PŘEDNÁŠKA 1.

MRAR – Radiolokační a radionavigační systémy

Jiří ŠebestaÚstav radioelektroniky FEKT VUT v Brně

18. 9. 2017

strana 2

MRAR: PŘEDNÁŠKA 1.

Úloha radiolokaceÚloha radiolokace

Typy radarůTypy radarů

Aplikace radarůAplikace radarů

Kmitočtová pásmaKmitočtová pásma

Parametry radarůParametry radarů

Historický vývoj radiolokaceHistorický vývoj radiolokace

strana 3

Radiolokací rozumíme zjišťování objektů v prostoru a určování jejich polohy a parametrů pohybu pomocí elektro-magnetických vln.

MRAR-P1: Úloha radiolokace (1/1)

Zařízení určená pro plnění zmíněných úkolů nazýváme radiolokátory, zkr. RLS (radiolokační systém), nebo lokátory nebo radary

RADARRADAR = = RaRadio dio DDetection etection aand nd RRanginganging

SONAR = Sound Navigation and Ranging

LIDAR = Laser-Instrument Distance and Range

Radiolokační cíl = TARGET

strana 4

MRAR-P1: Typy radarů (1/1)

Primární radiolokátoryPrimární radiolokátory (aktivní RLS)(aktivní RLS)

impulsníimpulsní

kontinuální (cca do 1 kmkontinuální (cca do 1 km – – 110 km, nap0 km, např. FM výškoměry)ř. FM výškoměry)

Sekundární radiolokátorySekundární radiolokátory (aktivní RLS s aktivním odpovídačem)(aktivní RLS s aktivním odpovídačem)

Poloaktivní radiolokátoryPoloaktivní radiolokátory

Pasivní radiolokátoryPasivní radiolokátory

směroměrné

dopplerovské

časoměrné

strana 5

MRAR-P1: Aplikace radarů (1/6)

PRIMÁRNÍ RLS: PŘEHLEDOVÝ RADIOLOKÁTOR (ATC)

RL-64 (ŘLP Brno Tuřany): f = 2,7 - 2,9 GHz, PW = 1,1 s, PRF = 1 kHz, Ppeak = 800 kW, RPM = 15 r/min, HBW = 1,4°, NF = 2,1 dB

ATC = Air Traffic Control

strana 6

MRAR-P1: Aplikace radarů (2/6)

PRIMÁRNÍ RLS: PŘISTÁVACÍ RADIOLOKÁTOR (ATC) RP-5PAR: X-band, PRF = 2,2/3,3 kHz, Ppeak = 2x175 kW, dosah 30 km

(20 km za deště), krytí: azimut 30°, elev. -1° až 9°, výška 0-3000 m

PAR = Precision Approach Radar

strana 7

MRAR-P1: Aplikace radarů (3/6)

PRIMÁRNÍ RLS: METEOROLOGICKÝ DOPPLEROVSKÝ RADAR

Weather radar

Reflectivity – Rayleigh scattering

strana 8

MRAR-P1: Aplikace radarů (4/6)

PRIMÁRNÍ RLS: RADAR PROTIVZDUŠNÉ LETECKÉ OBRANY RAT31SL

Dole - fázované anténní pole primárního radaru DBF = Digital Beam Forming

Nahoře – anténa pro sekunární přehledový radar SSR = Secondary Surveillance Radar

strana 9

MRAR-P1: Aplikace radarů (5/6)

PRIMÁRNÍ RLS: RADAR PROTIRAKETOVÉ OBRANY XBR

Impulsní primární radar 10,5 GHz

Fázované anténní pole – 17000 zářičů (horn)

Nízkoztrátový kryt proti povětrnostním vlivům Radom = RAdar DOMe

strana 10

MRAR-P1: Aplikace radarů (6/6)

PASIVNÍ RLS: RADAR TDOA Stanice radarového systému TAMARA

Pasivní časoměrný systém TDOA = Time Difference of Arrival

strana 11

MRAR-P1: Kmitočtová pásma (1/1)

strana 12

MRAR-P1: Parametry radarů (1/3)

