηα πάλσ ( βνξξά ). Οη πιεπξηθνί ινβνί (sidelobes) είλαη κηθξόηεξεο δέζκεο πνπ απέρνπλ απ ην θπξίσο ινβό. Απηνί ζπλήζσο είλαη ε αθηηλνβνιία ζε αλεπηζύκεηεο θαηεπζύλζεηο πνπ πνηέ δελ κπνξεί λα εμαιεηθηεί ηειείσο. Ο ιόγνο ή επίπεδν ησλ πιεπξηθώλ ινβώλ (sidelobe ratio) είλαη κηα ζεκαληηθή παξάκεηξνο πνπ ραξαθηεξίδεη ην δηάγξακκα αθηηλνβνιίαο. Δίλαη ε κέγηζηε ηηκή πνπ απέρεη ν θπξίσο ινβόο απ ηνπο πιεπξηθνύο εθθξαδόκελε ζε Decibel. Έλαο εθ ησλ πιεπξηθώλ ινβώλ νλνκάδεηαη νπίζζηνο (backlobe), δειαδή απηόο πνπ βξίζθεηαη αληηδηακεηξηθά απ ηνλ θύξην. ην θαξηεζηαλώλ ζπληεηαγκέλσλ δηάγξακκα ηα ζεκεία πξνβάιινληαη από έλα δεύγνο ζηαζεξώλ, θάζεησλ αμόλσλ. Ο νξηδόληηνο άμνλαο αληηζηνηρεί ζηνπο θύθινπο ηνπ πνιηθνύ δηαγξάκκαηνο. Καη ν θάζεηνο άμνλαο αληηζηνηρεί ζηνλ άμνλα πεξηζηξνθήο ηνπ πνιηθνύ δηαγξάκκαηνο. Οη θιίκαθα ζηνπο άμνλεο κπνξεί λα είλαη είηε γξακκηθή είηε ινγαξηζκηθή. ην ζρήκα 3.2 θαίλεηε έλα παξάδεηγκα δηαγξάκκαηνο αθηηλνβνιίαο ζε θαξηεζηαλέο ζπληεηαγκέλεο. Γηα ηελ αλάιπζε ελόο δηαγξάκκαηνο αθηηλνβνιίαο ρξεζηκνπνηνύληαη νη παξαθάησ απινπνηήζεηο: 44

45 Δύξνο ινβνύ (beam width). Σν γσληαθό εύξνο ηνπ δηαγξάκκαηνο αθηηλνβνιίαο ζην νπνίν εθπέκπεηαη ηνπιάρηζηνλ ην κηζό ηεο κέγηζηεο ηζρύνο πεξηγξάθεηαη σο εύξνο ινβνύ. Σα αθξαία ζεκεία δειαδή απηήο ηεο πεξηνρήο είλαη απηά ζηα νπνία ε ηζρύο είλαη θαηά 3dB κηθξόηεξε από ηελ ρήκα 3.2. Γηάγξακκα αθηηλνβνιίαο ζε θαξηεζηαλέο ζπληεηαγκέλεο. κέγηζηε ηνπ θπξίσο ινβνύ. Ζ γσλία πνπ νξίδνπλ απηά ηα ζεκεία νλνκάδεηαη γσλία εύξνπο ινβνύ ή -3dB γσλία ή γσλία αλνίγκαηνο (aperture) θαη ζπκβνιίδεηαη ζπλήζσο κε θ 3dB. Ζ γσλία εύξνπο ινβνύ θ 3dB είλαη αθξηβώο απηή πνπ πεξηθιείεηαη από ηηο θόθθηλεο επζείεο ζηα παξαπάλσ δηαγξάκκαηα. Ζ γσλία θ κπνξεί λα πξνζδηνξηζζεί ζην νξηδόληην επίπεδν (θ a ) θαζώο θαη ζην θάζεην επίπεδν (θ e ). Άλνηγκα θεξαίαο. Σν ελεξγό άλνηγκα κηαο θεξαίαο A e είλαη ε πεξηνρή ε νπνία πξνζθέξεηαη γηα ηελ εθπνκπή ή ιήςε ηνπ ζήκαηνο. Δίλαη κηα ζεκαληηθή παξάκεηξνο πνπ ζρεηίδεηαη κε ηελ απόδνζε κηαο θεξαίαο. Σν θέξδνο ζρεηίδεηαη κε ην ελεξγό άλνηγκα κε ηελ αθόινπζε ζρέζε G = 4πA e λ 2 ; A e = ρa (3.1) όπνπ λ είλαη ην κήθνο θύκαηνο, A e ελεξγό άλνηγκα θεξαίαο, A θπζηθό άλνηγκα θεξαίαο, ρ βαζκόο απόδνζεο θεξαίαο. Λόγνο front-to-back. O front-to-back ιόγνο κηαο θεξαίαο είλαη ν ιόγνο ηεο ελέξγεηαο πνπ αθηηλνβνιείηε ζηελ θύξηα δηεύζπλζε πξνο ηελ ελέξγεηα πνπ αθηηλνβνιείηαη ζηελ αθξηβώο αληίζεηε θαηεύζπλζε. Έλαο πςειόο front-to-back ιόγνο είλαη επηζπκεηόο επεηδή θάηη ηέηνην ζεκαίλεη πσο ειάρηζηε αθηηλνβνιία εθπέκπεηαη ζε ιάζνο θαηεύζπλζε. 3.3 Πόισζε θεξαίαο Σν πεδίν αθηηλνβνιίαο κηαο θεξαίαο απνηειείηαη από ειεθηξηθό θαη ην καγλεηηθό πεδίν, ηα νπνία είλαη πάληα θάζεηα κεηαμύ ηνπο. Σν ειεθηξηθό πεδίν νξίδεη ηελ θαηεύζπλζε ηεο πόισζεο ηνπ θύκαηνο. Όηαλ έλα κνλό θαιώδην ρξεζηκνπνηείηε γηα λα εμάγεη ηελ ελέξγεηα από έλα πεξαζηηθό θύκα, ε κέγηζηε εμαγσγή ζα γίλεη όηαλ ε θεξαία ζα είλαη πξνζαλαηνιηζκέλε ζηελ ίδηα δηεύζπλζε κε ην ειεθηξηθό πεδίν. Γξακκηθή πόισζε. Κάζεηα θαη νξηδόληηα ηνπνζεηεκέλεο θεξαίεο ζρεδηάδνληαη γηα λα ιακβάλνπλ ηα θάζεηα θαη νξηδόληηα πνισκέλα θύκαηα, αληίζηνηρα. Οπόηε, αιιαγέο ζηελ πόισζε 45

