Αρχές ενεργού τηλεπισκόπησης μέσω Radar

Από RemoteSensing Wiki

Πηγή: Principles of active remote sensing: Radars. Online tutorial: Chapter 3'

Λέξεις κλειδιά: Radar, κεραία, doppler

Εισαγωγή

• Το Ραντάρ είναι ένα σύστημα ενεργούς τηλεπισκόπησης το οποίο χρησιμοποιεί το μικροκυμματικό εύρος συχνοτήτων.
• Το Ραντάρ είναι ένα όργανο μέτρησης εμβέλειας (RAdio Detection And Ranging)

Βασικές αρχές:

Ο αισθητήρας εκπέμπει ένα σήμα μικροκυμάτων (ραδιόφωνο) προς ένα στόχο και ανιχνεύει την οπισθοσκεδαζόμενη ακτινοβολία. Η ισχύς του σήματος οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας μετράται για τη διάκριση μεταξύ διαφορετικών στόχων και τη χρονική καθυστέρηση μεταξύ των μεταδιδόμενων και ανακλώμενων σημάτων και με αυτόν τον τρόπο καθορίζεται η απόσταση (ή εύρος) με τον στόχο.

Δύο είναι τα κύρια πλεονεκτήματα του ραντάρ: είναι παντός καιρού και λειτουργεί ημέρα και νύχτα.

Λειτουργίες ραντάρ:

• Λειτουργία συνεχούς κύματος (CW): συνεχής δέσμη ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας μεταδίδεται και λαμβάνεται => παρέχει πληροφορίες σχετικά με την πορεία οπισθοσκέδασης της ακτινοβολίας.
• Παλμική λειτουργία: εκπέμπει βραχείς παλμούς (συνήθως 10-6-10-8 sec) και μετρά την οπισθοσκεδαζόμενη ακτινοβολία (ή ηχώ) ως συνάρτηση τη απόστασης.

Το πολωτικό ραντάρ έχει τέσσερις δυνατούς συνδυασμούς πολώσεων εκπομπής και λήψης ως εξής:

• HH - για την οριζόντια μετάδοση και οριζόντια λήψη,

• VV - για κάθετη μετάδοση και κάθετη λήψη,

• HV - για την οριζόντια μετάδοση και κάθετη λήψη, και

• VH - για κάθετη μετάδοση και οριζόντια λήψη.

Ζώνες μικροκυμάτων που χρησιμοποιούνται συνήθως σε ραντάρ τηλεπισκόπησης

• Ka, K, και Ku: πολύ μικρά μήκη κύματος που χρησιμοποιούνταν στα πρώιμα αερομεταφερόμενα συστήματα ραντάρ, αλλά όχι σήμερα.
• X-band: χρησιμοποιείται εκτενώς για αερομεταφερόμενα συστήματα για στρατιωτικές χαρτογραφήσεις εδάφους.
• C-band: κοινή σε πολλά αερομεταφερόμενα συστήματα έρευνας (CCRS Convair-580 και NASA AirSAR) και διαστημικών συστημάτων (συμπεριλαμβανομένων των ERS-1 και 2 και RADARSAT).
• S-band: χρησιμοποιείται επί του ρωσικού δορυφόρου ALMAZ.
• L-band: χρησιμοποιείται επί του αμερικάνικου SEASAT και ιαπωνικού ΚΕΑ-1 δορυφόρου και του αερομεταφερόμενου συστήματος της NASA.
• P-band: μεγαλύτερα μήκη κύματος ραντάρ, που χρησιμοποιούνται από τη NASA σε πειραματικό αερομεταφερόμενο σύστημα έρευνας.

--Τύποι Radars:--

Μη απεικονιστικά Radar: (μέτρηση υψομέτρων και διασποράς)

* Υψομετρικά (εντοπισμού ναδίρ)

Αρχή λειτουργίας: μεταδίδουν σύντομους παλμούς μικροκυμάτων και μετρούν τον μετ 'επιστροφής χρόνο καθυστέρησης σε στόχους για να καθορίσει την απόσταση τους από τον αισθητήρα, Εφαρμογές: χρησιμοποιείται στα αεροσκάφη για τον προσδιορισμό του υψόμετρου και στα αεροσκάφη και δορυφόρους για τοπογραφική αποτύπωση, και μετρά το ύψος από την επιφάνεια της θάλασσας από την οποία μπορεί να υπολογιστεί η ταχύτητα του ανέμου

* Radar Μέτρησης διασποράς Αρχή λειτουργίας: μεταδίδει σήματα μικροκυμάτων και μετρά τη ισχύ της οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας (ανάκλαση)? Εφαρμογές: μετρήσεις της ταχύτητας και της κατεύθυνσης του ανέμου πάνω από τους ωκεανούς. Τα επίγεια radar μέτρησης διασποράς χρησιμοποιούνται εκτενώς για την ακριβή μέτρηση της οπισθοσκέδασης από διάφορους στόχους και για να χαρακτηρίσει τα διαφορετικά υλικά και είδη επιφανειών.Παράδειγμα: NASA Quick Scatterometer (QuikSCAT):

