Egyik feladatunk növényzettel fedett talajfelszín diszperziós (visszaverődési) tényezőjének mérése a Földtani és Térképészeti intézet felkérésére. Ezekkel az információkkal jelentős mértékben kiegészíthető az Intézet referencia-adatbázisa, amely magas szintű eszközökkel feldolgozott műholdas adatokat rendszerez. A mérések elvégzéséhez egy kísérleti L-sávú zajradarrendszert hoztunk létre, azaz olyan reflexiómérést, amely véletlen zajt használ mérőjelnek. A kisugárzott jel ismeretében hatékonyan tudjuk érzékelni annak reflexióit még sokkal erősebb zavarok jelenlétében is. Az ilyen jellegű radarok szinte teljesen észrevehetetlenek és ellenállóak a zavarásokkal szemben, a közeljövőben ezért várhatóan széles körben elterjednek majd mind a polgári, mind a katonai felhasználásban.
Talajreflexió vizsgálata zajradar segítségével
A talajreflexió földfelszínről történő vizsgálatához megfelelően magas árbocokra szerelt, talaj felé irányított antennákra van szükség. Jelen esetben legalább két adó- és két vevőantennát kell használni, kétféle (vízszintes és függőleges) irányban polarizált jelekkel. A mérőrendszer zajgenerátort is tartalmaz, amely a vizsgálójelet szolgáltatja, továbbá a vett jelek demodulálását és rögzítését végző jelanalizátort is magában foglalja. Ez utóbbi egyik csatornája a kisugárzott jel leválasztott másolatát, a referenciajelet tárolja el, míg a többi a vevőantennák jeleit rögzíti.
A terep profiljának, illetve a vételi teljesítményszint és a reflexiós késleltetés közötti összefüggés (vagyis az antennától mért távolság) megállapításához a digitalizált referencia- és megfigyelt jeleket kell összehasonlítani számítógép segítségével. Az antennák jellemzőinek és a teljes rendszer teljesítményviszonyainak ismeretében meghatározható a felszín egy adott részének reflexiója. Ezt az értéket nevezzük disszipációs tényezőnek, amely független a mérőrendszertől, a vizsgált terület felszínét borító domborzat összetétele (növényzet, nedvesség) és az elektromágneses hullámok beesési szöge befolyásolja.
Mint minden radarrendszer esetében, a zajradarnál is a frekvenciasávtól függ, hogy mekkora az a két céltárgy közötti legkisebb távolság, amelynek visszaverődéseit a rendszer még képes elkülöníteni (távolságbeli felbontás). Ennek értéke az analizátor korlátai miatt 2,5 m körüli. A felbontás javítása érdekében a rendszer fokozatosan képes növelni a vivőfrekvencia értékét. Minden egyes lépésnél a generátor és az analizátor egyaránt a következő frekvenciára hangol, a mérőjelek spektrumát szomszédosan egymás mellé helyezve. Az egyes spektrális szakaszokat ezt követően a rendszer összeilleszti, egyetlen szélessávú hullámformát eredményezve, amellyel már biztosítható a szükséges távolságbeli felbontás.
Rendszerfejlesztés
Az első kísérleti összeállításunkat egy Agilent 89600 VSA típusú, kétcsatornás jelanalizátor és egy Agilent N5182A típusú jelgenerátor alkotta. E berendezéseket a reflexiós profil rögzítésére és a vivő léptetésére használtuk, de a rendszer komoly hiányosságokkal bírt. Ezek közül a legjelentősebb az volt, hogy a kezelőnek kézileg kellett antennapolarizációt váltania, ami megterhelőnek és időigényesnek bizonyult. Az adatok átvitele az analizátorról a számítógépre szintén lassította a folyamatokat.
Ezért új elrendezést hoztunk létre egy NI PXIe-5663 típusú analizátort és egy NI PXI-2595 típusú multiplexert felhasználva. A két mérőcsatornán egyidejűleg rögzítettük a két különböző polarizációjú vevőantenna jelét (lásd 1. ábra). Az adóantennák közötti átkapcsolást a multiplexer végezte automatikusan.