46 πξνθαινύλ αιιαγέο ζην επίπεδν ηνπ ιεθζέληνο ζήκαηνο ιόγν ηεο κε ηθαλόηεηαο ηηο θεξαίαο λα ιακβάλεη ηεο αιιαγέο ζηελ πόισζε. Γπν επίπεδα πόισζεο ρξεζηκνπνηνύληαη ζπλήζσο: ην θάζεην επίπεδν πόισζεο, νη ειεθηξηθέο γξακκέο ηνπ πεδίνπ δηαδίδνληαη ζε θάζεηεο δηεπζύλζεηο. ην νξηδόληην επίπεδν πόισζεο, νη ειεθηξηθέο γξακκέο ηνπ πεδίνπ δηαδίδνληαη νξηδόληηα. Όπσο θαίλεηαη θαη ζηα παξαθάησ ζρήκαηα. ρήκα 3.3. Κάζεηε θαη νξηδόληηα πόισζε. Ζ κέγηζηε απνιαβή ελέξγεηαο πξνθύπηεη όηαλ ε θεξαία ιήςεο είλαη πξνζαλαηνιηζκέλε ζηελ ίδηα δηεύζπλζε κε ηελ θεξαία κεηάδνζεο. Κπθιηθή πόισζε. ηελ θπθιηθή πόισζε νη γξακκέο ηνπ ειεθηξηθνύ πεδίνπ πεξηζηξέθνληαη θαηά 360 Ο ζε θάζε θύθιν ηνπ θύκαηνο. Κπθιηθή πόισζε κπνξεί λα επηηεπρζεί από δπν ζήκαηα εηζόδνπ δηαθνξάο θάζεσλ 90 ν θαη από κηα επίπεδα πνισκέλε θεξαία πνπ θηλείηαη θαηά 90 ν ηαπηόρξνλα (ζρήκα 3.4). ρήκα 3.4. Καηαζθεπή θπθιηθήο πόισζεο. Σν ειεθηξηθό πεδίν έρεη δηαιερηεί σο πεδίν αλαθνξάο επεηδή ζπλήζσο ε έληαζε ηνπ θύκαηνο κεηξηέηαη κε βάζε ην ειεθηξηθό πεδίν (volt, millivolt). ε κεξηθέο πεξηπηώζεηο ε δηεύζπλζε ηνπ ειεθηξηθνύ πεδίνπ δελ παξακέλεη ζηαζεξή. Χζηόζν, ην πεδίν πεξηζηξέθεηαη θαζώο ην θύκα δηαδίδεηαη ζην ρώξν. ηελ πεξίπησζε απηή θαη ε θάζεηε θαη ε νξηδόληηα ζπληζηώζα ζπλππάξρνπλ θαη ην θύκα ιέκε όηη έρεη ειιεηπηηθή πόισζε. Ζ θπθιηθή πόισζε κπνξεί λα είλαη δεμηόζηξνθε ή αξηζηεξόζηξνθε. Έλα θπθιηθά πνισκέλν θύκα αληαλαθιώκελν από κηα ζηαγόλα βξνρήο επηζηξέθεη κε αληίζεηε πόισζε. ηε ιήςε, ε θεξαία απνξξίπηεη ηα θύκαηα κε αληίζεηε θπθιηθή πόισζε κε ζπλέπεηα λα κηθξαίλεη ε δπλαηόηεηα αλίρλεπζεο ηεο βξνρήο. Ζ αλάθιαζε από έλα ζηόρν όκσο ζα έρεη ζεκαληηθό πνζνζηό ηεο ελέξγεηαο ζηελ κνξθή ηεο αξρηθήο πόισζεο, επεηδή αληηζέησο κε ηε ζηαγόλα βξνρήο έλαο ζηόρνο ζπάληα είλαη ζθαηξηθώο. Οπόηε ε ηζρύο ησλ ζεκάησλ από ζηόρνπο είλαη αξθεηά εληζρπκέλε ζε ζρέζε κε ηε βξνρή. Γηα κέγηζηε απνξξόθεζε ελέξγεηαο από ην ειεθηξνκαγλεηηθό πεδίν, ε θεξαία ιήςεο ζα πξέπεη λα είλαη ηνπνζεηεκέλε ζην ίδην επίπεδν πόισζεο κε ην πεδίν. Αλ κηα ιάζνο πνισκέλε θεξαία ρξεζηκνπνηείηαη ηόηε παξαηεξνύληαη ζεκαληηθέο απώιεηεο, ζηελ πξάμε γύξν ζηα 20 κε 30 db. 3.4 Παξαβνιηθή θεξαία Ζ θεξαία παξαβνιηθνύ πηάηνπ είλαη ν ηύπνο θεξαίαο πνπ ρξεζηκνπνηείηαη πην ζπρλά ζε εθαξκνγέο ξαληάξ. Σν ζρήκα 3.5 απεηθνλίδεη κηα παξαβνιηθή θεξαία. Σν πηάην ηεο θεξαίαο απνηειείηαη από έλαλ θπθιηθό παξαβνιηθό αλαθιαζηήξα θαη κηα ζεκεηαθή πεγή ηνπνζεηεκέλε ζηελ εζηία ηεο παξαβνιήο. Ζ ζεκεηαθή πεγή νλνκάδεηαη θύξηα ηξνθνδνζία ή ζθέην ηξνθνδνζία 46

47 (feed). Ο θπθιηθά παξαβνιηθόο (παξαβνινεηδέο) αλαθιαζηήξαο είλαη θαηαζθεπαζκέλνο από κέηαιιν, ζπλήζσο έλα πιαίζην πνπ θαιύπηεηαη από κεηαιιηθό πιέγκα ζηελ εζσηεξηθή πιεπξά. Σα πιάηε ησλ εγθνπώλ ηνπ πιέγκαηνο πξέπεη λα είλαη κηθξόηεξα από λ/10. Απηή ε κεηαιιηθή θάιπςε ιεηηνπξγεί σο θαζξέθηεο γηα ηελ ελέξγεηα ηνπ ξαληάξ. ύκθσλα κε ηνπο λόκνπο ηεο νπηηθήο θαη ηεο αλαιπηηθήο γεσκεηξίαο, γηα ηέηνηνπ είδνπο αλαθιαζηήξεο όιεο νη αλαθιώκελεο αθηίλεο ζα είλαη παξάιιειεο πξνο ηνλ άμνλα ηνπ παξαβνινεηδνύο. ρήκα 3.5. Παξαβνιηθή θεξαία. Σν γεγνλόο απηό ηδαληθά καο δίλεη κηα αθηίλα παξάιιειε ζηνλ θύξην άμνλα ρσξίο πιεπξηθνύο ινβνύο. Σν πεδίν αθήλεη ηελ ρνάλε ηξνθνδνζίαο (feed horn) κε ζθαηξηθά κέησπα θύκαηνο. Καζώο θάζε κέησπν θύκαηνο πξνζπίπηεη ζηελ αλαθιαζηηθή επηθάλεηα, νιηζζαίλεη ζηε θάζε θαηά 180 ν θαη αλαθιάηαη ππό γσλίεο πνπ πξνθαινύλ θάζε κέησπν θύκαηνο λα κεηαδίδεηαη ζε παξάιιειεο δηαδξνκέο. Απηή είλαη κηα ηδαληθή θεξαία ξαληάξ θαη παξάγεη δέζκε αθηηλνβνιίαο ζε ζρήκα κνιπβηνύ (pencil beam). Όπσο θαίλεηαη ζην ζρήκα 3.6. Αλ ν αλαθιαζηήξαο έρεη ειιεηπηηθή κνξθή, ηόηε παξάγεη πην αλνηρηή δέζκε (fan beam). Σα ξαληάξ παξαθνινύζεζεο ρξεζηκνπνηνύλ δπν δηαθνξεηηθέο θακππιόηεηεο ζην θάζεην θαη ζην νξηδόληην επίπεδν γηα λα επηηύρνπλ ηελ θαηάιιειε κνξθή δέζκεο αθηηλνβνιίαο. ηελό θαηά ην αδηκνύζην, πιαηύ θαη ζηαζεξό θαηά ηελ γσλία αλύςσζεο. ρήκα 3.6. Γέζκε αθηηλνβνιίαο παξαβνιηθήο θεξαίαο. Ζ ηδαληθή πεξίπησζε πνπ απεηθνλίδεηαη παξαπάλσ δελ κπνξεί λα επηηεπρζεί ζηελ πξάμε. Σν πξαγκαηηθό δηάγξακκα αθηηλνβνιία κηαο παξαβνιηθήο θεξαίαο έρεη κηα θσληθή κνξθή ιόγν αζπκκεηξηώλ ζηελ θαηαζθεπή. Απηόο ν θσληθόο θπξίσο ινβόο κπνξεί λα θπκαίλεηαη ζε γσληαθά πιάηε από 1-2 ν ζε κεξηθά ξαληάξ έσο θαη ν ζε άιια. Σν δηάγξακκα αθηηλνβνιίαο κηαο 47

48 παξαβνιηθήο θεξαίαο απνηειείηε από έλα θύξην ινβό πνπ θείηεηαη θαηά κήθνο ηνπ άμνλα ηεο παξαβνιήο θαη από αξθεηνύο κηθξόηεξνπο παξαπιεύξσο (ζρήκα 3.7). Με απηνύ ηνπ είδνπο ηνπο αλαθιαζηήξεο κπνξνύκε λα ζρεδηάζνπκε αξθεηά ζηελέο δέζκεο αθηηλνβνιίαο. Μηα πξνζεγγηζηηθή ζρέζε πνπ δίλεη ην θέξδνο κηαο παξαβνιηθήο θεξαίαο είλαη ε αθόινπζε G Dish Antenna = 1602 θ α θ e (3.2) όπνπ θ α ην πιάηνο ηεο δέζκεο αθηηλνβνιίαο θαηά ην αδηκνύζην θαη θ e θαηά ηελ γσλία αλύςσζεο. ρήκα 3.7. Οξηδόληηα ηνκή πξαγκαηηθήο κέηξεζεο δηαγξάκκαηνο αθηηλνβνιίαο παξαβνιηθήο θεξαίαο. 3.5 Κεξαίεο αλνηγκέλεο δέζκεο αθηηλνβνιίαο (fan beam) Μηα αλνηγκέλεο δέζκεο θεξαία είλαη κηα θαηεπζπληηθή θεξαία πνπ παξάγεη έλα ζηελό θύξην ινβό ζηε κία δηάζηαζε θαη έλα πην θαξδύ ζηελ άιιε. Έλα ηέηνην δηάγξακκα αθηηλνβνιίαο επηηπγράλεηαη από έλα θνινβσκέλν παξαβνινεηδέο θάηνπηξν ή από έλα θπθιηθό παξαβνινεηδέο θάηνπηξν. Δθόζνλ ην θάηνπηξν είλαη ζηελό ζηελ θάζεηε δηεύζπλζε θαη πιαηύ ζηελ νξηδόληηα, παξάγεη πιαηηά δέζκε ζηελ θάζεηε δηεύζπλζε θαη ζηελή ζηελ νξηδόληηα. ην ζρήκα 3.8 απεηθνλίδνληαη ηα παξαπάλσ. Απηνύ ηνπ ηύπνπ νη θεξαίεο ρξεζηκνπνηνύληαη ζε ζπζθεπέο εύξεζεο ηνπ ύςνπο πνπ βξίζθεηαη ην αληηθείκελν (αλ πεξηζηξέςνπκε ην θάηνπηξν θαηά 90 ν ). Δθόζνλ ηώξα ην θάηνπηξν είλαη ζηελό ζηελ νξηδόληηα δηεύζπλζε θαη πιαηύ ζηελ θάζεηε, παξάγεη πιαηηά δέζκε αθηηλνβνιίαο ζηελ νξηδόληηα δηεύζπλζε θαη ζηελή ζηελ θάζεηε. 48

