ΕΘΝΙΚΟ ΚΑΙ ΚΑΠΟΔΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΚΑΙ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ Ανάπτυξη Συστήματος Ψηφιακού Ακουστικού Ραντάρ Στρεφόμενου Λοβού Ανάπτυξη Συστήματος Ψηφιακού Ακουστικού Ραντάρ Στρεφόμενου Λοβού Επιστημονικός Υπεύθυνος: Γ. Στεφάνου Κύριοι Ερευνητές: Τ.Λιάσκας, Δ. Μαρτάκος Η επιτυχής διεκπεραίωση της έρευνας απέφερε μια σειρά από σημαντικά συμπεράσματα και αποτελέσματα σε θεωρητικό και τεχνολογικό επίπεδο: Είναι δυνατή η ανάπτυξη ενός τέτοιου συστήματος με σχετικά μικρό κόστος Μία ψηφιακά τροφοδοτούμενη ακουστική κεραία στρέφει το λοβό της σε ένα διακριτό σετ διευθύνσεων στο χώρο Η χρήση 8bits για κωδικοποίηση της διαφοράς φάσης οδηγεί σε ένα σετ διευθύνσεων επαρκές για κάλυψη του χώρου και για παρακολούθηση κινούμενων αέριων μαζών Τα τυχαία σφάλματα (σε φυσιολογικά όρια) δεν επηρεάζουν σημαντικά τη κατεύθυνση στροφής του λοβού Η χρήση μνήμης αποθήκευσης δειγμάτων ανά κανάλι λήψης οδηγεί σε ένα πολύπλοκο σύστημα με δυνατότητα προσδιορισμού κατεύθυνσης έλευσης σήματος επιστροφής Η ακουστική ισχύς που πρέπει να εκπέμπει ένα σύστημα στρεφόμενου λοβού είναι μεγαλύτερη από ένα αντίστοιχο τριστατικό σύστημα ίδιου βεληνεκούς. Αποτελέσματα D.Martakos,T.Liaskas & G.Stephanou (1990): 'A microprocessor based beam forming system, for a digital switched beam acoustic radar', Proceedings of 5 th Intern. Symp. on Acoustic Remote Sensing of Atmosphere & Oceans, New Delhi, India, Feb. 6-9, σελ T.Liaskas, G.Stephanou & D.Martakos (1994): 'Beam pointing errors of phased arrays for digital switched beam acoustic radars', International Journal of Remote Sensing, V.15(2), σ T.Liaskas, D.Martakos & E.Kayafas (1995): 'A novel design of a digitally controled multichannel pattern generator', Proc. of 7 th Intern. Symp. on Modern Electrical & Magnetic Measurements, IMEKO TC-4, Prague, Sept , σελ T.Liaskas, D.Martakos & G.Stephanou (1996): 'Development of a modular switched beam digital acoustic radar', Proc. of 8 th Intern. Symp. on Acoustic Remote Sensing of Atmosphere & Oceans, Moscow, May 27-31, σελ T.Liaskas, G.J. Stephanou & D. Martakos (1999): "Wind Measurements with One Switched-Beam Digital Acoustic Radar using Independent Control on the Array Antennae's Transducers", Proc. of 3 rd IMACS (CSCC'99), Athens, July 4-8, σελ T.J.Liaskas, D.Martakos, G.J.Stephanou (1999): "Development of a switched-beam, digital acoustic radar: an object oriented modeling and design approach", Proc. of 3 rd IMACS (CSCC'99), Athens, July 4-8, σελ Δημοσιεύσεις Στόχος της έρευνας ήταν η αντικειμενοστραφής σχεδίαση και ανάπτυξη του πειραματικού πρωτοτύπου ενός ολοκληρωμένου συστήματος ψηφιακού ακουστικού ραντάρ (ονομαζόμενο SBEDAR) που θα περιλαμβάνει κεραία (array) από συνήθη ακουστικά στοιχεία του εμπορίου (tweeters). Η σχεδίαση και η ανάπτυξη αφορά το υλικό αλλά και το λογισμικό σε επίπεδο συστήματος (driver συσκευής και λογισμικό λειτουργίας) όσο και εφαρμογών (επεξεργασία μετρήσεων για εξαγωγή ακτινικής συνιστώσας και συνολικού ανύσματος ταχύτητας ανέμου). Στόχος Σχήμα 3: Φωτογραφίες του συστήματος SBEDAR. (1) Σύστημα (χωρίς κεραία) (2) Κύριες ηλεκτρονικές μονάδες (3) Η ακουστική κεραία (4) Ο θώρακας (αποσυναρμολογημένος) (5) Η