Radar szumowy jako miernik odbiciowy gruntu

Instytut Systemów Elektronicznych Politechniki Warszawskiej prowadzi zaawansowane prace nad nowoczesnymi technikami radiolokacyjnymi, takimi jak obrazowanie SAR (Synthetic Aperture Radar) i ISAR (Inverse Synthetic Aperture Radar), radary pasywne oraz radary szumowe. Jednym z istotnych zadań jest weryfikacja nowych algorytmów nie tylko w symulacji, ale także na podstawie prawdziwych danych pomiarowych.

Do weryfikacji nowatorskich koncepcji najczęściej nie jest możliwe szybkie stworzenie odpowiedniego sprzętu, dlatego użycie uniwersalnych przyrządów pomiarowych w elastycznie konfigurowalnych systemach staje się niezbędne. Jednym z realizowanych zadań jest pomiar współczynnika rozproszenia (odbiciowości) powierzchni gruntu porośniętego roślinnością na potrzeby Instytutu Geodezji i Kartografii.

Dane takie znacznie wzbogacą bazę danych referencyjnych Instytutu, zajmującego się między innymi zaawansowaną interpretacją danych satelitarnych. W celu przeprowadzenia pomiarów stworzono eksperymentalny system radaru szumowego działającego w paśmie L. Radar szumowy to radar, który jako sygnału sondującego używa sygnału losowego, czyli szumu.

Dzięki znajomości realizacji wysłanej możliwe jest skuteczne wykrycie jej echa nawet w obecności znacznie silniejszych szumów zakłócających. Radar taki cechuje się znaczną odpornością na wykrycie i zmylenie, toteż w najbliższej przyszłości znajdzie wiele zastosowań, zarówno militarnych, jak i cywilnych.

Pomiar odbiciowości gruntu radarem szumowym

Rys. 1. Schemat systemu pomiarowego

Pomiar odbiciowości powierzchni gruntu ze stanowiska naziemnego wymaga anten umieszczonych na odpowiednio wysokim maszcie i skierowanych w stronę badanej powierzchni. W opisanym przypadku muszą to być dwie anteny nadawcze i dwie odbiorcze o różnych polaryzacjach liniowych (H i V).

Kolejnymi elementami systemu są generator zapewniający źródło szumu sondującego, a także analizator sygnałów zdolny do demodulacji i rejestracji sygnałów. Na jednym z kanałów analizatora rejestrowany jest sygnał referencyjny - wydzielona sprzęgaczem kopia sygnału nadanego, zaś na pozostałych kanałach sygnały z anten odbiorczych.

W celu uzyskania profilu odległościowego sceny, czyli zależności odebranej mocy od opóźnienia echa (odległości od anteny), konieczna jest korelacja sygnału referencyjnego z obserwacyjnym. Ten etap przeprowadzany jest cyfrowo na komputerze PC. Następnie znając charakterystyki anten, a także bilans mocy w systemie, można przeliczyć wartości profilu na odbiciowość jednostki powierzchni gruntu.

Wielkość ta, zwana współczynnikiem rozproszenia, niezależna od systemu pomiarowego, charakteryzuje daną powierzchnię w zależności od rodzaju pokrycia terenu (roślinność, wilgotność) i kąta padania fali elektromagnetycznej. W radarze szumowym, jak w każdym innym, uzyskana rozróżnialność odległościowa, czyli zdolność do separacji ech położonych blisko siebie obiektów, zależy od pasma sygnału.

Ponieważ pasmo analizatora jest ograniczone, można uzyskać rozróżnialność rzędu 2,5 m. Aby poprawić ten parametr, można działać w trybie skokowej zmiany częstotliwości nośnej, przestrajając zarówno generator, jak i analizator tak, aby pasmo sygnału w kolejnym sondowaniu sąsiadowało z pasmem z poprzedniego. Zsyntezowany cyfrowo sygnał szerokopasmowy zapewnia zadaną rozróżnialność.

Rozwój systemu

Rys. 2. Maszt antenowy podczas pomiarów

Pierwsza, eksperymentalna wersja systemu składała się z dwukanałowego analizatora sygnałów Agilent VSA 89600 oraz generatora arbitralnego Agilent N5182A. System pozwalał na rejestrację profili i pracę ze skokową zmianą nośnej, jednak miał kilka istotnych wad. Największym była konieczność ręcznego przełączania między polaryzacjami anten, co wymagało dużej uwagi i czasu poświeconego przez operatora.