49 3.6 Κεξαίεο κε δηάγξακκα αθηηλνβνιίαο ηεηξαγσληθήο ζπληέκλνπζαο (cosecant squared pattern) ρήκα 3.8. Γηάγξακκα αθηηλνβνιίαο θνινβνύ παξαβνιηθνύ θαηόπηξνπ. Πιάγηα όςε θαη πξόζνςε. Κεξαίεο κε δηάγξακκα αθηηλνβνιίαο ηεηξαγσληθήο ζπληέκλνπζαο είλαη εηδηθά θαηαζθεπαζκέλεο γηα ξαληάξ ελαέξηαο παξαθνινύζεζεο (air-surveillance). Απηέο επηηξέπνπλ κηα θαηαιιήισο πξνζαξκνζκέλε θαηαλνκή αθηηλνβνιίαο ζηε δέζκε θαη έηζη ζπληεινύλ ζε θαιύηεξε ζάξσζε ηνπ ρώξνπ απ ηε δέζκε. Σν δηάγξακκα ηεηξαγσληθήο ζπληέκλνπζαο (ζρήκα 3.9 ) θαηά θάπνην ηξόπν επηηπγράλεη κηα νκνηόκνξθε θαηαλνκή ζηελ ηζρύ ηνπ ζήκαηνο ζηνλ δέθηε θαζώο έλα αληηθείκελν θηλείηε ζε ζηαζεξό ύςνο κέζα ζηε δέζκε. ρήκα 3.9. Κάζεηε πξνβνιή δηαγξάκκαηνο αθηηλνβνιίαο θεξαίαο ηεηξαγσληθήο ζπληέκλνπζαο. 49

50 Τπάξρνπλ δύν θπξίσο επηινγέο, γηα λα πεηύρνπκε δηάγξακκα ηεηξαγσληθήο ζπληέκλνπζαο. Ζ κία είλαη ε αιιαγή ηνπ ζρήκαηνο ηνπ παξαβνιηθνύ θαηόπηξνπ θαη ε άιιε ε δεκηνπξγία κηαο ζηνίβαο δεζκώλ αθηηλνβνιίαο ρξεζηκνπνηώληαο πεξηζζόηεξεο ρνάλεο ηξνθνδνζίαο. Γηάγξακκα ηεηξαγσληθήο ζπληέκλνπζαο κε παξακόξθσζε. ηελ πξάμε κπνξνύκε λα επηηύρνπκε δηάγξακκα ηεηξαγσληθήο ζπληέκλνπζαο κε παξακόξθσζε ηνπ παξαβνιηθνύ θαηόπηξνπ. Ζ πεγή αθηηλνβνιίαο είλαη ζηελ εζηία ηνπ παξαβνιηθνύ θαηόπηξνπ θαη παξάγεη ζρεηηθά νμείο ινβνύο αθηηλνβνιίαο εθόζνλ νη αθηίλεο αθήλνπλ ην θάηνπηξν παξάιιεια ζηελ ηδαληθή πεξίπησζε. Γηα λα πάξνπκε όκσο δηάγξακκα ηεηξαγσληθήο ζπληέκλνπζαο ζα πξέπεη λα ζηξέςνπκε κέξνο ησλ αθηηλώλ πξνο ηα πάλσ. Κάηη ηέηνην κπνξεί λα επηηεπρηεί αλ εθαξκόζνπκε ιηγόηεξε θακππιόηεηα ζην πάλσ κέξνο ηνπ θαηόπηξνπ (ζρήκα 3.10 ). Οη αθηίλεο πνπ πξνζπίπηνπλ ζην πεξηζζόηεξν θακππισκέλν κέξνο ηνπ θαηόπηξνπ (ην θάησ) αλαθιώληαη πξνο ηα πάλσ. ρήκα Γηάγξακκα αθηηλνβνιίαο ηεηξαγσληθήο ζπληέκλνπζαο κε παξακόξθσζε. Γηάγξακκα ηεηξαγσληθήο ζπληέκλνπζαο κε ζηνίβα δεζκώλ. ε απηή ηελ πεξίπησζε ην δηάγξακκα επηηπγράλεηαη κε δπν ε παξαπάλσ ρνάλεο ηξνθνδνζίαο ηνπ παξαβνιηθνύ θαηόπηξνπ (ζρήκα 3.11 ). Ζ θάζε ρνάλε εθπέκπεη ήδε θαηεπζπληηθά. Αλ επηπιένλ θαηαλέκνπκε ηελ κεηαδηδόκελε ηζρύ αλνκνηόκνξθα ζε θάζε ρνάλε ηόηε κπνξνύκε λα πξνζεγγίζνπκε ην δηάγξακκα ηεηξαγσληθήο ζπληέκλνπζαο. Να ζεκεηώζνπκε όηη ην δηάγξακκα ηεηξαγσληθήο ζπληέκλνπζαο κπνξεί λα επηηεπρηεί θαη κε άιια είδε θεξαηώλ. 50

51 ρήκα Γηάγξακκα ηεξαγνληθήο ζπληέκλνπζαο κε ζηνίβα δεζκώλ. Ο όξνο ηεηξαγσληθή ζπληέκλνπζα. Ο όξνο απηόο ζα γίλεη εύθνια αληηιεπηόο ύζηεξα από κηα κηθξή καζεκαηηθή αλάιπζε. Αξρηθά δίλνπκε ηελ ζρέζε νξηζκνύ ηεο ζπληέκλνπζαο csc α = 1 sin α (3.3) Έζησ, R ε απόζηαζε ηνπ ζηόρνπ απ ην ξαληάξ, H ην ύςνο ζην νπνίν βξίζθεηαη θαη ε ε γσλία αλύςσζεο (ρήκα ). Δθθξάδνληαο ηελ απόζηαζε ζπλαξηήζεη ηεο γσλίαο αλύςσζεο έρνπκε R = H sin ε = H csc ε (3.4) Ήδε παξαηεξνύκε όηη ζπκπεξηιάβακε ηνλ όξν ηεο ζπληέκλνπζαο. Αλαινγηδόκελε ηελ ζρέζε πνπ δίλεη ηελ ηζρύ ζην δέθηε (εμίζσζε 1.47 ) έρνπκε P Dr ~ G2 R 4 (3.5) θαη δεδνκέλνπ όηη ζε έλα δηάγξακκα ηεηξαγσληθήο ζπληέκλνπζαο επηζπκνύκε ζηαζεξή ηζρύ ιήςεο. G 2 ~R 4 G~R 2 (3.6) Αλ αληηθαηαζηήζνπκε ηελ (3.4) πνπ δίλεη ηελ απόζηαζε ζηελ εμίζσζε (3.6) πξνθύπηεη G~ H csc ε 2 Η=ςταθερ ά G~ csc ε 2 (3.7) Δμάγακε ζηελ νπζία ην γεγνλόο όηη ην θέξδνο ηεο θεξαίαο είλαη αλάινγν ηνπ ηεηξαγώλνπ ηεο ζπληέκλνπζαο ηεο γσλίαο αλύςσζεο, πνπ δίλεη θαη ηελ νλνκαζία ζε απηό ην είδνο θεξαηώλ. 51

52 ρήκα Μηα ζηνίβα δώδεθα ρναλώλ ηξνθνδνζίαο ηνπ ξαληάξ ASR 910 πνπ επηηπγράλεη δηάγξακκα ηεηξαγσληθήο ζπληέκλνπζαο. 52

