Technologie radaru. Princip a technologie radaru oblasti použití význam pro GIS. Petr Ličman

Transkript

1 Technologie radaru Princip a technologie radaru oblasti použití význam pro GIS Petr Ličman

2 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)

3 Historie 1872 Anglický fyzik J. C. Maxwell vytvořil teorii elektromagnetického pole, ve které předpověděl existenci elektromagnetického vlnění, šířícího se prostorem rychlostí světla Německý fyzik H. Hertz začal provádět pokusy s jiskrovým výbojem, při nichž objevil elektromagnetické vlnění, předpovězené Maxwellovou teorií Ruský fyzik A. S. Popov a italský vynálezce G. Marconi začali využívat elektromagnetické vlnění k přenosu signálu od vysílače k přijímači Německý fyzik K. Braun zkonstruoval katodovou trubici, která se později stala základem televizních obrazovek a radarových monitorů 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 Německý fyzik H. Barkhausen zkonstruoval elektronku, která umožnila sestrojení prvního generátoru mikrovln. 20. léta K navigaci letadel se začaly používat rádiové vysílače, tzv. radiomajáky 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.

4 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 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 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 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 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.

5 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)

6 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.

7 Princip radaru Vodorovná osa levé obrazovky odpovídá poloměru obrazovky pravé

8 Radarová pásma Využití jednotlivých frekvencí

9 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.

10 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.

11 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.

12 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.

13 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.

14 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.

15 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.

16 Literatura

17 Děkuji za pozornost