1 ábra. A mérőrendszer tömbvázlata
Az analizátornak a vezérlésére összetett LabVIEW alkalmazást fejlesztettünk ki, amely előnézeti spektrumképet szolgáltat, továbbá koherens, háromcsatornás jelrögzítést végez, valamint a mért információkat egy NI HDD-8264 adattárolóra küldi. A rendszer IP-kapcsolaton keresztül fogad vezérlőparancsokat. A multiplexert egy egyszerű, szintén LabVIEW-ban írt, futtatható (*.exe) alkalmazás segítségével kezeljük. A mérési ciklust a MathWorks Inc. MATLAB-környezete alatt futó kód vezérli, amely a vivőfrekvencia váltását és az antennák átkapcsolását irányítja. A hardveres egységeket vezérlő alkalmazásokat megfelelő sorrendben hívja meg, és a rögzített adatok fájlneveinek rendszerét is kezeli. Ezen alkalmazásban az NI-VISA jól együttműködött egy másik gyártótól származó generátorral.
Terepmérések
2. ábra. A mérésekhez használt antennaárbocA mérőrendszerrel a Biebrza Lápvidéken végeztünk terepméréseket, amely a a Földtani és Térképészeti Intézet kutatásainak központja volt hosszú éveken át. A műszerkezelők környezeti hatásokkal szembeni védelmének és kényelmének biztosítása érdekében lakókocsiba telepítettük a berendezéseket, az antennákat pedig egy különleges, 12 m-es kitolható árbocra (lásd 2. ábra). A rendszer további kalibrálása érdekében egyes méréseknél sarokreflektort helyeztünk a megfigyelt területre. Nyolc szomszédos sávban végeztünk méréseket, melyek együttes sávszélessége 480 MHz volt. Egyetlen szélessávú mérés mindössze pár percet vett igénybe, ami gyakran kevesebb volt, mint a sarokreflektor irányba állítása.
Összefoglalás
Négy helyszínen mértünk, mindösszesen 200 GiB nyersadatot összegyűjtve, melyek segítségével polarimetrikus, több sávban letapogatott felszínprofilokat voltunk képesek előállítani. A bizonytalanság csökkentése végett nagy adatmennyiséget átlagoltunk (megismételt mérések, különböző sávokban történt vizsgálatok). A frekvencialéptetéssel és sávszintézissel kapott profilok esetében a távolságbeli felbontás 40 cm nagyságrendjébe esett (lásd 3. ábra), a dinamikát pedig további kalibrálással és a közvetlenül a vevőbe jutó vizsgálójel eltávolításával sikerült jelentősen megnövelni.
3. ábra. Nagy felbontású működési módban felvett profiladatok
A rendszer hatótávolsága 2,2 km-ig terjedt, a disszipációs tényezők vizsgálatának kivételével. A pofilokat ortofototérképpel összehasonlítva kimutatható, hogy hol változik a növényzet, például amikor a mezőt nádas váltja fel.
Az NI PXIe-5663 típusú analizátorra alapozott zajradar-rendszerünk képességei meghaladják a terepprofil rögzítésével kapcsolatosan kitűzött követelményeket. A jövőben javított jellemzőkkel rendelkező antennák alkalmazását tervezzük, stabilabban kialakított kábelcsatlakozásokkal és jobb megismételhetőségi mutatókkal, a területprofilok disszipációs tényezőjének meghatározására kidolgozott, precíz módszerekkel együtt. Ezek kivitelezése egy ehhez hasonló, rugalmas hardverháttér nélkül nem hatékony.
A rendszerünk egy másik lehetséges alkalmazása a környezet feltérképezésére szolgáló, szintetikus apertúrájú zajradar-elrendezés összeállítása. A frekvencialéptetéssel átfogott, 0,5 GHz sávszélesség révén pontosan feltérképezhetők az autók, épületek és egyéb objektumok. A jövőben NI PXIe-5673 típusú, háromcsatornás generátorral szándékozunk mérőjeleket előállítani, több bemenetű — több kimenetű rendszerként üzemeltetve a radart, a rendelkezésre álló képességek bővítése érdekében.
