Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

SYSTEMY ECHOLOKACYJNE1 ROMAN SALAMON KATEDRA SYTEMÓW ELEKTRONIKI MORSKIEJ Pokój 749 tel. 347-17-17 .:

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "SYSTEMY ECHOLOKACYJNE1 ROMAN SALAMON KATEDRA SYTEMÓW ELEKTRONIKI MORSKIEJ Pokój 749 tel. 347-17-17 .:"— Zapis prezentacji:

1

2 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE1 ROMAN SALAMON KATEDRA SYTEMÓW ELEKTRONIKI MORSKIEJ Pokój 749 tel : Konsultacje: codziennie od 12-16

3 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE2 SPRAWY ORGANIZACYJNE Układ przedmiotu: Wykład - 2 godz. Laboratorium terenowe - 1 godz. Stacja Badań Hydroakustycznych Katedry Systemów Elektroniki Morskiej nad Jeziorem Wdzydze. Dwudniowy wyjazd w grupach kilkunastoosobowych pod koniec maja. Prowadzący: dr J. Marszal, dr K. Zachariasz

4 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE3 Stacja Badań Hydroakustycznych

5 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE4 Forma zaliczenia: wykład - jedno lub dwa kolokwia laboratorium obecność (obowiązkowa) – ocena dostateczna, sprawozdanie (nieobowiązkowe) – lepsza ocena. Ocena łączna: 65% - wykład, 35% laboratorium Materiały pomocnicze: Program wykładu i laboratorium – tablica ogłoszeń KSEM, 7 piętro Literatura - tamże

6 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE5 Ogólna zasada pracy systemów echolokacyjnych. Definicja systemu telekomunikacyjnego Systemem telekomunikacyjnym nazywamy system służący do przekazywania informacji na odległość przy użyciu sygnałów. Definicja systemu echolokacyjnego System echolokacyjny jest systemem (telekomunikacyjnym) służącym do pozyskiwania informacji o środowisku i znajdujących się w nim oddalonych obiektach przy użyciu sygnałów echa.

7 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE6 Zasada pracy systemu echolokacyjnego sygnał sondujący sygnał echa - odbity

8 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE7 Ogólna struktura sytemu telekomunikacyjnego i echolokacyjnego ŹRÓDŁO INFORMACJI NADAJNIK KANAŁ ODBIORNIK ODBIORCA INFORMACJI SYSTEM TELEKOMUNIKACYJNY SYSTEM ECHOLOKACYJNY NADAJNIK ODBIORNIK KANAŁ ŹRÓDŁO INFORMACJI ODBIORCA INFORMACJI sygnał echa sygnał sondujący

9 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE8 Podstawowe cechy systemów echolokacyjnych Informacja o obiekcie przyporządkowywana jest sygnałowi echa, które powstaje w wyniku odbicia sygnału sondującego od obiektu. Nośnikiem sygnałów są zmodulowane fale elektromagnetyczne (w tym optyczne) lub akustyczne. W systemach echolokacyjnych stosuje się takie fale, które są najmniej tłumione w danym ośrodku (kanale). Nośnikiem informacji jest wyłącznie sygnał echa.

10 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE9 Przeznaczenie i klasyfikacja systemów echolokacyjnych Przeznaczenie – główne zadania systemów echolokacyjnych Wykrycie obiektu (celu) – detekcja. Określenie położenia obiektu – lokalizacja. Określenie parametrów celu (wielkości, prędkości) – estymacja parametrów. Klasyfikacja i identyfikacja obiektu.

11 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE10 Klasyfikacja systemów echolokacyjnych SYSTEMY ECHOLOKACYJNE AKTYWNE, PASYWNE ELKTROMAGNETYCZNEAKUSTYCZNE HYDROAKUSTYCZNE AEROAKUSTYCZNE DIAGNOSTYCZNE RADIOLOKACYJNE OTYCZNE

12 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE11 KLASYFIKACJA ZE WZGLĘDU NA PRZEZNACZENIE RADIOLOKACYJNEHYDROAKUSTYCZNEDIAGNOSTYCZNE RADARY LOTNICZE RADARY MORSKIE ECHOSONDY SONARY MEDYCZNE BADANIA NIENISZCZĄCE AEROAKUSTYCZNE SODARY SYSTEMY ALARMOWE

13 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE12 Przykład klasyfikacji systemów hydrolokacyjnych  według rozwiązań technicznych  echosondy: jednowiązkowe, wielowiązkowe;  sonary: jednowiązkowe, wielowiązkowe: czołowe (sektorowe), okrężne, boczne, -podkilowe, -opuszczane, -holowane, -stacjonarne.

