MĚŘENÍ OBJEKTŮ V PROSTORU POMOCÍ VEKTOROVÉHO OBVODOVÉHO ANALYZÁTORU Ing. Tomáš Urbanec, Ph.D.
Vytvoření tohoto textu a jeho vydání bylo finančně podpořeno projektem CZ.1.07/2.3.00/09.0092 Komunikační systémy pro perspektivní kmitočtová pásma operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost Finanční podpora byla poskytnuta Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Tomáš Urbanec, 2012
Obsah 1 Použití vektorového obvodového analyzátoru pro zemní radar...1 2 Měření vektorovým obvodovým analyzátorem v časové oblasti...2 2.1 Základní konfigurace měření odrazu - případ 1...3 2.2 Reálnější konfigurace měření odrazu - případ 2...8 2.3 Konfigurace měření přenosu - případ 3...12 2.4 Upravená konfigurace měření přenosu - případ 4...14 3 Měření ve volném prostoru...18 4 Seznam literatury...22
Abstrakt Měření v prostoru je potřebné v mnoha oblastech lidské činnosti. Od měření vzdálenosti mezi dvěma objekty např. u parkovacích senzorů, přes zjišťování výšky nad terénem u letadel, přehledové měření u radarů a v neposlední řadě jako zemní radar pro vyhledávání objektů v půdě, či za jinou pevnou překážkou. Kromě jiných principů lze využít pro takovéto aplikace vektorový obvodový analyzátor. Převod z frekvenční oblasti do časové oblasti takovéto měření umožňuje. Nabízí se několik různých konfigurací měření, které ovlivňují celkové parametry měřící soustavy. Dále průběh měření ovlivňuje charakter získaných dat. Záleží na tom, jestli je měření statické, nebo se měřící soustava pohybuje v jedné, či více osách. Získaná data lze podle potřeby upravovat vhodným matematickým aparátem pro získání požadovaného typu zobrazení, které vyzdvihne měřené parametry.
1 Použití vektorového obvodového analyzátoru pro zemní radar Nejjednodušším způsobem, jak vytvořit zemní radar za pomocí vektorového obvodového analyzátoru, je připojit na měřící port vhodnou anténu s adekvátním kmitočtovým rozsahem. Takový případ je zobrazen na obr.1. Obr. 1. Nejjednodušší konfigurace zemního radaru. Požadavky na systém jsou kmitočtový rozsah antény, protože větší šířka pásma antény znamená vyšší rozlišení, jak bude ukázáno dále. Samozřejmě také dynamický rozsah odražených signálů měřených pomocí vektorového obvodového analyzátoru limituje měření. V systému jsou dva hlavní zdroje odrazů, které nepřinášejí žádnou informaci, ale naopak omezují dynamický rozsah měření. Je to odraz na nepřizpůsobení antény, který jde potlačit velmi obtížně, protože požadavky na extrémní šířku pásma antény jdou proti možnostem ideálního přizpůsobení bez odrazů. Druhý odraz vzniká na rozhraní vzduch-země díky změně permitivity a vodivosti mezi jednotlivými prostředími [1]. Měření v kmitočtové oblasti, které je vektorovému obvodovému analyzátoru vlastní, musí být zvoleno podle požadavků převodu do časové oblasti. Těmi jsou měřící šířka pásma určená z požadovaného časového kroku [2] 1 1 Δt = = F Δf M kde F je šířka pásma měření a Δf je kmitočtový krok měření, M je pak počet změřených kmitočtových kroků. Takže měření obsahuje měřené kmitočty (1) f=[f 0, f 1, f 2,..., f n,..., f N-1 ] (2) 1
