Vinaora Nivo SliderVinaora Nivo SliderVinaora Nivo Slider

Nauka i badania

Zainteresowania naukowo-badawcze pracowników Instytutu Radioelektroniki koncentrują się głównie na scharakteryzowanych niżej zagadnieniach.

Teoria i technika mikrofalowa

    ire-nauka-i-badania-001Współczesny świat trudno sobie wyobrazić bez sygnałów elektromagnetycznych i urządzeń zakresu mikrofalowego. Bez szeroko rozumianej teorii i techniki mikrofalowej, nie jesteśmy w stanie odpowiednio szybko skontaktować się z osobami przebywającymi na innych kontynentach lub w innych miejscowościach. Samoloty nie są w stanie bezpiecznie wystartować i wylądować bez pokładowych oraz naziemnych urządzeń nawigacyjnych i systemów łączności, których funkcjonowanie jest oparte na emisji, odbiorze i przetwarzaniu sygnałów mikrofalowych. Bez teorii i techniki mikrofalowej, tak powszechna dziś telefonia komórkowa czy system nawigacyjny GPS (ang. Global Positioning System), stają się jedynie pustymi pojęciami. Bez urządzeń mikrofalowych nie moglibyśmy „surfować” w internecie jadąc pociągiem lub samochodem, ani w ogóle nie bylibyśmy w stanie skorzystać z komputera, gdyż jego serce – procesor cyfrowy, pracuje z zegarem o częstotliwości zakresu mikrofalowego. Teoria i technika mikrofalowa pozwala słuchać radia, oglądać obrazy na ekranie telewizyjnym, oraz pozwala szybko przygotować posiłek przy użyciu popularnej kuchenki mikrofalowej.

    W obszarze teorii i techniki mikrofalowej, w Instytucie Radioelektroniki prowadzone są badania nad nowoczesnymi strukturami podzespołów mikrofalowych. Należą do nich: wzmacniacze mikrofalowe, detektory mikrofalowe, mikrofalowe dzielniki mocy dwu- i wielowyjściowe, sprzęgacze kierunkowe zbliżeniowe, a w tym typu Lange'a oraz sprzęgacze gałęziowe i sprzęgacze pierścieniowe o obwodzie 3/2 λ. Szczególnie te ostatnie podzespoły są bardzo interesujące, gdyż mogą być wykonywane w technice niesymetrycznej linii paskowej NLP, dobrze opanowanej w Instytucie Radioelektroniki. Ponadto, z uwagi na własności fazowe sprzęgacz pierścieniowy o obwodzie 3/2 λ może być stosowany jako element wykonujący jednocześnie operację wektorowego sumowania i odejmowania. Prowadzone są również prace nad wielowrotnikami mikrofalowymi niezbędnymi w strukturach opracowywanych układów natychmiastowego pomiaru częstotliwości i fazy sygnałów mikrofalowych. Tego typu szerokopasmowe układy wykorzystano miedzy innymi w budowie monoimpulsowych zespołów namierzania źródeł sygnałów mikrofalowych. Z kolei te zespoły oraz algorytmy przetwarzania ich sygnałów wyjściowych wykorzystano do opracowania lekkich radarów pasywnych lokalnego zasięgu oraz lekkiego przenośnego radaru trójwspółrzędnego wykrywającego przeciwpancerne pociski kumulacyjne. Poprawność założeń teoretycznych oraz wykonania modeli potwierdziły badania przeprowadzone w warunkach rzeczywistych.