53 53

54 Κεθάιαην 4 ν Πνκπνί ησλ ξαληάξ (6) (2) ε απηό ην θεθάιαην ζα πεξηγξάςνπκε ηα δηάθνξα είδε πνκπώλ πνπ ρξεζηκνπνηνύληαη ζηα ζπζηήκαηα ξαληάξ. Θα πεξηγξάςνπκε γεληθά ηελ ιεηηνπξγία ηνπο θαη ηηο απαηηήζεηο ηνπο. 4.1 Γεληθή επηζθόπεζε Ο πνκπόο ελόο ξαληάξ παξάγεη ηνπο κηθξνύ πιάηνπο θαη πςειήο ηζρύνο RF (Radio Frequency) παικνύο ελέξγεηαο πνπ αθηηλνβνινύληαη ζην ρώξν απ ηελ θεξαία. Ο πνκπόο απαηηείηε λα έρεη ηηο παξαθάησ ηερληθέο θαη ιεηηνπξγηθέο ηδηόηεηεο: Ο πνκπόο πξέπεη λα έρεη ηελ ηθαλόηεηα λα παξάγεη ηελ απαηηνύκελε κέζε RF ηζρύ θαη ηελ απαηηνύκελε peak ηζρύ. Ο πνκπόο πξέπεη λα έρεη ην θαηάιιειν RF εύξνο δώλεο. Ο πνκπόο πξέπεη λα έρεη πςειή RF επζηάζεηα γηα λα ηθαλνπνηεί ηηο απαηηήζεηο επεμεξγαζίαο ζήκαηνο. Ο πνκπόο πξέπεη εύθνια λα δηακνξθώλεηαη γηα ηελ επίηεπμε δηαθόξσλ θπκαηνκνξθώλ. Ο πνκπόο πξέπεη λα είλαη απνδνηηθόο, αμηόπηζηνο θαη εύθνινο ζηε ζπληήξεζε κε κεγάιε δηάξθεηα δσήο ώζηε ην θόζηνο ηεο ζπζθεπήο εμόδνπ λα είλαη απνδεθηό. Ο πνκπόο ελόο ξαληάξ ζρεδηάδεηαη κε βάζε ηελ κνξθή πνπ ζα έρεη ε ζπζθεπή εμόδνπ. Μηα θύξηα θαηεγνξία πνκπώλ είλαη ε θιεηδσκέλνπ ηαιαλησηή (keyed-oscillator). ε έλα ηέηνην πνκπό κηα βαζκίδα ή ιπρλία, ζπλήζσο ρξεζηκνπνηείηε magnetron (είδνο κηθξνθπκαηηθνύ ηαιαλησηή) γηα ηελ παξαγσγή ησλ RF παικώλ. Ζ ιπρλία ηνπ ηαιαλησηή θιεηδώλεηαη από έλα πςειήο ηζρύνο ζπλερέο παικό ελέξγεηαο πνπ παξάγεηαη από κηα μερσξηζηή κνλάδα πνπ νλνκάδεηαη δηακνξθσηήο (modulator). Απηό ην ζύζηεκα πνκπνύ νλνκάδεηαη πνκπόο ηαιαλησηή ηζρύνο (Power Oscillator Transmitter-POT). Τπνζπζηήκαηα ηνπ ξαληάξ πνπ πξνζαξκόδνληαη ζε έλα ζύζηεκα POT είλαη είηε κε-ζύκθσλα (non coherent) είηε ςεύδν-ζύκθσλα (pseudo-coherent). ε πνιιά πην πξόζθαηα ζπζηήκαηα ξαληάξ ρξεζηκνπνηνύληαη πνκπνί εληζρπηή ηζρύνο (Power Amplifier Transmitter-PAT). ε απηά ηα ζπζηήκαηα νη κεηαδηδόκελνη παικνί πξνθύπηνπλ από κηα κηθξή βειηίσζε ζηε γελλήηξηα θπκαηνκνξθώλ θαη νδεγνύκαζηε ζηελ απαηηνύκελε ηζρύ κέζν ελόο εληζρπηή (Amplitron, Klystron, Solid-State-Amplifier) πνπ αθνινπζεί. Οη κνλάδεο πνπ πξνζαξκόδνληαη ζε έλα ζύζηεκα PAT είλαη πιήξσο-ζύκθσλεο (fully-coherent) ζηελ πιεηνλόηεηα ησλ πεξηπηώζεσλ. ρήκα 4.1. Πνκπόο ηνπ ξαληάξ P

55 ην ζρήκα 4.1 απεηθνλίδεηαη έλα παξάδεηγκα keyed-oscillator πνκπνύ (ηζηνξηθό ξσζηθό ζύζηεκα ξαληάξ P-37). Οη ηερλνινγίεο πνκπώλ ζπλνςίδνληαη ζηνλ πίλαθα ηνπ ζρήκαηνο 4.2. ρήκα 4.2. Σερλνινγίεο εθπνκπνύ παικηθώλ ξαληάξ. 4.2 Pseudo-coherent ξαληάξ Πξνϋπόζεζε γηα θάζε Doppler ξαληάξ (αλίρλεπζε θίλεζεο-mti) είλαη ε ζπκθσλία (coherency), δειαδή λα ππάξρεη κηα νξηζκέλε ζρέζε κεηαμύ ηεο κεηαδηδόκελεο ζπρλόηεηαο θαη ηεο ζπρλόηεηαο αλαθνξάο, ε νπνία ζα ρξεζηκνπνηεζεί γηα λα πξνζδηνξηζζεί ε νιίζζεζε ζηε θάζε ηνπ ιακβαλόκελνπ ζήκαηνο. Σα θηλνύκελα αληηθείκελα αληρλεύνληαη από ηελ δηαθνξά θάζεο κεηαμύ ηνπ ζήκαηνο επηζηξνθήο απ ην αληηθείκελν θαη ηα ζήκαηα επηζηξνθήο από αλεπηζύκεηα αληηθείκελα ή ζόξπβν. Ζ αλίρλεπζε ηεο θάζεο ζε απηέο ηηο πεξηπηώζεηο ζηεξίδεηαη ζηελ ζπκθσλία κεηαμύ ηεο ζπρλόηεηαο εθπνκπήο θαη ηεο ζπρλόηεηαο αλαθνξάο ηνπ δέθηε. Αλ ην ηειεπηαία επίπεδν εμόδνπ ηνπ πνκπνύ είλαη κηα απηό-ηαιαληνύκελε ζπζθεπή, ηόηε ε θάζε από παικό ζε παικό είλαη ηπραία θαηά ηελ κεηάδνζε. ηε ζύκθσλε αλίρλεπζε, έλα επζηαζέο ζπλερνύο θπκαηνκνξθήο (Continuous Waveform-CW) ζήκα ηαιαλησηή, ην νπνίν είλαη θιεηδσκέλν ζηε θάζε κε ην πνκπό θαηά ηε δηάξθεηα θάζε κεηαδηδόκελνπ παικνύ, ζπλδπάδεηαη κε ην ζήκα επηζηξνθήο γηα λα παξάγνπλ έλα ζήκα κε δηαθξνηήκαηα. Δθόζνλ ν ηαιαλησηήο αλαθνξάο θαη ν πνκπόο είλαη θιεηδσκέλνη ζηε θάζε, ηα ζήκαηα επηζηξνθήο κπνξνύλ λα ζπγθξηζνύλ απνηειεζκαηηθά ζηε ζπρλόηεηα θαη ζηε θάζε κε ηνλ πνκπό. Απηή ε θάζε αλαθνξάο πξέπεη λα δηαηεξείηε απ ην κεηαδηδόκελν παικό σο ην παικό επηζηξνθήο θαη λα αλαθηάηαη από ηνλ δέθηε. ην ζρήκα 4.3 θαίλνληαη νη βαζηθέο αξρέο ελόο pseudo-coherent ξαληάξ. Σα pseudo-coherent ξαληάξ ζπρλά θαινύληαη θαη ζύκθσλα ζηε ιήςε (coherent on receive). Μεηνλεθηήκαηα ησλ pseudo-coherent ξαληάξ. Απηνύ ηνπ είδνπο ηα ξαληάξ ζα απνζπξζνύλ θάπνηα κέξα, σζηόζν θάπνηα παιηόηεξα ρξεζηκνπνηνύληαη αθόκα. Σα κεηνλεθηήκαηά ηνπο ζπλνςίδνληαη ζηα εμήο: 55