kde n= {0...N-1} a vyskytují se zde záporné kmitočty jako kopie kladných se stejnou amplitudou a opačnou fází. f n = Δf n (3) M = 2N 1 (4) Druhým požadavkem je jednoznačný rozsah, který je definován jako -T/2 až T/2. Pouze v tomto rozsahu můžeme jednoznačně přiřadit časovou osu. T = 1 / Δf (5) Body měření jsou pak z kmitočtové oblasti přesunuty to časové pomocí inverzní diskrétní Fourierovy transformace. 2 Měření vektorovým obvodovým analyzátorem v časové oblasti Měření v časové oblasti je potřeba získat výpočtem z naměřených dat ve frekvenční oblasti. Pro transformaci se používá rychlá Fourierova transformace. V práci se převod prováděl v Matlabu s použitím existujících funkcí. Základním požadavkem pro transformaci je správné rozložení bodů měření na kmitočtové ose. Nejjednodušší transformaci je potřeba provádět na naměřených vzorcích f={0, Δ, 2*Δ, 3*Δ,..., (n-1)*δ, n*δ}, (6) kde f je kmitočet měření a Δ je kmitočtový krok mezi jednotlivými měřeními. Celkový počet měřených bodů je pak n+1. V praxi je měření činitele odrazu na nulovém kmitočtu většinou nedostupné a tento bod je potřeba vhodně odhadnout, nebo extrapolovat ze známých naměřených hodnot na nejnižších kmitočtech měření. Měření ve frekvenční oblasti byla prováděna jednak širokopásmovým měřícím systémem na principu šestibranu s nastavením: f min =10MHz Δ=5MHz f max =3000MHz P gen =6dBm Bylo tedy měřeno v rozsahu kmitočtů 10MHz až 3000MHz s krokem 5MHz. Generátor používaný pro měření není schopen činnosti na kmitočtech nižších, než 10MHz a měřící systém dává relevantní výsledky v rozsahu cca 50MHz až 2.6GHz. Zde byly body měření pro 0MHz a 5MHz nahrazeny odhadem s amplitudou -200dB a fází 0. 2
Pro srovnání byla většina měření zopakována s vektorovým obvodovým analyzátorem [3] Rohde&Schwarz typu ZVL6 s následujícím nastavením: f min =5MHz Δ=5MHz f max =3000MHz P gen =20dBm IF bandwidth =100Hz Averaging factor=10 Zde byla všechna měření v pořádku a pouze byl přidán bod pro 0MHz se stejnými parametry jako u předchozího případu. 2.1 Základní konfigurace měření odrazu - případ 1 Na následujících obr.2, 3 je vidět použitý měřící systém na principu šestibranu a srovnávací měření pomocí VNA ZVL6. Měření byla prováděna na testovací zátěži, která sestávala z kabelů a atenuátorů ve snaze zjistit, jaké dynamiky měření je možné dosáhnout v režimu měření činitele odrazu S 11. Zátěž byla nejprve složena v sestavě: koaxiální kabel č.1 délky 3 stopy typu Minicircuits CBL 3FT SMSM+ redukce SMA-N přepínatelný atenuátor č.1 HP 8495B 0-70dB, krok 10dB spojka N-N přepínatelný atenuátor č.2 HP 8494B 0-11dB, krok 1dB redukce N-SMA koaxiální kabel č.2 délky 3 stopy typu Minicircuits CBL 3FT SMSM+ SMA zkrat Maury Microwave MMC 8046F 3
Obr.2 Měření pomocí měřícího systému na principu šestibranu Obr.3 Měření pomocí obvodového analyzátoru ZVL6 4
0-10 3s_0dB_3s_short 3s_10dB_3s_short 3s_20dB_3s_short 3s_30dB_3s_short 3s_40dB_3s_short -20-30 -40-50 -60 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Obr.4 Činitel odrazu měřený metodou šestibranu 10 0-10 -20 3s_0dB_3s_short 3s_10dB_3s_short 3s_20dB_3s_short 3s_30dB_3s_short 3s_40dB_3s_short -30-40 -50-60 -70-80 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Obr.5 Činitel odrazu měřený pomocí ZVL6 5
Na obr.4 a obr.5 jsou vidět činitele odrazu změřené oběma systémy na výše popsané zátěži, jejíž fotografii je vidět na obr.6, pro postupně nastavené hodnoty útlumu atenuátoru č.1 0, 10, 20, 30, 40 db. Na obr.7 je pak vidět transformace do časové oblasti. Zobrazení v lineárním měřítku neumožňuje využít plnou dynamiku měření a proto v dalším budou zobrazovány měření v časové oblasti s logaritmickou osou y. Na ose x je po zohlednění zkracovacího činitele koaxiálních kabelů vzdálenost od kalibračních zátěží při kalibraci použitého přístroje. Délka celé měřené zátěže vychází necelé 2m, což odpovídá realitě. V dalším se proto zaměříme na rozsah