Projektowanie oraz testy radarów SAR/ISAR z użyciem komercyjnych platform sprzętowych

Radar z syntetyczną aperturą (SAR - Synthetic Aperture Radar) wykorzystuje fale radiowe, aby oświetlić obserwowany obszar Ziemi, a następnie odebrać przetworzyć odbite sygnały, które końcowo zostają przekształcone w dwuwymiarowy obraz odzwierciedlający powierzchnię analizowanego terenu.

Rozdzielczość w odległości radaru SAR zależy od szerokości pasma emitowanego sygnału, natomiast rozdzielczość w azymucie (resolution in azimuth, resolution in cross-range) zależy od długości zastosowanej anteny radaru. Apertura syntetyczna oznacza, że podczas obserwacji celu tworzony jest wirtualny szyk antenowy, dzięki czemu możliwa jest fizyczna redukcja rozmiaru rzeczywistej anteny radaru.

Rys. 1. Schemat blokowy radaru SAR bazującego na platformie USRP

Rys. 2. Zapis sygnału w.cz. oraz wyniki po obróbce cyfrowej

Tradycyjnie jako platformy dla tego typu radarów wykorzystuje się samoloty, satelity oraz bezzałogowe statki powietrzne, które zapewniają ruch względem obserwowanego terenu. Radary z odwróconą aperturą syntetyczną (ISAR - Inverted Synthetic Aperture Radar) działają z kolei w oparciu o fale odbite od poruszających się obiektów. Obie te technologie są zdolne tworzyć obrazy w niemal każdych warunkach pogodowych, wliczając w to mgłę, deszcz, chmury oraz śnieg, jak i podczas operacji prowadzonych w ciągu dnia czy nocy.

Klasyczne radary typu SAR oraz ISAR są radarami aktywnymi, co oznacza, że są wyposażone w nadajniki oświetlające obrany cel. Nowym trendem w radiolokacji jest obrazowanie z wykorzystaniem technologii tzw. radarów pasywnych. Radary pasywne wyróżniają się tym, że nie transmitują własnej energii, a do oświetlania celów wykorzystują istniejące źródła energii, takie jak dostępne komercyjnie nadajniki radia FM, radia cyfrowego DAB, naziemnej telewizji cyfrowej DVB-T, GSM, Wi-fi lub promieniowanie innych radarów. Ze względu na brak własnych nadajników, radary pasywne umożliwiają tak zwane ciche działanie (silence operations), co uniemożliwia przeciwnikowi namierzenie takiego typu radaru z wykorzystaniem środków rozpoznania radioelektronicznego.

Platforma sprzętowa

W celu zaprojektowania aktywnego systemu SAR wykorzystana została platforma NI USRP z zewnętrznym powielaczem częstotliwości. Dzięki temu rozwiązaniu udało się osiągnąć szerokość pasma równą niemal 1 GHz, co odpowiada rozdzielczości w odległości równiej 15 cm. Uzyskanie 1 GHz pasma było możliwe poprzez wygenerowanie przez USRP pasma 40 MHz, a następnie pomnożenie go przez 24. Nasz radar pracował w paśmie około 5,5 GHz, co oznacza, że można było wykorzystać komercyjnie dostępne anteny Wi-Fi.

Ponieważ nie było możliwości transmitowania sygnału 5,5 GHz przy wykorzystaniu USRP, sygnały zostały zmieszane do wymaganej częstotliwości przy wykorzystaniu komponentów elektronicznych innego producenta. Zaproponowana demonstracja aktywnego radaru SAR jest radarem o fali ciągłej (FMCW - Frequency-modulated continuous-wave radar). Zasada działania FMCW po stronie odbiornika opiera się o sposób mnożenia sygnałów transmitowanych i odbieranych, czego rezultatem jest tzw. sygnał zdudnień (beat signal) generujący częstotliwość odpowiadającą odległości od badanego celu.

Im dalej jest dany obiekt, tym wyższa jest różnica częstotliwości, co w konsekwencji prowadzi do zwiększenia częstotliwości sygnału zdudnień. Następnym krokiem jest określenie odległości od obiektu, co można uzyskać dzięki wykonaniu szybkiej transformaty Fouriera.

