Roman Salamon Katedra Systemów Elektroniki Morskiej pokój 747 tel. 58-347-17-17

1. SYSTEMY ECHOLOKACYJNE Roman Salamon Katedra Systemów Elektroniki Morskiej pokój 747 tel. 58-347-17-17 roman.salamon@eti.pg.gda.pl Konsultacje codziennie z wyjątkiem wtorków od 1000 do 1400najlepiej po umówieniu telefonicznym. Slajdy wykładów: http://www.eti.pg.gda.pl/katedry/ksem/studenci.html Roman Salamon SYSTEMY ECHOLOKACYJNE

2. Warunki zaliczenia przedmiotu: 60% za zaliczenie wykładu. 40% za zaliczenie laboratorium Minimum zaliczenia obu części przedmiotów - 60% Literatura: • 1. M. Skolnik: Radar Handbook, McGraw-Hill Professional, 2008 • R. Salamon: Systemy hydrolokacyjne, Wyd. GTN, Gdańsk 2006 Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

3. OGÓLNA ZASADA DZIAŁANIA SYSTEMÓW ECHOLOKACYJNYCH Nadajnik systemu echolokacyjnego wysyła sygnał sondujący. Sygnał tenrozchodząc się w przestrzeni (kanale) natrafia na odległy obiekt (cel), od którego się odbija i jako sygnał echa jest odbierany przez odbiornik systemu. Odbiornik wykrywa sygnał echa i mierzy czas  od momentu wysłania sygnału sondującego do momentu odebrania sygnały echa. Znając prędkość rozchodzenia się sygnałów c oblicza się odległość celu od systemu jako: Cel Nadajnik Odbiornik Kanał R Roman Salamon SYSTEMY ECHOLOKACYJNE Roman Salamon

4. PODSTAWOWE ZADANIA SYSTEMÓW ECHOLOKACYJNYCH • Wykrycie celu w obserwowanej przestrzeni • Określenie położenia celu • Oszacowanie wybranych parametrów celu • Klasyfikacja celu • Identyfikacja celu Wykrycie celu polega na stwierdzeniu, czy w danym momencie odbiornikodbiera sygnał echa, czy zakłócenia. Zakłócenia występują w kanale (śro-dowisku) i w odbiorniku sumując się z sygnałem echa. Wykrycie sygnału użytecznego na tle zakłóceń nosi nazwę detekcji. Określenie położenia celu (lokalizacja) względem systemu echolokacyjnegoodbywa się głównie poprzez pomiar jego odległości i namiarów, czyli kątów między kierunkiem, na którym leży wykryty cel, a osiami układu odniesienia. Roman Salamon SYSTEMY ECHOLOKACYJNE

5. Mogą to być np. kąty azymutu (względem północy) i elewacji (względempowierzchni (płaszczyzny) ziemi. Układem odniesienie może być np. samo-lot, statek lub dowolne urządzenie, na którym zainstalowany jest systemecholokacyjny. cel R elewacja azymut PN Pomiaru kierunku dokonuje się wykorzystując kierunkowe nadawaniei odbiór sygnałów przez anteny systemu echolokacyjnego. Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

6. Oszacowanie wybranych parametrów celu(estymacja parametrów) polega na określeniu wielkości celu, jego prędkości, kierunku ruchuitp. Informacje o tych parametrach zawarte są niekiedy w sygnale echai mogą być z niego wydobyte. Klasyfikacja celu to zaliczenie go do szerokiej (gorzej) lub wąskiej(lepiej) klasy obiektów. Np. wykryty cel to statek (szeroka klasa) lub wykryty obiekt to kuter (wąska klasa). Identyfikacja celu to przyporządkowanie go do bardzo wąskiej klasyobiektów np. samolot Boeing 737 lub dokładniej o numerze ….. Na wykładzie zajmiemy się wyłącznie trzema pierwszymi z wymienionychzadań systemów echolokacyjnych. Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