    Radiometria i termografia mikrofalowa

      ire-nauka-i-badania-002Radiometria to dziedzina techniki, zajmująca się pomiarami odebranego promieniowania. W ramach radiometrii wyróżnia się radiometrię szumową, która jest związana z pomiarami elektromagnetycznego promieniowania szumowego (termicznego). Przesłanki fizyczne występowania tego promieniowania oparte są na podstawowych prawach opisujących wzajemne oddziaływanie pomiędzy naładowaną cząstką elementarną i energią. Oddziaływanie to powoduje zmianę stanu energetycznego naładowanej cząstki, co w konsekwencji prowadzi do emisji fali elektromagnetycznej. Naładowane cząstki są podstawą budowy każdego ciała fizycznego. Ciała, których temperatura fizyczna jest większa od zera bezwzględnego, odbierają i gromadzą energię oraz emitują energię w postaci fal elektromagnetycznych. Pomiar promieniowania termicznego w paśmie mikrofalowym jest realizowany za pomocą radiometru mikrofalowego.

      Termografia mikrofalowa jest gałęzią techniki związaną z pomiarami i analizą promieniowania termicznego w zakresie częstotliwości mikrofalowych. Zastosowania tej techniki są bardzo rozległe: od wykrywania zmian nowotworowych np. nowotworu sutka u kobiet poprzez obserwacje satelitarne powierzchni ziemi i oceanów aż do detekcji położenia zamaskowanych obiektów wojskowych (np. czołgi, transportery, miny, itp.) Termograf mikrofalowy składa się z trzech podstawowych bloków:

      • anteny typu otwarty koniec falowodu, spełniającej rolę czujnika odbierającego promieniowanie cieplne obiektu w zakresie częstotliwości mikrofalowych,
      • radiometru mikrofalowego, mierzącego moc odebranego promieniowania,
      • układu zobrazowania informacji.

      Medyczne termografy mikrofalowe są urządzeniami, za pomocą których można dokonać pomiaru generowanej przez tkanki podpowierzchniowe emisji mikrofalowej. Ich działanie, w aspekcie diagnozowania nowotworów złośliwych, opiera się na fakcie, że obecność komórek rakowych stymuluje pojawienie się dużej ilości naczyń krwionośnych w ich sąsiedztwie, co w połączeniu z przyspieszonym metabolizmem nowotworu powoduje wzrost temperatury guza i otaczających tkanek. W odróżnieniu od termografii podczerwonej, która umożliwia pomiar wyłącznie temperatury powierzchni ciała, termografia mikrofalowa pozwala na wykrywanie niejednorodności termicznych leżących w głębi próbek biologicznych.

      Radar szumowy do widzenia przez ścianę

        ire-nauka-i-badania-003W ramach tej grupy zagadnień prowadzone są prace badawcze zmierzające do opracowania lokalizatora do wykrywania obiektów ukrytych za przesłonami dla światła widzialnego i podczerwieni wykorzystującego radar szumowy pracujący w paśmie częstotliwości 3 GHz. Nadajnik tego radaru generuje sygnał szumowy o zmiennym paśmie pracy od 500 MHz do 1000 MHz, natomiast odbiornik realizuje analogową detekcję korelacyjną, co umożliwia precyzyjny pomiar odległości do obiektów. Precyzyjne określenie odległości realizowane jest za pomocą analogowej linii opóźniającej o zmiennej długości sterowanej elektronicznie. Dokładność określenia odległości wynosi ± 20 cm. Lokalizator umożliwia także określenie miejsca położenia obiektu we współrzędnych azymutalnych, dzięki zastosowaniu anten z elektronicznie sterowaną wiązką i cyfrowemu przetwarzaniu sygnałów.

        Główne rozwiązywane problemy badawcze dotyczą opracowania struktury radaru szumowego oraz badania i implementacji algorytmów przetwarzania umożliwiających wykrywanie aktywności istot żywych ukrytych za niemetalowymi przesłonami dla światła widzialnego takimi jak ściany, zawaliska powstałe po katastrofach budowlanych czy klęskach żywiołowych itp. Aktywność istot żywych objawiać się może na wiele sposobów np. przemieszczanie się osób po pomieszczeniu, ruchy części ciała tzn. ruchy rąk, głowy i nóg, czy w końcu ruchy klatki piersiowej związane z oddechem i ruch związany z biciem serca istoty żywej. Ta cecha lokalizatora umożliwia odróżnienie w obserwowanej zakrytej przestrzeni istot żywych od obiektów pozostających w całkowitym bezruchu tj. meble, skały, gruz itp. Dzięki tej własności może być on z powodzeniem stosowany przez różnego rodzaju służby związane z szeroko rozumianym bezpieczeństwem państwa.