• Ραντάρ: 13,4 gigahertz. παλμός 110-watt στα 189 hertz συχνότητας επανάληψης παλμών (PRF)
• Κεραία: Περιστρεφόμενο πιάτο (1m) που παράγει δύο δέσμες, σάρωσης σε κυκλικό μοτίβο

QuikSCAT ικανότητα μέτρησης:

• λωρίδα 1.800 χιλιομέτρων κατά τη διάρκεια κάθε τροχιάς παρέχει περίπου το 90 τοις εκατό της κάλυψης των ωκεανών της Γης κάθε μέρα.
• μετρήσεις ανέμου ταχύτητας από 3 έως 20 m/s, με ακρίβεια 2 m/s. Κατεύθυνση, με ακρίβεια 20 μοιρών. Ανάλυση διανύσματος του ανέμου 25 km.

* Απεικονιστικά Radar:

Τα radar μη απεικόνισης λαμβάνουν μετρήσεις σε μία γραμμική διάσταση, σε αντίθεση με τη δισδιάστατη αναπαράσταση των radar απεικόνισης:

Συστήματα radar με πλάγια γεωμετρική απεικόνιση:

Η πλατφόρμα κινείται προς τα εμπρός στην κατεύθυνση της πτήσης (Α) με το ναδίρ (Β) σε ευθεία κάτω από την πλατφόρμα. Η δέσμη μικροκυμάτων μεταδίδεται λοξά σε ορθή γωνία προς την κατεύθυνση της πτήσης σαρώνοντας σε πλάτος (C). Το εύρος (D) αναφέρεται στην κατά πλάτος διάσταση σάρωσης τροχιά, κάθετη προς την κατεύθυνση της πτήσης, ενώ το αζιμούθιο (Ε) αναφέρεται στην κατά μήκος διάσταση σάρωση παράλληλη προς την κατεύθυνση της πτήσης.

* Ραντάρ συνθετικού διαφράγματος. Synthetic Aperture Radar (SAR) χρησιμοποιείται για την απόκτηση υψηλής ανάλυσης (~ 10m - 1χλμ) Παραδείγματα: δορυφόρος ERS, καναδικός δορυφόρος

• Μετεωρολογικό ραντάρ Doppler, Dopler weather radar. είναι ένα επίγειο σύστημα που μετρά τόσο το πλάτος και τη φάση της ηχούς του ραντάρ

Βασικές παράμετροι της κεραίας. Κεραία είναι μια κατασκευή η οποία χρησιμεύει για την διαμεσολάβηση μεταξύ του κύματος που διαδίδεται στον ελεύθερο χώρο και των ηλεκτρικών τάσεως στο κύκλωμα με το οποίο είναι συνδεδεμένη.

Παραμέτρους βασικές κεραία (στον ελεύθερο χώρο): 1) Μοτίβο Πεδίου: 3-D ποσότητες που αφορούν στην μεταβολή του Η/Μ πεδίου ή Η/Μ δύναμη ως μια λειτουργία του σφαιρικών συντεταγμένων θ και φ: πρότυπο ισχύς P (θ, φ) (σε W SR-1) και κανονικοποιημένο μοτίβο ισχύος: Pn (θ, φ) = P (θ, φ) / Pmax (θ, φ)

Δεδομένου ότι η διαφορά μεταξύ της ισχύος που μεταδίδεται από μια κεραία, Pt (σε W), και της ισχύος λήψης από την οπισθοσκέδαση συνήθως διαφέρουν κατά αρκετές τάξεις μεγέθους, το λαμβανόμενο σήμα εκφράζεται σε Ντεσιμπέλ (dB):

2. Απολαβή κεραίας ορίζεται ως ο λόγος της έντασης στην κορυφή του μοτίβου μετάδοσης, Ιρ, με μια ισοτροπική ένταση που προέρχεται υποθέτοντας ότι η συνολική ισχύς, Pt (σε W), κατανέμεται εξίσου σε όλες τις κατευθύνσεις

3. Περιοχή δέσμης (ή δέσμη στερεάς γωνίας) (σε sr) Η περιοχή της δέσμης είναι μια στερεά γωνία μέσα από την οποία το σύνολο της ηλεκτρικής ενέργειας ακτινοβολείται από την κεραία. Η περιοχή ακτίνας μπορεί να προσεγγιστεί από το γινόμενο της ημίσειας του εύρους ακτίνας.

4. Ενεργό διάφραγμα που μετράται σε m2

5. Κατευθυντικότητα που ορίζεται ως ο λόγος της μέγιστης ισχύος με τη μέση τιμή της

Τύπος μετάδοσης Friis (εξίσωση) Η εξίσωση μετάδοσης Friis χρησιμοποιείται στην μηχανική τηλεπικοινωνιών, και δίνει τη δύναμη που λαμβάνεται από μία κεραία κάτω από εξιδανικευμένες συνθήκες όταν αυτή δοθεί σε άλλη κεραία και σε συγκεκριμένη μέσω μιας γνωστής ποσότητας ρεύματος.