7. OGÓLNY PODZIAŁ SYSTEMÓW ECHOLOKACYJNYCH Ze względu na używany fizyczny rodzaj sygnałów systemy echolokacyjnedzielimy na: • radiolokacyjne używające fal elektromagnetycznych w powietrzu • hydrolokacyjne używające fal akustycznych w wodzie • aerolokacyjne używające fal akustycznych w powietrzu • laserowe używające fal optycznych w powietrzu Dobór rodzaju fal wynika głównie z wielkości ich tłumienia w ośrodku. Wybiera się na ogół fale, które są najmniej tłumione w środowisku pracysystemu. Roman Salamon SYSTEMY ECHOLOKACYJNE Roman Salamon METODY ECHOLOKACJI

8. Częstotliwości i długości fal elektromagnetycznych Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

9. Porównanie dla fal o tej samej długości =0.1 m. Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

10. Fala e-m Tłumienie fali akustycznej w powietrzu w dB/km, parametr - wilgotność względna Tłumienie fali akustycznejw wodzie morskiej w dB/m Tłumienie fali elektromagnetycznej w powietrzu w dB/km Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

11. ZASADA PRACY I OGÓLNA CHARAKTERYSTYKARADARÓW W radarach wykorzystuje się fale elektromagnetyczne o częstotliwościachmikrofalowych. Poszczególne pasma mają oznaczenia literowe: Roman Salamon SYSTEMY ECHOLOKACYJNE

12. Obowiązuje ogólna zasada: czym większa częstotliwość pracy, tym krótszyzasięg. Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

13. PODZIAŁ RADARÓW ZE WZGLĘDU NA ZASADĘ DZIAŁANIA Radary impulsowe • jednowiązkowe z mechanicznym obrotem anteny • wielowiązkowe z elektronicznym odchylaniem wiązki • z syntetyczną aperturą Radary z falą ciągłą • do pomiaru odległości • dopplerowskie do pomiaru prędkości • ciche radary trudno wykrywalne Nadajnik emituje sygnał z liniową modulacją częstotliwości. Opóźniony sygnał echa jest porównywany z aktualnym sygnałem emitowanym. Wyznaczana jest różnica częstotliwości obu sygnałów, która jest proporcjonalna do odległości obiektu obserwowanego obiektu. Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

14. Metody wyznaczania różnicy częstotliwości: • mnożenie sygnału echa z sygnałem nadanym + filtracja dolnopasmowa • analiza widmowa OGÓLNY SCHEMAT BLOKOWY RADARU ANTENA fo ZOBRAZO-WANIE NADAJNIK fn ODBIORNIK to fn-fo=ato Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

15. Antena paraboliczna radaru morskiego Anteny paraboliczna radarów dalekiego zasięgu Płaska antena radaru z elektronicznym odchylaniem wiązki Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

16. Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

17. ZASADA PRACY SYSTEMÓW HYDROLOKACYJNYCH v(t) ceramikapiezoelektryczna p(t) u(t) Systemy hydrolokacyjne pracują na tej samej zasadzie, jak systemy radiolokacyjne. Do przeszukiwania środowiska wodnego wykorzystują falę akustyczne, co wymagaprzetwarzania w systemie sygnałów elektrycznych na akustyczne i na odwrót. Przetwarzania dokonują przetworniki ultradźwiękowe, z których zbudowane są antenynadawcze i odbiorcze. Najczęściej przetworniki systemów hydrolokacyjnych wykonane są z ceramikipiezoelektrycznej (PZT- cyrkonian ołowiu). Napięcie przyłożone do elektrodprzetwornika powoduje drgania jego powierzchni. Powierzchniaumieszczona w wodzie jest źródłemfali akustycznej. Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

18. Przetwornik wykonywane sąw kształcie: • prostopadłościanu • płaskiego walca • cylindra o cienkiej ściance • pierścienia przetwornik piezo-ceramiczny 1 – 2 m Wieloelementowa antenacylindryczna sonaru. Hydrofon – przetwornik do pomiaru ciśnienia akustycznego Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