vzdálenosti do cca 2.5m. Zmíněná oblast zájmu pro metodu šestibranu je vidět na obr.8. Zde je již možné sledovat detaily chování zátěže. Ve vzdálenosti cca 0.9m je vidět malé odrazy způsobené zapojenými atenuátory, jejichž tvar se navíc mění se změnou jejich nastavení. Ve vzdálenosti 1.8m pak následuje hlavní odraz od zkratu. Zvyšováním vřazeného útlumu samozřejmě amplituda odrazu od zkratu klesá, a pro vřazený útlum 30dB již odraz není patrný. Pro přesnější zjištění parametrů měřícího systému metodou šestibranu byl postupně nastavován útlum atenuátoru č.2 při hodnotě atenuátoru č.1 20dB. Z měření na obr. 9 je zřejmé, že odraz způsobený zkratem je vidět až po úroveň atenuátoru č.2 10dB, což by odpovídalo nastavení atenuátoru č.1 30 db v předchozím měření, avšak tam již tento odraz není patrný. Pro měřící systém metodou šestibranu je tedy možné konstatovat dosažitelný dynamický rozsah do cca 2* nastavení atenuátorů, protože jimi signály během měření procházejí dvakrát, tj. zde cca 60dB. Obr.6 Měřená zátěž z kabelů a přepínatelných atenuátorů 6
450 400 350 300 3s_0dB_3s_short 3s_10dB_3s_short 3s_20dB_3s_short 3s_30dB_3s_short 3s_40dB_3s_short 250 200 150 100 50 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Obr. 7 Měření metodou šestibranu transformované do časové oblasti 60 50 40 30 3s_0dB_3s_short 3s_10dB_3s_short 3s_20dB_3s_short 3s_30dB_3s_short 3s_40dB_3s_short 20 10 0-10 -20-30 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Obr.8 Měření metodou šestibranu v časové oblasti do vzdálenosti 2.5m a logaritmickým měřítkem osy y. 7
20 10 0-10 -20-30 -40 3s_20dB_0dB_3s_short 3s_20dB_2dB_3s_short 3s_20dB_4dB_3s_short 3s_20dB_6dB_3s_short 3s_20dB_8dB_3s_short 3s_20dB_10dB_3s_short -50 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Obr.9 Měření metodou šestibranu v časové oblasti se změnou nastavení atenuátoru č.2 Stejná měření byla provedena na srovnávacím VNA ZVL6 pro různá nastavení atenuátoru č.1, viz. obr.10. Je zde vidět, že při nastavení atenuátoru č.1 na hodnotu 30dB je sice odraz od zkratu vidět, ale již nepřevyšuje okolní signály. Dynamika měření je zde tedy víceméně identická a dosahuje opět 60dB. 2.2 Reálnější konfigurace měření odrazu - případ 2 Tato úloha tedy prozkoumala možnosti měření v případě šíření signálu prostředím (zde kabelem), které je pouze ztrátové, ale převážně přizpůsobené, až na odrazy atenuátorů, které lze vidět na obr. 5 na úrovni cca -30dB. Pokud bychom ale chtěli sestavit reálné GPR měření v nejjednodušší konfiguraci, tedy na měřící port bychom připojili anténu, tak vlivem jejího nepřizpůsobení, či minimálně odrazem od rozhraní vzduch - zem bychom získali mnohem vyšší činitel odrazu. Abychom tento případ postihli, byla měřená zátěž modifikována, a to tak, že do signálové cesty byl vložen rezistor 100Ω mezi dva SMA konektory, jak je vidět na obr.11. Pak teprve následuje předchozí sestava zátěže, tedy kabel, atenuátory, kabel a zkrat. Měření na modifikované zátěži byly opět provedeny na obou měřících systémech. Nejprve lze vidět získaný činitel odrazu na obr.12, lze srovnat s předchozím případem na obr.87. Je vidět, že s přidávaným útlumem atenuátoru č.1 činitel odrazu neklesá, pouze ustávají jeho výchylky a zůstává na hodnotě kolem -6dB. 8
60 3s_0dB_3s_short 50 40 3s_10dB_3s_short 3s_20dB_3s_short 3s_30dB_3s_short 3s_40dB_3s_short 30 20 10 0-10 -20-30 -40 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Obr.10 Měření v časové oblasti pomocí VNA ZVL6 Obr.11 Vložený sériový rezistor do signálové cesty pro simulaci nepřizpůsobení 9