Parametry technické - charakterizují vlastnosti jednotlivých dílčích částí radiolokátoru :

pracovní kmitočet

druh použité modulace

výkon vysílače

citlivost přijímače

vyzařovací diagram anténního systému

počet a druh výstupních zařízení

schopnost potlačení odezev od pevných cílů

strana 13

Parametry taktické - parametry určující použití a celkové schopnosti lokátoru identifikovat cíl a jeho prostorové pa-rametry:

oblast přehledování

doba přehledu

počet a druh určovaných souřadnic a přesnost jejich určení

rozlišovací schopnost (v dálce a úhlu)

odolnost proti rušení (z hlediska taktického)

MRAR-P1: Parametry radarů (2/3)

strana 14

MRAR-P1: Parametry radarů (3/3)

Ke zhodnocení většiny taktických vlastností (dosah, přesnost, rozlišovací schopnost) se používají statistické metody – hledá se pravděpodobnost dosažení určitých hodnot daných vlastností. (Např. dosahem lokátoru rozumíme vzdálenost, která odpovídá tzv. 50% zjištění cíle)

Radiolokátor je obecně měřící zařízení, pro které platí obecné vlastnosti měřící systémy charakterizující včetně chyb měření:

chyby systematické (opakující se soustavně při každém měření – chyba kalibrace)

chyby nahodilé (způsobuje zpracování signálu, šum)

strana 15

MRAR-P1: Historický vývoj (1/18)

18861886 Hertz demonstroval odraz Hertz demonstroval odraz elektromagnetické vlny v laborator-elektromagnetické vlny v laborator-ních podmínkáchních podmínkách

19001900 Tesla popsal matematicky řešení Tesla popsal matematicky řešení detekce odrazu elmag. vlny od detekce odrazu elmag. vlny od objektu a výpočty pro radarové objektu a výpočty pro radarové měření rychlosti měření rychlosti

1904 patent „Telemobilskopu“ Hülsmeyer – měření velkých objektů (vlaky, lodě)

1924 Appleton (NP) a Barnett měřili výšku ionosféry pomocí systému s kmitočtovou modulací

Patent „Telemobilskopu“

strana 16

MRAR-P1: Historický vývoj (2/18)

Princip měření výšku ionosféry pomocí systému s kmitočtovou modulací

Princip vyuPrincip využívají FM-CW radary žívají FM-CW radary

výškoměry malých výšek (4,3 GHz)výškoměry malých výšek (4,3 GHz)

antikolizní radary (76 GHz)antikolizní radary (76 GHz)

strana 17

MRAR-P1: Historický vývoj (3/18)

Praktické řešení FM-CW pro 4,3 GHz od S53MW http://lea.hamradio.si/~s53mv/avnr/adesign.html

strana 18

MRAR-P1: Historický vývoj (4/18)

1925 použil Breit a Tuve k měření výšky ionosféry impulsní metodu. Tento způsob zjišťování vzdálenosti je založen na přesném měření doby, která uplyne mezi vysláním radiového impulsu k ionosféře a návratem odražené energie k vysílači používá se v leteckých výškoměrech

1928 první praktický radiolokační systém - radiovýškoměr pracující s kmitočtovou modulací

Princip Princip se se používá se v leteckých výškoměrech

strana 19

MRAR-P1: Historický vývoj (5/18)

19301930 Taylor dokázal, že i malé cíle mohou být zdrojem měřitelných odrazů

1931 - 1933 byly v Anglii a USA publikovány údaje o odrazu rádiových vln od letadel. Zjistilo se, že takové cíle jsou zdrojem slabých, ale technicky detekovatelných odrazů. Od této doby se stala konstrukce RLS problémem technologickým

1938 byl vybudován řetěz výstražných radiolokátorů CH (Chain Home) pro obranu Londýna a ústí Temže - vlnová délka 15 m, výkon vysílače v impulsu 150 kW (později 1 MW), délka impulsu 12 s a opakovací kmitočtem 25 Hz, dosahem do 200 km

strana 20

MRAR-P1: Historický vývoj (6/18)

Chain Home

= Early Warning Radar

strana 21

MRAR-P1: Historický vývoj (7/18)

19391939 byl sestrojen první letecký lokátor typ AI, = 1,5 m

1940 byl v Anglii vyvinut první magnetron, pro radiolokaci ho však nejdříve použili Američané

od 1940 byly výzkumné práce amerických a anglických vědců sjednoceny, USA se zaměřili na vývoj centimetrového radiolokátoru pro stíhací letouny a centimetrového RLS pro řízení protiletadlové palby

