KolejSAR
RailSAR , znany również jako ultraszerokopasmowy radar z syntetyczną aperturą penetracji liści (UWB FOPEN SAR), to prowadzony po szynach impulsowy system radarowy o niskiej częstotliwości , który może wykrywać i rozpoznawać obiekty ukryte za listowiem. Został zaprojektowany i opracowany przez Laboratorium Badawcze Armii Stanów Zjednoczonych (ARL) na początku lat 90. w celu zademonstrowania możliwości powietrznego SAR w zakresie penetracji liści i gruntu . Ponieważ jednak przeprowadzanie dokładnych, powtarzalnych pomiarów na platformie powietrznej było zarówno trudne, jak i kosztowne, railSAR został zbudowany na dachu czteropiętrowego budynku w kompleksie Army Research Laboratory wzdłuż 104-metrowego toru wypoziomowanego laserowo.
W tamtym czasie railSAR należał do najwyższej kategorii systemów radarowych UWB , działających w paśmie o szerokości 950 MHz od 40 MHz do 1 GHz z impulsem o mocy 2,5 megawata. Zapewniał w pełni polarymetryczne dane radarowe o wysokiej rozdzielczości i posiadał 185% przepustowości w porównaniu z innymi systemami radarowymi, które miały mniej niż 25% przepustowości.
Zastosowania technologii railSAR sięgają od zastosowań wojskowych, takich jak wykrywanie min przeciwpiechotnych i ukrytych celów stacjonarnych w celach rozpoznawczych , po zastosowania komercyjne, w tym wykrywanie kabli i rur, pomiary poziomu ropy naftowej i wód gruntowych oraz środki zaradcze w środowisku .
Rozwój
Rozwój railSAR rozpoczął się w 1988 roku jako część eksploracyjnego programu badawczego, którego celem było stworzenie technologii wykrywającej cele zakamuflowane lub ukryte przez drzewa i liście. Podczas gdy wczesne wysiłki napotykały znaczne wyzwania, postęp w przetworników analogowo-cyfrowych (A/D) , technologii źródła i przetwarzania sygnałów moc pozwoliła naukowcom z ARL stworzyć możliwy do zrealizowania system i lepiej zrozumieć działanie radaru penetrującego liście i ziemię. Szczególną uwagę zwrócono na analizę podstawowej fenomenologii radaru impulsowego, zwłaszcza efektów propagacji celów, bałaganu i celów osadzonych w bałaganie.
RailSAR miał cztery liniowe anteny tubowe TEM o długości 1,35 m (4,5 stopy) 200 omów, dwie do nadawania i dwie do odbioru, zamontowane na obrotowej, nieprzewodzącej ramie, która była zakotwiczona na zawiasowej płycie zbudowanej z z aluminium o strukturze plastra miodu i pokryte bezechową pianką. Dwie anteny nadawcze były spolaryzowane liniowo pod kątem ±45 stopni, a dwie anteny odbiorcze miały przedwzmacniacz o niskim poziomie szumów i zabezpieczenie odbiornika diodą PIN . Projekt anteny został pierwotnie wyprodukowany przez National Institute of Standards and Technology (NIST) . Dodatkowe 0,5 metra obciążonej rezystancyjnie równoległej sekcji płytowej na promieniującym końcu anten poprawiło tłumienie odbiciowe przy wysokich częstotliwościach, pochłaniając część energii przy otwartej aperturze. Nadajnik impulsów za zespołem anteny służył do ładowania anteny, a także rozładowywania anteny za pomocą kapsuły trzcinowej pod ciśnieniem wodoru w celu wytworzenia nadawanego impulsu.
Zaprojektowany przez ARL programowalny system oparty na macierzy bramek , znany jako obwód taktowania i sterowania (T&C), dostarczał sygnały sterujące do nadajników i zabezpieczeń odbiornika. Służył również do skutecznego zmniejszania zakłóceń z innych nadajników, jednocześnie minimalizując zakłócenia w pobliskich odbiornikach. Dwa komputery przekazały polecenia GPIB (General Purpose Interface Bus) do dwóch oscyloskopów cyfrowych Tektronix DSA602A do pomiaru czasu między wyzwalaczem a zboczami zegara A/D i przechowywania danych na magnetooptycznych dyskach wielokrotnego zapisu. Komputer nadrzędny sterował ruchem wózka, na którym zamontowano anteny.