14 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE13 Porównanie fal elektromagnetycznych i akustycznych w wodzie Fale elektromagnetyczne : Prędkość propagacji c= km/s Tłumienie 10 4 dB/m – ( =0.1 m), Fale akustyczne Prędkość propagacji c=1.5 km/s Tłumienie 1dB/km – ( =0.1 m) razy krótsza fala przy tej samej częstotliwości, 10 7 razy mniejsze tłumienie przy tej samej długości fali

15 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE14 Metody określania położenia celu Systemy aktywne: namiar (kąt), odległość Systemy pasywne: dwa namiary, znana baza

16 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE15 Metody przeszukiwania przestrzeni

17 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE16 Schemat funkcjonalny systemu echolokacyjnego Nadajnik OdbiornikZobrazowanie wiązka nadawcza wiązka odbiorcza KANAŁ zakłócenia szumy

18 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE17 Zobrazowanie

19 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE18 Anteny radarowasonarowa

20 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE19 Konsole systemów echolokacyjnych na okręcie

21 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE20 Podstawowe parametry eksploatacyjne systemów echolokacyjnych Zasięg Dokładność pomiaru odległości Dokładność określenia namiaru Rozdzielczość wgłębna (odległości) Rozdzielczość kątowa Sektor kątowy obserwacji Czas przeszukiwania

22 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE21 Zasięg Zasięgiem systemu nazywamy maksymalną od- ległość, z której system wykrywa z założonym prawdopodobieństwem określony cel w istnieją- cych warunkach propagacyjnych. Zasięg zależy od: parametrów technicznych systemu, parametrów wykrywanego obiektu (siły celu), warunków propagacji fal w ośrodku, prawdopodobieństwa detekcji i fałszywego alarmu.

23 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE22 Dokładność pomiaru odległości Pomiar odległości R c – prędkość fali w ośrodku, [m/s] T – czas między momentem emisji impulsu sondującego i momentem odbioru sygnału echa t T próg Impuls sondującyImpuls echa

24 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE23 Błąd pomiaru odległości  c – błąd określenia prędkości fali  T – błąd pomiaru czasu Przyczyny błędów: dynamiczne i lokalne zmiany prędkości w ośrodku, rozchodzenie się fal po liniach krzywych niejednoznaczność w ocenie momentu przyjścia impulsu echa

25 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE24 Dokładność określenia namiaru Dokładność określenia namiaru zależy przede wszystkim od szerokości charakterystyki kierunkowej; jest tym lepsza im charakterystyka kierunkowa (wiązka) jest węższa. -3dB  -3dB

26 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE25 Szerokości wiązki w dwóch przekrojach

27 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE26 Rozdzielczość wgłębna Rozdzielczością wgłębną nazywamy najmniejszą odległość celów (punktowych) obserwowanych pod tym samym kątem, przy której sygnały echa są rozróżnialne. Ujęcie podstawowe:  - efektywny czas trwania impulsu echa na wyjściu odbiornika

28 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE27 Ilustracja

29 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE28 Rozdzielczość kątowa Rozdzielczością kątową nazywamy najmniejszy kąt między celami punktowymi, przy którym na wyjściu odbiornika możemy rozróżnić dwa oddzielne echa.  o = n  -3dB /2 Jednakowa faza sygnałów echa

30 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE29 Fazy sygnałów echa przesunięte o  /2

31 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE30 Fazy sygnałów echa przesunięte o 

32 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE31 Czas przeszukiwania sektora obserwacji Przeszukiwanie pełnej przestrzeni

33 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE32 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.

34 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE33 Sygnał sinusoidalny o obwiedni prostokątnej Ogólny zapis sygnału wąskopasmowego Widmo sygnału

35 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE34 Sygnał o obwiedni prostokątnej  (t/  ) t  s(t)

36 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE35 Widmo sygnału

37 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE36 Funkcja autokorelacji Definicja funkcji korelacji:: Definicja funkcji autokorelacji Widmo funkcji autokorelacjiEnergia sygnału

38 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE37 Przykład 0

39 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE38 Wyznaczanie funkcji autokorelacji sygnału sinusoidalnego o obwiedni prostokątnej

40 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE39 Sygnał z liniową modulacją częstotliwości 0

41 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE40 Widmo sygnału z liniową modulacją częstotliwości B=2  f Szerokość widma Widmo sygnału z liniową zmianą okresu B  >>1

42 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE41 Funkcja autokorelacji sygnału z liniową modulacją częstotliwości B T=1/B

43 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE42 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.