        Obszary zastosowań radarów szumowych to: radary antykolizyjne, ochrony obiektów, wykrywania ruchu, rozpoznawanie i penetracja obiektów niedostępnych, penetracja obiektów ukrytych w płytkich warstwach ziemi, wykrywanie żywych istot w obszarach niedostępnych i zakrytych.

        Radar systemu obrony aktywnej do ochrony obiektów mobilnych przed pociskami z głowicami kumulacyjnymi

          ire-nauka-i-badania-004Badania w ww. tematyce zmierzają do opracowania systemu obrony aktywnej pojazdu opancerzonego. Obrona aktywna jest zespołem przedsięwzięć zmierzających do uniknięcia trafienia pociskiem lub zmniejszenia skutków ewentualnego trafienia. Do efektywnej realizacji takiego zadania potrzebny jest system teledetekcyjny, a jednym z sensorów stosowanych w znanych rozwiązaniach jest radar. Pozwala on pozyskać informacje o rozpoczęciu ataku na ochraniany obiekt, ustalenie kierunku z którego atak jest prowadzony oraz odległości pocisku od obiektu. Zbiór tych informacji pozwala określić trajektorię lotu pocisku, wybrać najlepszy, w danych warunkach, sposób reakcji systemu obrony.

          ire-nauka-i-badania-005Główne rozwiązywane problemy badawcze dotyczą budowy modelu symulacyjnego pocisku przeciwpancernego w celu określenia jego skutecznej powierzchni rozproszenia RCS, określenia struktury i parametrów modelu nadajnika, odbiornika, systemu antenowego radaru oraz opracowanie metodyki badań wykonanych modeli systemu ochrony w wersji analogowej i cyfrowej. Prowadzono prace nad algorytmami cyfrowej korelacji z wykorzystaniem szybkiej transformaty Fouriera, cyfrowej korelacji kwadraturowej. Wykonano badania laboratoryjne i poligonowe obu modeli systemu ochrony, zakończone wynikiem pozytywnym.

          Wyniki badań, dotyczące wykorzystania radaru w systemie obrony aktywnej, mogą znaleźć zastosowania wojskowe w systemach ochrony obiektu lub grupy obiektów mobilnych, takich jak czołgi, transportery opancerzone kołowe i gąsienicowe, ruchome stanowiska dowodzenia oraz systemach ochrony małych obiektów stałych.

          Zintegrowane systemy nawigacyjne

            ire-nauka-i-badania-006W ramach tej grupy zagadnień prowadzone są prace badawcze zmierzające do opracowania efektywnych struktur zintegrowanych systemów pozycjonujących i nawigacyjnych oraz algorytmów przetwarzania danych z urządzeń nawigacyjnych, m.in. odbiorników satelitarnych systemów nawigacyjnych (GNSS) i systemów nawigacji inercjalnej (INS). Integracja umożliwia m.in. poprawę parametrów i własności użytkowych systemu oraz uzyskanie korzyści ekonomicznych, w wyniku zastąpienia drogich pojedynczych urządzeń nawigacyjnych tańszymi systemami zintegrowanymi o porównywalnych lub lepszych własnościach i parametrach.

            Główne rozwiązywane problemy badawcze dotyczą projektowania, badania i implementacji algorytmów przetwarzania danych nawigacyjnych. Opracowywane algorytmy obejmują różne typy rekursywnych algorytmów bayesowskich, począwszy od klasycznych liniowych filtrów Kalmana, poprzez filtry linearyzowane (LKF), rozszerzone (EKF) i bezśladowe (UKF), a skończywszy na złożonych algorytmach filtracji cząsteczkowej (PF). Prowadzone są również prace nad algorytmami równoczesnego tworzenia mapy otoczenia i jej wykorzystywania do pozycjonowania (SLAM), które mogą być wykorzystywane do nawigacji z wykorzystaniem obrazów z kamer lub zobrazowań radarowych w nieznanym terenie. Metodyka prowadzonych badań obejmuje prace analityczne związane z modelowaniem systemów i projektowaniem algorytmów, symulacje komputerowe oraz badania laboratoryjne.