56 Ζ δηαδηθαζία θιεηδώκαηνο ηεο θάζεο δελ είλαη ηόζν αθξηβήο όζν ζηα πιήξσο ζύκθσλα ζπζηήκαηα. Ζ ηερληθή απηή δελ κπνξεί λα εθαξκνζηεί ζε ξαληάξ πνπ είλαη έμππλα ζηε ζπρλόηεηα. Ζ αιιαγή ζπρλόηεηαο ζε έλα magnetron ζηεξίδεηαη ζε κεραληθό ζπληνληζκό θαη είλαη κηθξνύ εύξνπο δώλεο ζπζθεπή. Γελ είλαη επέιηθην θαη δελ πξνζαξκόδεηαη εύθνια ζε αιιαγέο ηεο PRF, ηνπ πιάηνπο ηνπ παικνύ ή ζε άιιεο παξακέηξνπο ηνπ κεηαδηδόκελνπ ζήκαηνο. ρήκα 4.3. Μπινθ δηάγξακκα ηεο αξρήο ιεηηνπξγίαο ηνπ pseudo-coherent ξαληάξ. 4.3 Πιήξσο ζύκθσλν (fully coherent) ξαληάξ Σν κπινθ δηάγξακκα ηνπ ζρήκαηνο 4.4 απεηθνλίδεη ηηο βαζηθέο αξρέο ελόο πιήξσο ζύκθσλνπ ξαληάξ. Σν θύξην ραξαθηεξηζηηθό είλαη όηη όια ηα ζήκαηα παξάγνληαη ζε ρακειό επίπεδν θαη ζηελ νπζία ε ζπζθεπή εμόδνπ ιεηηνπξγεί σο εληζρπηήο. Όια ηα ζήκαηα παξάγνληαη από έλα θεληξηθό ζύζηεκα ρξνληζκνύ, ζπλήζσο γελλήηξηα ζπρλνηήησλ, ην νπνίν παξέρεη ηελ βέιηηζηε ζπκθσλία θάζεο γηα όιν ην ζύζηεκα. Ζ ζπζθεπή εμόδνπ ηππηθά κπνξεί λα είλαη klystron, TWT(traveling wave tube) ή ζηεξεάο θαηαζηάζεσο. Σα πιήξσο ζύκθσλα ξαληάξ δελ παξνπζηάδνπλ θαλέλα από ηα κεηνλεθηήκαηα ησλ ςεύδν-ζύκθσλσλ ξαληάξ, ηα νπνία παξνπζηάζακε πξνεγνπκέλσο Λεηηνπξγηθά ραξαθηεξηζηηθά Duplexer. Ο duplexer ελαιιάζζεη ηελ θεξαία κεηαμύ ιεηηνπξγίαο πνκπνύ θαη δέθηε έηζη ώζηε λα ρξεζηκνπνηείηε κόλν κία θεξαία. Απηή ε ελαιιαγή είλαη απαξαίηεηε επεηδή ε πςειήο ηζρύνο 56

57 παικνί ηνπ πνκπνύ ζα θαηέζηξεθαλ ηνλ δέθηε αλ επηηξεπόηαλ λα εηζέιζεη ελέξγεηα ηελ ίδηα ζηηγκή ζην δέθηε. ρήκα 4.4. κπινθ δηάγξακκα αξρήο ιεηηνπξγίαο πιήξσο ζύκθσλνπ ξαληάξ. Πξν-εληζρπηήο ρακεινύ ζνξύβνπ(low Noise Preamplifier-LNA). Ο LNA εληζρύεη ηα πνιύ αζζελή επηζηξέθνληα ζήκαηα. Σα ρακεινύ ζνξύβνπ ραξαθηεξηζηηθά είλαη πνιύ ζεκαληηθά. Όινη νη εληζρπηέο πνπ αθνινπζνύλ ζα εληζρύζνπλ ηνλ ζόξπβν πνπ πξνζηίζεηαη ζηνλ LNA. Ο εληζρπηήο απηόο έρεη θέξδνο κεηαμύ 18 κε 25 db. Καη κεγαιύηεξν θέξδνο είλαη δπλαηό, αιιά θάηη ηέηνηα ζα κείσλε ηελ δπλακηθή ηνπ δέθηε. ηάδην κίμεο (Mixer Stage). θνπόο ηνπ ζηαδίνπ απηνύ είλαη λα κεηαηξέςεη ηελ ιεθζείζα RF ελέξγεηα ζε κηα κηθξόηεξε, ελδηάκεζε ζπρλόηεηα (intermediate frequency-if) πνπ είλαη επθνιόηεξν λα εληζρπζεί θαη λα επεμεξγαζηεί ειεθηξνληθά. Ζ ελδηάκεζε ζπρλόηεηα είλαη ζπλήζσο MHz. Απνθηάηαη κέζν εηεξόδπλεο ιήςεο ηνπ ζήκαηνο καδί κε έλαλ ζήκα ηνπηθνύ ηαιαλησηή ζην ζηάδην ηεο κίμεο. Σν ζηάδην ηεο κίμεο κεηαηξέπεη ην ιεθζέλ ζήκα ζε ρακειόηεξεο ελέξγεηαο IF ζήκα ρσξίο λα θαηαζηξέθεη ηα δεδνκέλα ζην ιεθζέλ ζήκα. IF-εληζρπηήο (IF-Amplifier). Ύζηεξα από ηελ κεηαθνξά ζην επίπεδν ηεο ελδηάκεζεο ζπρλόηεηαο, ην ζήκα εληζρύεηαη ζε δηάθνξα επίπεδα IF-εληζρπηώλ. Σν κεγαιύηεξν κέξνο ηνπ θέξδνπο ηνπ δέθηε αλαπηύζζεηαη ζε απηά ηα επίπεδα. Ο πξώηνο IF-εληζρπηήο έρεη κεγάιν εύξνο δώλεο θαη θηιηξάξεη (κεηώλεη) ηελ επηξξνή ησλ ζπρλνηήησλ θαζξεθηηζκνύ (mirror frequencies). Ζ θεληξηθή ζπρλόηεηα είλαη ζρεηηθά πςειή, κε νλνκαζηηθή ηηκή κέρξη 450 MHz. Σν νιηθό εύξνο δώλεο ηνπ δέθηε νξίδεηαη ζπλήζσο από ην εύξνο δώλεο ηνπ δεύηεξνπ επηπέδνπ IF-ελίζρπζεο. Ζ νλνκαζηηθή θεληξηθή ζπρλόηεηα απηνύ είλαη γύξν ζηα 75 MHz. 57

58 Δληζρπηήο ηζρύνο (Power Amplifier). ε έλα ηέηνην ζύζηεκα ν παικόο κεηάδνζεο πξνθύπηεη κε κηθξή ηξνπνπνίεζε από ηελ γελλήηξηα θπκαηνκνξθώλ (waveform generator). Καη θηάλεη ζηελ απαηηνύκελε ηζρύ κέζν ηνπ εληζρπηή ηζρύνο. Mixer/exciter. Δίλαη ην πξώην ζηάδην ησλ ελ ζεηξά κηθηώλ. θνπόο απηήο ηεο βαζκίδαο κίθηε είλαη λα δηακνξθώζεη κηα πηζαλή ελδηάκεζε ζπρλόηεηα κε ην κεηαδηδόκελε θπκαηνκνξθή ζήκαηνο. Ζ I (ζε θάζε) θαη ε Q (ηεηξαγσληθή) ζπληζηώζεο ηνπ ζήκαηνο από ηελ γελλήηξηα θπκαηνκνξθώλ νξίδνληαη ώζηε λα κπνξνύλ λα ζπγθξηζνύλ κε ην επηζηξεθόκελν ζήκα ζηνλ ζύγρξνλν αληρλεπηή ηνπ δέθηε. Γελλήηξηα θπκαηνκνξθώλ (Waveform generator). Ζ γελλήηξηα θπκαηνκνξθώλ παξάγεη ηνπο ρακειήο ηζρύνο παικνύο πνπ ζα κεηαδνζνύλ. Παξάγεη ην κεηαδηδόκελν ζήκα ζε κηα ελδηάκεζε ζπρλόηεηα IF. Δπηηξέπεη ηελ δεκηνπξγία πξνθαζνξηζκέλσλ θπκαηνκνξθώλ νδεγώληαο ην πιάηνο θαη ηε θάζε ελόο θέξνληνο κηθξνθπκαηηθνύ ζήκαηνο. Σα ζήκαηα απηά κπνξεί λα έρνπλ ζύλζεηε κνξθή ζηελ πεξίπησζε πνπ ρξεζηκνπνηνύκε ηερληθέο ζπκπίεζεο παικώλ. Αληρλεπηήο επαηζζεζίαο θάζεο (Phase sensitive detector). Σν IF ζήκα πεξληέηαη κέζα από έλα αληρλεπηή επαίζζεην ζηε θάζε ν νπνίνο κεηαθέξεη ην ζήκα ζην ζήκα βαζηθήο δώλεο, ελώ δηαηεξεί όιε ηελ πιεξνθνξία ηεο ζε θάζε θαη ηεηξαγσληθήο ζπληζηώζαο (I & Q processing) ηνπ ζήκαηνο Doppler. Δπεμεξγαζηήο ζήκαηνο ηνπ ξαληάξ (Radar Signal Processor). Ο επεμεξγαζηήο ζήκαηνο είλαη ην ππνζύζηεκα πνπ δηαρσξίδεη αληηθείκελα ζηόρνπο από αλεπηζύκεηα αληηθείκελα βαζηδόκελν ζηα ραξαθηεξηζηηθά Doppler ηνπ ζήκαηνο θαη ζην πιάηνο ηνπ. πζθεπή απεηθόληζεο ξαληάξ (Radarscope/Monitor). Ζ ζπζθεπή απεηθόληζεο παξνπζηάδεη ζηνλ παξαηεξεηή κηα ζπλερή, εύθνια θαηαλνεηή, γξαθηθή απεηθόληζε ηεο ζέζεο ησλ αληηθεηκέλσλ ζηόρσλ. ε ζύγρξνλα ζπζηήκαηα ζα κπνξνύζε λα είλαη θαη κηα νζόλε ππνινγηζηή. ηα παξαθάησ ζρήκαηα θαίλεηαη παξαζηαηηθά ε κνξθή πνπ έρνπλ ηα ζήκαηα ζε δηάθνξα ζεκεία (testpoints 1 έσο 6) ηνπ παξαπάλσ κπινθ δηαγξάκκαηνο. ρήκα 4.5. Testpoints 1,2. 58