44 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE43 Próbkowanie bezpośrednie Widmo sygnału dyskretnego jest okresowe

45 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE44 Widmo sygnału po próbkowaniu analogowego sygnału o ograniczonym widmie Widmo sygnału po próbkowaniu analogowego sygnału o nieograniczonym widmie Twierdzenie Nyquista

46 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE45 Próbkowanie kwadraturowe sygnałów wąskopasmowych Warunek stosowania próbkowania kwadraturowego: znajomość częstotliwości nośnej sygnału wąskopasmowego

47 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE46 Widmo sygnału po próbkowaniu kwadraturowym Sygnał po próbkowaniu w zapisie zespolonym Widmo sygnału po próbkowaniu kwadraturowym Okres próbkowania kwadraturowego bezpośredniego Zysk

48 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE47 Zmiany fazy a próbkowanie kwadraturowe Sygnał ze zmienną fazą Sygnał po próbkowaniu kwadraturowym Warunek: Liniowa zmiana fazy – efekt Dopplera Widmo

49 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE48 Próbki sygnału sinusoidalnego z odchyłką dopplerowską

50 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE49 Widmo sygnału sinusoidalnego o obwiedni prostokątnej z odchyłką dopplerowską

51 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE50 Efekt opóźnienia sygnału Opóźniony sygnał po próbkowaniu kwadraturowym Widmo sygnału opóźnionego Zależność przybliżona Zależność dokładniejsza

52 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE51 Błędy fazy próbkowania kwadraturowego przy szybkich zmianach fazy Faza sygnału spróbkowanego kwadraturowo, opóźnionego sygnału z modulacją częstotliwości: a- uproszczenie wąskopasmowe, b - bez uproszczenia wąskopasmowego.

53 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE52 Cztery razy węższe widmo przy tym samym czasie trwania impulsu.

54 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE53 Próbkowanie jako przemiana częstotliwości Widmo

55 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE54 Warunki niezachodzenia widma Przykład z rysunku: f 0 =45 kHz, B=8kHz, N  Obieramy zatem N=2 i obliczamy f s =(4/9)f 0 =20 kHz.

56 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE55 Fale akustyczne Falą akustyczną nazywamy zachodzące w czasie i w przestrzeni zmiany stanu równowagi ośrodka sprężystego. Cechy ośrodka warunkujące rozchodzenie się fal akustycznych to: bezwładność i sprężystość. Fale akustyczne opisują: - ciśnienie akustyczne [Pa] - prędkość akustyczna [m/s] - potencjał akustyczny [m 2 /s]

57 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE56 Podstawowe równania Równanie ciągłości  - gęstość [kg/m 3 ] Równanie Eulera Równanie stanu Równanie falowe

58 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE57 Fale płaskie, cylindryczne i sferyczne Fala płaska Fala cylindryczna Fala sferyczna Charakterystyczna impedancja akustyczna Natężenia fali akustycznej [W/m 2 ] Moc fali akustycznej [W]

59 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE58 Fale sinusoidalne Fala płaska Liczba falowa Zapis zespolony Równanie Helmholtza

60 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE59 Płaskie anteny hydroakustyczne Wzór Kirchhoffa

61 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE60 Wzór Rayleigha dla płaskich powierzchni promieniujących w nieskończonej, sztywnej odgrodzie.

62 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE61 Pole bliskie i dalekie

63 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE62 Numeryczne wyznaczanie rozkładu ciśnienia w polu bliski.

64 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE63 W polu bliskim główna część promieniowanej mocy zawarta jest w graniastosłupie o przekroju w kształcie powierzchni promieniującej Granica pola bliskiego Kwadratowa powierzchnia promieniująca o bokach 0, 3 0 i 9 0 i stałej amplitudzie prędkości V n. Kwadratowa powierzchnia promieniująca o bokach 2 0, 4 0 i 5 0 i stałej amplitudzie prędkości V n.

65 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE64 Pole dalekie

66 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE65 Charakterystyka kierunkowa Definicja Ciśnienie na osi akustycznej anteny Wzór do wyznaczanie charakterystyki kierunkowej

67 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE66 Charakterystyka kierunkowa powierzchni prostokątnej o stałym rozkładzie prędkości drgań l x =2a długość boku prostokąta l y =2b długość boku prostokąta

68 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE67 l x =2a=3 0 l y =2b=2 0.

69 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE68 Przekroje charakterystyki kierunkowej

70 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE69 Technika obliczania przekrojów charakterystyk kierunkowych Zmiana układu współrzędnych

71 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE70 Charakterystyka kierunkowa w obróconym układzie współrzędnych Liniowy rozkład prędkości drgań Przekrój charakterystyki kierunkowej

72 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE71 Sposób wyznaczania rozkładu V’(x’) przy stałym rozkładzie prędkości

73 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE72 Charakterystyka kierunkowa powierzchni kołowej Szerokość wiązki

74 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE73 Zastosowanie przekształcenia Fouriera do wyznaczanie charakterystyk kierunkowych Podstawowy wzór do obliczania jednowymiarowej charakterystyki kierunkowej Normalizacja wymiaru x względem długości fali Nowe zmienne znormalizowana długość częstotliwość przestrzenna pulsacja przestrzenna

75 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE74 Przykłady zastosowania przekształcenia Fouriera do wyznaczania charakterystyk kierunkowych powierzchni płaskich Powierzchni prostokątna – V(x,y)=const rozkład widmo przestrzenne charakterystyka kierunkowa

76 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE75 Widmo przestrzenne

77 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE76 Parametry charakterystyki kierunkowej 3-decybelowa szerokość wiązki Zera widma przestrzennego Maksima widma przestrzennego Poziom listków bocznych Liczba listków bocznych