Istotny spowolnienie działania związane było również z transferem danych z analizatora na dysk komputera PC. W nowej wersji wykorzystującej analizator NI PXIe-5663 oraz multiplekser NI PXI-2595 udało się uniknąć tych problemów. Dzięki dwóm kanałom obserwacyjnym możliwa była jednoczesna rejestracja sygnałów z obu anten odbiorczych o różnych polaryzacjach (rys. 1).

Z kolei multiplekser umożliwiał automatyczne przełączanie między antenami nadawczymi. Do obsługi analizatora stworzono w LabVIEW dość złożoną aplikację umożliwiającą podgląd widma sygnałów oraz koherentną, trójkanałową rejestrację ze strumieniowaniem danych na macierze dyskowe NI HDD 8264.

Aplikacja została wyposażona w możliwość odbioru komunikatów sterujących przez gniazdo IP. Z kolei multiplekser obsługiwany był prostą aplikacją stworzoną w LabVIEW.

Za sterowanie cyklem pomiarowym, czyli zmianami nośnej i przełączaniem anten, odpowiadał skrypt tekstowy środowiska Matlab, który wywoływał kolejno aplikacje sterujące sprzętem i zapewniał uporządkowane nazewnictwo plików z zarejestrowanymi danymi. Na uwagę zasługuje dobra współpraca wersji sterowników (NI-VISA) dostarczonych przez NI z generatorem innego producenta.

Kampania pomiarowa

Głównym sprawdzianem systemu był wyjazd pomiarowy na Bagna Biebrzańskie stanowiące wieloletni obiekt badań Instytutu Geodezji i Kartografii. W celu eliminacji narażeń środowiskowych i zapewnienia komfortu pracy operatorów na czas pomiarów sprzęt rozstawiano w przyczepie kampingowej. Anteny umieszczono na specjalnym dwunastometrowym teleskopowym maszcie (rys. 2).

W celu dodatkowej kalibracji systemu, podczas wybranych sondowań, na obserwowanej powierzchni umieszczano rożek odbijający. Pomiary przeprowadzano na 8 sąsiadujących pasmach, dających w sumie 480 MHz. Pojedynczy wielopasmowy pomiar zajmował jedynie kilka minut, co było czasem krótszym niż np. dokładne ustawienie rożka odbijającego w odpowiednim miejscu.

Wyniki

Rys. 3. Profile odległościowe gruntu uzyskane w trybie wysokiej rozdzielczości

W wyniku pomiarów przeprowadzonych w 4 miejscach zgromadzono 200 GB surowych danych pomiarowych. Na ich podstawie otrzymano polarymetryczne, wielopasmowe profile odległościowe badanych powierzchni. Dzięki dużej ilości danych (powtarzane pomiary, różne pasma) możliwe było uśrednienie profili w celu zmniejszenia ich wariancji.

W przypadku profili otrzymanych w trybie skokowej zmiany częstotliwości i syntezy pasma uzyskano rozróżnialność odległościową rzędu 40 cm (rys. 3). Dzięki dodatkowym procedurom kalibracji i usuwania ech dominujących udało się znacznie poprawić dynamikę profili. Choć nie ma to zastosowania akurat w pomiarach współczynnika rozproszenia, zasięg systemu sięga aż 2,2 km.

Porównując profile z ortofotomapą terenu, można zidentyfikować na profilach miejsca, w których ulega zmianie szata roślinna, na przykład łąka przechodzi w trzcinowisko. System radarowy stworzony przy użyciu analizatora NI PXIe 5663 z nadmiarem spełnił stawiane mu wymagania dotyczące parametrów rejestrowanych profili odległościowych gruntu.

Wyzwaniem na przyszłość jest dobór anten o lepszej charakterystyce, zapewnienie stabilności i powtarzalności połączeń kablowych oraz opracowanie nieprzybliżonych metod przeliczania profili na współczynnik rozproszenia. Zagadnienia te nie miałyby sensu praktycznego bez podstawy sprzętowej w postaci opisywanego systemu.

Ponadto system ten daje bardzo duże możliwości w innych zastosowaniach. Możliwe jest jego użycie w szumowym radarze z syntetyczną aperturą służącym do obrazowania terenu.

Przy paśmie ok. 0,5 GHz osiąganym w trybie skokowej zmiany częstotliwości możliwe jest dokładne obrazowanie obiektów takich jak samochody, budynki itp. W przyszłości planowane jest użycie trójkanałowego generatora NI PXIe 5673 jako źródła sygnałów sondujących i praca radaru w trybie MIMO.

Krzysztof Kulpa
Łukasz Maślikowski
Marcin Kamil Bączyk
National Instruments Poland Sp. z o.o.
poland.ni.com