κεραία μέσα στο θώρακα (6) Πλήρως συναρμολογημένος θώρακας Τα ακουστικά ραντάρ Το ακουστικό ραντάρ είναι μια διάταξη τηλεπισκόπισης (remote sensing) και λειτουργεί όπως τα συμβατικά ραντάρ, με τη διαφορά ότι εκπέμπει σύντομους ηχητικούς παλμούς. Τα ακουστικά αυτά κύματα υφίστανται σκέδαση από ατμοσφαιρικές διαταραχές και από την επεξεργασία του σήματος που επιστρέφει στη κεραία εξάγονται μετρήσεις για διάφορες παραμέτρους της ατμόσφαιρας. Ανάλογα με το πλήθος των κεραιών που περιλαμβάνει ένα ακουστικό ραντάρ και τον τρόπο λειτουργίας του χαρακτηρίζεται ως μονοστατικό, διστατικό, τριστατικό και στρεφόμενου λοβού. Με ένα μονοστατικό σύστημα (μία κεραία) μπορεί να μετρηθεί η ακτινική συνιστώσα της ταχύτητας του ανέμου και η παράμετρος θερμοκρασιακής δομής C T 2. Με ένα διστατικό σύστημα (δύο κεραίες) μπορεί να μετρηθεί η οριζόντια συνιστώσα της ταχύτητας του ανέμου, η κατεύθυνση της και η παράμετρος δομής ταχύτητας C V 2. Με ένα τριστατικό σύστημα (τρεις κεραίες) μπορεί να μετρηθεί και το πλήρες άνυσμα της ταχύτητας του ανέμου. Με το ακουστικό ραντάρ στρεφόμενου λοβού μπορούν να μετρηθούν οι ίδιες παράμετροι με αυτές που μετρά ένα τριστατικό σύστημα αλλά με χρήση μόνο μίας κεραίας, η οποία δύναται να στρέφει ηλεκτρονικά το λοβό της. Τα πλεονεκτήματα της φιλοσοφίας αυτής είναι ο μικρότερος όγκος, η ευελιξία μεταφοράς του, το μικρότερο κόστος υλοποίησης και η αυξημένη αξιοπιστία. Το μειονέκτημα είναι η πολυπλοκότητα της σχεδίασης των ηλεκτρονικών μονάδων. Η απεικόνιση της έντασης του σήματος που λαμβάνει ένα ακουστικό ραντάρ ως συνάρτηση του ύψους και του χρόνου, αποτελεί χρήσιμο εργαλείο για την ανάδειξη (σε πραγματικό χρόνο) της παρουσίας, δομής και εξέλιξης διάφορων ατμοσφαιρικών φαινομένων, γεγονός που προσφέρει ένα ακόμα ελκυστικό χαρακτηριστικό στα συστήματα αυτά. Σε σύγκριση με τις άλλες τεχνικές τηλεπισκόπισης, τα ακουστικά ραντάρ παρουσιάζουν σημαντικά πλεονεκτήματα, όπως:  Ευαισθησία σε διαταραχές θερμοκρασίας ή ταχύτητας μικρής κλίμακας οι οποίες είναι δύσκολο να ανιχνευτούν με άλλες μεθόδους  Οι καταγραφές τους χορηγούν σε πραγματικό χρόνο ‘εικόνες' δομής της ατμόσφαιρας  Ύψη λειτουργίας εκτεινόμενα από λίγα μέτρα μέχρι λίγα Km με τυπικές διακριτικές ικανότητες της τάξης των 10 μέτρων  Η επεξεργασία των δεδομένων είναι άμεση  Μικρό κόστος, κυμαινόμενο από αρκετές εκατοντάδες μέχρι λίγες χιλιάδες δολάρια. Σχήμα 5: Καταγραφή έντασης επιστροφών & προφίλ κατακόρυφης συνιστώσας ταχύτητας ανέμου (μονοστατική λειτουργία). Σχήμα 6: Σχηματικό διάγραμμα επεξεργασίας μετρήσεων & προφίλ ανύσματος ταχύτητας ανέμου (λειτουργία στρεφόμενου λοβού) ….. M 11 M 12 M 1L ….. M 21 M 22 M 2L ….. M 31 M 32 M 3L EEE ΕΠΕΞΗΓΗΣΕΙΣ D IJ : Δεδομένα που συλλέχτηκαν κατά τη λειτουργία στο κύκλο Ι κατεύθυνση J (J=1,2,3) S IJK : Αποτελέσματα επεξεργασίας (με FFT) του πακέτου δεδομένων K από το κύκλο Ι κατεύθυνση J (φάσματα συχνοτήτων) Μ IJ : μέση τιμή φασμάτων, Μ IJ = (S 1IJ + S 2IJ )/2 E: Η διαδικασία εξαγωγής του ανύσματος του ανέμου από τις 3 συνιστώσες του, που προκύπτουν από υπολογισμό μετατόπισης συχνότητας κατά Doppler ….……… ….….