78 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE77 Wykres logarytmiczny charakterystyki kierunkowej

79 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE78 Charakterystyka kierunkowa dla rozkładu trójkątnego Długość podstawy trójkąta Rozkład trójkątny jako splot rozkładów prostokątnych Widmo przestrzenne

80 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE79 Charakterystyka kierunkowa dla rozkładu trapezowego Rozkład drgań Widmo przestrzenne

81 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE80 Twierdzenie o przesunięciu Widmo przestrzenne- postać końcowa Zależności trygonometryczne Charakterystyka kierunkowa

82 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE81 Wieloelementowe anteny płaskie Rozkład prędkości na powierzchni anteny

83 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE82 Przykładowe rozkłady V n ’(x’) dla anteny kwadratowej a)Przekrój wzdłuż symetralnych b)Przekrój wzdłuż przekątnych c)Wybrany przekrój specjalny

84 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE83 Rozkład wzdłuż dowolnego przekroju z wyjątkiem charakterystycznych

85 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE84 Charakterystyki kierunkowe dla rozkładów równomiernych Rozkład drgań d x’ – odległość impulsów Diraca Rozkład zapisany w konwencji przekształcenia Fouriera Widmo przestrzenne  s =2  /d

86 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE85 Widmo przestrzenne źródeł punktowych Charakterystyka kierunkowa

87 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE86 Zasada mnożenia charakterystyk kierunkowych Warunek braku listków dyfrakcyjnych w zakresie kątów widzialnych  s =2  /d  4  d  1/2d x  /2 Łagodny warunek braku listków dyfrakcyjnych w zakresie kątów widzialnych d x 

88 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE87 Detekcja sygnałów echolokacyjnych Cel detekcji: Wykrycie znanego sygnału użytecznego w sygnale echa ODBIORNIK n(t) s(t) x(t)y(t) x(t)=s(t)+n(t) y(t)=T{x(t)}

89 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE88 Warunki detekcji s(t) – użyteczny sygnał echa – deterministyczny wariant 1 – sygnał w pełni znany wariant 2 – sygnał całkowicie nieznany n(t) – zakłócenia niedeterministyczne (szumy, rewerberacje) x(t) – sygnał na wejściu odbiornika – stochastyczny y(t) – sygnał na wyjściu odbiornika - stochastyczny Detekcja binarna – 1 – odebrano sygnał użyteczny 0 – odebrano tylko zakłócenia

90 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE89 Decyzje podejmowane na wyjściu odbiornika i ich prawdopodobieństwa sn DecyzjaPrwadopo- dobieństwo DecyzjaPrwadopo- dobieństwo 111PDPD 01-P D 011P FA 01-P FA P D – prawdopodobieństwo detekcji P FA – prawdopodobieństwo fałszywego alarmu Nadrzędny cel systemu: zapewnienie maksymalnej wartości P D i minimalnej wartości P FA. Cele te są z natury sprzeczne – konieczny jest kompromis (optymalizacja)

91 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE90 Detekcja sygnału stałego na tle szumu gaussowskiego Kryterium Neymana-Pearsona p 1 (y) –rozkład prawdopodobieństwa sygnału na wyjściu odbiornika, gdy na wejściu pojawia się sygnał echa p 0 (y) –rozkład prawdopodobieństwa sygnału na wyjściu odbiornika, gdy na wejściu istnieje tylko szum

92 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE91  - próg detekcji Stosunek sygnału do szumu na wyjściu odbiornika SNR y =  2 /  2

93 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE92

94 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE93 P D i P FA

95 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE94 Krzywe operacyjne odbiornika

96 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE95 Odbiór sygnału stochastycznego na tle szumu gaussowskiego p 0 – rozkład szumu p s – rozkład sygnału p 1 – rozkład sygnału z szumem 12=o2+s2.12=o2+s2. Przykład: szum i sygnał są gaussowskie Porównanie odbioru sygnału o stałej wartości i sygnału stochastycznego o wartości średniej równej wartości stałej poprzedniego sygnału. Dyspersja sygnału równa jest dyspersji szumu. Wniosek: Prawdopodobieństwo detekcji sygnału stochastycznego jest mniejsze, a prawdopodobieństwa fałszywego alarmu są jednakowe. Czym nasza wiedza o sygnale jest mniejsza, tym jego detekcja jest trudniejsza.

97 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE96 p FA =p 0 *p s

98 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE97 Detekcja znanego sygnału na tle szumu gaussowskiego x 1 (t)=s(t)+n(t) x 0 (t)=n(t) Struktura odbiornika optymalnego Odbiornik korelacyjny

99 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE98 Odbiór impulsu prostokątnego

100 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE99 Własności statystyczne sygnału na wyjściu odbiornika korelacyjnego

101 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE100 Stosunek sygnału do szumu na wejściu i wyjściu odbiornika – „wzmocnienie przetwarzania” E(  )-energia sygnału w momencie czasu  N – widmowa gęstość mocy szumów Stosunek sygnału do szumu na wyjściu odbiornika korelacyjnego

102 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE101 Stosunek sygnału do szumu na wejściu odbiornika E(  )=P s  Wniosek: Korzystne jest stosowanie sygnałów o dużym iloczynie czasu trwania i szerokości widma. Iloczyn ten należy zwiększać przez wydłużanie czasu trwania sygnału, gdyż wówczas rośnie jego energia.