            Wyniki badań w dziedzinie zintegrowanych systemów nawigacyjnych mogą znaleźć zastosowania wojskowe i cywilne w nawigacji pieszych, pojazdów lądowych, statków powietrznych oraz nawodnych i podwodnych obiektów pływających. Zespół z Instytutu Radioelektroniki zajmujący się tymi zagadnieniami uczestniczy obecnie w realizacji projektu współfinansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach Programu Badań Stosowanych jako Projekt Badawczy PBS1/B3/15/2012 (akronim WATSAR), którego celem jest opracowanie, wykonanie i przebadanie demonstratora technologii radarowego systemu zobrazowania terenu o parametrach oraz gabarytach umożliwiających zainstalowanie go na miniaturowym bezpilotowym statku powietrznym (mini BSP). Projekt jest realizowany przez konsorcjum złożone z Wojskowej Akademii Technicznej (Lider) i przedsiębiorstwa WB Electronics S.A. Rozwiązywane zagadnienia obejmują skonstruowanie zintegrowanego systemu nawigacyjnego o bardzo wysokiej dokładności i ciągłości danych oraz opracowanie algorytmów służących do elektronicznej kompensacji zobrazowań radarowych SAR ze względu na zaburzenia toru lotu nosiciela.

            System pasywnego monitorowania chronionych stref specjalnych, lotnisk, portów i przejść granicznych

              Analiza emisji elektromagnetycznych w otaczającej przestrzeni, przy bogactwie i różnorodności urządzeń i systemów je wykorzystujących, stała się przedmiotem badań realizowanych w ramach projektu rozwojowego finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. Jego realizacja została rozpoczęta pod koniec 2010 roku i w chwili obecnej podlega końcowej weryfikacji.

              ire-nauka-i-badania-007

              Realizacja tematu System pasywnego monitorowania chronionych stref specjalnych, lotnisk, portów i przejść granicznych stanowi przykład współpracy instytucji naukowej – Instytutu Radioelektroniki - z podmiotem gospodarczym, firmą AM Technologies. W wyniku realizacji projektu wykonano demonstrator technologii systemu pasywnego monitorowania oraz wytworzono oprogramowanie do zarządzania pracą systemu, monitorowania emisji elektromagnetycznych oraz ich lokalizacji.
              Monitorowanie widma elektromagnetycznego jest bardzo ważnym elementem zapewnienia bezpieczeństwa państwa. Cele w jakich to monitorowanie jest prowadzone mogą być różne i są ściśle powiązane z zadaniami jakie realizują poszczególne służby państwowe. Głównym odbiorcą efektów realizacji projektu mogą być:

              • Wojsko (monitorowanie kontrwywiadowcze, rozpoznanie sygnałowe, nasłuch 24 godzinny),
              • Straż Graniczna (monitorowanie stref nadgranicznych i wychwytywanie grup przemytniczych wykorzystujących systemy komunikacji radiowej),
              • Policja (radiomonitoring stref działalności przestępczych grup zorganizowanych, nagrywanie dowodowe),
              • Agencja Bezpieczeństwa Wewnętrznego (ochrona kontrwywiadowcza urzędów państwowych, ujawnianie agentów obcych służb),
              • Biuro Ochrony Rządu (ochrona obszarów i stref przebywania VIP-ów, ujawnianie utajnionych nadajników w strefach niedozwolonych),
              • Centralne Biuro Antykorupcyjne (lokalizowanie, nagrywanie emisji elektromagnetycznych jako dowodów przestępstwa),
              • Polska Agencja Żeglugi Powietrznej (zabezpieczenie obszarów lotnisk i portów lotniczych),
              • Urząd Komunikacji Elektronicznej (wykrywanie emisji bez koncesji, kontrola poprawności emisji przez nadawców posiadających koncesje, weryfikacja parametrów technicznych systemów emitujących emisje elektromagnetyczne),
              • Służby Ratownicze (np. w górach lub na jeziorach - wykrywanie i lokalizowanie emisji i osób generujących sygnały wezwania pomocy).