19. PODZIAŁ SYSTEMÓW HYDROLOAKCYJNYCH ZE WZGLĘDU NA ZASADĘ DZIAŁANIA Hydrolokacyjne systemy impulsowe (aktywne) • jednowiązkowe z mechanicznym obrotem anteny • wielowiązkowe z elektronicznym odchylaniem wiązki • boczne • z syntetyczną aperturą Hydroakustyczne systemy pasywne • z antenami montowanymi na burcie okrętu • z antenami holowanymi • z antenami montowanymi na dnie • radiohydroboje Systemy pasywne wyznaczają namiary na obiekty emitujące fale akustyczne (okręty, pojazdy podwodne, torpedy,wieloryb Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

20. W hydrolokacji nie ma ustalonych pas pracy systemów. Częstotliwość pracy zależyod zakładanego zasięgu i rozdzielczości sytemu. Czym zasięg większy, tym częstot-liwość mniejsza; czym rozdzielczość lepsza, tym częstotliwość większa. Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

21. konsola sonaru z antenąholowaną konsola sonaru antena holowana Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

22. echosonda rybacka- nawigacyjna radiohydroboje (pławy hydroakustyczne Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

23. ZASADA PRACY SYSTEMÓW OPTYCZNYCH -LASEROWYCH Systemy optyczne pracują na zasadzie radaru wykorzystując optyczny zakresczęstotliwości. Noszą ogólną nazwę LIDAR (Light Detection And Ranging) lub LADAR (Laser Detection And Ranging). Najczęściej źródłem sygnału optycznego jest laser, który wysyła krótkie impulsyświetlne w bardzo wąskiej wiązce. Odbijają się one od obserwowanych obiektówi są odbierane przez teleskopy z detektorami światła. Odległość wyznaczana jest jak w radarach.Proste urządzenia służą jako dalmierze o zasięgu do kilkuset metrów. Są stosowanew budownictwie, geodezji, wojsku, myślistwie, policji. Bardziej rozbudowane majązasięg dziesięciu kilometrów lub większy. Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

24. Zastosowania: • geologia • sejsmologia • meteorologia • geografia • archeologia • zdalne sterowanie • wojsko • rolnictwo Metoda skanowaniaprzestrzeni Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

25. METODY PRZESZUKIWANIA PRZESTRZENI sektorowa dookólna boczna Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE 25

26. SCHEMAT FUNKCJONALNY SYSTEMU ECHOLOKACYJNEGO Sygnał sondujący wiązka nadawcza Nadajnik Impuls początkutransmisji Sygnał echa zakłócenia Zobrazowanie Odbiornik wiązka odbiorcza Konsola operatora szumy KANAŁ Sygnały sterujące (nastawy) Dane z i do urządzeń zewnętrznych Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE 26

27. PODSTAWOWE PARAMETRY EKSPLOATACYJNE SYSTEMÓW ECHOLOKACYJNYCH Parametry eksploatacyjne charakteryzują system z punktu widzenia jego użytkownika. Parametry techniczne charakteryzują system z punktu widzenia konstruktora. Zasięg Dokładność pomiaru odległości Dokładność określenia namiaru Rozdzielczość wgłębna (odległości) Rozdzielczość kątowa Sektor kątowy obserwacji Czas przeszukiwania Prawdopodobieństwo detekcji Prawdopodobieństwo fałszywego alarmu Zasilanie, waga gabaryty, warunki środowiskowe, warunki montażu, warunki odpornościowe itp. Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE 27

28. ZASIĘG Zasięgiem systemu nazywamy maksymalną odległość, z której system wykrywa z założonym prawdopodobieństwem określony cel w istniejących warunkach propagacyjnych. Zasięg zależy od: • parametrów technicznych systemu, • parametrów wykrywanego obiektu (siły celu), • warunków propagacji fal w ośrodku, • prawdopodobieństwa detekcji i fałszywego alarmu. Nie należy mylić zasięgu z zakresem (np. zobrazowania), który jest parametrem technicznym dobranym przez konstruktora do spodziewanych zasięgów. Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE 28

29. DOKŁADNOŚĆ POMIARU ODLEGŁOŚCI c – prędkość fali w ośrodku, [m/s] T – czas między momentem emisji impulsu sondującego i momentem odbioru sygnału echa Przyczyny błędów: • dynamiczne i lokalne zmiany prędkości propagacji c w ośrodku, • rozchodzenie się fal po liniach krzywych, • niejednoznaczność w ocenie momentu przyjścia impulsu echa, Impuls sondujący Impuls echa t próg T Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE 29