103 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE102 Odbiornik dopasowany do sygnału użytecznego k(t) x(t)y(t) k(t) – odpowiedź impulsowa filtru dopasowanego Równoważność z odbiornikiem korelacyjnym

104 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE103 Odpowiedź impulsowa filtru dopasowanego Funkcja przenoszenia filtru dopasowanego Realizacja filtru dopasowanego w dziedzinie częstotliwości

105 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE104 sygnał szum Wariancja szumu Sygnał użyteczny na wyjściu filtru dopasowanego Stosunek sygnału do szumu na wyjściu filtru dopasowanego

106 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE105 Detekcja sygnałów o nieznanych parametrach Sygnał o nieznanym momencie pojawienia się na wejściu odbiornika k(t)=s(-t)

107 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE106

108 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE107 Prawdopodobieństwo fałszywego alarmu przy nieznanym momencie pojawienia się sygnału użytecznego 0 T t 

109 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE108 Odbiór sygnałów sinusoidalnych o nieznanych parametrach Znane wszystkie parametry

110 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE109 Nieznana faza Wniosek: Detekcja jest niemożliwa

111 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE110 Sposób rozwiązania problemu

112 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE111 Transformacja Fouriera jako realizacja filtracji dopasowanej do sygnału sinusoidalnego

113 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE112

114 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE113

115 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE114

116 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE115

117 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE116 Równanie zasięgu Cel równania zasięgu: Określenie parametrów technicznych systemu, które zapewnią wykrycie danego obiektu z założonym prawdopodobieństwami P D i P FA.

118 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE117 Logarytmiczna forma równania zasięgu Równanie wyjściowe I n – natężenie szumów na wejściu odbiornika

119 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE118 I 1 = 0.67  W/m 2 Poziom echa Poziom szumów Próg detekcji EL-NL=DT

120 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE119 Definicje Poziomem echa EL nazywamy wyrażone w decybelach natężenie użytecznej fali płaskiej padającej prostopadle na powierzchnię przetwornika odbiorczego. Poziomem zakłóceń NL nazywamy wyrażone w decybelach równoważne natężenie płaskiej fali zakłóceń padającej prostopadle na powierzchnię przetwornika odbiorczego, która daje na wyjściu odbiornika taki sam poziom sygnału, jaki obserwuje się na jego wyjściu odbierając rzeczywiste zakłócenia akustyczne i elektryczne występujące w systemie. Progiem detekcji DT nazywamy wyrażony w decybelach stosunek natężeń płaskiej fali użytecznej i płaskiej fali zakłóceń padających prostopadle na powierzchnię przetwornika odbiorczego, który zapewnia na wyjściu odbiornika spełnienie założonych kryteriów detekcji.

121 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE120 Wyznaczanie poziomu echa

122 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE121 Poziomem źródła SL nazywamy, wyrażoną w decybelach, znormalizowaną wartość natężenia fali akustycznej w odległości jednego metra od powierzchni promieniującej przetwornika na jego osi akustycznej. Wyrażony w decybelach stosunek natężenia fali promieniowanej przez przetwornik nadawczy, występującego na jego osi akustycznej w odległości jednego metra od powierzchni przetwornika, do natężenia fali płaskiej padającej prostopadle na powierzchnię przetwornika odbiorczego nazywamy jednostronnymi stratami transmisyjnymi TL.

123 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE122 Siłą celu nazywamy, wyrażony w decybelach, iloraz natężenia fali odbitej od celu w kierunku odbiornika w odległości 1 m od jego środka i natężenia płaskiej fali akustycznej padającej na cel z kierunku nadajnika.

124 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE123 Wzory na obliczanie parametrów równania zasięgu Poziom źródła nadajnika systemu hydrolokacyjnego pracującego w wodzie [dB] P t - moc elektryczna nadajnika, P 1 =1W  - sprawność elektro-akustyczna anteny Di t – indeks kierunkowości anteny nadawczej Przykład: P t =1kW,  =0.5, a=b=10  DI t= =10log(400  )=31 dB SL= =109 dB

125 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE124 Straty transmisji TL Straty transmisji zależą od sposobu rozchodzenia się fali: fala płaska TL=0 +  R[dB] fala cylindryczna TL=10logR/R 1 +  R fala sferycznaTL=20logR/R 1 +  R R – odległość celu od anteny, R 1 =1m  - współczynnik tłumienia absorpcyjnego [dB/m] Przykład: R=1km,  =0.01 dB/m, rozprzestrzenianie sferyczne TL=20log ·1000=60+10=70 dB Tłumienie zależy od składu chemicznego wody, częstotliwości, temperatury i innych czynników