0-2 -4-6 -8-10 100Ohm_3s_0dB_3s_short 100Ohm_3s_10dB_3s_short 100Ohm_3s_20dB_3s_short 100Ohm_3s_30dB_3s_short -12 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 40 Obr.12 Činitel odrazu s vloženým rezistorem měřený systémem šestibranu 30 20 10 0-10 100Ohm_3s_0dB_3s_short 100Ohm_3s_10dB_3s_short 100Ohm_3s_20dB_3s_short 100Ohm_3s_30dB_3s_short 100Ohm_3s_20dB_1dB_3s_short 100Ohm_3s_20dB_2dB_3s_short 100Ohm_3s_20dB_3dB_3s_short -20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Obr.13 Měření v časové oblasti systémem šestibranu přes vložený sériový rezistor 10
50 40 30 20 100Ohm_3s_0dB_3s_short 100Ohm_3s_10dB_3s_short 100Ohm_3s_20dB_3s_short 100Ohm_3s_10dB_2dB_3s_short 100Ohm_3s_10dB_4dB_3s_short 100Ohm_3s_10dB_6dB_3s_short 100Ohm_3s_10dB_8dB_3s_short 100Ohm_3s_10dB_10dB_3s_short 10 0-10 -20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Obr.14 Měření v časové oblasti pomocí VNA ZVL6 přes vložený sériový rezistor V případě vloženého sériového rezistoru je vidět, že pro nastavení atenuátoru č.1 na hodnotě 20dB je již odraz od zkratu velmi malý a další zvyšování vloženého útlumu pomocí nastaveni atenuátoru č.2 již snižuje odraz od zkratu pod úroveň okolního signálu. V tomto případě měření tak dosahujeme dynamiky pouze cca 42dB. Ještě srovnání s VNA ZVL6 na obr. 14. Zde je vidět velká slabina tohoto vektorového obvodového analyzátoru. Viditelný odraz byl při změnách atenuátoru č.1 vidět pouze do hodnoty 10dB, pak ještě změnou atenuátoru č.2 na hodnotu 4dB klesl odraz od zkratu na úroveň odlišitelnou od okolního signálu. Odtud je vidět dosažitelná dynamika této konfigurace měření pouze asi 28dB, což je mnohem horší výsledek, než dosažený měřícím systémem šestibranu. Pro reálné experimenty je ovšem k oběma měřícím systémům připojit antény a vyřešit jejich polohování vůči měřenému objektu. Zvýšení dynamiky měření by bylo možné provést rozdělením přijímací a vysílací cesty, kdy je možné vřadit do přijímací, případně také vysílací cesty zesilovač. Celkové zesílení, jaké je možné přidat, závisí na izolaci vysílací a přijímací antény a v praxi také na hodnotě nejsilnějšího odrazu od rozhraní vzduch - země. 11
2.3 Konfigurace měření přenosu - případ 3 V tomto případě jsme se pokusili přesunout k měření přenosu, které je ekvivalentní k bistatickému měřícímu systému s oddělenou vysílací a přijímací anténou. Konfiguraci měření je možno vidět na obr.8. Port 1je připojen k vysílacímu portu obvodového analyzátoru, Port 2 je připojen k přijímacímu portu obvodového analyzátoru. Přenosová trasa sestává ze: dvou výkonových rozbočovačů (splitterů) HP 11667A sady přepínatelných atenuátorů HP 8494B a HP 8495B, 3dB atenuátoru Minicircuits VAT-3+, kabelů délky 50cm typu Minicircuits CBL 1.5FT SMSM+ redukce N-SMA Hlavní signál prochází přes rozbočovač a 3dB atenuátor na druhý rozbočovač a odchází na přijímací port obvodového analyzátoru. Druhý signál vzniká rozdělením budícího signálu na prvním rozbočovači, odchází na sadu přepínatelných atenuátorů a přes koaxiální kabel, který tvoří rozdíl délek obou signálových cest, prochází do druhého rozbočovače a na přijímací port obvodového analyzátoru. Výsledky měření v časové oblasti jsou vidět na obr.16, kde byla nastavována hodnota útlumu atenuátoru HP8495B v rozsahu 0 až 50dB. V grafu je vidět v místě 0.3m přenos hlavního signálu, na ose y pro něj lze již odečíst přibližnou hodnotu útlumu přenosu okolo 13dB. Ve vzdálenosti 0.65m je pak vidět přenos