              Zaawansowane metody i techniki syntezy oraz przetwarzania sygnałów radarowych

                ire-nauka-i-badania-008Powyższa tematyka badawcza obejmuje szeroki zakres problemów związanych z szeroko rozumianą techniką radiolokacyjną. Prace dotyczą zagadnień zarówno podstawowych jak i aplikacyjnych. Główne problemy badawcze dotyczą zagadnień związanych z syntezą oraz generacją radarowych sygnałów złożonych oraz zaawansowanych algorytmów przetwarzania sygnałów echa radarowego.

                ire-nauka-i-badania-009Problem syntezy sygnałów, sformułowany w postaci ogólnej, sprowadza się do wyznaczenia klasy sygnałów o określonych a priori właściwościach. Do syntezy sygnałów wykorzystywane są zaawansowane metody i narzędzia takie jak m.in. zasada stacjonarnej fazy czy transformata Zaka. Część aplikacyjna dotyczy propozycji rozwiązań układów syntezy, bazujących zarówno na specjalizowanych układach bezpośredniej syntezy cyfrowej (DDS) jak i na układach programowalnych FPGA.

                Tematyka związana z algorytmizacją przetwarzania sygnałów echa radarowego obejmuje takie zagadnienia jak filtracja dopasowana, filtracja koherentna oparta o strukturę typu MTD (wykorzystująca banki filtrów dopplerowskich), standaryzacja zakłóceń o rozległym charakterze, estymacja współrzędnych, w tym monoimpulsowa estymacja współrzędnych kątowych oraz algorytmizacja procesu fuzji wykryć elementarnych. Szeroko stosowane badania symulacyjne algorytmów prowadzą do ich optymalizacji pod kątem możliwości implementacyjnych w opracowywanych aplikacjach. Wykorzystywane techniki implementacyjne z zastosowaniem układów programowalnych FPGA, procesorów sygnałowych (DSP) czy systemów do sprzętowej akceleracji obliczeń w oparciu o procesory graficzne (GPU), czynią opracowywane aplikacje zgodnymi z technologią radaru programowego (SDR).

                ire-nauka-i-badania-010

                Wyniki powyższych prac znajdują zastosowanie zarówno w technice wojskowej jak i cywilnej i są adresowane przede wszystkim do krajowych producentów sprzętu radiolokacyjnego.

                Technika radarów z syntetyczną aperturą (ang. Synthetic Aperture Radar - SAR)

                  ire-nauka-i-badania-011Technika SAR pozwala na uzyskiwanie radiolokacyjnych zobrazowań terenu o rozróżnialnościach porównywalnych z fotografią lotniczą i satelitarną. Zasada działania SAR opiera się na wykorzystaniu wzajemnego ruchu pomiędzy anteną radaru i obserwowanym obiektem. Radar taki jest zwykle zainstalowany na platformie lotniczej (samolot lub bezpilotowy statek latający - BSL), bądź też kosmicznej. W czasie przelotu nad obserwowanym terenem radar wysyła sygnały sondujące oraz odbiera sygnały echa, które, po przebyciu odpowiedniego dystansu przetwarza w taki sposób, jak gdyby pochodziły z jednej bardzo długiej anteny. Pozwala to na uzyskanie rozdzielczości zobrazowań rzędu długości wykorzystanej fali nośnej.

                  Prowadzone w Instytucie Radioelektroniki od 2006 roku prace badawcze w obszarze SAR obejmują modelowanie sygnałów odbieranych przez radar przy różnych postaciach sygnałów sondujących, implementację algorytmów syntezy zobrazowania SAR oraz algorytmów kompensacji błędów ruchu nosiciela. Prowadzone są również prace nad implementacją algorytmów SAR w programowalnych układach FPGA.