59 ρήκα 4.6 Testpoints 3,4. ρήκα 4.7. Testpoints 5,6. 59

60 60

61 Κεθάιαην 5 ν Γέθηεο ησλ ξαληάξ (2) (7) θνπόο ηνπ δέθηε είλαη λα παίξλεη ηα αζζελή ζήκαηα επηζηξνθήο απ ην ζύζηεκα ηεο θεξαίαο, λα ηα εληζρύεη αξθνύλησο, λα αληρλεύεη ηελ πεξηβάιινπζα ηνπ παικνύ, λα εληζρύεη ηνπο παικνύο θαη λα ηνπο ηξνθνδνηεί ζηελ ζπζθεπή απεηθόληζεο. Οη δέθηεο πνπ ρξεζηκνπνηνύληαη ζηα ξαληάξ έρνπλ ηελ δπλαηόηεηα λα ιακβάλνπλ επηζηξέθνληα ζήκαηα θαη λα ηα εληζρύνπλ θαηά εθαηνκκύξηα θνξέο. Δθόζνλ νη ζπρλόηεηεο ηνπ ξαληάξ δελ είλαη εύθνιν λα εληζρπζνύλ, έλαο ύπεξεηεξόδπλνο δέθηεο κεηαθέξεη ηηο ξαδηνζπρλόηεηεο ζε κηα ελδηάκεζε ζπρλόηεηα γηα λα είλαη δπλαηή ε ελίζρπζε. 5.1 Τπεξ-εηεξόδπλνο δέθηεο Σα ιεθζέληα RF ζήκαηα πξέπεη λα κεηαηξαπνύλ ζε βίληεν-ζήκαηα γηα λα εμαρζεί ε επηζπκνύκελε πιεξνθνξία. Απηή ε κεηαηξνπή γίλεηαη από έλαλ ππέξ-εηεξόδπλν δέθηε. Σα ηππηθά ζηνηρεία ελόο ππέξ-εηεξόδπλνπ δέθηε θαίλνληαη ζην ζρήκα 5.1. ρήκα 5.1. Τπεξ-εηεξόδπλνο δέθηεο. Ο ππέξ-εηεξόδπλνο δέθηεο κεηαηξέπεη ηελ RF ζπρλόηεηα ζε κηα κηθξόηεξε επθνιόηεξε ζηελ επεμεξγαζία ζπρλόηεηα IF. Απηή ε IF ζπρλόηεηα ζα εληζρπζεί θαη ζα απνδηακνξθσζεί γηα λα εμάγνπκε ηα βίληεν ζήκαηα. Σν RF θέξσλ ζήκα έξρεηαη από ηελ θεξαία θαη εθαξκόδεηαη ζε έλα θίιηξν. Ζ έμνδνο ηνπ θίιηξνπ πεξηέρεη κόλν ηηο ζπρλόηεηεο ηεο επηζπκνύκελνπ εύξνπο ζπρλνηήησλ. Απηέο νη ζπρλόηεηεο εθαξκόδνληαη ζην ζηάδην ηνπ κίθηε. Ο κίθηεο δέρεηαη ζαλ είζνδν θαη έλα ζήκα από ηνλ ηνπηθό ηαιαλησηή. Απηά ηα δπν ζήκαηα πνιιαπιαζηάδνληαη γηα λα καο δώζνπλ ηελ IF ηεο εηεξόδπλεο δηαδηθαζίαο. Τπάξρεη κηα ζηαζεξή δηαθνξά κεηαμύ ηεο RF ζπρλόηεηαο θαη ηεο ζπρλόηεηαο ηνπ ηνπηθνύ ηαιαλησηή, ιόγν ηνπ ζπλερνύο ζπληνληζκνύ ηνπ ηνπηθνύ ηαιαλησηή. Ζ δηαθνξά ζηε ζπρλόηεηα είλαη ίζε κε IF. Σν IF θέξσλ ζήκα εθαξκόδεηαη ζηνλ ΗF εληζρπηή. Σν εληζρπκέλν IF ζήκα νδεγείηε ζηνλ αληρλεπηή. Ζ έμνδνο ηνπ αληρλεπηή ελ ηέιεη είλαη ην βίληεν-ζήκα. Image Frequency Filter Μηα βαζκίδα RF εληζρπηή ρακεινύ ζνξύβνπ κπξνζηά από ηε βαζκίδα κεηαηξνπήο πνπ παξέρεη αξθεηή επηιεθηηθόηεηα ώζηε λα κεηώζεη ηελ απόθξηζε ζηηο image frequency απνβάιινληαο απηά ηα 61

62 αλεπηζύκεηα ζήκαηα θαη ζπκβάιινληαο ζηελ επαηζζεζία ηνπ δέθηε. Σα άθξα ηνπ εύξνπο ζπρλνηήησλ απηνύ ηνπ εληζρπηή δηαιέγνληαη ώζηε λα εμαιείςνπλ ηηο image ζπρλόηεηεο. Βαζκίδα κίμεο Ζ βαζκίδα ηνπ κίθηε ρξεζηκνπνηείηαη γηα λα απμήζεη ηε ιεθζείζα ζπρλόηεηα ζηελ ελδηάκεζε ζπρλόηεηα. Ο κίθηεο ιακβάλεη επίζεο θαη κηα είζνδν απ ηνλ ηνπηθό ηαιαλησηή. Σα δπν απηά ζήκαηα καο δίλνπλ ηελ IF ζπρλόηεηα κέζν ηεο ππέξ-εηεξόδπλεο ιήςεο. Ζ IF ζπρλόηεηα δίλεηαη από ηηο ζρέζεηο f IF = f RF f local oscillator f IF = f local oscillator f RF (5.1) IF θίιηξν Σν θίιηξν απηό πξέπεη λα θηιηξάξεη ηελ επηζπκεηή ελδηάκεζε ζπρλόηεηα από ηηο ζπρλόηεηεο πνπ πξνέθπςαλ θαηά ηελ κίμε. ρεδηάδεηαη σο έλα ή πεξηζζόηεξα δσλνδηαβαηά θίιηξα. πλήζσο, ην εύξνο δώλεο ηνπ θίιηξνπ είλαη όζν πνηό ζηελό γίλεηαη ώζηε λα κελ επεξεάδεηαη ε πξαγκαηηθή ελέξγεηα ηνπ ζήκαηνο. Όηαλ δηαηίζεηαη ε δπλαηόηεηα επηινγήο ηνπ πιάηνπο ησλ παικώλ, παικνύο κηθξνύ ή κεγάινπ πιάηνπο, ην θίιηξν πξέπεη λα έρεη ηελ δπλαηόηεηα λα πξνζαξκόδεηαη ζην εύξνο δώλεο θαη ησλ δπν ζεκάησλ. IF εληζρπηήο Ο IF εληζρπηήο έρεη ηελ δπλαηόηεηα λα αιιάδεη θαη ηελ δώλε δηέιεπζεο αιιά θαη ην θέξδνο ηνπ δέθηε. Ύζηεξα από ηελ κεηαθνξά ζηελ ελδηάκεζε ζπρλόηεηα, ην ζήκα εληζρύεηαη ζε δηάθνξεο IF βαζκίδεο ελίζρπζεο. Σν κεγαιύηεξν θνκκάηη ηνπ θέξδνπο ηνπ δέθηε επηηπγράλεηαη ζε απηέο ηηο βαζκίδεο. Σν ζπλνιηθό εύξνο δώλεο ηνπ δέθηε ζπρλά πξνζδηνξίδεηαη από ην εύξνο δώλεο ησλ εληζρπηώλ IF. Σν θέξδνο ησλ εληζρπηώλ απηώλ πξέπεη λα αιιάδεη ζπλερώο ώζηε λα έρνπκε κηα ζηαζεξή ηάζε εμόδνπ γηα ζήκαηα εηζόδνπ κε δηαθνξεηηθά πιάηε. Αληρλεπηήο (Detector) Ο αληρλεπηήο ζε έλα κηθξνθπκαηηθό δέθηε εμππεξεηεί ηε λ κεηαηξνπή ησλ IF παικώλ ζε βίληεν παικνύο. Ζ απινύζηεξε κνξθή αληρλεπηή είλαη ν αληρλεπηήο δηόδνπ. Αληρλεύεη ηελ πεξηβάιινπζα ηνπ παικνύ, όπσο θαίλεηαη ζην ζρήκα 5.2. ρήκα 5.2. Απιόο αληρλεπηήο πεξηβάιινπζαο. 62