druhého signálu přepínatelnými atenuátory a koaxiálním kabelem. Zde je vidět, že identifikovat přenos lze při hodnotě nastaveného útlumu asi 30dB, při dalším zvyšování útlumu je sice špička v grafu vidět, ale již nepřevyšuje okolní hodnoty. Měření ukázalo úskalí této konfigurace, kterým jsou interní odrazy a vícečetné průchody signálu obvodem. Jako hlavní zdroj odrazů byly identifikovány rozbočovače, protože podle specifikace výrobce to nejsou plnohodnotné děliče-slučovače výkonu, přizpůsobené na všech branách, ale přizpůsobené jsou pouze na jedné vstupní bráně. Pokud se tedy tento rozbočovač použije ve funkci slučovače, na obou branách dochází k velkým odrazům signálů zpět. Převážně tímto efektem jsou v měřené konfiguraci způsobeny další špičky ve vzdálenosti 0.45m, 0.85m a spoustu dalších, které jsou již mimo zobrazený rozsah. 12
Obr.15 Konfigurace měření přenosu v případě 3-10 -20 TL [db] -30-40 0dB -50 10dB 20dB 30dB -60 40dB 50dB distance [m] -70 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Obr.16 Měření přenosu v časové oblasti pomocí VNA ZVL6 v případě 3 13
2.4 Upravená konfigurace měření přenosu - případ 4 Pro problematické vícenásobné odrazy bylo nutné konfiguraci měření přenosu upravit. Pro měření bylo nutné zajistit širokopásmové děliče/slučovače výkonu, pracující v požadovaném rozsahu a přizpůsobené na všech branách. Protože hotové komerční produkty nebyly k dispozici, bylo přikročeno k vlastní realizaci, jak je vidět na obr.17. Díky jiné orientaci bran oproti rozbočovačům HP a použití SMA konektorů, oproti původním N konektorům, bylo nutné konfiguraci měření poněkud modifikovat pomocí přidaných přechodů. Celou konfiguraci měření je vidět na obr.18 i s připojeným obvodovým analyzátorem ZVL. Délka propojovacího kabelu mezi atenuátory a druhým slučovačem byla navýšena na 1m a v měřených datech jsou obsaženy i připojovací kabely mezi slučovači a porty obvodového analyzátoru. Výsledky měření je vidět na obr.19, kde ve vzdálenosti 0.5m je hlavní signál jdoucí přes slučovače a pevný atenuátor 3dB a ve vzdálenosti 1.1m je poté vidět měnící se úroveň signálu přes přepínatelné atenuátory. Zde je vidět, že jednoznačně lze identifikovat signál do nastavení atenuátoru na hodnotu útlumu 30dB, dále již jsou parazitní odrazy - špičky vyšší. Obr.17 Realizované širokopásmové děliče/slučovače výkonu 14
Obr.18 Měření přenosu obvodovým analyzátorem ZVL -10-20 -30 TL [db] 0 10 20 30 40 50-40 -50-60 -70 distance [m] 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 Obr.19 Měření přenosu v časové oblasti pomocí VNA ZVL6 v případě 4, pevný atenuátor 3dB 15
Pro praktické použití je tedy vidět, že pomocí obvodového analyzátoru ZVL není možné v časové oblasti zobrazit dva signály s rozdílem úrovní větší, jak cca 30dB. Jak se měření bude chovat v případě, že budeme měnit i hodnotu pevného atenuátoru pro hlavní signál, si ukážeme v následujících měřeních. Modifikace tedy spočívá ve změně vřazeného pevného atenuátoru. Jeho původní hodnota 3dB, která platila při měřeních na obr.16 a obr.19 byla postupně nahrazena hodnotou 20dB a 30dB. Výsledky měření jsou na obr.20 a obr.21. Z nich vyplývá opět to, že signál tlumený přepínatelnými atenuátory lze jednoznačně identifikovat po úroveň nastavení o cca 30 db pod hlavní signál. Je tedy zřejmé, že ani při měření přenosu nejsme omezeni dynamikou měření samotného analyzátoru, je možné měřit na různých absolutních úrovních signálů, nicméně pouze do rozdílu obou úrovní o hodnotě 30dB, dále již špičky v grafech měření v časové oblasti nejsou jednoznačně identifikovatelné. Důvodů je více. Mohou to být vícenásobné odrazy v systému, které překryjí užitečný signál, dále rozlišení měření obvodového analyzátoru, zde je otázkou jakou výstupní šířku slova používá AD převodník a v neposlední řadě vlastnosti použité transformace do časové oblasti, například použití vhodnějšího váhovacího okna. 16