                  W ramach Programu Badań Stosowanych finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, Instytut Radioelektroniki wspólnie z firmą WB Electronics S.A. realizuje projekt pt. „System radarowego rozpoznania terenu na pokładzie miniaturowego bezpilotowego statku powietrznego”. W ramach projektu prowadzone są prace o charakterze aplikacyjnym, których celem jest opracowanie demonstratora technologii systemu SAR o parametrach pozwalających na zainstalowanie go na pokładzie BSL o miniaturowych rozmiarach. W celu ewaluacji przyjętych rozwiązań oraz oceny właściwego doboru parametrów sensora radarowego, przed jego skonstruowaniem, prowadzone są badania eksperymentalne z wykorzystaniem laboratoryjnego modelu radaru zbudowanego w technologii radia programowalnego w oparciu o uniwersalną platformę pomiarową PXI firmy National Instruments.

                  Radary penetracji gruntu

                    ire-nauka-i-badania-012Radarowa penetracja gruntu (ang. Ground Penetrating Radar – GPR) jest bezinwazyjną techniką badania struktury przypowierzchniowych warstw gleby zwykle o grubości rzędu kilku bądź kilkunastu metrów, choć możliwa jest także detekcja rozległych struktur do głębokości dochodzącej nawet do 1 km (na potrzeby geologii).

                    W Instytucie Radioelektroniki prowadzi się badania teoretyczne i eksperymentalne nad nowymi generacjami georadarów, sygnałami sondującymi, przetwarzaniem sygnałów i danych georadarowych oraz interpretacją otrzymywanych zobrazowań. Instytut dysponuje dwoma laboratoriami badawczymi i sprzętem pomiarowym, na który m.in. składa się pięć jednostek radarowych o różnych zasadach działania, parametrach i możliwościach detekcyjnych. Prowadzi się także prace nad antenami ultraszerokopasmowymi przeznaczonymi do GPR i innych tego typu systemów. Obok prac teoretycznych prowadzone są także liczne nowatorskie eksperymenty w poszukiwaniu nowych zastosowań techniki georadarowej takich jak archeologia czy dendrologia. Na fotografii przedstawiono zdalnie sterowaną platformę wielosensorową wyposażoną w georadar ze schodkową modulacją częstotliwości.

                    Wielokanałowe akustoelektroniczne detektory gazów

                      ire-nauka-i-badania-013Badania w tym zakresie realizowane są we współpracy z Instytutem Chemii WAT. Ich tematyka obejmuje różnorakie aspekty teoretyczne i konstrukcyjne akustoelektronicznych sensorów gazów oraz par substancji chemicznych. Rozwijana technologia pozwala także na szybkie wykrycie i określanie stężenia różnych substancji rozpuszczonych w cieczach, a nawet wykrywanie określonych typów drobnoustrojów, zarówno w otoczeniu gazowym jak i ciekłym. W wersji wielokanałowej urządzenia te pozwalają wykrywać mieszaniny gazów i par, co stanowi podstawę konstrukcji elektronicznych analogów zmysłu powonienia (tzw. e-nosów) lub zmysłu smaku w przypadku detekcji substancji rozpuszczonych w cieczach. Urządzenia te charakteryzują się wysoką szybkością działania i powtarzalnością pomiarów oraz czułościami daleko wyższymi niż ich biologiczne odpowiedniki.

                      Z uwagi na potencjalne możliwości detekcyjne, akustoelektroniczne detektory gazów mogą znaleźć szereg interesujących zastosowań w wojsku, policji, straży granicznej, medycynie, przemyśle (także spożywczym), a także w gospodarstwie domowym. Na fotografii przedstawiono fragment systemu pomiarowego z detektorem ośmiokanałowym (na pierwszym planie).


                      088663

                      Stronę Instytutu przegląda teraz 21 gości