Aplikace magnetronu ve vysílačích radiolokačních systémů pozvedl úroveň americké radiolokace v období války na světovou špičku

strana 22

MRAR-P1: Historický vývoj (8/18)

1940 soustava přehledových radiolokátorů s pracovním kmitočtem 106 MHz na tichomořských ostrovech

Na Hawai v provozu v době napadení přístavu Pearl Harbour japonskými letadly, bohužel operační středisko vyhodnotilo situaci špatně a mylně se domnívalo, že cíle zaměřené radarem jsou spojenecké bombardéry.

1942 dutinový magnetron se špičkovým výkonem 2 MW pro pásmo 10 cm a 300 kW v pásmu 3 cm

Vývoj centimetrového radiolokátoru pro stíhací letouny a centimetrového RLS pro řízení protiletadlové palby

strana 23

MRAR-P1: Historický vývoj (9/18)

Němečtí odborníci sestrojili na začátku 2. světové války výstražný radiolokátor Freya, pracující s = 2,4 m a s dosahem 120 km a lokátor pro řízení protiletadlové palby Würzburg s = 50 cm s dosahem 30 km. V roce 1942 sestrojili palubní RLS Fug s = 2 m a dosahem až 6 km.

Při přechodu ke kratším vlnovým délkám však narazili na technické problémy a přijali závěr, že cm vlny nejsou pro konstrukci RLS vhodné. To byl osudový omyl, který byl způsoben neschopností sestrojit vhodné magnetrony a klystrony, které jsou pro zajištění většího dosahu centimetrových radiolokátorů bezpodmínečně nutné.

strana 24

MRAR-P1: Historický vývoj (10/18)

Jedna Freya po válce

A taky jeden Wuerzburg v Normandii, jeden je ve VTM Lešany

strana 25

MRAR-P1: Historický vývoj (11/18)

Současně s rozvojem radiolokace se objevila i řada prostředků pro rušení jejich činnosti

Během 2. světové války se ke zmatení nepřítele používaly staniolové proužky s délkou odpovídající polovině vlnové délky elektromagnetické vlny radaru protivníka

K eliminaci tohoto způsobu rušení, resp. maskování, byly záhy aplikovány metody indikace pohyblivých cílů MTI = Moving Target Indication

Aplikace rádiových prostředků pro rušení

strana 26

MRAR-P1: Historický vývoj (12/18)

Po druhé světové válce budování velkých systémů pro snímání vzdušných prostorů

Studená válka nutí vybudovat systémy zahorizontálních radarů OTHR = Over the Horizon Radar (typicky jako bistatický systém – prostorově oddělený TX a RX)

Využití radarů v civilním sektoru

Polovodičová technika

Signálové procesory

Techniky potlačení clutteru (nežádoucí odrazy)

Pokročilé metody zpracování, např. technika syntetických antén SAR = Synthetic Aperture Radar

Fúze informací z radarů a dalších čidel.

strana 27

MRAR-P1: Historický vývoj (13/18)

Přijímací anténa amerického OTHR

strana 28

MRAR-P1: Historický vývoj (14/18)

Sovětský OTHR DUGA „Russian Woodpecker“ s pracovní frekvencí 4 až 30 MHz, PRF 10 Hz (3 stanice: 2x UA, 1x Sibiř)

Jedna ze stanic: DUGA-1, cca 6 km od JE Černobylhttps://mapy.cz/zakladni?x=30.0664260&y=51.3058052&z=16&base=ophoto

strana 29

MRAR-P1: Historický vývoj (15/18)

Dosažitelný vf. výkon - elektronky vs. polovodiče

strana 30

MRAR-P1: Historický vývoj (16/18)

Georadar (Ground Penetrating Radar)

strana 31

MRAR-P1: Historický vývoj (17/18)

Radar se syntetickou aperturou (Synthetic Aperture Radar)

strana 32

MRAR-P1: Historický vývoj (18/18)

Antikolizní radar (Collision Avoidance Radar)

strana 33

Děkuji za vaši pozornostAnténní pole radaru XBR obsahuje cca 17000 ant. elementů