-10-20 -30-40 -50 TL [db] 0 10 20 30 40 50 53 55 60-60 -70 distance [m] -80 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 Obr.20 Měření přenosu v časové oblasti pomocí VNA ZVL6, pevný atenuátor 20dB -45-50 -55-60 TL [db] 30 40 50 55 60 65 70-65 -70-75 -80-85 distance [m] 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 Obr.21 Měření přenosu v časové oblasti pomocí VNA ZVL6, pevný atenuátor 30dB 17
3 Měření ve volném prostoru Po zhodnocení vlastností jednotlivých měřených konfigurací bylo přikročeno k reálným měřením ve volném prostoru. Protože monostatická konfigurace obvodový analyzátor ZVL, koaxiální kabel, širokopásmová anténa a měření činitele odrazu nedokázala rozlišit žádnou překážku umístěnou před anténu, byla anténa umístěna na planární scanner realizovaný z XY plotteru HP 9872A [6]. Realizovaný scanner pokrývá plochu 400*280mm, ve které je možno polohovat anténu pomocí HPGL příkazů. Řízení je vytvořeno v prostředí Agilent VEE. Program umožňuje volit velikost zkoumané plochy a nezávisle rozlišení v obou osách. Zároveň pro každou polohu vyčte sledovanou veličinu -přenos, odraz z analyzátoru a celek uloží pro další zpracování. Data se opět převedou do časové oblasti, pro každou polohu jedna závislost odrazu na vzdálenosti od antény. Nejvhodnějším zobrazením je pak obrázek, který vznikne tak, že jeho jednotlivé sloupce jsou tvořeny měřeními, kde na ose y je vzdálenost od antény a na ose x jednotlivé polohy ve směru pohybu scanneru. Vyšetřovaná oblast byla zvolena podle obr.22 na scanneru zleva doprava v celé délce 400mm s krokem 10mm, poté posuv v ose Y o 10mm a návrat zpět opět o 400mm zprava doleva se stejným krokem. Tím vznikají data, ve kterých je 82 poloh a výsledný snímek by měl být podle vertikální osy symetrický. Jako měřený objekt byla zvolena plechová nádoba, pro její vhodnou velikost a rovnoměrný odraz (pro podobné testy jsou doporučeny jednoduché objekty tvaru válce, koule, krychle). Jako první anténa je použita specielně navržená logaritmicko periodická anténa pro rozsah asi 400MHz až 6GHz. Nejdříve bylo testováno měření s touto anténou v monostatickém režimu, tedy při snímání činitele odrazu na obvodovém analyzátoru. Po zpracování výsledků různých měřených objektů - plechová nádoba, plechová deska nebylo možné ve výsledcích sledované cíle identifikovat. Odtud vyplynula nutnost bistatické konfigurace měření. Jako druhá anténa byl zvolen dipól s reflektorem, který uspokojivě pracuje v rozsahu cca 2 až 3GHz. Referenční měření je na obr. 23, kde je vidět ve vzdálenosti cca 0.75m (horní okraj obrázku) červenou oblast s nejsilnějším signálem, což je přímý přenos mezi vysílací a přijímací anténou. Díky použití logaritmicko periodické antény zde pravděpodobně dochází k disperzi signálu - vzdálenost mezi aktivní částí antény a přijímací anténou se s kmitočtem mění. Ve vzdálenosti 1.1m a 1.2m je vidět stálý odraz, který je pravděpodobně způsoben blízkostí stěny za scannerem. Podobná měření je samozřejmě vhodné provádět v bezodrazové komoře. Po zavěšení měřeného objektu do těsné blízkosti antén bylo provedeno první měření, které je na obr. 24. Zde je vidět v místě na souřadnicích 0.2;0.8m odraz od cíle, při zpětném pohybu je samozřejmě vidět jej i v místě 0.6;0.8m. Kolem cíle je vidět charakteristická hyperbola, která je tvořena změnou součtu vzdáleností mezi cílem a oběma anténami. 18
