1 / 203

Metody echolokacji

Metody echolokacji. Roman Salamon Katedra Systemów Elektroniki Morskiej pokój 747 tel. 58-347-17-17 roman.salamon@eti.pg.gda.pl Konsultacje środa od 10 00 do 14 00 lub inny termin po umówieniu telefonicznym. Slajdy wykładów: http://www.eti.pg.gda.pl/katedry/ksem/studenci.html.

vince
Télécharger la présentation

Metody echolokacji

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Metody echolokacji Roman Salamon Katedra Systemów Elektroniki Morskiej pokój 747 tel. 58-347-17-17 roman.salamon@eti.pg.gda.pl Konsultacje środa od 1000 do 1400lub inny termin po umówieniu telefonicznym. Slajdy wykładów: http://www.eti.pg.gda.pl/katedry/ksem/studenci.html Roman Salamon METODY ECHOLOKACJI

  2. Warunki zaliczenia przedmiotu: • 60% dobrych odpowiedzi na egzaminie pisemnym. • Egzamin w formie testu • Literatura: • M. Skolnik: Radar Handbook, McGraw-Hill Professional, 2008 • R. Salamon: Systemy hydrolokacyjne, Wyd. GTN, Gdańsk 2006 • A. Nowicki: Ultradźwięki w medycynie, Wyd. IPPT PAN, Warszawa 2010 Roman Salamon METODY ECHOLOKACJI

  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 METODY ECHOLOKACJI

  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 METODY ECHOLOKACJI

  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 Salamon METODY ECHOLOKACJI

  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 Salamon METODY ECHOLOKACJI

  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 METODY ECHOLOKACJI

  8. Częstotliwości i długości fal elektromagnetycznych Roman Salamon METODY ECHOLOKACJI

  9. Porównanie dla fal o tej samej długości =0.1 m. Roman Salamon METODY ECHOLOKACJI

  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 Salamon METODY ECHOLOKACJI

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

  12. Obowiązuje ogólna zasada: czym większa częstotliwość pracy, tym krótszyzasięg. Roman Salamon METODY ECHOLOKACJI

  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 Salamon METODY ECHOLOKACJI

  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 Salamon METODY ECHOLOKACJI

  15. Antena paraboliczna radaru morskiego Anteny paraboliczna radarów dalekiego zasięgu Płaska antena radaru z elektronicznym odchylaniem wiązki Roman Salamon METODY ECHOLOKACJI

  16. Roman Salamon METODY ECHOLOKACJI

  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 Salamon METODY ECHOLOKACJI

  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 Salamon METODY ECHOLOKACJI

  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 Salamon METODY ECHOLOKACJI

  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 Salamon METODY ECHOLOKACJI

  21. konsola sonaru z antenąholowaną konsola sonaru antena holowana Roman Salamon METODY ECHOLOKACJI

  22. echosonda rybacka- nawigacyjna radiohydroboje (pławy hydroakustyczne Roman Salamon METODY ECHOLOKACJI

  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 Salamon METODY ECHOLOKACJI

  24. Zastosowania: • geologia • sejsmologia • meteorologia • geografia • archeologia • zdalne sterowanie • wojsko • rolnictwo Metoda skanowaniaprzestrzeni Roman Salamon METODY ECHOLOKACJI

  25. METODY PRZESZUKIWANIA PRZESTRZENI sektorowa dookólna boczna 25 R. Salamon METODY ECHOLOKACJI Roman Salamon METODY ECHOLOKACJI

  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 26 R. Salamon METODY ECHOLOKACJI Roman Salamon METODY ECHOLOKACJI

  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. 27 R. Salamon METODY ECHOLOKACJI Roman Salamon METODY ECHOLOKACJI

  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. 28 R. Salamon METODY ECHOLOKACJI Roman Salamon METODY ECHOLOKACJI

  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 29 R. Salamon METODY ECHOLOKACJI Roman Salamon METODY ECHOLOKACJI

  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 30 R. Salamon METODY ECHOLOKACJI Roman Salamon METODY ECHOLOKACJI

  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 31 R. Salamon METODY ECHOLOKACJI Roman Salamon METODY ECHOLOKACJI

  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. 32 R. Salamon METODY ECHOLOKACJI Roman Salamon METODY ECHOLOKACJI

  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. 33 R. Salamon METODY ECHOLOKACJI Roman Salamon METODY ECHOLOKACJI

  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 Salamon METODY ECHOLOKACJI

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

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

  37. Funkcja autokorelacji Definicja funkcji korelacji:: Definicja funkcji autokorelacji Energia sygnału Widmo funkcji autokorelacji Roman Salamon METODY ECHOLOKACJI

  38. Wyznaczanie funkcji autokorelacji impulsu prostokątnego 0 Roman Salamon METODY ECHOLOKACJI

  39. Wyznaczanie funkcji autokorelacji sygnału sinusoidalnego o obwiedni prostokątnej Roman Salamon METODY ECHOLOKACJI

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

  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 Salamon METODY ECHOLOKACJI

  42. Funkcja autokorelacji sygnału z liniową modulacją częstotliwości B T=1/B Roman Salamon METODY ECHOLOKACJI

  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 Salamon METODY ECHOLOKACJI

  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 Salamon METODY ECHOLOKACJI

  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 Salamon METODY ECHOLOKACJI

  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 Salamon METODY ECHOLOKACJI

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

  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 Salamon METODY ECHOLOKACJI

  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 Salamon METODY ECHOLOKACJI

  50. Sygnał sinusoidalny o obwiedni prostokątnej Widmo amplitudowe sygnału Roman Salamon METODY ECHOLOKACJI

More Related