W 1995 roku projekt railSAR został włączony do rozwoju boomSAR w celu stworzenia mobilnego radaru o wysokim stosunku sygnału do szumu . Do 2016 r. railSAR został przeniesiony z dachu budynku do obiektu krytego i poddany kilku redukcjom wagi i przeprojektowaniu.
Operacja
Ogólnie rzecz biorąc, systemy radarowe skuteczniej penetrują listowie i ziemię przy niższych częstotliwościach , ponieważ dłuższe fale mogą penetrować nieprzezroczyste struktury głębiej niż krótsze fale. Jednak w zamian za większe możliwości penetracji, niższe częstotliwości zapewniają niższą rozdzielczość obrazu .
Radar ultraszerokopasmowy jest w stanie przezwyciężyć to ograniczenie rozdzielczości, przesyłając niezwykle wąskie impulsy, a więc „impuls”, aby uzyskać wystarczająco szerokie pasmo. Jednak krótkość impulsów odbywa się kosztem mocy szczytowej, tak bardzo, że moc szczytowa na częstotliwość spada poniżej progu odbiorników selektywnych częstotliwościowo. Podczas gdy niska moc utrudnia podsłuchującym wykrycie sygnału, wadą tego kompromisu jest znaczny wzrost kosztów przetwarzania. Aby niezawodnie odbierać sygnał UWB przy tak małej mocy na częstotliwość, system radarowy UWB musi albo otworzyć się na szum za pomocą dużej częstotliwości próbkowania odbiornika, włącz średnią sygnału, która obniża szybkość transmisji danych, lub zwiększ moc nadawania sygnału do wysokiej, co powoduje zakłócenia dla innych odbiorników. Ponadto szersze pasmo może zwiększyć prawdopodobieństwo fałszywych alarmów.
Jednak połączenie niskiej częstotliwości i wysokiej rozdzielczości obecne w radarach UWB okazało się niezwykle pożądane w przypadku penetracji listowia i gruntu, w których zwiększona przepustowość stanowiła wyraźną przewagę nad kosztami. W celu osiągnięcia częstotliwości niezbędnych do odpowiedniej penetracji, przy równoczesnym zrównoważeniu kosztów przetwarzania związanych z ultraszerokopasmowym pasmem, railSAR został zaprojektowany w celu identyfikacji klastrów min na bardzo dużych obszarach, a nie wykrywania każdej pojedynczej miny ukrytej w glebie i liściach.
RailSAR został początkowo zbudowany tak, aby patrzeć na północ nad północnym parkingiem kompleksu ARL jako obszarem docelowym, który był zamieszkany głównie przez drzewa liściaste . System radarowy wymagał około 80 godzin, aby zebrać jedną kompletną aperturę w pełni polarymetrycznych danych o wysokiej rozdzielczości. Jego moc szczytowa wynosiła 500 kW przy częstotliwości powtarzania impulsów 40 Hz, a średnia transmitowana moc wynosiła około 20 mW. Tworzenie obrazu radarowego wymagało od railSAR ograniczenia przetwarzania Fouriera do bardzo małych fragmentów w obszarze obrazu.
Pomimo wykorzystania sygnałów o niskiej częstotliwości, railSAR był w stanie osiągnąć wysoką rozdzielczość, poruszając się wzdłuż szyny oraz przesyłając i odbierając sygnały zwrotne w kierunku prostopadłym do linii ruchu wzdłuż szyny. Podczas testów analizy wydajności system railSAR osiągnął prawdopodobieństwo rozpoznania na poziomie 90 procent przy stosunkowo niskim wskaźniku fałszywych alarmów. Bliższa inspekcja wykazała, że poszczególne fałszywe alarmy były na ogół wyzwalane przez obiekty na obrazach, a nie przypadkowy szum.