Na dalších obr.25, obr.26 a obr.27 jsou vidět výsledky měření se vzdalujícím se cílem. Velice rychle viditelný odraz zaniká a při vzdálenosti 350mm jej již nejde identifikovat. Možnosti měření pomocí obvodového analyzátoru ZVL tak byly vyčerpány, lepších výsledků je možno dosáhnout volbou vhodných antén pro širší pásmo kmitočtů s pevným fázovým středem, případně odstíněním antén pro potlačení přímé vazby antén. Další potlačení je možné použitím dvou antén s opačným smyslem kruhové polarizace, u které při odrazu od cíle dojde k převrácení smyslu otáčení vektoru el. intenzity. V softwarovém zpracování již byla zmíněna možnost použití okének, kde váhováním lze dosáhnout zvýšení dynamiky měření za cenu snížení rozlišení měření ve vzdálenosti. Z pokročilých metod zpracování pak postupy, jak vytvářet z naměřených dat z znalosti polohy jednotlivých bodů měření se syntetickou aperturou, či využít techniky využívané u zemního radaru s názvem F-K, jejíž podstatou je pro každý bod obrazu stanovit jeho hodnotu jako součet všech hodnot na zkonstruované hyperbole v původním obraze. Obr.22 Koncepce měření pomocí planárního scanneru 19
0.8-35 0.9-40 1 distance [m] 1.1 1.2 1.3 1.4-45 -50-55 1.5-60 1.6 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 X [m] Obr.23 Referenční měření bez objektu -65 0.8-35 0.9 1-40 distance [m] 1.1 1.2 1.3 1.4-45 -50-55 1.5-60 1.6 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 X [m] Obr.24 Objekt ve vzdálenosti 85mm od antén -65 20
0.8-35 0.9-40 1 distance [m] 1.1 1.2 1.3 1.4-45 -50-55 1.5-60 1.6 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 X [m] Obr.25 Objekt ve vzdálenosti 145mm od antén -65 0.8-35 0.9 1-40 distance [m] 1.1 1.2 1.3 1.4-45 -50-55 1.5-60 1.6 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 X [m] Obr. 26 Objekt ve vzdálenosti 218mm od antén -65 21
-35 0.8 0.9-40 1-45 distance [m] 1.1 1.2 1.3 1.4-50 -55 1.5-60 1.6 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 X [m] Obr.27 Objekt ve vzdálenosti 355mm od antén -65 4 Seznam literatury [1] European GPR association, GPR for Beginners, [Online] Cited 2011-02-10. Available at: http://www.eurogpr.org/documents/ GPR_for_Beginners.pdf. [2] H. M. Jol, Ground Penetrating Radar Theory and Applications, Elsevier Science, Amsterdam, 2009 [3] H. Ling, Z. Zhaofa, W. Munan, W. Zhenjiang, High resolution GPR and its experimental study, Applied Geophysics, Vol.4, pp.301-307, December 2007 [4] M. Hiebel, Fundamentals of Vector Network Analysis, 2 nd ed. Rohde&Schwarz. Munich (Germany), 2007. [5] T. Urbanec, Wideband vector network analyzer design by multisixport Principle, In Conference proceedings of the 16th International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications. Krakow, 2006. pp. 271-274, ISBN: 83-906662-7-8. [6] T. Urbanec, P. Vágner, High resolution easy to build 2D scanner of EM field, In Proceedings of 19th International Conference Radioelektronika 2009. Brno, 2009. pp. 353-356. ISBN: 978-80-214-3865-1. 22
Název MĚŘENÍ OBJEKTŮ V PROSTORU POMOCÍ VEKTOROVÉHO OBVODOVÉHO ANALYZÁTORU Autoři Ing. Tomáš Urbanec, Ph.D., Vydavatel Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav radioelektroniky Purkyňova 118, 612 00 Brno Vydání první Rok vydání 2012