63 Ο ππθλσηήο έρεη ηελ ιεηηνπξγία ελόο ρακεινπεξαηνύ θίιηξνπ θαη δελ αθήλεη ηελ IF ζπρλόηεηα λα πεξάζεη. Να ζεκεηώζνπκε όηη ππάξρνπλ άιιεο πην πεξίπινθεο ηερληθέο αλίρλεπζεο. Βίληεν εληζρπηήο (Video amplifier) Ο βίληεν εληζρπηήο ιακβάλεη ηνπ παικνύο από ηνλ αληρλεπηή θαη ηνπο εληζρύεη γηα λα εθαξκνζηνύλ ζηελ ζπζθεπή απεηθόληζεο. Ο βίληεν εληζρπηήο είλαη θαηά βάζε έλαο RC ζπδεπγκέλνο εληζρπηήο κε πςειά θέξδε ηξαλδίζηνξ. Χζηόζν, πξέπεη λα έρεη δπλαηόηεηα γηα κεγάιν εύξνο ζπρλνηήησλ απόθξηζεο. Ζ βαζκίδα εμόδνπ ηνπ δέθηε ζπλήζσο είλαη έλαο αθόινπζνο εθπνκπνύ. Ζ ρακειή εκπέδεζε εμόδνπ ηνπ αθόινπζνπ εθπνκπνύ πξνζαξκόδεηαη ζηελ εκπέδεζε εηζόδνπ ηνπ θαισδίνπ. Οη βίληεν παικνί είλαη ζπδεπγκέλνη κέζν ηνπ θαισδίνπ κε ηελ νζόλε (CRT) ηεο ζπζθεπήο απεηθόληζεο. Σνπηθόο ηαιαλησηήο (Local oscillator) Ο ηνπηθόο ηαιαλησηήο εμάγεη ηελ ζπρλόηεηα πνπ ρξεηάδεηαη γηα ηελ κίμε ηνπ εηζεξρόκελνπ ζήκαηνο θαη ηελ εμαγσγή ηεο ελδηάκεζεο ζπρλόηεηαο. Οη πεξηζζόηεξνη δέθηεο ξαληάξ ρξεζηκνπνηνύλ ελδηάκεζε ζπρλόηεηα ηεο ηάμεσο ησλ MHz κε ηηκέο κεηαμύ MHz. Ο ηνπηθόο ηαιαλησηήο είλαη πξσηαξρηθήο ζεκαζίαο γηα ηελ απνδνηηθή ιεηηνπξγία ηνπ δέθηε, θαη σο εθ ηνύηνπ πξέπεη λα είλαη επζηαζήο θαη κε κεγάιε δπλαηόηεηα πξνζαξκνγήο. Γηα παξάδεηγκα, αλ ε ζπρλόηεηα ηνπ ηνπηθνύ ηαιαλησηή είλαη 3 GHz, κηα αιιαγή ζηε ζπρλόηεηα θαηά 0,1% παξάγεη κηα νιίζζεζε ζπρλόηεηαο ησλ 3 MHz. Πνπ είλαη ίζε κε ην εύξνο δώλεο ησλ πεξηζζόηεξσλ δεθηώλ θαη ζα κείσλε δξακαηηθά ην θέξδνο ηνπ δέθηε. Οη απαηηήζεηο γηα ηελ ηζρύ εμόδνπ ησλ πεξηζζόηεξσλ ηνπηθώλ ηαιαλησηώλ είλαη κηθξή (20 κε 50 κwatt) επεηδή νη πεξηζζόηεξνη δέθηεο ρξεζηκνπνηνύλ κίθηεο θξπζηάιινπ πνπ απαηηνύλ ειάρηζηε ηζρύ. 63

64 64

65 Κεθάιαην 6 ν Δπεμεξγαζία ήκαηνο Ραληάξ (1) (4) (8) Σν αληηθείκελν απηνύ ηνπ θεθαιαίνπ είλαη ε παξνπζίαζε κεξηθώλ ζεσξεηηθώλ θαη πξαθηηθώλ ζηνηρείσλ πνπ ρξεζηκνπνηνύληαη ζηελ επεμεξγαζία ζήκαηνο ησλ ξαληάξ. Ζ ηερλνινγία επεμεξγαζίαο ζήκαηνο έρεη απζηεξνύο πεξηνξηζκνύο. Απηνί νη πεξηνξηζκνί αληηζηαζκίδνληαλ από ηελ ηθαλόηεηα ηνπ αλζξώπνπ (ρεηξηζηήο ηνπ ξαληάξ) λα δηαρσξίδεη ηα ζήκαηα ζηόρσλ από αλεπηζύκεηα αληηθείκελα (clutter) ζηελ αλαινγηθή νζόλε. Με ηελ έιεπζε πνην ζύλζεησλ νζνλώλ, ε παξεκβνιή αλεπηζύκεησλ ζεκάησλ έπξεπε λα εμαιεηθζεί από ζπζηήκαηα επεμεξγαζίαο ζήκαηνο θαη δεδνκέλσλ, πξηλ ηελ παξνπζίαζε ηνπο ζην ρεηξηζηή. Δπηπρώο, πξνρσξεκέλεο ηερληθέο ςεθηαθήο επεμεξγαζίαο ζήκαηνο πνπ εθηεινύλ πεξίπινθνπο αιγνξίζκνπο κε βειηησκέλα κνληέια clutter έρνπλ βειηηώζεη ηελ απόδνζε ησλ ξαληάξ. 6.1 Γεληθή επηζθόπεζε Ο επεμεξγαζηήο ζήκαηνο είλαη ην θνκκάηη ηνπ ζπζηήκαηνο πνπ δηαρσξίδεη ηνπο ζηόρνπο από αλεπηζύκεηα αληηθείκελα (clutter) βαζηδόκελνο ζην θαηλόκελν Doppler θαη ζηα ραξαθηεξηζηηθά ηνπ πιάηνπο ηνπ ζήκαηνο. ηα ζύγρξνλα ζπζηήκαηα ξαληάξ ε κεηαηξνπή ησλ ζεκάησλ ζε ςεθηαθή κνξθή γίλεηαη ζπλήζσο κεηά ηηο βαζκίδεο IF ελίζρπζεο θαη αλίρλεπζεο θάζεο. ε απηή ηε βαζκίδα επεμεξγαζίαο ηα ζήκαηα θαινύληαη σο βίληεν ζήκαηα (video signals), κε ηππηθό εύξνο δώλεο 250 khz κε 5 MHz. Οπόηε από ην ζεώξεκα δεηγκαηνιεςίαο πξνθύπηεη όηη ζα έρνπκε ξπζκνύο δεηγκαηνιεςίαο 500 khz έσο 5 MHz. Σέηνηνη ξπζκνί είλαη ζηηο δπλαηόηεηεο ησλ ζύγρξνλσλ κεηαηξνπέσλ αλαινγηθνύ ζε ςεθηαθό (ADCs). Έλαο επεμεξγαζηήο ζήκαηνο απνηειείηαη από ηα εμήο ζηνηρεία: Σνλ I & Q αληρλεπηή θάζεο. Σνλ δείθηε θηλνύκελνπ ζηόρνπ (Moving Target Indicator-MTI) Σελ κνλάδα CFAR. ρήκα 6.1. Γηάγξακκα ξνήο πιεξνθνξίαο ζε έλαλ επεμεξγαζηή ζήκαηνο ξαληάξ. Οη βαζκίδεο εμαγσγήο ησλ ζηνηρείσλ επεμεξγαζίαο θαη απεηθόληζεο (extraction and processing) είλαη ηα ηειηθά ζηάδηα ζηελ αιπζίδα ελόο πξσηαξρηθνύ ζπζηήκαηνο ξαληάξ. Σν βαζηθό είλαη ε δηαδηθαζία παξαγσγήο θαη επεμεξγαζίαο ησλ απεηθνλίζεσλ λα είλαη δηαθνξεηηθή απ ηελ παξαγσγή ησλ θπκαηνκνξθώλ. Σα θύξηα ζηνηρεία είλαη: Δμαγσγή απεηθόληζεο (plot extraction) ή επεμεξγαζία θξνύζεο (hit processing) Ζ επεμεξγαζία απεηθόληζεο (plot processing) πλδπαζκόο ησλ απεηθνλίζεσλ (plot combiner) Αληρλεπηή ηξνρηάο (sensor tracker) Πνιιαπιό αληρλεπηή ηξνρηώλ (multiple sensor tracker) 65