….. S 11 1 S 11 2 … S 11 L D 12 S 12 1 S 12 2 … S 12 L D 13 S 13 1 S 13 2 … S 13 L S 21 1 S 21 2 … S 21 L D 22 S 22 1 S 22 2 … S 22 L D 23 S 23 1 S 23 2 … S 23 L D N1 S N1 1 S N1 2 … S N1 L D N2 S N2 1 S N2 2 … S N2 L D N3 S N3 1 S N3 2 … S N3 L …………. FF T D 11 D 21 P To πειραματικό πρωτότυπο (SBEDAR) που αναπτύχθηκε, χρησιμοποιήθηκε για ποσοτικές και ποιοτικές μετρήσεις κυρίως της ταχύτητας του ανέμου. Πρώτες Μετρήσεις με το SBEDAR Προηγήθηκαν αρκετές μετρήσεις των επιδόσεων του συστήματος που επιβεβαίωσαν τη συμφωνία των χαρακτηριστικών του συστήματος με τις προδιαγραφές που είχαν αρχικά τεθεί ως στόχοι. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων το SBEDAR λειτούργησε ως μονοστατικό και ως ραντάρ στρεφόμενου λοβού. Η ένταση του σήματος λήψης (μία τυπική μορφή του παρουσιάζεται στο Σχήμα 4) απεικονιζόταν σε πραγματικό χρόνο στην οθόνη του P/C, ενώ η επεξεργασία των μετρήσεων και η εξαγωγή της ταχύτητας του ανέμου πραγματοποιήθηκε μετά από την ολοκλήρωση κάθε πειράματος. Σχήμα 4: Μορφή του σήματος λήψης του SBEDAR Τα αποτελέσματα δύο τυπικών πειραμάτων με το SBEDAR να λειτουργεί ως μονοστατικό και ως σύστημα στρεφόμενου λοβού, παρουσιάζονται στα Σχήματα 5 και 6 αντίστοιχα. Για τη περίπτωση της λειτουργίας με στροφή του λοβού ακολουθιακά σε 3 μη συνεπίπεδες διευθύνσεις, παρουσιάζεται και ο αλγόριθμος επεξεργασίας των μετρήσεων (μέσες τιμές των αντίστοιχων φασμάτων), μια τακτική που εφαρμόζεται πάντα στα ακουστικά ραντάρ για βελτίωση του σήματος προς θόρυβο. Σχήμα 1: Συνοπτική αρχιτεκτονική του συστήματος SBEDAR γ) β) α) ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗΣ (PC) ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΤΗΣ ΛΟΒΟΥ (BEAMFORMER) ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΡΑΜΠΑΣ ΚΕΡΑΙΑ (Συστοιχία) Γραμμές Εκπομπής Γραμμές Λήψης ΦΙΛΤΡΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΕΝΙΣΧΥΤΕΣΔΙΑΚΟΠΤΕΣ T/R ΦΙΛΤΡΑ ΛΗΨΗΣ ΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΣΤΕΣΠΡΟΕΝΙΣΧΥΤΕΣ ΣΥΣΤΗΜΑ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ TOY SBEDAR ΑΠΟΣΤΟΛΗ ΣΗΜΑΤΩΝ TR ΣΤΗΝ ΚΕΡΑΙΑ ΛΗΨΗ ΣΗΜΑΤΩΝ RC ΑΠΟ ΤΗΝ ΚΕΡΑΙΑ ΚΑΘΟΡΙΣΜΟΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΡΟΛΟΪ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΕΝΤΑΣΗΣ ΕΠΙΣΤΡΟΦΩΝ ΤΑΧΥΤΗΣ ΑΝΕΜΟΥ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ ΑΝΕΜΟΥ Σχήμα 2: To σύστημα SBEDAR ως μηχανή λογισμικού Δομή & Λειτουργία του συστήματος SBEDAR Η ανάλυση του συστήματος οδήγησε στην αρχιτεκτονική που παρουσιάζεται σχηματικά στο Σχήμα 1. Κύρια μονάδα είναι ο μορφοποιητής λοβού (beamformer). Η μονάδα αυτή είναι προγραμματιζόμενη. Ο προγραμματισμός της γίνεται μέσω μιας απλής, προσανατολισμένης στο σύστημα γλώσσας προγραμματισμού, η οποία αναπτύχθηκε για αυτό το σκοπό. Η επικοινωνία με τον Η/Υ γίνεται μέσω της παράλληλης θύρας. Στο Σχήμα 2 παρουσιάζεται το SBEDAR από τη σκοπιά του λογισμικού, ως μηχανή λογισμικού πραγματικού χρόνου. Η μεθοδολογία ανάπτυξης επιτρέπει στο χρήστη να ρυθμίσει μέσω κατάλληλων μενού επιλογών όλες τις παραμέτρους λειτουργίας του συστήματος, όπως τις κατευθύνσεις λειτουργίας, τη διάρκεια εκπομπής και λήψης, το χρόνο αποκατάστασης, τη διακριτική ικανότητα ως προς ύψος κλπ. Επίσης παρέχει τη πρωτοποριακή δυνατότητα αλλαγής κεραίας, με ελάχιστες ή καθόλου αλλαγές στις υπόλοιπες μονάδες, μέσω κατάλληλου προγραμματισμού των σημάτων του μορφοποιητή λοβού.