Technologie radaru

Technologie radaru
Princip a technologie radaru
oblasti použití
význam pro GIS
Petr Ličman
Co je radar?
Radar či radiolokátor z anglického Radio Detecting
And Ranging
Elektronické zařízení k zaměření a určení
vzdálenosti objektů
Vysílač a přijímač rádiových vln, nejčastěji v pásmu
mikrovln
Identický princip jako sonar, jiné médium (rádiové
vlny vs. zvuk)
Historie
1872 Anglický fyzik J. C. Maxwell vytvořil teorii elektromagnetického pole, ve
které předpověděl existenci elektromagnetického vlnění, šířícího se prostorem
rychlostí světla.
1887 Německý fyzik H. Hertz začal provádět pokusy s jiskrovým výbojem, při nichž
objevil elektromagnetické vlnění, předpovězené Maxwellovou teorií.
1895 Ruský fyzik A. S. Popov a italský vynálezce G. Marconi začali využívat
elektromagnetické vlnění k přenosu signálu od vysílače k přijímači.
1896 Německý fyzik K. Braun zkonstruoval katodovou trubici, která se později stala
základem televizních obrazovek a radarových monitorů.
1904 Německý fyzik Ch. Huelsmeyer prováděl pokusy s odrazem rádiových vln od
lodí na Rýnu. Na svou aparaturu s názvem „Telemobiloskop“ – předchůdce
radaru - získal německý patent č. 165546.
1920 Německý fyzik H. Barkhausen zkonstruoval elektronku, která umožnila
sestrojení prvního generátoru mikrovln.
20. léta K navigaci letadel se začaly používat rádiové vysílače, tzv. radiomajáky.
1927 Německý fyzik H. Hollmann při pokusech s odrazem rádiových vln od lodí a
letadel poprvé použil mikrovlny. Během 2. světové války se podílel na
konstrukci německých radarů.
Historie
1935 Skotský elektrotechnik sir R. Watson-Watt zkonstruoval první prakticky
použitelný přístroj pro rádiovou detekci letadel pomocí mikrovln. Stal se tak
skutečným vynálezcem radaru. Originál jeho přístroje je exponátem londýnského
Science Museum.
konec 30. let Pokusy s radary se prováděly ve Velké Británii, Německu, USA,
Sovětském svazu, Francii a Holandsku.
1939 Po vypuknutí 2. světové války byly na jižním a východním pobřeží Velké
Británie instalovány radary. Jejich úkolem bylo varovat před nebezpečím
německých náletů při Bitvě o Británii.
1940 Prakticky současně zkonstruovali H. Boot a J. Randall ve Velké Británii a H.
Hollmann v Německu magnetron - speciální elektronku, která se brzy stala
nejrozšířenějším zdrojem mikrovln pro radary.
1940 V USA byl zařazen do výzbroje první vojenský radar SRC-270. Během 2.
světové války investovaly Spojené státy do vývoje radarové techniky 2,1
miliardy dolarů. Tato suma byla srovnatelná s náklady na vývoj atomové pumy.
1941 Radary se začaly v široké míře používat k navigaci lodí a letadel, k pátrání po
nepřátelských lodích a letadlech, k řízení palby dělostřelectva, jako všestranné
palubní radary stíhaček a bombardérů.
Princip radaru
Radar je založen na odrazu rádiových vln
Generátor vytváří vysokofrekvenční signál
Přes přepínač putuje signál do antény
Po odvysílání je přepínač přehozen do stavu příjmu
Přijímač po určitý časový úsek snímá úrověň signálu z
antény
Výstup je zobrazován na monitoru, intenzita signálu
odpovídá intenzitě svitu monitoru (analogový radar)
Typy: pulzní, stálá vlna (CW)
Princip radaru
Vzdálenost obou výchylek na vodorovné stopě je přímo úměrná
vzdálenosti, z jaké se vrací odražený impulz. Tak je možno na
stupnici určit okamžitou vzdálenost letadla od antény.
Princip radaru
Vodorovná osa levé obrazovky odpovídá poloměru obrazovky pravé
Radarová pásma
Využití jednotlivých frekvencí
Oblasti použití
Letecká, lodní a pozemní doprava
Pomocí primárních a sekundárních radiolokátorů se kontroluje a řídí provoz na letištní ploše i
ve vzdušném prostoru. Zvlášť důležitá je možnost navigace letadel i při nepříznivém
počasí a v noci. Stejně potřebné jsou radary pro zajištění bezpečné plavby a navigace
námořních i říčních lodí.
Meteorologie
Meteorologické radary zachycují a zpracovávají signály, odražené od mraků s dešťovými
kapkami nebo sněhovými vločkami. Pro spolehlivé předpovídání počasí jsou výsledky
radarových měření velmi důležité, celé naše území monitorují dva velké meteorologické
radary.
Geodézie a kartografie
Radarová měření slouží zeměměřičům k přesnému měření polohy objektů v terénu a
vzdáleností mezi nimi. Radary pracující v milimetrovém pásmu slouží k trojrozměrnému
radarovému mapování zemského povrchu.
Měření rychlosti
Nejrozšířenější „civilní“ využití radaru při policejním měření rychlosti vozidel. Údaje o
rychlosti však nemusí sloužit jen ke kontrole řidičů, mohou se uplatnit například při
ovládání světelných semaforů tak, aby se zvýšila plynulost jízdy aut v hustém městském
provozu.