126 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE125 Siła celu Siła celu zależy od wielkości obiektu, jego kształtu, usytuowania względem kierunku padania i odbicia fali, własności rozpraszających i in. Przykładowe wielkości siły celu: ryby L=30 cm, f=30 kHz, TS= dB (śledź) Okręty podwodne TS= dB Okręty nawodne TS= 15 –25 dB MinyTS= 10 – 15 dB TorpedyTS= -20 dB (od dziobu) kula TS=10log[r(m)/2]

127 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE126 Poziom szumów NL=SPL+10log(B/B 1 )-DI o SPL – spektralny poziom szumów SPL=10log(I n1 /I 1 ) B – szerokość pasma [Hz], B 1 =1 Hz DI o – indeks kierunkowości anteny odbiorczej Próg detekcji NL=10log(SNR o )=10logd SNR o – stosunek sygnału do szumu na wejściu odbiornika zapewniający spełnienie warunków detekcji na wyjściu odbiornika

128 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE127 Poziom sygnału na wejściu odbiornika UL=EL+VR UL=20log(U/U 1 ) U 1 =1V poziom sygnału na wejściu odbiornika VR=20log(S)S – odpowiedź napięciowa (czułość anteny) S=(U/U 1 )/(p/p 1 )p 1 = 1Pa U – napięcie na wejściu odbiornika [V]

129 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE128 XL= SL-NL-DT Zasięg systemu w ośrodku bez tłumienia absorpcyjnego

130 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE129 Zasięg systemu w ośrodku z tłumieniem absorpcyjnym

131 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE130 Projekt prostej echosondy rybackiej Zadanie: Określić podstawowe parametry techniczne echosondy rybackiej o następujących parametrach eksploatacyjnych: zasięg R=200 m ryba o długości 30 cm rozdzielczość kątowa 9 0 x 9 0 rozdzielczość wgłębna  R=75 cm prawdopodobieństwo detekcji P D =0.8 prawdopodobieństwo fałszywego alarmu: jeden fałszywy alarm na 0.1 h, stan morza ss=6 częstotliwość pracy f=50 kHz

132 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE131 Obliczenia: 1.Czas trwania impulsu sondującego:  =2  R/c=2·0.75m/1500m/s=1.5m/1500/s=1ms 2. Szerokość pasma przenoszenia odbiornika: B=1/  =1/1ms=1kHz 3. Spektralny poziom szumów SPL=-64+19log6-17log50= =-78 dB 4. Indeks kierunkowości

133 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE Poziom szumów: NL=SPL+10logB-DI= =-75 dB 6. Prawdopodobieństwo fałszywego alarmu: T t =2R/c=400/1500=0.27s – czas jednej transmisji T r =0.23 s – czas potrzebny na zanik ech z dalszej odległości. n =2 dwie transmisje na 1s x360=720 transmisji P FA1 =  /T t =1ms/270ms  P FA =P FA1 /360  Wyjściowy stosunek sygnału do szumu d=25 (z krzywych ROC) 8. Próg detekcji: SNR x =SNR y =DT=10logd=10log25= 14 dB 8. Poziom echa: EL=NL+DT=-75+14= - 61 dB

134 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE133 VL= - 69 dB – wartość zmierzona przy kalibracji przetwornika piezoelektrycznego. 10. UL=EL+VL= = -130 dB U= /20 = =0.3  V Przy tak małym napięciu może dominować szum elektryczny! Sprawdzenie: R=1k  - wartość zmierzona, T =283 0 K U n 2 =4kTRB= = = U n =0.13  V, UL n =20log( )= =-137 dB EL n =Ul n -VL+DT= =-54 dB Wniosek: dominują szumy elektryczne Licząc się z ewentualnymi innymi zakłóceniami podwyższamy minimalne napięcie U=3  V, czyli o 20 dB

135 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE Siła celu TS=19.1log30-0.9log50-62= =-35 dB 12. Straty transmisyjne – propagacja sferyczna - tłumienie absorpcyjne  =10dB/km 2TL=40logR+2  R=40log =92+4=96 dB EL=-61dB+20 dB= - 41 dB, co odpowiada wzrostowi DT do 34dB w stosunku do szumów akustycznych

136 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE Poziom źródła EL=SL-2TL+TS SL=EL+2TL-TS= =90 dB 14. Moc elektryczna nadajnika SL=51+10logP+10log  +DI 10logP=SL-10log  -DI-51= =15 dB P=10 15/10 = =30W 14. Projekt anteny  =c/f=1500[m/s]/50000[1/s]=0.03 m =3 cm l x =5.6·3cm=16.8 cm

