Se verden med en radars øjne - Lær om pulsradaren og Dopplerradaren
En radar har vi alle set - på havnen eller ved politiets hastighedskontroller. Men hvordan virker en radar egentlig? Hvordan kan radarer hjælpe os til kortlægge huse, veje og jordens klima, og hvordan kan radarer hjælpe boldspillere med at sætte nye rekorder? Få to spændende dage med DTU's øvelsesradarer. Se, hvor hurtigt du kan accelerere på cykel, og få dit eget unikke radarkort over København med hjem til din opgave.
Hvad går øvelsen ud på?
Du vil i denne øvelse lære om fysikken bag en radar. Vi tager udgangspunkt i den viden, du allerede har om begreber som bølger, bevægelse, effekt og energi samt måleteknik, og vi lærer at undersøge, hvad der er vigtigt, når vi skal bygge en radar.
Vi lærer om, hvordan forskellige objekter påvirker radarbølgerne, og vi går i detaljer med to forskellige typer af radar: pulsradaren og Dopplerradaren. Vi ser på, hvilke objekter vi kan observere, og vi undersøger begge radarers range-, azimuth-, og elevationsopløsning.
Endelig studerer vi radarligningen for at forstå, hvordan støj begrænser radarernes rækkevidde. Dette gøres gennem begreberne ”falsk alarm” og ”missed detection”, der begge beskrives vha. velkendt sandsynlighedsregning. For Dopplerradaren ser vi desuden på hastighedsopløsningen.
Vores undersøgelser tager udgangspunkt i teorien, som introduceres i forløbet, og efterfølgende prøves alt det lærte af gennem eksperimenter med vores to radarsystemer.
Hvordan foregår øvelsen?
Begge dage forløber med en blanding af teori, opgaveregning med henblik på at karakterisere de radarer, vi skal anvende, samt målinger med selve radarerne.
Teorien gennemgås ved tavleundervisning. Regneøvelserne sikrer, at alle får bestemt radarernes vigtigste parametre, så der i den praktiske del bliver lavet relevante forsøg, der illustrerer teorien.
Til de praktiske målinger benyttes to radarsystemer, der er specialbygget til øvelsen, så de kan konfigureres fleksibelt.
Pulsradaren er en kraftigt ombygget skibsradar med en rækkevidde på mere end 50 km, mens Dopplerradaren er en specialbygget radar, der er resultatet af et veludført projekt, lavet af to studerende.
På den måde illustrerer øvelsen også, hvilke typer af projekter en typisk studerende kan møde på universitetet.
Hvilke faciliteter kommer du til at bruge?
Konkret kommer du til at arbejde med to radarsystemer, der er bygget af DTU.Du skal selv undersøge, hvordan systemerne sættes op, og du skal udføre målinger af dine omgivelser.
Begge øvelsesdage foregår på DTU Space, hvor du vil være en del af miljøet, mens du er der.
Har du interesse i f.eks. at besøge de laboratorier, hvor vi bygger udstyr til jordobservation (Remote Sensing-instrumenter), kan det sagtens arrangeres, men det er ikke en nødvendighed at deltage i laboratoriebesøget for at kunne gennemføre øvelsen.
Tilmeldingen til SRP-øvelser åbner
Øvelsen lægger op til, at du i høj grad selv kan tilpasse din faglige vinkel. Begge typer radar kan anvendes til en lang række formål inden for kortlægning, overvågning, forsvar og sport, og du kan selv vælge, om du vil arbejde med begge typer af radar eller nøjes med den ene.
Militært brug
Indtil for relativt få år siden var udviklingen inden for radarteknologi i høj grad drevet af militære interesser, og vælger du at kombinere fysik med historie eller samfundsfag vil det være oplagt at se på radarens betydning under anden verdenskrig, under den kolde krig eller som vigtigt forsvarsvåben i igangværende konflikter.
Kortlægning
Hvis du kombinerer fysik med geografi eller samfundsfag vil det være oplagt at se på moderne radarers mulighed for at kortlægge og overvåge fjerne egne af jorden og undersøge, hvordan radaren kan hjælpe med at overvåge parametre som ændringer i jordfugtighed eller vegetation. Her vil fokus være på klimaforandringer og på mulighederne for at overvåge forandringerne fra rummet vha. radar.
Idrætspræstationer
Vælger du at kombinere fysik og idræt, vil det være naturligt at benytte Dopplerradaren til at måle bevægelsesprofiler. Dette kan være for både objekter eller personer i bevægelse. Som eksempel kan nævnes optagelse af en accelerationsprofil for en cykel eller en bil (som f.eks. i Formel 1), eller måling på bevægelsen for en bold, som bliver kastet.
Databehandling
Endelig vil det være en oplagt mulighed at se på kombinationen af fysik og matematik, idet du vil få mulighed for at dykke ned i den databehandling, der ligger mellem selve radaren og så billedet, du får frem på skærmen. Et godt emne til den matematiske del vil være Fourierrækker eller transformation.