Oblasti použití
Kosmický výzkum a astronomie
Radarová měření se používají k navigaci při spojování družic a kosmických lodí (např. na
mezinárodní stanici ISS). Kosmické sondy, směřující k planetám sluneční soustavy, jsou
vybaveny radarovými dálkoměry a výškoměry. Radarové snímkování povrchu planet je
důležitým zdrojem informací o těchto tělesech, vzdálených od nás i stamilióny kilometrů.
Radarový snímač hladiny
Využívá se k měření výšky hladiny ve velkých uzavřených nádržích, například v podzemních
zásobnících pohonných hmot. V horní části nádrže je nainstalována radarová anténa, která
vysílá impulzy směrem k hladině kapaliny. Z časového rozdílu mezi vyslaným a přijatým
impulzem se určí výška hladiny, objem kapaliny v nádrži, rychlost změny hladiny a další
údaje.
Vojenské aplikace
V této oblasti našly své místo už první radary. Dnes slouží například k řízení letového
provozu a navigaci, k detekci a sledování pozemních, námořních i vzdušných cílů, jako
palubní střelecké radiolokátory. Bez nich by nebyla možná včasná výstraha na vzdálenost
stovek i tisíců kilometrů v rámci protivzdušné obrany, jsou i nezbytnou součástí
globálního systému protiraketové obrany atd.
Radar a počasí
Meteorologické radary pracují na klasickém principu odrazu mikrovln od
vzdálených objektů. Antény meteorologických radiolokátorů zaměřují paprsky s
vlnovou délkou 5,3 cm směrem k mrakům a přijímají jejich odraz od vodních
kapek, ledových krupek či sněhových vloček. Intenzita odraženého signálu závisí
především na vzdálenosti mraků a na velikosti odrážejících srážkových částic. Z
výsledků radarového měření je možno určit druh částic, intenzitu srážek,
prostorové rozložení oblačnosti i její pohyb.
Letecké snímkování radarem
ORI (Orthorectified Radar Images - Ortorektifikované radarové snímky) šedotónový snímek s velikostí pixelu 1,25 metru. ORI vypadají jako
panchromatický snímek. Jsou to radarové snímky pořízené senzorem IFSAR,
které jsou diferenciálně překresleny.
DSM (Digital Surface Models - digitální modely povrchu) Model povrchu s gridem 5 metrů a výškovou přesností 1 metr. Model povrchu
obsahuje výšky dané prvním odrazem radarového signálu od zemského povrchu.
DTM (Digital Terrain Models - digitální modely terénu) - Model terénu s gridem 5
metrů a výškovou přesností 1 metr. DSM je podkladem pro tvorbu DTM, který
vznikne odstraněním výšek umělých a přirozených objektů na terénu.
CORI (Colour Orthorectified Radar Images - barevné ortorektifikované radarové
snímky) - ORI obarvený multispektrálním snímkem, s velikostí pixelu 1,25
metru. CORI jsou radarové snímky ORI, které jsou obarvené pomocí jiného
multispektrálního snímku.
ORI
Orthorectified Radar Image (ORI) je panchromatický snímek zemského povrchu.
ORI má diferenciálním překreslením odstraněny geometrické distorze.
Tento produkt zobrazuje zemský povrch tak, že vykresluje objekty výrazněji než
klasické letecké snímky. Radar snímkuje šikmo, takže vytváří stíny, které umožňují
uživateli vnímat výškové členění ve snímku.
ORI jsou vhodné pro:
mapování objektů jako jsou silniční síť, vodní toky a plochy, budovy, vegetace, aj.
jako podklad pro topografické mapování, mapování land cover, záplav
telekomunikací, lesů a geologické analýzy.
ORI jsou geometricky i časově shodné
s výškovými daty. Přesnost snímku
ORI je 1,25 metru.
CORI
Kombinovaný snímek, který si zachovává spektrální integritu snímku Landsat při
zvýšení prostorového rozlišení. Pan-sharpening je proces, ve kterém je barevná
informace snímku s malým rozlišením spojena s vysokým prostorovým rozlišením
panchromatického snímku.
CORI je spojením snímku s nízkým rozlišením a snímku ORI s vysokým rozlišením.
Produkt vytvořený tímto spojením má stejnou přesnost jako ORI.
Přesnost CORI Je 1,25 metru.
DSM a DTM
DSM (Digital Surface Model) je model výšek, který reprezentuje první odrazy
mikrovlnného paprsku od terénu, nebo objektu na terénu v pravidelném gridu. DSM
je závislý na vlnové délce (X-Band: koruny stromů, P-Band: terén pod vegetací).
DSM je topografický model zemského povrchu. DSM je rastr s velikostí pixelu 5
metrů. Radarový paprsek se odrazí od prvního objektu se kterým se setká, čímž
vzniká reprezentace jakéhokoli objektu, který je dostatečně velký aby byl
zaznamenán. Obsaženy jsou budovy, vegetace, cesty a všechny ostatní objekty na
terénu. Produkt DSM představuje geometricky správný referenční rámec, na který
mohou být zobrazena data jiných vrstev.
DSM je vhodný pro: tvorbu 3D průletů,
analýzy viditelnosti, v navigačních
systémech, lesnictví a další.
Literatura
http://cs.wikipedia.org/wiki/Radar
http://www.army.cz/images/id_8001_9000/8753/radar/kap2.htm
http://www.geodis.cz/sluzby/radarova-mapa-intermap
http://press.amic.cz/content/image.php?uid=47cd1e9a810a0
http://www.radiolokace.cz/pouziti%20radaru.htm
http://www.100-jahre-radar.de/vortraege/Holpp-The_Century_of_Radar.pdf
Děkuji za pozornost