Rys. 3. System SAR zamontowany na samolocie bezzałogowym (UAV)

Rys. 4. Mapa oraz obraz radarowy. Rejestracja sygnału w.cz. wykonana została za pomocą UAV

Jeśli radar zostanie zamontowany na urządzeniu autonomicznym takim jak bezzałogowa platforma latająca, wielkość i masa odgrywają kluczową rolę. W tym celu obudowa USRP została usunięta, pozostała jedynie elektronika. Pozwoliło to zredukować masę całkowitą do poziomu poniżej 5 kg oraz utrzymać pobór energii na poziomie 70 W.

Dla pasywnych radarów SAR oraz ISAR wykorzystany został HDD-8264 w celu przechowywania danych oraz PXIe-5663E w celu odbioru sygnału. NI HDD-8264 jest zestawem dysków twardych połączonych w macierz RAID, co umożliwia rejestrowanie znacznej ilości ciągle przesyłanych danych przy zachowaniu wysokiej wydajności. HDD-8264 umożliwia zapis na poziomie 600 MB/s, podczas gdy nowsza wersja HDD-8266 (z dyskami SSD) może osiągnąć nawet 3,6 GB/s. Przetwarzanie sygnału dla pasywnych radarów SAR/ISAR zostało przeprowadzone offline.

Oprzyrządowanie umożliwiło wykonywanie operacji multistatycznych - odbiorniki radaru pasywnego są rozmieszczone w różnych lokalizacjach. W takich wypadkach za synchronizację urządzeń PXI odpowiadały moduły GPS PXI-6682 oraz PXIe-6674T. Taka konfiguracja sprzętowa została wybrana, aby być w stanie nagrywać sygnały w.cz. na dowolnym obszarze objętym sygnałem GPS. Warto również zaznaczyć, że w celu rejestracji odtwarzania sygnałów wykorzystane zostało środowisko LabVIEW. Dodatkowo stworzone w ramach tej pracy oprogramowanie do nagrywania oraz odtwarzania może zostać wykorzystane w dowolnej aplikacji, niekoniecznie związanej z radarami.

Cyfrowe przetwarzanie sygnału

Jednym z największych wyzwań podczas rozwoju każdego systemu radarowego jest cyfrowe przetwarzanie sygnału. W aplikacji wykorzystano przetwarzanie w czasie rzeczywistym dla radarów SAR w aktywnym systemie FMCW oraz przetwarzanie offline dla rozwiązań pasywnych SAR/ISAR przy wykorzystaniu oprogramowania Matlab firmy MathWorks.

Rys. 5. Wyniki działania radaru pasywnego ISAR

Rys. 6. Radar SAR zamontowany na samolocie, na zdjęciu widać dwie komercyjne anteny Wi-Fi

Wyniki oraz następne kroki

Wykorzystanie dostępnego na rynku oprzyrządowania pozwoliło w znacznym stopniu zredukować wysiłki podjęte w celu zaprojektowania zaawansowanych systemów demonstratorów radarów. Można było skupić uwagę na rozwoju algorytmów cyfrowego przetwarzania sygnałów, a nie na ciągłym projektowaniu modułów w.cz.

Jeśli chodzi o potrzeby sprzętowe dla przyszłych aplikacji radarowych, ważne jest, że większa szerokość pasma wygenerowanego sygnału umożliwia uzyskanie większej rozdzielczości. Z tego też powodu zespół naukowców poszukuje aktualnie rozwiązania umożliwiającego uzyskanie jeszcze większej szerokości pasma. Dodatkowo planowane jest sprawdzenie opisanego rozwiązania przy wyższych częstotliwościach, takich jak pasmo X. Oczywiste także jest, że w przypadku wykorzystania radarów w bezzałogowych statkach powietrznych cały czas potrzebne są rozwiązania o większej wydajności oraz mniejszych rozmiarach.

Dr hab. inż. Piotr Samczyński
Politechnika Warszawska
National Instruments Poland Sp. z o.o.
poland.ni.com