30. DOKŁADNOŚĆ OKREŚLENIA NAMIARU Jest to maksymalny błąd między rzeczywistym namiarem, a namiarem zmierzonym. Błąd jest spowodowany w typowym systemie szerokością i kształtem wiązki. Jako namiar podaje siękierunek osi wiązki. Rzeczywisty namiar mieści się w umownejszerokości wiązki. Na ogół nie jesteśmyw stanie określić namiaruw ramach wiązki. -3dB Dokładność określenia namiaru zależy przede wszystkim od szerokości charakterystyki kierunkowej (wiązki); jest tym lepsza im charakterystyka kierunkowa (wiązka) jest węższa. -3dB Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE 30

31. ROZDZIELCZOŚĆ WGŁĘBNA Rozdzielczością wgłębną nazywamy najmniejszą odległość jednakowychcelów (punktowych) obserwowanych pod tym samym kątem, przy której sygnały echa są rozróżnialne.   Jesteśmy w stanie odróżnić impulsyopóźnione co najmniej o czas ich trwania .  W prostych systemach utożsamiamy czas  z czasem trwania impulsu sondującego.Ogólniejsza zależność ma postać: gdzie B oznacza szerokość widma sygnału Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE 31

32. ROZDZIELCZOŚĆ KĄTOWA Rozdzielczością kątową nazywamy najmniejszy kąt między celami punktowymi, przy którym na wyjściu odbiornika możemy rozróżnić dwa oddzielne echa.   Przyjmuje się zwykle, że rozdzielczość kątowa jest równa szerokości wiązki. Są jednak metody poprawiające rozdzielczość kątową. Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE 32

33. CZAS PRZESZUKIWANIA SEKTORA OBSERWACJI Przy pewnym położeniu wiązki obserwujemy przestrzeń stożkową o katach wierzchołkowych  i , które są umownymi szerokościamikątowymi wiązki oraz przez zasięg systemu R. Czas potrzebny na obserwacjęcelów wynosi t=2R/c. Czas potrzebny na przeszukanie szerszego sektorakątowego (,) wynosi co najmniej: Problem czasu przeszukiwaniawystępuje głównie w systemachakustycznych ze względu na małą prędkość propagacji fali. Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE 33

34. SYGNAŁY ECHOLOKACYJNE W aktywnych systemach echolokacyjnych stosuje się: sygnały wąskopasmowe – sygnały sinusoidalne o obwiedni prostokątnej lub podobnej, sygnały szerokopasmowe – sygnały z modulacją bądź kluczowaniem częstotliwości, sygnały kodowe, pseudolosowe. sygnały szerokopasmowe – sygnały sinusoidalne o bardzo krótkim czasie trwania. W systemach pasywnych odbierane są: sygnały wąskopasmowe, sygnały szerokopasmowe, losowe. Zasadnicza różnica między systemami aktywnymi i pasywnymi polega na tym, że sygnały w systemach aktywnych są znane, a w systemach pasywnych – nieznane. Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

35. SYGNAŁ WĄSKOPASMOWY Warunek: szerokość widma obwiedni A(t) dużo mniejsza od częstotliwości nośnej fo Widmo sygnału Widmo amplitudowe Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

36. s(t) (t/) t  SYGNAŁ O OBWIEDNI PROSTOKĄTNEJ Widmo sygnału Iloczyn szerokości widmai czasu trwania impulsujest równy jedności. Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

37. Funkcja autokorelacji Definicja funkcji korelacji:: Definicja funkcji autokorelacji Energia sygnału Widmo funkcji autokorelacji Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

38. Wyznaczanie funkcji autokorelacji impulsu prostokątnego 0 Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

39. Wyznaczanie funkcji autokorelacji sygnału sinusoidalnego o obwiedni prostokątnej Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

40. SYGNAŁ Z LINIOWĄ MODULACJĄ CZĘSTOTLIWOŚCI LFM fc f t f0 -f  0<t< Częstotliwość chwilowa Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