66 Σα παξαπάλσ ζηνηρεία απεηθνλίδνληαη ζην ζρήκα 6.1. Μεξηθέο από απηά ηα ππνζπζηήκαηα κπνξνύλ λα πινπνηεζνύλ ζε ινγηζκηθό (software module) ύζηεξα από ηελ ςεθηνπνίεζε ησλ δεδνκέλσλ ηνπ ξαληάξ. Μηα ζπζθεπή εμαγσγήο απεηθόληζεο απηνύ ηνπ είδνο θαίλεηαη ζην ζρήκα 6.2. Ζ ζπζθεπή απηή εμάγεη δεδνκέλα ξαληάξ (Radar Data Extractor) θαη ρξεζηκνπνηείηαη γηα ηελ αλαβάζκηζε αλαινγηθώλ ξαληάξ. 6.2 In phase & quadrature δηαδηθαζία ρήκα 6.2. Plot extractor A ύγρξνλνο αληρλεπηήο (synchronous detector) Μηα κηγαδηθή πνζόηεηα απνηειείηαη πάληα από ην πξαγκαηηθό κέξνο (πξάζηλν ρξώκα) θαη ην κηγαδηθό κέξνο (γαιάδην ρξώκα) όπσο ζην ζρήκα 6.3. ρήκα 6.3. Πξαγκαηηθέο θαη θαληαζηηθέο πνζόηεηεο. Χζηόζν έλαο αλαινγηθόο ζε ςεθηαθό κεηαηξνπέαο ζα ζπλππνινγίζεη κόλν ην πξαγκαηηθό κέξνο πνπ βξίζθεηαη ζηνλ άμνλα x. ε παιηά ξαληάξ απηό δελ είλαη πξόβιεκα. Σν ειεθηξνληθό ζηίγκα ζε απηά απνηειείηαη από ηνπιάρηζηνλ 12 κε 15 παικνύο. Αλ έλαο ή δπν παικνί έρνπλ πξαγκαηηθό πιάηνο κεδέλ (ιόγν κέγηζηεο νιίζζεζεο θάζεο), ην ζηίγκα ζα είλαη νξαηό έηζη θη αιιηώο. Αιιά ηα θαηλνύξηα ξαληάξ ρξεζηκνπνηνύλ ηελ κνλό-παικηθή (monopulse) ηερλνινγία ζπρλά. Όια ηα δεδνκέλα είλαη απνηέιεζκα ελόο κόλν κεηαδηδόκελνπ παικνύ. Οπόηε ζε απηή ηελ πεξίπησζε ρξεηαδόκαζηε θαη ηα κηγαδηθά δεδνκέλα. Ο ζύγρξνλνο αληρλεπηήο παξέρεη κηα αλαπαξάζηαζε ηνπ IF ζήκαηνο, πνπ πεξηέρεη ηελ θάζε θαη ην πιάηνο ηνπ ζήκαηνο ρσξίο απώιεηεο πιεξνθνξίαο. Σα ζήκαηα βαζηθήο δώλεο ζηε θάζε (I) θαη ηεηξαγσληθή θάζε (Q) ςεθηνπνηνύληαη ρξεζηκνπνηώληαο έλα δεύγνο A/D κεηαηξνπέσλ. Ο ζύγρξνλνο αληρλεπηήο ζπρλά αλαθέξεηαη θαη σο δέθηεο ηεηξαγσληθνύ θαλαιηνύ (quadrature channel receiver), ηεηξαγσληθόο αληρλεπηήο (quadrature receiver), I/Q δηακνξθσηήο ή coherent detector. Αλ ινηπόλ πεξηζηξέςνπκε ην πξώην ζρήκα παξαπάλσ θαηά 90 ν ηόηε ν κηγαδηθόο άμνλαο 66

67 ζα ζπκπέζεη κε ηνλ λέν άμνλα x θαη ζα κπνξνύκε λα ςεθηνπνηήζνπκε ηνλ κηγαδηθό κέξνο αιιά ην αξρηθό πξαγκαηηθό κέξνο ηώξα απνξξίπηεηαη. Σν αξρηθό δηάλπζκα όκσο κπνξεί λα μαλά πξνζδηνξηζηεί από ην ππζαγόξεην ζεώξεκα από ηηο δύν παξαπάλσ ζπληζηώζεο. Γελλάηαη ην εξώηεκα, πώο πεξηζηξέθνπκε ηελ όιε δνκή; Ζ απάληεζε είλαη ζρεηηθά απιή, ε θάζε ηνπ ζήκαηνο κεηαθηλείηε θαηά 90 ν. Καη ςεθηνπνηνύκε θαη ηα δπν πξνθύπηνληα αλαινγηθά κέξε. Σώξα έρνπκε ηηο δηπιάζηεο γξακκέο δεδνκέλσλ σζηόζν νη ηερληθέο ςεθηαθήο επεμεξγαζίαο ζήκαηνο παξέρνπλ πνιιέο επηπιένλ δπλαηόηεηεο πνπ αλαηξνύλ απηό ην κεηνλέθηεκα. Σν κπινθ δηάγξακκα ηνπ ζρήκαηνο 6.4 εθθξάδεη ηα παξαπάλσ. ρήκα 6.4. Μπινθ δηάγξακκα γηα ηελ παξαγσγή ησλ I θαη Q ζπληζησζώλ. Σα ςεθηαθά δεδνκέλα πνπ πξνθύπηνπλ κπνξνύλ λα ρξεζηκνπνηεζνύλ ζε κεγάιε πνηθηιία αιγνξίζκσλ. Οη I θαη Q ζπληζηώζεο ζρεηίδνληαη κέζν ησλ εμηζώζεσλ (2.1). Σηο νπνίεο παξαζέηνπκε μαλά γηα πιεξόηεηα v I t = r t cos φ t v Q t = r t sin φ t Σν πιάηνο θαη ε θάζε ηνπ ζήκαηνο δίλνληαη από ηηο 6.3 Αληρλεπηήο (Detector) r t 2 = v I t 2 + v Q t 2 φ t = tan 1 (v Q /v I ) Σν ζήκα εμόδνπ ηνπ δέθηε, πεξηέρεη ην δεηνύκελν ζήκα ηνπ ζηόρνπ ζπλ επηπιένλ ζόξπβν θαη clutter. ηελ πεξίπησζε MTI εμόδνπ, ην clutter πνπ απνκέλεη είλαη απνηέιεζκα ειαηησκαηηθήο απόζβεζεο απηώλ ησλ ζεκάησλ ιόγν δηαθόξσλ παξαγόλησλ όπσο αζηάζεηα εμνπιηζκνύ, δηακόξθσζε θεξαίαο, απνπζία δπλακηθήο πεξηνρήο ή πεξηερνκέλσλ από θαηλόκελν Doppler ηνπ ίδηνπ ηνπ clutter. Ζ δηαδηθαζία αλίρλεπζεο (ζρήκα 6.5) μερσξίδεη ηνλ ζηόρν απ απηνύο ηνπο αλεπηζύκεηνπο παξάγνληεο θαη ην ζόξπβν. Οη αληρλεπηέο ζπλήζσο ζρεδηάδνληαη γηα λα πινπνηνύλ απηή ηε δηαδηθαζία κε ζηαζεξή πηζαλόηεηα ιάζνο αλίρλεπζεο (CFAR). 67