137 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE

138 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE137

139 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE138 Parametry techniczne echosondy Częstotliwość pracy50 kHz Moc nadajnika30W Poziom źródła90 dB Czas trwania impulsu sondującego1 ms Minimalne napięcie sygnału echa 3  V Maksymalne napięcie szumów na wejściu odbiornika 0.6  V Szerokość pasma odbiornika 1kHz Szerokość wiązki 9 0 x 9 0

140 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE139 Technika systemów wielowiązkowych Metody przeszukiwania obszaru: jedna wiązka – ruch anteny lub nośnika systemu, jedna obracająca się wiązka – skaning (antena nieruchoma), wiele jednocześnie wytwarzanych, odchylonych wiązek – - beamforming, (nieruchoma antena). Zadanie systemów wielowiązkowych to skrócenie czasu przeszukiwania obszaru. Beamforming stosuje się wyłącznie w odbiornikach. „Naświetlanie” sektora kątowego pokrytego przez wiązki odbywa się szeroką wiązką nadawczą lub metodą skaningu.

141 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE140 Układ wiązek wytwarzanych przez beamformer Czas przeszukiwania obszaru

142 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE141 Anteny systemów wielowiązkowych Stosowane są także wieloelementowe anteny cylindryczne i sferyczne (pl.18)

143 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE142 Budowa odbiornika systemu wielowiązkowego Liczba niezależnych kanałów BOA i beamformera jest równa liczbie niezależnych elementów anteny. Gdy beamformer wytwarza odchylone wiązki tylko w płaszczyźnie poziomej lub tylko w płaszczyźnie pionowej, wówczas liczba kanałów jest równa odpowiednio liczbie kolumn lub liczbie wierszy anteny.

144 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE143 Klasyfikacja beamformerów Tablica 9.1. Rodzaje beamformerów Ze względu na metodę : opóźnieniowo-sumacyjne, z estymacją widma przestrzennego. Ze względu na technikę realizacji: analogowe, cyfrowe. Ze względu na rodzaj odbieranych sygnałów: wąskopasmowe, szerokopasmowe. Ze względu na dziedzinę przetwarzania sygnałów: pracujące w dziedzinie czasu, pracujące w dziedzinie częstotliwości.

145 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE144 Zasada pracy wąskopasmowego beamformera opóźnieniowo-sumacyjnego Beamformer wytwarzający wiązki w jednej płaszczyźnie Sygnał na wyjściu n-tego elementu anteny Opóźnienie „geometryczne”

146 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE145 Sygnał na wyjściu k- tego sumatora – sygnał k-tej wiązki Warunek zgodność fazOpóźnienie elektryczne

147 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE146 Sygnał na wyjściu k-tego sumatora Charakterystyka kierunkowa k-tej wiązki  k =30 0 Szerokość wiązki Wniosek: Nie należy stosować zbyt szerokiego sektora jednoczesnej obserwacji.

148 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE147 Charakterystyki kierunkowe beamformera

149 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE148 Wpływ skończonych wymiarów elementów anteny na charakterystyki kierunkowe beamformera (M=11, d/ =0.6, l/ =0.55, kąt odchylenia 9 0 ).

150 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE149 Porównanie z szykiem punktowym (M=11, d/ =0.8, l/ =0.75,  1 =7 0 ).

151 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE150 Wpływ ważenia amplitudowego na charakterystyki kierunkowe beamformera Ważenie amplitudowe dla układu symetrycznego Ważenie amplitudowe nie redukuje poziomu listków dyfrakcyjnych

152 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE151 Wąskopasmowe analogowe beamformery fazowe Dla sygnałów sinusoidalnych opóźnienia można zastąpić przesunięciami fazy. Problem techniczny: konstrukcja przesuwników fazy w pełnym zakresie od 0 do 2  na układach RLC. Rozwiązanie techniczne: beamformer z detekcją kwadraturową. Po filtracji dolnopasmowej

153 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE152

154 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE153 Realizacja mnożenia przez stałe liczby i sumowania na wzmacniaczu operacyjnym Realizacja przesunięć fazy bezpośrednio na sygnale sinusoidalnym

155 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE154 Wpływ szerokości widma sygnału na charakterystyki beamformerów fazowych. g( ,  k )=sin  - sin  k Charakterystyki kierunkowe beamforemera: a – dla sygnały szerokopasmowego, b – dla sygnału wąskopasmowego o częstotliwości f 0 (M=19, f g /f 0 =0.2, d/ 0 =0.5)

156 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE155 Wzrost szerokości wiązki spowodowany niepełną kompensacją fazy (B=2f g,  k =30 0 ).

157 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE156 Wzrost szerokości wiązki spowodowany niepełną kompensacją fazy (f g /f 0 =0.2,  k =15 0, 30 0 i 45 0 ).

158 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE157 Stany nieustalone w beamformerach fazowych Obwiednia odebranego impulsu prostokątnego w funkcji czasu i kąta. (M=7, d/ =0.5,  k =30 0, długość impulsu równa długości anteny).