Dag 1
- 8:30 – 8:40 Velkommen
- 8:40 – 10:00 Hvad er en radar, og hvilke typer kender vi + lidt historie (Gruppearbejde)
- 10:00 – 12:30 Pulsradaren og radarligningen (Klassegennemgang)
- 12:30 – 13:00 FROKOSTPAUSE
- 13:00 – 15:30 DTU's pulsradar, monteret på taget af bygning 348 (Øvelse - delvist udendørs)
- 15:30 – 17:00 Diskussion og designopgave (Gruppearbejde/Regneøvelse)
Dag 2
- 8:30 – 9:30 Opsamling på øvelse og regneøvelse med pulsradar (Klasse-/Gruppearbejde)
- 9:30 –11:00 Dopplerradaren og DTUs CW-radar (Klassegennemgang)
- 11:00 –12:30 Dopplerradar (Gruppearbejde/Regneøvelse)
- 12:30 –13:00 FROKOSTPAUSE
- 13:00 –16:00 DTUs Dopplerradar (Øvelse – helt udendørs!)
- 16:00 –17:00 Opsamling og Evaluering
Begge dage vil der foruden frokostpausen være korte pauser (10 min.) ca. en gang i timen.
BEMÆRK!!! Programmet er vejledende, idet de praktiske øvelser helt eller delvist foregår udendørs i det fri – og derfor er stærkt afhængige af vejret. Øvelserne vil så vidt muligt blive forsøgt afviklet i tørvejr ved at rokere programmets aktiviteter, men under alle omstændigheder tilrådes det at medbringe varmt overtøj og eventuelt regntøj eller paraply!
Under begge de to øvelser med henholdsvis puls- og Dopplerradaren optager du data på din computer.
For pulsradaren består data i et kort over området omkring DTU. Opløsningsevnen (detaljeringsgraden) og rækkevidden afhænger nøje af dine indstillinger for radaren, og data vil således altid indeholde en form for kompromis.
Hvis du prøver at variere indstillingerne for systemet, vil du få meget forskellige kort med hjem, og de vil præcist illustrere, hvordan teorien påvirker den praktiske måling.
Når du måler med Dopplerradaren får du de rene rå data med hjem, men du får også en figur, hvor data illustrerer henholdsvis hastighed og afstand som funktion af tiden.
Typisk vil de rå data være af stor interesse, hvis du kombinerer fysik og matematik, og hvis dit matematikemne er Fourierrækker eller -transformation. For andre faglige vinkler vil de færdigbehandlede data være direkte til at benytte. Typiske målinger foretages på personer, cykler, biler, bolde m.v.
Alle hold kan ikke nå at udføre alle kombinationer af parametre og alle typer af forsøg. Derfor er der lagt op til, at holdene udveksler data, inden vi rejser hjem, så datamængden for den enkelte bliver så stor som mulig.
Læringsmål
Når du har gennemført ”Se verden med en radars øjne” kan du:
- Forklare en pulsradars virkemåde
- Udpege væsentlige parametre for pulsradarens ydeevne
- Redegøre for begreberne sandsynlighed for detektion og sandsynlighed for falsk alarm
- Dimensionere en pulsradar ud fra en kravspecifikation
- Bestemme en pulsradars maksimale rækkevidde
- Identificere begrænsninger ved et fysisk pulsradarsystem
- Optage et radarbillede og indsætte det i Google Earth
- Genkende radarsignaler fra større objekter i landskabet
- Forklare væsentlige forskelle mellem radarens billede og et luftfotografi
- Forklare en continuous-wave (Doppler) radars virkemåde
- Bestemme en Dopplerradars maksimale rækkevidde
- Identificere begrænsninger ved et fysisk Dopplerradarsystem
- Optage en tidsserie og anvende softwareværktøjer til at se på Dopplerfrekvenser
- Beskrive en bevægelse ved at se på hastighedsdata fra Dopplerraderen
- Beskrive en bevægelse ved at se på afstandsdata fra FMCW-radaren.
Forslag til litteratur, du kan bruge i din opgave og som baggrund for øvelsen:
Primære kilder:
- www.radartutorial.eu/index.en.html
- Poul H. Munch: ”Mikrobølgeteknik”, 2005-2011, 6. Udgave (Kapitel 10)
- https://www.yumpu.com/da/document/view/17693315/mikroblgeteknik-marineingenir/193
Lidt mere avanceret:
- Merrill I. Skolnik: Introduction to RADAR systems. McGraw-Hill Book Company
- Simon Kingsley og Shaun Quegan: Understanding radar systems. McGraw-Hill Book Company
Lidt inspiration kan også hentes her:
- spectrum.ieee.org/geek-life/hands-on/coffeecan-radar
- spectrum.ieee.org/video/geek-life/hands-on/video-build-a-coffeecan-radar
Sammen med dit velkomstbrev får du tilsendt øvelsesvejledninger til de to praktiske øvelser, de to regneøvelser, samt en litteraturliste med henvisninger til en del baggrundsmateriale.
Relevante gymnasiefag
- Fysik: Øvelsen passer til fysik som det eksperimentelle fag, da elementer som elektromagnetiske bølgers udbredelse og refleksion, Dopplereffekt samt almen mekanik (bevægelseslære) er centrale elementer i forløbet, og det er fysiske love, der danner grundlag for anvendelsen af data.
Kan kombineres med:
Fysik kan kombineres med historie, geografi, samfundsfag, idræt og matematik, men der er tidligere tillige eksempler på kombination med faget dansk. De enkelte fags muligheder er uddybet under faglige vinkler.
Faglige nøgleord
- Elektromagnetiske bølger
- Bølgelængde
- Frekvens
- Udbredelseshastighed
- Interferens
- Reflektion
- Elementer fra mekanik
- Sandsynlighedsregning