41. Widmo sygnału LFM B=2f Szerokość widma Szerokość widma sygnału LFM nie zależy do jego czasu trwania. Sygnały o dużym iloczynie B są stosowanie w systemach echo-lokacyjnych z filtracją dopasowaną (w odbiornikach korelacyjnych). B>>1 Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

42. Funkcja autokorelacji sygnału z liniową modulacją częstotliwości B T=1/B Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

43. SYGNAŁ Z HIPERBOLICZNĄ MODULACJĄ CZĘSTOTLIWOŚCI HFM Widmo sygnału HFM Sygnał HFM jest bardziejodporny na efekt Dopplera niż sygnał LFM. Ma to znaczenie głowniew hydrolokacji i aerolokacji,gdzie stosunek prędkościcelu do prędkości propagacjifali akustycznej jest względnieduży. Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

44. PRÓBKOWANIE SYGNAŁÓW ECHOLOKACYJNYCH Metody próbkowania: próbkowanie bezpośrednie, próbkowanie kwadraturowe, próbkowanie bezpośrednie sygnałów dolnopasmowych po detekcji kwadraturowej. Warunek dobrego próbkowania: Zachowanie w sygnale dyskretnym pełnej informacji o sygnale analogowym. Kryterium:Możliwość wiernego odtworzenia sygnału analogowego z próbek. Uwaga: Próbkowanie jest operacją nieliniową, w związku z czym nie można zamieniać kolejności operacji przed i po próbkowaniu. Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

45. PRÓBKOWANIE BEZPOŚREDNIE SYGNAŁÓW Widmo sygnału dyskretnego Widmo sygnału dyskretnego jest ciągłe i okresowe. Pełnainformacja o sygnale jest zawartaw każdym okresie widma. Zapis matematyczny próbkowania Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

46. Widmo sygnału po próbkowaniu analogowego sygnału o ograniczonym widmie Widmo sygnału po próbkowaniu analogowego sygnału o nieograniczonym widmie. Próbkowanie jest dobre, gdy z próbek można odtworzyćbezbłędnie sygnał analogowy. Warunki dobrego próbkowania: • widmo sygnału musi być ograniczone • okres próbkowania musi spełniać kryterium Nyquista Widmo sygnału ogranicza się filtrem analogowym przed układem próbkującym! Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

47. PRÓBKOWANIE KWADRATUROWE SYGNAŁÓW WĄSKOPASMOWYCH Próbkowanie kwadraturowe stosuje się w celu zmniejszenia liczby próbek. Warunki stosowania próbkowania kwadraturowego: • sygnał wąskopasmowy • znajomość częstotliwości nośnej Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

48. Widmo sygnału po próbkowaniu kwadraturowym Sygnał po próbkowaniu w zapisie zespolonym Widmo sygnału po próbkowaniu kwadraturowym Sygnał dyskretny po próbkowaniu kwadraturowym jest sygnałemdolnopasmowym. Zachowana jest informacja o obwiedni i informacja o faziesygnału nośnego. Okres próbkowania kwadraturowego bezpośredniego Zysk Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

49. 'Probkowanie kwadraturowe' clear close all %Dane fo=1000; %Częstotliwość nośna ti=100/fo; %Czas trwania impulsu fs=4*fo; %Częstotliwość próbkowania %Obliczenia N=ti*fs; n=0:N-1; %Próbkowanie zwykłe z częstotliwością fs=4fo x=cos(2*pi*fo*n/fs+pi/6); %Próbki sygnału o=zeros(1,4*N); %Próbki zerowe s=[x o]; %Próbki sygnału S=abs(fft(s)); %Moduł widma sygnału %Próbkowanie kwadraturowe %Pobieramy próbki "zespolone" co 5 okresów sygnału nośnego, % czyli co 20 próbek for n=1:5*N/20; sc(n)=s(1+(n-1)*20); %próbki kosinusowe ss(n)=s(2+(n-1)*20); %próbki sinusowe end z=sc+i*ss; %próbki zespolone Z=abs(fft(z)); %moduł widma sygnału po próbkowaniu kwadraturowym Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE

50. Sygnał sinusoidalny o obwiedni prostokątnej Widmo amplitudowe sygnału Roman SalamonSYSTEMY ECHOLKACYJNE