159 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE158 Bemformery cyfrowe Podział: Bemformery pracujące w dziedzinie czasu: z nadpróbkowaniem, interpolacyjne. Bemformery pracujące w dziedzinie częstotliwości: wąskopasmowe, szerokopasmowe. Beamformery z estymacją widma przestrzennego

160 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE159 Bemformery pracujące w dziedzinie czasu. Sygnał na wyjściu n-tego elementu anteny Zgodnie z twierdzeniem Nyquista

161 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE160 Bemformer interpolacyjny Współczynnik interpolacji lub nadpróbkowania Częstotliwość próbkowania musi być co najmniej I razy większa od częstotliwości Nyquista Interpolacja wstawianie zer cyfrowa filtracja dolnopasmowa

162 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE161 Cyfrowe beamformery wąskopasmowe Transformacja Hilberta Algorytm obliczania sygnału w k-tej odchylonej wiązce cos[  (n,k)]=cos[  n (  k )] sin[  (n,k)]=sin[  n (  k )].

163 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE162 Schemat funkcjonalny cyfrowego beamformera fazowego

164 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE163 Wąskopasmowy beamformer cyfrowy z detekcją kwadraturową Próbki sygnału po detekcji kwadraturowej

165 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE164 S=ws

166 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE165 Estymacja widma przestrzennego Podstawy metody Ciśnienie akustyczne na linii prostej X 0 kk kk x Rozkład ciśnienia w chwili czasu t=t 0 (  0 t 0 =  0 ) Zmienna (odpowiednik czasu) - iloraz x/ 0,. Częstotliwość rozkładu ciśnienia jest równa F k =sin  k - częstotliwość przestrzenna, Pulsacja  k =2  F k.– pulsacja przestrzenna

167 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE166 Próbkowanie przestrzenne Wartości próbek Kryterium Nyquista

168 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE167 t=t 0 t=t 0 +T 0 /4 Postać zespolona próbek Przypadek k fal o tej samej częstotliwości padających po różnymi kątami Widmo ciągłe ciągu próbek

169 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE168

170 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE169

171 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE170 Realizacja cyfrowa estymacji widma przestrzennego Dyskretna transformacja Fouriera (M=32, d/ 0 =0.5, p 1 =1 Pa,  1 = -30 0, p 2 =1 Pa,  2 = 32 0 ) Granica opłacalności N  32

172 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE171 Wysokorozdzielcze metody estymacji widma przestrzennego Podstawowa idea – metoda predykcji liniowej Hipoteza idealistyczna s(n-k) – próbki znane s(n) – próbka wyznaczana jest równa próbce rzeczywistej (zmierzonej) Hipoteza realistyczna błąd

173 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE172 Widmo (dla szumu białego) Widmo gęstości mocy (energii) Bieguny |S(k)| 2 określają częstotliwości przestrzenne (sinusy kątów padania fali)

174 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE173 %Program oblicza PSD metodą Burga dla trzech sygnałów sinusidalnych pobranych kwadraturowo z 32 elementów anteny % Model 8 rzędu % SNR=12 dB dla największej sinusoidy C=zeros(10,256); for m=1:100; x=1:32; s1=1.4*exp(i*(pi*x*sin(pi*30/180))); s2=1*exp(i*(pi*x*sin(pi*60/180))); s3=0.7*exp(i*(-pi*x*sin(+pi*45/180))); s=s1+s2+s3+0.25*randn(1,32)+i*0.25*randn(1,32); P=pburg(s,8)'; A=P(1:128); B=P(129:256); C(m,:)=[B A]; end Y=sum(C); YA=Y.^0.5; MY=max(YA); skala=-1+1/128:1/128:1; plot(skala,YA/MY,'k')

175 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE174

176 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE175 Ogniskowanie wiązki r(0) r(n) n d

177 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE176 Opóźnienie Beamformer kompensuje opóźnienie jedną z opisanych wyżej metod dziedzinie czasu lub częstotliwości Uwagi: Ogniskowanie jest skuteczne w polu bliskim. Ognisko można przesuwać dynamicznie w całym obszarze pola bliskiego.

178 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE177 Systemy z syntetyczną aperturą Zasada pracy Antena porusza się wzdłuż linii prostej, a sygnały z anteny są rejestrowane. Sygnały w kolejnych punktach mają przesunięcie fazowe jak w dyskretnej antenie liniowej. v Powierzchnie jednakowej fazy c

179 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE178 Zmiana fazy w czasie ruchu anteny Zasadniczy problem: bardzo dokładna znajomość trasy anteny, czyli wektora prędkości. Konieczność pomiaru prędkości i wykonywanie korekt fazy spowodowanych drganiami anteny.


Pobierz ppt "SYSTEMY ECHOLOKACYJNE1 ROMAN SALAMON KATEDRA SYTEMÓW ELEKTRONIKI MORSKIEJ Pokój 749 tel. 347-17-17 .:"

Podobne prezentacje


Reklamy Google